同學 這個單元我們將帶大家認識什麼是價殼層電子對互斥原理 以及微觀世界中的分子形狀 有機化合物中的順-2-丁烯與反-2-丁烯 二者互為同分異構物 但順-2-丁烯的熔點比反-2-丁烯的熔點低上許多 想一想 二者的組成元素都一樣 分子式同樣為C₄H₈ 分子量也相同 到底是什麼因素造成二者熔點有明顯的差異呢？ 由分子結構式來看 可以看出二者有明顯不同的地方 因此我們可以推測 分子的結構與其性質間 有一定的關聯性 所以預測分子的形狀 就成為化學家關注的一個焦點 分子的形狀要怎麼預測呢？ 像是氫氣、氧氣、氮氣、氯化氫 這些僅由二個原子以共價鍵組成的分子 可以直接判斷分子的形狀為直線形 那麼由三個原子以共價鍵組成的分子 又是什麼形狀呢? 二氧化碳和臭氧都是三原子分子 但二者的形狀卻有明顯的差異 我們該如何簡單且快速地預測由3個以上原子所組成的分子形狀呢? 我們可以運用價殼層電子對互斥理論 簡稱VSEPR理論 來預測分子形狀 只要瞭解價電子的鍵結方式 就可以來進行形狀的預測囉 VSEPR理論認為分子或離子中 圍繞在中心原子的電子對 包括鍵結電子對及孤對電子 應該要盡量彼此遠離 使電子對間的斥力降至最低 例如二氧化碳的分子形狀若是呈角形時 其鍵結電子對之間的斥力 會大於直線排列的實際結構 也就是依照VSEPR理論 分子或離子中 如果中心原子周圍若具有兩對鍵結電子對 為了將斥力降至最低 電子對會呈直線形排列 若具有三對鍵結電子對時 為了將斥力下降 分子形狀則會是平面三角形 若是具有四對鍵結電子對 則會呈現四面體形狀 不論是單鍵、多鍵或孤對電子 皆可視為一個電子群 所以應用VSEPR理論時 僅需要考慮中心原子週圍的電子群數目即可 然而在描述分子的形狀時 只需要說明中心原子與其鍵結原子的相對位置關係 不必把孤對電子也描述出來 舉例來說 儘管在這兩個分子的中心原子周圍 電子群的孤對電子數不同 但在描述分子形狀時 都會被稱為彎曲形 我們可以將單中心分子或離子表示成AXmEn 其中A為中心原子 X表示鍵結原子 也就是中心原子所連接的原子 而m則是鍵結電子群數目 也就是周圍原子的數量 E則表示孤對電子 n則為孤對電子群的數量 對於單中心分子或離子來說 中心原子通常是電負度較小的原子 但要注意 由於氫原子僅能形成一根共價鍵 所以氫原子不能作為中心原子 至於孤對電子群數量的求法 為「中心原子族數」減「周圍原子價數」 再減去「電荷數」後 除以2 例如：硝酸根離子 中心原子為氮 周圍原子為氧 氮為VA族 具有5個價電子 而氧為VIA族 需要氮原子提供2個價電子 以滿足八隅體 另外由於負電荷在其中一個氧原子上 因此只需氮原子提供1個價電子 就可以滿足氧成為八隅體 所以我們可以推測中心原子氮不具有孤對電子 可將其分類為AX₃ 在三氯化磷的例子裡 中心原子為磷 周圍原子則為氯 磷是VA族 具有5個價電子 而氯為VIIA族 所以需要磷原子提供1個價電子 以滿足八隅體 所以可推測中心原子磷具有1對孤對電子 可分類為AX₃E₁ 接著來討論一下中心原子周圍電子群的數目與分子形狀間的關係 如果中心原子周圍電子群的數目為2 當兩電子群之間的夾角為180°時 斥力最小 因此分子形狀為直線形 分類為AX₂ 例如：氯化鈹中 鈹為IIA族 孤對電子數n等於2減去「氯原子價數1」乘以2 之後再除以2 結果等於0 也就是鈹的周圍沒有孤對電子 所以氯化鈹的形狀為直線形 如果中心原子周圍電子群的數目等於3 而且周圍原子數目也是3時 可以推測 當共價鍵形成時 這些電子群圍繞中心原子形成平面三角形時的斥力最小 分類為AX₃ 例如：三氟化硼中 硼為IIIA族 孤對電子數n等於3減掉1乘3後 再除以2 結果等於0 也就是硼的周圍沒有孤對電子 因此三氟化硼為平面三角形分子 如果中心原子周圍的三個電子群中 其中一個電子群為孤對電子 分子形狀則稱為彎曲形或角形 分類為AX₂E₁ 例如：二氧化硫中 硫為VIA族 孤對電子數n等於6減掉2乘2 後再除以2 結果等於1 所以二氧化硫為彎曲形或角形分子 如果中心原子周圍電子群的數目等於4 而且周圍原子數目也是4時 這四個電子群在中心原子周圍形成四面體形時的斥力最小 分類為AX₄ 例如：甲烷為CH₄ 中心原子碳為IVA族 孤對電子數n等於4減掉1乘4 再除以2後 結果等於0 所以可知甲烷為四面體形分子 如果中心原子周圍的四個電子群中 其中一個電子群為孤對電子 則分子形狀稱為角錐形 分類為AX₃E₁ 例如：氨氣NH₃的中心原子氮為VA族 孤對電子數n等於5減掉1乘3 再除以2後 結果等於1 所以氨氣為角錐形分子 但若是四個電子群圍繞著中心原子 但其中有兩個電子群為孤對電子時 分子形狀稱彎曲形或角形 分類為AX₂E₂ 例如：水分子H₂O的中心原子氧為VIA族 孤對電子數n等於6減掉1乘2 再除以2後 結果等於2 所以水分子為彎曲形或角形分子 接下來我們要討論 孤對電子與鍵角的關係 中心原子若具有孤對電子時 因為孤對電子會受到中心原子核吸引力的影響 因此會較為接近中心原子核 但對鍵結電子則不同 由於鍵結電子同時受到中心原子核及周圍原子核的吸引 所以與孤對電子相比 其分布會較為遠離中心原子核 由距離的遠近可以推論出電子對斥力大小的關係為 孤對電子之間的斥力 大於孤對電子和鍵結電子對間的斥力 大於鍵結電子對之間斥力 也就是lp-lp斥力>lp-bp斥力>bp-bp斥力 因為斥力的不同 使得孤對電子會占有較大的空間 因此會壓縮分子的鍵角 例如 對同樣具有四個電子群的甲烷 氨氣以及水分子來說 其鍵角會隨著孤電子對愈多而變小 運用VSEPR理論可以預測單中心分子或離子的形狀 請將分子或離子以AXmEn分類來完成下表中的內容 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 運用VSEPR理論 可以判斷第二、三週期元素所形成的單中心分子或離子的形狀 同學們 關於VSEPR理論 你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區與我們分享你的學習心得 我們下次見