劉宗懷，何學(xué)俠，陳沛，石峰

陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710119

1 引言

結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是人類認(rèn)識(shí)和研究開發(fā)新物質(zhì)的永恒主題，物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)，性質(zhì)是結(jié)構(gòu)特征的具體反映。無機(jī)化學(xué)是大學(xué)生接觸的第一門化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程，原子結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容幫助學(xué)生打開了認(rèn)識(shí)微觀世界的大門，而分子結(jié)構(gòu)則開啟了學(xué)生探索微觀世界和宏觀世界的通道，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)的重要教學(xué)內(nèi)容之一。因此，對(duì)分子結(jié)構(gòu)知識(shí)的正確理解和掌握是學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解化合物的基礎(chǔ)，而共價(jià)鍵理論是分子結(jié)構(gòu)形成和化學(xué)知識(shí)體系構(gòu)建的樞紐，對(duì)學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的學(xué)習(xí)和掌握有著重要的影響[1]。

共價(jià)鍵理論是三種化學(xué)鍵理論之一，價(jià)層電子形成共用電子對(duì)是表現(xiàn)形式，而基于原子軌道或者電子云重疊程度不同而導(dǎo)致的化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)顯著差別是本質(zhì)[2]。在共價(jià)鍵理論的形成過程中，先后發(fā)展形成了經(jīng)典價(jià)鍵理論及現(xiàn)代價(jià)鍵理論(四種典型理論)模型用于解釋分子或離子的構(gòu)型及共價(jià)鍵形成本質(zhì)。國內(nèi)外無機(jī)化學(xué)現(xiàn)有教材體系，主要以共價(jià)鍵理論提出和問題解決時(shí)間為線索進(jìn)行教學(xué)順序編排。1916年，美國化學(xué)家Lewis依據(jù)同種元素原子之間及電負(fù)性相近的不同元素原子之間可以通過共用電子對(duì)形成分子，將通過共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵稱為共價(jià)鍵，提出了經(jīng)典共價(jià)鍵理論，初步解釋了一些簡(jiǎn)單非金屬原子間形成共價(jià)分子或離子過程，明確表示了共價(jià)鍵和離子鍵的區(qū)別[3]。20世紀(jì)30年代初，量子力學(xué)的逐步建立為共價(jià)鍵理論發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，開辟了描述共價(jià)鍵本質(zhì)的現(xiàn)代價(jià)鍵理論新時(shí)代。1927年，德國化學(xué)家Heitle和London應(yīng)用量子力學(xué)，通過計(jì)算兩個(gè)自旋相反和自旋平行的氫原子所構(gòu)成的基態(tài)分子和排斥態(tài)分子的電子云分布，成功指出H2分子形成過程本質(zhì)是電子云在兩原子核間重疊而導(dǎo)致體系能量降低。共價(jià)鍵的結(jié)合力是兩個(gè)原子核對(duì)共用電子對(duì)形成的負(fù)電區(qū)域吸引力，而不是陰、陽離子之間的庫侖作用力，簡(jiǎn)明闡述了簡(jiǎn)單分子共價(jià)鍵形成的過程和本質(zhì)[4]。1930年，美國化學(xué)家Pauling采用量子力學(xué)對(duì)H2分子成鍵過程的共價(jià)鍵本質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步分析，說明了共價(jià)鍵的方向性和飽和性，但對(duì)于一些多原子分子共價(jià)鍵的形成過程及分子空間構(gòu)型不能得到充分而合理的解釋。1931年，為了充分說明多原子分子共價(jià)鍵形成過程及分子空間構(gòu)型，Pauling提出了雜化軌道理論，較為直觀地闡明了多原子分子共價(jià)鍵形成過程和分子或離子空間構(gòu)型，為闡明一些多原子分子或離子空間構(gòu)型提供了新途徑[5]。依據(jù)雜化軌道理論，科學(xué)家較為合理地解釋了一些多原子分子或離子中共價(jià)鍵的方向性和空間構(gòu)型。盡管雜化軌道理論對(duì)于分子或離子形成過程給予了清晰說明，但在處理多原子分子共價(jià)鍵形成過程和分子或離子空間構(gòu)型時(shí)常常感到困惑，即不能清晰確定分子或離子中中心原子雜化類型，使得該理論應(yīng)用受到限制。1940年，為了解決雜化軌道理論難以確定一個(gè)分子具有哪種構(gòu)型以及中心原子發(fā)生哪種雜化的困難，Sidgwick提出概念簡(jiǎn)單、又能比較準(zhǔn)確判斷分子構(gòu)型及雜化方式的理論模型，隨后經(jīng)過科學(xué)家Gillespie等加以發(fā)展修正，逐步形成了定性判斷分子結(jié)構(gòu)的價(jià)層電子對(duì)互斥理論(VSEPR)，開啟了科學(xué)工作者定性研究分子結(jié)構(gòu)新階段[6]。

VSEPR理論的最大優(yōu)勢(shì)是比較簡(jiǎn)單，容易理解和學(xué)習(xí)掌握，特別是對(duì)于絕大多數(shù)ABn型簡(jiǎn)單共價(jià)分子或離子幾何構(gòu)型可以做出較為準(zhǔn)確的推測(cè)和判斷。相比雜化軌道理論只能解釋已知幾何構(gòu)型簡(jiǎn)單共價(jià)分子或離子幾何構(gòu)型，VSEPR是判斷未知簡(jiǎn)單共價(jià)分子或離子幾何構(gòu)型的有效手段，因而在大部分教材體系中均有講授，受到了教師和學(xué)生的普遍認(rèn)可。但是，筆者在VSEPR理論教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，目前無機(jī)化學(xué)教材及教學(xué)體系在編排VSEPR教學(xué)內(nèi)容時(shí)，存在教學(xué)內(nèi)容安排隨意、理論本質(zhì)描述不深入、各種假設(shè)和未說明因素較多、教學(xué)順序不符合認(rèn)知規(guī)律等問題，使得學(xué)生對(duì)于該理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用產(chǎn)生諸多困惑，學(xué)習(xí)效果大打折扣。為此，在教學(xué)實(shí)踐過程中，針對(duì)VSEPR理論教學(xué)過程中存在的一些認(rèn)知困惑，我們對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)踐，取得了較為滿意的教學(xué)效果。

2 VSEPR理論教學(xué)過程中的幾個(gè)盲區(qū)

2.1 電子對(duì)相互排斥機(jī)理闡述不明確

現(xiàn)有大部分無機(jī)化學(xué)教材對(duì)于VSEPR理論的描述是：分子或離子的幾何構(gòu)型由中心原子或離子周圍的價(jià)層電子對(duì)決定，且電子對(duì)總是采取排斥作用最小的幾何構(gòu)型，以達(dá)到體系的能量保持最低。價(jià)層電子對(duì)包括成鍵電子對(duì)和孤電子對(duì)，當(dāng)知道成鍵電子對(duì)和孤電子對(duì)數(shù)目時(shí)，即可判斷分子或離子的幾何構(gòu)型[2,3,7]。教材如此描述的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生感覺該理論簡(jiǎn)單、容易理解，是非常實(shí)用的判斷分子或離子空間構(gòu)型的有效手段。但是，大多數(shù)無機(jī)化學(xué)教材中電子對(duì)相互排斥力機(jī)理未能清楚闡明，學(xué)生的誤區(qū)是電子帶負(fù)電荷，因而電子對(duì)之間的排斥力就是靜電排斥作用力。

Gillespie在提出VSEPR理論時(shí)就明確指出，VSEPR的理論基礎(chǔ)是Pauli不相容原理，即在空間排布中自旋相同的電子盡可能地彼此遠(yuǎn)離，VSEPR相互排斥力主要來自與自旋相關(guān)Pauli效應(yīng)產(chǎn)生的Pauli斥力和靜電相關(guān)的靜電斥力兩部分作用力[8]。依據(jù)Pauli不相容原理，當(dāng)自旋相反的電子相互靠近時(shí)趨向形成能量降低的Pauli穩(wěn)定效應(yīng)，而當(dāng)自旋同向的電子間軌道回避的量子效應(yīng)產(chǎn)生Pauli斥力。通常，Pauli斥力大小與自旋同向電子間距離的8-10次方成反比，而靜電斥力與同性電荷之間距離的2次方成反比[9]。即與靜電斥力相比，Pauli斥力是化學(xué)鍵范圍的近程相互作用力，因而通常可以不考慮由該斥力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)因素，即形成了目前大多數(shù)認(rèn)為靜電斥力是決定簡(jiǎn)單共價(jià)分子或離子空間構(gòu)型的主要力量。但是，在簡(jiǎn)單共價(jià)分子中心原子周圍很小的范圍內(nèi)，正是Pauli斥力起決定作用的有效距離，使得Pauli斥力比靜電斥力顯得更加重要。即使自旋相反的一對(duì)價(jià)電子在配體作用下共居于同一定域軌道內(nèi)，Pauli斥力仍然迫使定域軌道間有盡可能遠(yuǎn)的間隔，是VSEPR相互排斥的主要原因。隨著距離的不斷增大，Pauli斥力急劇下降，即只有在VSEPR近程作用時(shí)，Pauli斥力是主要作用力，而當(dāng)價(jià)層電子對(duì)相對(duì)遠(yuǎn)時(shí)，則靜電斥力成為主要考慮的影響因素。因此，在進(jìn)行VSEPR理論教學(xué)過程中，應(yīng)該給學(xué)生講清楚VSEPR理論電子對(duì)排斥力的本質(zhì)，不能使學(xué)生簡(jiǎn)單理解電子對(duì)之間的排斥力就是靜電排斥作用力，要讓學(xué)生明確Pauli不相容原理是近程作用時(shí)廣泛適用的基本性質(zhì)，價(jià)層電子對(duì)在化學(xué)鍵范圍作用時(shí)主要考慮Pauli斥力，而當(dāng)相互作用距離大于化學(xué)鍵范圍時(shí)，靜電斥力則成為主要考慮因素。

2.2 氧原子作為端位原子不提供價(jià)電子等假設(shè)難理解

VSEPR理論指出，對(duì)于ABn構(gòu)型的簡(jiǎn)單分子或離子，中心原子A的價(jià)電子(即最外層)電子對(duì)彼此排斥而盡可能地遠(yuǎn)離，最終形成高度對(duì)稱的空間排布結(jié)構(gòu)。分子中除了電子對(duì)間的排斥力之外，所有電子對(duì)還受到A、B原子核的吸引力，當(dāng)吸引力和排斥力達(dá)到平衡時(shí)，價(jià)層電子對(duì)的位置得到確定，且價(jià)層電子對(duì)在中心原子周圍排布情況與價(jià)層電子對(duì)數(shù)目有關(guān)。因此，確定中心原子(或離子)周圍價(jià)層電子對(duì)數(shù)目，對(duì)于利用VSEPR判斷分子或離子空間構(gòu)型非常重要。

目前，大多數(shù)無機(jī)化學(xué)教材對(duì)于確定中心原子(或離子)價(jià)層電子對(duì)方法統(tǒng)一性不足，導(dǎo)致計(jì)算方法多樣性及各種假設(shè)條件存在，而比較直觀且普遍的確定方法是直接規(guī)定給出價(jià)層電子對(duì)數(shù)(Z)的計(jì)算公式[10]，即Z= (a+nb±y)/2，其中a為中心原子A的價(jià)電子數(shù)，n為H、鹵素、O、S等端位原子數(shù)，b為端位原子提供的電子數(shù)，y為離子所帶電荷數(shù)，陽離子為“-”而陰離子為“+”。該式的物理意義是中心原子周圍的總價(jià)層電子數(shù)等于中心原子的基態(tài)價(jià)層電子數(shù)和端位原子提供的價(jià)層電子數(shù)之和。在該價(jià)層電子對(duì)數(shù)計(jì)算規(guī)則中，計(jì)算端位原子提供電子數(shù)時(shí)規(guī)定，H和鹵素為1，而O和S為端位原子時(shí)不提供價(jià)電子，而作為中心原子時(shí)提供6個(gè)價(jià)電子[11]。這種直接規(guī)定計(jì)算價(jià)層電子對(duì)數(shù)方法非常簡(jiǎn)單，當(dāng)確定了中心原子和端位原子后，應(yīng)用規(guī)定原則就能方便地計(jì)算出價(jià)層電子總數(shù)，從而容易確定分子(或離子)的空間構(gòu)型。但是，這樣的規(guī)定常常給學(xué)生造成困惑，即為什么鹵族原子為端位原子只提供1個(gè)價(jià)電子，而O及其氧族原子為端位原子時(shí)又不提供價(jià)電子，且N和C作為端位原子時(shí)提供的價(jià)電子數(shù)也沒有明確說明，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程中認(rèn)為該理論嚴(yán)謹(jǐn)度不夠、隨機(jī)性大和難以理解。

2.3 VSEPR理論與雜化軌道理論本質(zhì)區(qū)別闡述不清晰

在現(xiàn)代價(jià)鍵理論教學(xué)過程中，基于VSEPR理論在預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單共價(jià)分子或離子空間構(gòu)型上的可有效操作性及雜化軌道理論對(duì)于分子或離子空間構(gòu)型確定的相對(duì)圓滿性，授課老師通常是先用VSEPR理論預(yù)測(cè)分子或離子的空間構(gòu)型，本著VSEPR理論預(yù)測(cè)的空間構(gòu)型就是相應(yīng)分子或離子中中心原子雜化軌道形狀的誤解，再應(yīng)用雜化軌道理論解釋所預(yù)測(cè)分子或離子的空間構(gòu)型，對(duì)于大部分主族元素構(gòu)成的分子或離子確定構(gòu)型得到了較為圓滿的結(jié)果。即先用VSEPR理論預(yù)測(cè)空間構(gòu)型，再用雜化軌道理論進(jìn)行分析解釋，能夠比較圓滿地預(yù)測(cè)和解釋分子或離子的空間構(gòu)型。

但是，這樣的教學(xué)處理過程容易導(dǎo)致學(xué)生將VSEPR理論與雜化軌道理論相混淆，不能分辨兩種理論的本質(zhì)區(qū)別。雜化軌道理論的優(yōu)勢(shì)是能夠直觀地解釋共價(jià)鍵的方向性和分子的空間構(gòu)型，缺陷是不能確定分子的雜化類型。而VSEPR理論可以簡(jiǎn)單明了地解釋、判斷和預(yù)測(cè)分子的空間構(gòu)型，可用于判斷分子的雜化類型，缺陷是不能解釋共價(jià)鍵的形成過程，也不能區(qū)分單鍵、雙鍵和叁鍵。因此，對(duì)于已知空間構(gòu)型的分子或離子，應(yīng)用雜化軌道理論可以清楚解釋其成鍵過程，而對(duì)于分子或離子空間構(gòu)型預(yù)測(cè)顯得不足。相反，VSEPR理論主要依據(jù)價(jià)層電子對(duì)相互排斥這一主要因素，再結(jié)合分子或離子幾何知識(shí)對(duì)其空間構(gòu)型進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，VSEPR理論不考慮中心原子雜化軌道形狀，僅僅依據(jù)價(jià)層電子對(duì)數(shù)目及幾何知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)分子或離子空間構(gòu)型預(yù)測(cè)。因此，兩種理論既有緊密聯(lián)系而又有本質(zhì)上的區(qū)別。

3 價(jià)層電子對(duì)互斥理論教學(xué)實(shí)踐優(yōu)化

3.1 明確端位原子提供價(jià)電子數(shù)的規(guī)定原因

根據(jù)中心原子族數(shù)及端位原子提供的電子數(shù)確定價(jià)層電子對(duì)數(shù)，再依據(jù)中心原子周圍的價(jià)層電子對(duì)之間排斥力最小，是目前許多無機(jī)化學(xué)教材推測(cè)簡(jiǎn)單分子(或離子)空間構(gòu)型的主要處理方法[3,4,12]。在VSEPR理論教學(xué)過程中，我們也依據(jù)該定義規(guī)則，即中心原子提供的價(jià)電子數(shù)為其價(jià)層電子數(shù)，鹵族原子和氫原子作為端位原子時(shí)提供1個(gè)價(jià)電子，O原子為端位原子時(shí)不提供價(jià)電子，通過簡(jiǎn)單計(jì)算確定價(jià)層電子對(duì)總數(shù)，從而判斷分子或離子的空間構(gòu)型。但是，在應(yīng)用該方法進(jìn)行簡(jiǎn)單分子(或離子)空間構(gòu)型判斷過程中，學(xué)生的最大困惑是為什么直接規(guī)定鹵族原子作為端位原子提供1個(gè)價(jià)電子，而O原子為端位原子不提供價(jià)電子？且未能進(jìn)行這些規(guī)定的原因說明。因此，教學(xué)過程中進(jìn)一步說明O原子為端位原子時(shí)不提供價(jià)電子的規(guī)定原因，是學(xué)生學(xué)習(xí)和進(jìn)一步理解VSEPR理論必不可少的環(huán)節(jié)。為此，教學(xué)過程中，我們?cè)诟鶕?jù)中心原子周圍價(jià)層電子對(duì)數(shù)判斷分子(或離子)空間構(gòu)型的基礎(chǔ)上，依據(jù)學(xué)生掌握的Lewis八隅律共用電子對(duì)理論，即氫原子周圍需要2個(gè)電子而非氫原子周圍需要8個(gè)電子才能達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的知識(shí)，并參考其他學(xué)者對(duì)于O原子為端位原子不提供價(jià)電子的討論和應(yīng)用實(shí)例[13-15]，通過計(jì)算不同主族元素為端位原子時(shí)的價(jià)層電子對(duì)數(shù)，向?qū)W生說明O原子作為端位原子不提供價(jià)電子的規(guī)定原因。

首先我們從定性角度對(duì)于O原子作為端位原子不提供價(jià)電子規(guī)定進(jìn)行了分析說明。在經(jīng)典價(jià)鍵理論中，氧族元素原子作配體時(shí)有2種情況，第一種情況是氧族元素原子單純接受中心原子1對(duì)價(jià)電子形成配位鍵，那么氧族元素原子自然不提供價(jià)電子；第二種情況是O原子與中心原子之間形成雙鍵(1個(gè)σ鍵和1個(gè)π鍵)，即氧族元素原子提供了2個(gè)價(jià)電子用于成鍵。但是在應(yīng)用VSEPR理論判斷分子或(離子)空間構(gòu)型時(shí)，主要考慮σ鍵數(shù)而不考慮π鍵數(shù)，這樣原子O實(shí)際只貢獻(xiàn)1個(gè)電子，但是π鍵形成卻又額外消耗了中心原子1個(gè)價(jià)電子，因而總體上相當(dāng)于氧族元素作為端位原子沒有提供價(jià)電子。

同時(shí)，我們也借助Lewis八隅律穩(wěn)定結(jié)構(gòu)規(guī)律，通過簡(jiǎn)單計(jì)算進(jìn)一步說明該規(guī)定的原因。對(duì)于ABn型簡(jiǎn)單分子，中心原子A的價(jià)電子數(shù)為a，n個(gè)端位原子B的價(jià)電子數(shù)各為b，中心原子A的價(jià)電子對(duì)數(shù)包括成對(duì)電子數(shù)和未成對(duì)電子數(shù)。依據(jù)Lewis八隅律穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征，端位原子為8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的非H原子，其端位原子個(gè)數(shù)可確定中心原子的成對(duì)電子數(shù)為n，而未成對(duì)電子對(duì)數(shù)可由中心原子和端位原子提供的總價(jià)電子數(shù)之和減去端位原子8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)電子數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其值為I= (a+nb- 8n)/2。因此，中心原子A的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為：m= 成對(duì)電子數(shù)(n) + 未成對(duì)電子數(shù)(I) =n+ (a+nb- 8n)/2 =(a+ (b- 6)·n)/2，即ABn型簡(jiǎn)單分子(或離子)的價(jià)電子由中心原子價(jià)電子數(shù)a及n個(gè)端位原子提供的價(jià)電子數(shù)b- 6組成。對(duì)于端位原子為氧族元素如O和S時(shí)，其提供的價(jià)電子數(shù)為6 - 6 = 0；當(dāng)鹵族原子為端位原子時(shí)，其提供的價(jià)電子數(shù)為7 - 6 = 1；而拓展到氮族原子為端位原子時(shí)，則其提供的價(jià)電子數(shù)為5 - 6 = -1。因此，依據(jù)定義規(guī)則計(jì)算價(jià)層電子對(duì)數(shù)時(shí)，賦予了如O原子為端位原子時(shí)不提供價(jià)電子，使得學(xué)生理解O為端位原子不提供價(jià)電子的規(guī)定原因，釋疑了學(xué)生對(duì)于該問題的疑問和困惑。

3.2 O原子位置及成鍵類型對(duì)分子(或離子)結(jié)構(gòu)影響

VSEPR理論在預(yù)測(cè)判斷簡(jiǎn)單ABn型分子(或離子)構(gòu)型時(shí)，在O原子為端位原子時(shí)不提供價(jià)電子規(guī)定基礎(chǔ)上，通過計(jì)算中心原子A周圍的價(jià)層電子對(duì)數(shù)目，取得了對(duì)許多分子(或離子)空間構(gòu)型較為滿意的預(yù)測(cè)判斷，為學(xué)習(xí)者理解分子(或離子)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)提供了有益的信息。對(duì)于簡(jiǎn)單ABn分子(或離子)，中心原子A與端位原子僅通過σ鍵形成的分子(或離子)，VSEPR理論預(yù)測(cè)其空間構(gòu)型具有絕對(duì)的準(zhǔn)確性。但是，中心原子A與端位O原子結(jié)合形成分子(或離子)時(shí)，分子(或離子)的空間構(gòu)型判斷需要根據(jù)O原子所處位置及其成鍵類型綜合分析。

通常，兩種情況需要給予高度關(guān)注，一是O原子為端位原子時(shí)，盡管根據(jù)O原子不提供價(jià)電子可以判斷得到分子(或離子)的空間構(gòu)型，但需要充分說明在這種情況下，O原子一般是通過雙鍵或大π鍵與中心原子相連，而由于雙鍵中的π鍵或大π鍵對(duì)分子骨架結(jié)構(gòu)影響較小，分子結(jié)構(gòu)主要由σ鍵構(gòu)成的骨架決定，從而才能得出中心原子周圍價(jià)層電子對(duì)數(shù)與其分子構(gòu)型一致的結(jié)論，否則可能得到不合適的結(jié)果。如對(duì)于CO2、SO3、分子的空間構(gòu)型預(yù)測(cè)時(shí)，如果不考慮中心原子與端位O原子之間的雙鍵或大π鍵，僅僅根據(jù)O原子為端位原子不提供價(jià)電子，將導(dǎo)致計(jì)算得到的中心C原子周圍的價(jià)層電子對(duì)數(shù)目為2，SO3和中心原子周圍的價(jià)電子對(duì)數(shù)均為3。即雖然通過O原子為端位原子不提供價(jià)電子規(guī)定可以簡(jiǎn)單計(jì)算中心原子周圍的價(jià)層電子對(duì)數(shù)，依據(jù)該價(jià)層電子對(duì)數(shù)可以判斷得到分子(或離子)相對(duì)應(yīng)的空間構(gòu)型，但是中心原子周圍的實(shí)際電子對(duì)數(shù)及其物理意義不完整。因此，將VSEPR理論用于諸如CO2與SO3等O原子為端位原子的分子空間構(gòu)型判斷時(shí)，要給學(xué)生講清分子空間構(gòu)型與其實(shí)際結(jié)構(gòu)的本質(zhì)差別。二是當(dāng)中心原子A與非端位原子O如—OH鍵合時(shí)，O原子不提供價(jià)電子的規(guī)定就不能適用。盡管應(yīng)用O原子為端位原子不提供價(jià)電子的規(guī)定，可以計(jì)算得到如離子中心S原子周圍價(jià)電子對(duì)數(shù)為4，判斷該離子空間構(gòu)型為正四面體。但是，在離子結(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)O原子為端位原子與中心S原子形成共價(jià)配鍵，而另外兩個(gè)O原子作為非端位原子與S原子形成普通單鍵，因而這兩個(gè)O原子實(shí)際向中心原子S各提供了1個(gè)價(jià)電子[16]。因此，當(dāng)O原子作為非端位原子與中心原子成鍵時(shí)，盡管用VSEPR理論預(yù)測(cè)得到了分子(或離子)的空間構(gòu)型，但是對(duì)于形成分子(或離子)結(jié)構(gòu)的影響需要學(xué)生充分認(rèn)識(shí)。

3.3 闡明多重鍵對(duì)于分子(或離子)空間構(gòu)型的影響

對(duì)ABn簡(jiǎn)單分子(或離子)，在應(yīng)用VSEPR理論定性判斷分子(或離子)的空間構(gòu)型時(shí)，其空間構(gòu)型主要取決于中心原子與端位原子之間形成的σ鍵，而定域π鍵及離域大π鍵對(duì)分子骨架結(jié)構(gòu)雖有影響，但是不影響整體構(gòu)型。通常，由于定域π鍵及離域大π鍵的存在位置對(duì)相鄰價(jià)層電子對(duì)具有較大的斥力，進(jìn)而對(duì)存在多重鍵分子(或離子)的鍵能及鍵角等鍵參數(shù)將產(chǎn)生較大的影響[17]。因此，對(duì)于含有多重鍵分子(或離子)的空間構(gòu)型定性判斷中，通常將其電子對(duì)數(shù)目看作是等于分子(或離子)所含的σ鍵個(gè)數(shù)。

ABn簡(jiǎn)單分子(或離子)中心原子A與端位原子B之間既可以σ單鍵連接，也可以除σ鍵外的π鍵及離域大π鍵等多重鍵成鍵。一般中心原子A和端位原子B之間形成的σ鍵決定分子的骨架，而未參于形成σ鍵的p軌道從側(cè)面重迭形成π鍵，因此分子(或離子)中存在π鍵及離域大π鍵等多重鍵不影響其空間構(gòu)型。鑒于學(xué)生已經(jīng)具有Lewis電子結(jié)構(gòu)式和共價(jià)鍵(σ鍵和π鍵)知識(shí)，在應(yīng)用VSEPR理論定性判斷含有多重鍵分子(或離子)空間構(gòu)型時(shí)，需要給學(xué)生明確說明多重鍵對(duì)于分子(或離子)結(jié)構(gòu)的影響。為此，在教學(xué)中需要明確指出，對(duì)于該類分子(或離子)空間構(gòu)型判斷時(shí)，主要考察中心原子A與端位原子B之間以共用電子對(duì)形成σ鍵及其數(shù)目，由這些σ鍵構(gòu)建分子(或離子)的空間構(gòu)型骨架，而π鍵及離域大π鍵等多重鍵對(duì)于形成分子(或離子)的空間構(gòu)型影響不顯著，主要影響形成分子(或離子)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如鍵能及鍵角等鍵參數(shù)。如利用VSEPR理論判斷CO2分子空間構(gòu)型時(shí)，依據(jù)中心C原子與端位O原子形成2個(gè)σ鍵，分子空間構(gòu)型定性判斷為直線型分子。在此基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步分析在CO2分子中，還存在兩個(gè)三中心四電子的離域大π鍵，盡管這兩個(gè)離域大π鍵對(duì)分子空間構(gòu)型沒有本質(zhì)影響，但是對(duì)于中心原子C與配位原子O之間的鍵能及鍵長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3.4 VSEPR理論教學(xué)內(nèi)容置于雜化軌道理論之前

無機(jī)化學(xué)教材中的四種共價(jià)鍵理論都是從成鍵原子角度研究共價(jià)鍵形成，主要關(guān)注共價(jià)鍵形成過程及分子的空間構(gòu)型。因此，圍繞共價(jià)鍵形成過程及形成分子空間構(gòu)型，教材中對(duì)于相關(guān)教學(xué)內(nèi)容出現(xiàn)了不同順序的編排，且主要區(qū)別在于雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論的教學(xué)順序安排，目前較多教材將價(jià)層電子對(duì)互斥理論置于雜化軌道理論之前進(jìn)行教學(xué)。雜化軌道理論和VSEPR理論的基本出發(fā)點(diǎn)，都是基于分子中中心原子價(jià)電子對(duì)采取何種構(gòu)型使分子能量最低。因此，教學(xué)實(shí)踐者往往根據(jù)自己的教學(xué)體會(huì)，采取與教學(xué)邏輯相適應(yīng)的順序完成教學(xué)。

經(jīng)過長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生對(duì)教學(xué)效果評(píng)判分析，在共價(jià)鍵理論體系教學(xué)過程中，我們依據(jù)Lewis理論→價(jià)鍵理論→VSEPR理論→雜化軌道理論→分子軌道理論順序完成相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，即將VSEPR理論編排在雜化軌道理論之前進(jìn)行教學(xué)。這樣的教學(xué)安排依據(jù)是，學(xué)生通過原子結(jié)構(gòu)一章的學(xué)習(xí)，已經(jīng)擁有原子核外電子及價(jià)電子排布的相關(guān)知識(shí)，因而在共價(jià)鍵理論教學(xué)中開始講授Lewis理論，教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生擁有的原子核外電子排布知識(shí)緊密結(jié)合，學(xué)生對(duì)于教學(xué)內(nèi)容容易理解掌握。在原子核外價(jià)電子排布及Lewis理論知識(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，遞進(jìn)法學(xué)習(xí)價(jià)鍵理論，達(dá)到學(xué)生理解和掌握共價(jià)鍵形成過程及本質(zhì)。隨后依據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)，對(duì)于形成的分子(或離子)空間構(gòu)型進(jìn)行定性判斷。VSEPR理論及雜化軌道理論是判斷分子(或離子)空間構(gòu)型的有效手段，我們認(rèn)為將VSEPR理論置于雜化軌道理論之前進(jìn)行教學(xué)的安排有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，一是符合由淺入深的教學(xué)規(guī)律，VSEPR理論實(shí)際上是Lewis電子配對(duì)理論的進(jìn)一步延伸，放在雜化軌道理論之前具有承上啟下和循序漸進(jìn)的教學(xué)效果；二是VSEPR理論對(duì)分子(或離子)空間構(gòu)型判斷簡(jiǎn)單，學(xué)生在理解規(guī)則基礎(chǔ)上容易判斷空間構(gòu)型，達(dá)到事半功倍的效果；三是借助于VSPER理論確定的分子(或離子)空間構(gòu)型，將為雜化軌道理論判斷分子(或離子)中心原子雜化類型提供重要的參考，使得學(xué)生在應(yīng)用VSEPR理論定性判斷分子(或離子)空間構(gòu)型基礎(chǔ)上，通過雜化軌道理論的討論學(xué)習(xí)，對(duì)于分子(或離子)的結(jié)構(gòu)特征有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語

本文針對(duì)VSEPR理論教學(xué)中學(xué)生對(duì)電子對(duì)相互排斥本質(zhì)不易理解，氧原子作為端位原子不提供價(jià)電子假設(shè)難理解和VSEPR理論與雜化軌道理論本質(zhì)區(qū)別不清晰等教學(xué)盲區(qū)，提出了VSEPR理論教學(xué)實(shí)踐優(yōu)化的具體手段，即通過明確端位原子提供價(jià)電子數(shù)的規(guī)定原因，闡明O原子位置及成鍵類型對(duì)分子(或離子)結(jié)構(gòu)影響，明確多重鍵對(duì)于分子(或離子)空間構(gòu)型的影響和將VSEPR理論教學(xué)內(nèi)容置于雜化軌道理論之前等教學(xué)實(shí)踐，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)VSEPR理論的理解，增強(qiáng)了分子空間構(gòu)型準(zhǔn)確判斷能力的提升。