高中化學(xué)雜化軌道理論疑難問(wèn)題解析

毛立可

摘 要：雜化軌道理論是高中化學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，也是每年高考中必考內(nèi)容。老師在講授這部分內(nèi)容時(shí)都是根據(jù)一個(gè)計(jì)算公式，首先計(jì)算出孤對(duì)電子數(shù)目，并由成鍵原子得出σ鍵數(shù)目，從而得出價(jià)層電子對(duì)數(shù)。然后利用價(jià)層電子對(duì)數(shù)和互斥模型的關(guān)系確定分子構(gòu)型和雜化類型。這樣學(xué)生雖然能夠確定中心原子雜化方式，但不理解為什么這樣雜化，有時(shí)候還會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)論。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；雜化軌道；疑難問(wèn)題；解析

1 CH4中心碳原子為什么是sp3雜化

中心碳原子電子排布式1s22s22p2，這樣中心碳原子2s能級(jí)2個(gè)電子已成對(duì)，只有2p能級(jí)存在2個(gè)單電子，按照共價(jià)鍵理論，一個(gè)原子有幾個(gè)未成對(duì)電子，便可和幾個(gè)自旋方向相反的電子配對(duì)成鍵。顯然中心碳原子只能結(jié)合兩個(gè)氫原子，可這與事實(shí)相矛盾。所以應(yīng)該是2s能級(jí)的一個(gè)電子激發(fā)到2p能級(jí)，呈現(xiàn)四個(gè)單電子，從而能夠結(jié)合四個(gè)氫原子。但是有一個(gè)電子是2s能級(jí)，另外三個(gè)電子是2p能級(jí)，這樣形成的四個(gè)碳?xì)滏I鍵長(zhǎng)不一樣，與甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)相矛盾，所以美國(guó)化學(xué)家鮑林提出了雜化軌道理論，認(rèn)為s能級(jí)和p能級(jí)發(fā)生了sp3雜化，得到了四個(gè)能量相同的軌道。這種解釋同樣適用于BeCl2雜化方式，Be的1s能級(jí)的成對(duì)電子有一個(gè)激發(fā)到2p能級(jí)，發(fā)生了sp雜化。

2 H2O中心氧原子為什么是sp3雜化

中心氧原子電子排布式1s22s22p4，2p能級(jí)三個(gè)軌道填充4電子，中心氧原子有兩個(gè)未成對(duì)電子，按照共價(jià)鍵理論恰好結(jié)合兩個(gè)氫原子，這樣中心氧原子就不需要雜化，但事實(shí)上為sp3雜化。這是因?yàn)槿绻行难踉硬浑s化，中心氧原子三個(gè)啞鈴型2p軌道是相互垂直的，那么氧原子結(jié)合氫原子后形成的氧氫鍵鍵角應(yīng)該是90°，但實(shí)際上H2O的鍵角是104.5°，這是共價(jià)鍵理論不能解釋的。雜化軌道理論認(rèn)為形成水分子時(shí)，氧原子的一個(gè)2s軌道和三個(gè)2p軌道采取sp3雜化，電子對(duì)互斥模型為四面體形，因還有兩對(duì)電子未參與成鍵的孤對(duì)電子，孤對(duì)電子對(duì)成鍵電子的排斥作用，所以水分子中氧氫鍵的鍵角不是109°28′[1]。該解釋也適用于氨分子的雜化方式，如果N原子不發(fā)生雜化，那么形成的N-H鍵鍵角應(yīng)該為90°，但事實(shí)上氨分子中鍵角為107°18′。

3 氧氣分子為什么是sp雜化

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中大多數(shù)老師根據(jù)共價(jià)鍵理論把氧氣分子的電子式書(shū)寫為 ，這樣每個(gè)氧原子價(jià)層含有2孤對(duì)電子和1個(gè)σ鍵電子，因此很多學(xué)生甚至一部分教師都認(rèn)為氧原子雜化方式為sp2雜化。但事實(shí)上氧氣分子的電子式不能那樣寫，首先實(shí)驗(yàn)證明氧氣分子有順磁性，上面書(shū)寫的氧氣分子電子式顯示氧原子的價(jià)電子都配對(duì)成鍵不可能為順磁性。而氧分子的分子軌道式為（σ1s）2（σ*1s）2（σ 2s）2（σ* 2s）2（σ 2px）2（π 2py）2（π 2pz）2（π*2py）1（π*2pz）1，氧氣分子中兩個(gè)氧原子之間應(yīng)該形成兩個(gè)三電子л鍵，其結(jié)構(gòu)式為 ，這樣每個(gè)氧原子有一個(gè)σ鍵，一對(duì)孤對(duì)電子，所以氧原子雜化方式應(yīng)為sp雜化。

4 HCl分子為什么是sp3雜化

Cl原子的電子排布式為1s22s22p63s23p5，Cl原子3p能級(jí)三個(gè)軌道填充5個(gè)電子，有一個(gè)軌道填充一個(gè)電子。很多學(xué)生和老師認(rèn)為Cl原子3p能級(jí)有一個(gè)單電子，H原子有一個(gè)電子，它們恰好成鍵，就不需要雜化。還有一部分老師直接告訴學(xué)生雙原子分子是直線形結(jié)構(gòu)，就是sp雜化。其實(shí)這是對(duì)雜化軌道的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，如果Cl原子不雜化，3p能級(jí)的三個(gè)軌道空間伸展方向是相互垂直的，那么未成鍵的孤對(duì)電子對(duì)成鍵電子擠壓作用就很大，這不符合共價(jià)鍵成鍵斥力最小原則，所以Cl原子應(yīng)該為sp3雜化，價(jià)層電子對(duì)互斥模型為空間四面體形，這樣形成的H-Cl才最穩(wěn)定。

5 ClO2分子為什么是sp2雜化

中學(xué)化學(xué)在講授分子雜化類型時(shí)，首先根據(jù)公式計(jì)算出孤電子對(duì)數(shù)目。對(duì)于ABn型分子，中心原子上的孤電子對(duì)數(shù)=1/2（a-nb）=1/2（A的價(jià)電子數(shù)-│B的化合價(jià)│×B的個(gè)數(shù)）=1/2（7-2×2）=1.5。孤電子對(duì)數(shù)為1.5，說(shuō)明有一個(gè)單電子，同樣占據(jù)一個(gè)軌道，把孤電子對(duì)數(shù)看作2，另外ClO2分子兩個(gè)σ鍵，所以Cl原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)為4，其雜化方式為sp3雜化。這樣ClO2的價(jià)層電子對(duì)互斥模型應(yīng)為四面體形，但事實(shí)上卻是平面三角形。說(shuō)明不顧事實(shí)計(jì)算出來(lái)的模型不準(zhǔn)確。正確的是Cl原子價(jià)層兩對(duì)電子分別提供給兩個(gè)O原子形成兩個(gè)σ鍵，有一對(duì)孤對(duì)電子參與雜化，形成sp2雜化。2個(gè)O原子各提供一對(duì)電子和Cl原子的一個(gè)單電子形成三中心五電子的大л鍵[2]。

雜化軌道理論是1931年由美國(guó)化學(xué)家鮑林等人提出的，它解決了價(jià)鍵理論不能解釋某些分子的鍵長(zhǎng)、鍵角、中心原子結(jié)合的原子數(shù)目及分子穩(wěn)定性問(wèn)題。所以我們?cè)诖_定分子雜化方式時(shí)要從上面幾個(gè)方面考慮，要分析哪些

能級(jí)的電子躍遷到激發(fā)態(tài)參與雜化，要使參與雜化的電子對(duì)之間斥力最小即分子最穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]武漢大學(xué)，吉林大學(xué)等校（曹錫章，宋天佑，王杏喬修訂）.高等學(xué)校教材無(wú)機(jī)化學(xué)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1994：156-157

[2]桂耀榮.二氧化氯的分子結(jié)構(gòu)[EB/OL].2010-8-27. http：//blog.sciencenet.cn/blog-3777-356659.html.