中心原子雜化軌道類型的判斷方法

王波

(宿遷市中小學(xué)教學(xué)研究室江蘇宿遷223800)

中心原子雜化軌道類型的判斷方法

王波

(宿遷市中小學(xué)教學(xué)研究室江蘇宿遷223800)

摘要：雜化軌道理論能解釋大多數(shù)分子的幾何構(gòu)型及價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在使用該理論時(shí),首先必須確定中心原子的雜化形式,在未知分子構(gòu)型的情況下,判斷中心原子雜化軌道類型有時(shí)比較困難,成為教學(xué)難點(diǎn)。本文總結(jié)幾種高中階段判斷中心原子雜化軌道類型的方法。

關(guān)鍵詞：雜化軌道理論；價(jià)層電子對(duì)互斥理論；等電子原理

高中化學(xué)選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》(蘇教版)中介紹了雜化軌道理論,這一重要理論能解釋大多數(shù)分子幾何構(gòu)型及價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在使用該理論時(shí),首先必須確定中心原子的雜化形式,在未知分子構(gòu)型的情況下,判斷中心原子雜化軌道類型有時(shí)比較困難,成為教學(xué)難點(diǎn)。下面總結(jié)幾種高中階段判斷中心原子雜化軌道類型的方法。

一、根據(jù)分子的空間構(gòu)型判斷

根據(jù)雜化軌道理論,中心原子軌道采取一定的雜化方式后,其空間構(gòu)型和鍵角如下：

由此,可以根據(jù)分子的空間構(gòu)型或鍵角來判斷中心原子軌道的雜化方式。

例如：學(xué)生對(duì)于一些常見的簡(jiǎn)單分子的結(jié)構(gòu)都是熟悉的,C2H2、CO2為直線型分子,鍵角為180°,推斷其C原子的雜化軌道類型為sp；C2H4、C6H6為平面型分子,鍵角為120°,推斷其C原子的雜化軌道類型為sp2；CH4、CCl4為正四面體,鍵角109.5°,推斷其C原子的雜化軌道類型為sp3。

還可以擴(kuò)展到以共價(jià)鍵形成的晶體,如：已知金剛石中的碳原子、晶體硅和石英中的硅原子,都是以正四面體結(jié)構(gòu)形成共價(jià)鍵的,所以也都是采用sp3雜化；已知石墨的二維結(jié)構(gòu)平面內(nèi),每個(gè)碳原子與其它三個(gè)碳原子結(jié)合,形成六元環(huán)層,鍵角為120°,由此判斷石墨的碳原子采用sp2雜化。

二、根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷

教材的“拓展視野”中介紹了價(jià)層電子對(duì)互斥理論,根據(jù)該理論能夠比較容易而準(zhǔn)確地判斷ABm型共價(jià)分子或離子的空間構(gòu)型和中心原子雜化軌道類型。中心原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)與價(jià)電子對(duì)的幾何分布、中心原子雜化軌道類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表(價(jià)電子對(duì)數(shù)＞4的,高中階段不作要求)。

運(yùn)用該理論的關(guān)鍵是能準(zhǔn)確計(jì)算出中心原子的價(jià)電子對(duì)數(shù),其計(jì)算方法是：

1.價(jià)電子對(duì)數(shù)n=[中心原子(A)的價(jià)電子數(shù)+配位原子(B)提供的價(jià)電子數(shù)×m]÷2。

2.對(duì)于主族元素,中心原子(A)的價(jià)電子數(shù)=最外層電子數(shù)；配位原子中鹵族原子、氫原子提供1個(gè)價(jià)電子,氧族元素的原子按不提供電子計(jì)算；離子在計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)時(shí),還應(yīng)加上負(fù)離子的電荷數(shù)或減去正離子的電荷數(shù)。

3.中心原子孤電子對(duì)數(shù)=n(價(jià)電子對(duì)數(shù))-m(配位原子B數(shù))。

4.雜化軌道由形成σ鍵的電子對(duì)和孤電子對(duì)占據(jù),因此分子或離子的空間構(gòu)型為雜化軌道構(gòu)型去掉孤電子對(duì)后剩余的形狀。

例如：指出下列分子或離子的中心原子的雜化軌道類型,并預(yù)測(cè)它們的空間構(gòu)型：⑴BeCl2、H2O、⑵SO3、NH3、⑶NH4+、PO43-。

解析：第⑴組都是AB2型分子,BeCl2的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(2+1×2)÷2=2,Be采用sp雜化,n-m=2-2=0,無孤電子對(duì),故分子呈直線型；H2O的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(6+1×2)÷2= 4,O采用sp3雜化,n-m=4-2=2,有2對(duì)孤電子對(duì),故分子呈折線型。

第⑵組都是AB3型分子,SO3的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(6+0×3)÷2=3,S采用sp2雜化,n-m=3-3=0,無孤電子對(duì),故分子呈平面三角形；NH3的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(5+1×3)÷2=4, N采用sp3雜化,n-m=4-3=1,有1對(duì)孤電子對(duì),故分子呈三角錐型。

第⑶組都是AB4型離子,NH4+的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(5+ 1×4-1)÷2=4,N采用sp3雜化,n-m=4-4=0,無孤電子對(duì),故分子呈正四面體；PO43-的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(5+0×3+3)÷ 2=4,P采用sp3雜化,n-m=4-4=0,無孤電子對(duì),分子呈正四面體結(jié)構(gòu)。

三、根據(jù)σ鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)逆向判斷

根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論,中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù)=σ鍵數(shù)+孤電子對(duì)數(shù),如果我們已知σ鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù),就可以逆向判斷出中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù),從而判斷出雜化方式。

例如：指出乙酸分子中標(biāo)出原子的雜化軌道類型以及它們周圍原子的空間分布情況。

解析：高中學(xué)生都能熟練書寫有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)式,根據(jù)結(jié)構(gòu)式就很容易得知σ鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù),從而判斷出雜化方式。

1號(hào)C形成4個(gè)σ鍵,無孤電子對(duì),所以有4個(gè)價(jià)電子對(duì),C原子為sp3雜化,其周圍3個(gè)H和1個(gè)C呈正四面體分布；2號(hào)C形成3個(gè)σ鍵,無孤電子對(duì),所以有3個(gè)價(jià)電子對(duì),C原子為sp2雜化,其周圍的C、O、O呈正三角形分布；3號(hào)O形成2個(gè)σ鍵,2個(gè)孤電子對(duì),所以有4個(gè)價(jià)電子對(duì),C原子為sp3雜化,其周圍的C和H呈折線形分布。

四、根據(jù)等電子原理判斷

教材的“資料卡”中介紹了等電子原理,即具有相同價(jià)電子數(shù)和相同原子數(shù)的分子或離子具有相同的結(jié)構(gòu)特征,這里的結(jié)構(gòu)特征包括中心原子的雜化軌道類型、分子的空間結(jié)構(gòu)等。因此,我們可以根據(jù)一些熟悉的分子的雜化軌道類型來判斷與它互為等電子體的不熟悉的分子的雜化軌道類型。

例如：指出N2O分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型。解析：教材中介紹的價(jià)層電子對(duì)互斥理論是比較淺顯的,并沒有介紹N作為配位原子應(yīng)該如何計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù),在解決這樣的題目時(shí),教師不必加深補(bǔ)充介紹價(jià)層電子對(duì)互斥理論,可以采用等電子原理巧解。因?yàn)镹2O與CO2互為等電子體,學(xué)生對(duì)于CO2的結(jié)構(gòu)非常熟悉,直接根據(jù)直線型,判斷出sp雜化,當(dāng)然也可以計(jì)算出CO2中的C原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)n=(4+0×2)÷2=2,判斷出sp雜化,直線型,所以N2O也應(yīng)為sp雜化,直線型。

同樣,如果要判斷CNS-的空間構(gòu)型和雜化軌道類型,我們大可不必研究究竟哪個(gè)原子是中心原子,哪個(gè)是配位原子,如何計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù),直接根據(jù)CNS-與CO2等電子體,來判斷CNS-為直線型,sp雜化。

五、根據(jù)結(jié)構(gòu)代換判斷

有機(jī)化學(xué)中的取代反應(yīng)是指有機(jī)物分子里某些原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng),根據(jù)取代反應(yīng)機(jī)理,發(fā)生取代后,其中心原子的結(jié)構(gòu)和成鍵方式都應(yīng)該不變。由此啟發(fā),對(duì)于一些復(fù)雜的分子,我們可以將其中的某些原子團(tuán)代換成原子,變成簡(jiǎn)單熟悉的分子,根據(jù)這個(gè)分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型,來判斷原來的分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型。

例如：CH3-OH等醇類,都可以看作R—代換了H2O中的H,因?yàn)镠2O中O原子為sp3雜化,所以CH3-OH中的O原子也為sp3雜化。

H2N-NH2可以看作-NH2代換了NH3中的H,因?yàn)镹H3中N原子為sp3雜化,所以H2N-NH2中的N原子也為sp3雜化。

課程標(biāo)準(zhǔn)和高考說明對(duì)這部分的教學(xué)和考試要求是這樣描述的：“能根據(jù)雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷簡(jiǎn)單分子或離子的空間構(gòu)型”,處于認(rèn)知性學(xué)習(xí)目標(biāo)的第三水平。近幾年的高考題對(duì)這部分內(nèi)容都有考查,但難度不大。因此,雖然這部分內(nèi)容是教學(xué)難點(diǎn),但并不是考試難點(diǎn)。所以,教師在教學(xué)這部分內(nèi)容或講解這部分習(xí)題時(shí),不要隨意加深、加難,而要注意思維品質(zhì)的培養(yǎng),不同的分子可以用同一方法判斷,同樣的分子也可以用不同的方法判斷,根據(jù)學(xué)生的掌握情況靈活運(yùn)用。

文章編號(hào)：1008-0546(2010)11-0060-02中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2010.11.032