VSEPR和键杂化 — AP 化学
1. VSEPR：位阻数与分子几何构型 ★★☆☆☆ ⏱ 4 min
价层电子对互斥（VSEPR）是预测分子三维形状的核心预测模型，其原理是：带负电的电子域（成键对或孤对电子）相互排斥，会排列为总排斥力最小的结构。键杂化是与之配套的量子力学模型，解释了原子轨道如何混合形成与VSEPR预测形状匹配的等价杂化轨道，解决了未杂化原子轨道取向与观测分子几何构型不匹配的问题。
SN = \text{number of bonding domains } (n) + \text{number of lone pairs on the central atom } (m)
电子域几何构型描述所有电子域（包括成键域和孤对）的排列，而分子几何构型（分子可观测的形状）只描述成键原子的排列。排斥力强度遵循固定顺序：孤对-孤对排斥 > 孤对-成键对排斥 > 成键对-成键对排斥。当存在孤对电子时，这会导致键角偏离理想值。
Exam tip: 绝对不要把多重键计为多个电子域。即便双键/三键电子密度更高，AP考试规则也将它们视为位阻数和几何构型计算中的一个电子域。
2. 键杂化：与位阻数的对应关系 ★★★☆☆ ⏱ 4 min
杂化是中心原子的价层原子轨道（s、p、d）混合，形成能量相等、与VSEPR电子域排列对齐的新杂化轨道，从而使排斥力最小。每个杂化轨道恰好容纳一个电子域（要么是成键对要么是孤对），因此形成的杂化轨道数量等于混合的原子轨道数量，也等于中心原子的位阻数。杂化后剩余的未杂化p轨道形成π键：双键含1个σ键（杂化轨道重叠）+ 1个π键（未杂化p轨道重叠），三键含1个σ键 + 2个π键。
- $SN=2 \rightarrow sp$ (1 s + 1 p mixed, 2 hybrids)
- $SN=3 \rightarrow sp^2$ (1 s + 2 p mixed, 3 hybrids)
- $SN=4 \rightarrow sp^3$ (1 s + 3 p mixed, 4 hybrids)
- $SN=5 \rightarrow sp^3d$ (1 s + 3 p + 1 d, 5 hybrids)
- $SN=6 \rightarrow sp^3d^2$ (1 s + 3 p + 2 d, 6 hybrids)
Exam tip: 一定要通过计算位阻数来确定杂化类型，不要因为碳总共有4个共价键就默认所有碳都是 $sp^3$。带双键的碳只有3个电子域，因此是 $sp^2$，即便它总共有4个共价键。
3. VSEPR例外：扩大八隅体与孤对位置 ★★★★☆ ⏱ 3 min
大多数小的主族分子都遵循基础VSEPR规则，但AP考试常考两种关键例外。第一，只有第三周期及更高周期的中心原子才能有大于4的位阻数（扩大八隅体），因为它们价层有空d轨道可以参与杂化。第二周期元素（Be、B、C、N、O、F）价层只有s和p轨道，因此绝对不可能拥有超过4个电子域，没有例外。第二，对于位阻数为5（三角双锥电子域几何构型），孤对总是占据赤道位而非轴向位，以最小化90°排斥作用。
Exam tip: 对于带孤对的位阻数5结构，一定要先把孤对放在赤道位。默认放在轴向（二维Lewis结构图带来的常见错误）总会得到错误的分子几何构型。
4. AP风格概念检测 ★★★☆☆ ⏱ 3 min
Common Pitfalls
Why: 学生将共价键总数与电子域数量混淆，因为多重键总电子数更多
Why: 学生忘记第二周期元素价层没有可用于杂化混合的d轨道
Why: 学生记住了给定位阻数对应的电子域几何构型，却忘记题目问的是分子形状（只计入成键原子）
Why: 碳几乎总是有4个共价键，因此学生默认所有碳都是 $sp^3$
Why: 学生记住了理想键角，却忘记孤对排斥的影响