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分子三维构型:电子对说了算

从直线形 COX2\ce{CO2} 到八面体 SFX6\ce{SF6},对所有 AXₙEₘ 骨架开关孤对电子,观察键角被压缩。

所选 AXₙEₘ 类别的交互式 3D 球棍模型;开关可显示半透明孤对电子。

目标

把每个形状编号对应到构型名称、理想键角和真实分子;解释孤对电子为何压缩键角。

仪器与试剂

下方 3D 视图和打印的十种 VSEPR 类别(AX₂ 到 AX₆,含 E 变体)表。

步骤

  1. 隐藏孤对,依次看形状 0→3(直线形、平面三角形、四面体),记录键角 180°、120°、109.5°。
  2. 继续看形状 4–6(三角双锥、跷跷板形、平面正方形系列),分辨轴向与赤道位。
  3. 现在在每一步打开孤对:对比 AX₂E₂(HX2O\ce{H2O},V 形)与 AX₂(COX2\ce{CO2},直线形)、AX₃E(NHX3\ce{NH3},锥形)与 AX₃(BFX3\ce{BF3},平面形)。
  4. 任选三种真实分子,先预测形状编号和键角,再用视图验证。

观察要点

  • 显示孤对后键角低于理想值:NHX3\ce{NH3} 为 107°,HX2O\ce{H2O} 为 104.5°,SFX4\ce{SF4} 型跷跷板形小于 90°。
  • 壳层每增加一对电子,配体就移到新的最大间距构型——决定形状的是电子对数,而非原子数。

讲解

VSEPR 计算中心原子周围的电子对域;电子对互相排斥并取最大间距。孤对比成键对占据更大的角空间(只属于一个原子核),所以每个 E 使 X–A–X 角缩小约 2–3°。因此 HX2O\ce{H2O}(104.5°)比 NHX3\ce{NH3}(107°)更小,后者又比 CHX4\ce{CH4}(109.5°)小。

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