# 分子与离子的空间构型

> IB 化学 SL · 结构 3：化学键
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-shapes-of-molecules-and-ions/

本小节讲解如何利用VSEPR理论，根据路易斯结构式预测中性分子和多原子离子的三维空间构型、键角和结构，包括孤对电子排斥作用的影响。

**先修:** [绘制分子和离子的路易斯结构式](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-lewis-structures/); [共价键基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-covalent-bonding/)

## 学习目标

- 应用VSEPR理论预测分子和多原子离子的空间构型
- 从路易斯结构式计算价层电子对数
- 预测并解释孤对电子排斥导致的键角偏差
- 区分电子域构型和分子空间构型

## VSEPR理论基础

**价层电子对互斥（VSEPR）理论** — 一种预测分子和离子三维空间构型的模型，核心原理是：中心原子周围的价层电子对会排布至静电排斥作用最小的位置。

*例:* VSEPR可以正确预测甲烷为正四面体构型，而非平面正方形。

电子域之间的排斥作用遵循固定顺序，这解释了理想键角的偏差：**孤对电子-孤对电子 > 孤对电子-成键电子对 > 成键电子对-成键电子对**。孤对电子更靠近中心原子核，因此占据更大空间，产生更强的排斥作用。

**价层电子对数** — 中心原子周围电子域的总数，等于成键域和孤对电子数之和。无论单键、双键还是三键，都只算作一个成键域。

*例:* 乙烯的中心碳原子有3个成键域（一个双键、两个单键），因此价层电子对数 = 3。

**例题:** 计算二氧化硫（SO₂）中心硫原子的价层电子对数。

1. 1. 画出SO₂的路易斯结构式。中心S与两个O原子成键，含一个双键、一个单键，S上有一对孤对电子。
2. 2. 统计电子域：两个化学键各算一个域，再加一对孤对电子。
3. 3. 总价层电子对数 = 2个成键域 + 1对孤对电子 = 3。

> **考试提示:** 切勿将双键或三键中的每个键分开算作独立电子域。这是Paper 1选择题中最常见的错误。

*计算器:* forbidden

## 价层电子对数2-4对应的常见空间构型

IB SL化学要求你掌握价层电子对数为2、3、4时中心原子的所有常见构型。电子域构型描述所有电子域（包括孤对电子）的排布，而分子空间构型仅描述原子的排布。

| 价层电子对数 | 孤对电子数 | 电子域构型 | 分子空间构型 | 理想键角 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 2 | 0 | 直线形 | 直线形 | 180° |
| 3 | 0 | 平面三角形 | 平面三角形 | 120° |
| 3 | 1 | 平面三角形 | V形（角形） | ~117° |
| 4 | 0 | 四面体 | 正四面体 | 109.5° |
| 4 | 1 | 四面体 | 三角锥形 | ~107° |
| 4 | 2 | 四面体 | V形（角形） | ~104.5° |

**例题:** 预测硝酸根离子（NO₃⁻）的分子空间构型和理想键角。

1. 1. 画出路易斯结构式：中心N原子，连接3个成键域到O原子，N上没有孤对电子。
2. 2. 价层电子对数 = 3个成键域 + 0对孤对电子 = 3。
3. 3. 价层电子对数为3且孤对电子数为0时，分子空间构型为平面三角形，理想键角为120°。

> **考试提示:** 除非题目明确要求解释键角偏差，否则你只需要给出取整后的键角，或是理想值即可。

*计算器:* forbidden

## 多原子离子的VSEPR分析

VSEPR规则应用于多原子离子时和中性分子完全一致。唯一的区别是，在绘制正确的路易斯结构式统计总价电子数时，你必须考虑离子电荷。

> **info**
>
> 统计总价电子数时，阴离子每带一个单位负电荷增加一个电子，阳离子每带一个单位正电荷减少一个电子。

**例题:** 预测水合氢离子（H₃O⁺）的分子空间构型。

1. 1. 统计总价电子数：O有6个 + 3个H共3个 - 1个（因为带+1电荷）= 总电子数为8。
2. 2. 画出路易斯结构式：中心O原子，形成3个O-H键，O上有1对孤对电子。
3. 3. 价层电子对数 = 3个成键域 + 1对孤对电子 = 4。
4. 4. 价层电子对数为4、孤对电子数为1时，分子空间构型为三角锥形。

*计算器:* forbidden

## 分步预测方法

1. 统计总价电子数，根据离子电荷调整电子数。
2. 画出正确的路易斯结构式，确定中心原子。
3. 统计中心原子上的成键域数量和孤对电子数。
4. 计算价层电子对数 = 成键域数 + 孤对电子数。
5. 根据价层电子对数和孤对电子数对应得到分子空间构型和键角。

**例题:** 解释为什么氨（NH₃）中的H-N-H键角为107°，而非109.5°。

1. 1. NH₃的中心N原子价层电子对数为4：3个成键域和1对孤对电子。
2. 2. 价层电子对数为4时，理想四面体键角为109.5°。
3. 3. N上的孤对电子对N-H成键对的排斥作用强于成键对之间的相互排斥。
4. 4. 这种更强的排斥作用将成键对挤得更近，使键角缩小到约107°。

> **考试提示:** 一定要优先考虑电荷。阴离子漏加额外电子会导致孤对电子数统计错误，最终得到错误的构型。

*计算器:* forbidden

## 常见错误

- **错误做法:** 将双键/三键中的每个键算作独立的电子域
  - 原因: 这会得到错误的价层电子对数，导致错误的构型和键角
  - 正确做法: 任何共价键（单键、双键、三键）都只算作一个电子域
- **错误做法:** 忘记根据离子电荷调整价电子数
  - 原因: 这会导致中心原子的孤对电子数错误，改变预测的构型
  - 正确做法: 统计总价电子数时，每单位负电荷加一个电子，每单位正电荷减一个电子
- **错误做法:** 混淆电子域构型和分子空间构型
  - 原因: 考试题目几乎总是要求给出分子空间构型（即原子的构型，而非电子域的）
  - 正确做法: 仅根据原子的排布命名构型，忽略中心原子上的孤对电子
- **错误做法:** 认为所有价层电子对数为4的分子键角都是109.5°
  - 原因: 孤对电子会缩小键角，因此只有不含孤对电子的分子才有精确的理想键角
  - 正确做法: 三角锥形构型用约107°，V形价层电子对数为4的分子用约104.5°
- **错误做法:** 多个中心原子的分子只计算一个价层电子对数
  - 原因: 每个中心原子都根据自身电子数有独立的构型
  - 正确做法: 对于含多个中心原子的多原子分子，分别预测每个中心原子周围的构型

## 速查表

| 价层电子对数 | 孤对电子数 | 分子空间构型 | 键角 |
| --- | --- | --- | --- |
| 2 | 0 | 直线形 | 180° |
| 3 | 0 | 平面三角形 | 120° |
| 3 | 1 | V形 | ~117° |
| 4 | 0 | 正四面体 | 109.5° |
| 4 | 1 | 三角锥形 | ~107° |
| 4 | 2 | V形 | ~104.5° |

## 下一步

理解分子空间构型是预测分子极性的基础，而分子极性又决定了分子间作用力的强度，以及化合物的物理性质（沸点、溶解度等）。本主题也是整个有机化学的基础，有机分子的三维空间构型决定了它们的反应性和生物活性。接下来，你将拓展空间构型的知识，学习构型如何影响极性和分子间相互作用，这两个都是IB化学SL考试中占比很高的考点。

- [分子间作用力](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-intermolecular-forces/)
- [金属键](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-metallic-bonding/)

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