如何引導(dǎo)高二學(xué)生推測分子的立體構(gòu)型

胡裕全

[摘 要]

針對高二學(xué)生在推測分子的立體構(gòu)型中存在的問題，靈活選擇運(yùn)用價(jià)層電子對互斥理論、等電子原理、雜化軌道理論等推測分子的立體構(gòu)型。辨析存在的易錯(cuò)點(diǎn)、易混點(diǎn)，提高分析問題和解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞]

立體構(gòu)型；中心原子價(jià)層電子對數(shù)；孤電子對數(shù)

CO2和SO2都是三原子分子，為什么CO2呈直線形而SO2呈V形？BF3和NH3都是四原子分子，為什么BF3呈平面三角形而NH3呈三角錐形？許多高二初學(xué)者的思路往往雜亂無章、混為一談。如何引導(dǎo)他們有依有據(jù)、靈活自如地推測分子或離子的立體構(gòu)型？

一、問題的提出

（一）分子的立體構(gòu)型

分子的立體構(gòu)型是指分子中的原子在空間的立體排布，常用鍵長和鍵角來描述它。分子中的原子處于不斷地運(yùn)動(dòng)中，分子的立體構(gòu)型其實(shí)只是分子中的原子處于平衡位置時(shí)的模型。肉眼看不到分子，科學(xué)家常用現(xiàn)代儀器如紅外光譜儀測定分子的結(jié)構(gòu)。高中生常常根據(jù)有關(guān)理論推測分子的立體構(gòu)型，再從結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一視角預(yù)測物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì)，解釋相關(guān)的化學(xué)現(xiàn)象。

（二）引導(dǎo)的方向

（1）中華人民共和國教育部制訂的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出，高中生要能夠根據(jù)有關(guān)理論判斷簡單分子或離子的構(gòu)型，能夠結(jié)合實(shí)例說明“等電子原理”的應(yīng)用。

（2）教育部考試中心出版的《2016年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱》要求，高中生要能夠用價(jià)層電子對互斥理論或者雜化軌道理論推測常見的簡單分子或離子的空間結(jié)構(gòu)。

二、運(yùn)用“價(jià)層電子對互斥理論（VSEPR theory）”推測分子的立體構(gòu)型

（一）價(jià)層電子對互斥理論

（1）價(jià)層電子對：指分子中的中心原子上的電子對，包括成鍵電子對即σ鍵電子對（bp）和中心原子上的孤電子對（lp）。

（2）價(jià)層電子對互斥理論的基本觀點(diǎn)：分子的立體構(gòu)型是由價(jià)層電子對數(shù)目決定的，分子中的價(jià)層電子對總是盡可能地互斥，盡可能趨向彼此遠(yuǎn)離而形成穩(wěn)定的立體構(gòu)型。因此價(jià)層電子對互斥理論是一種解釋和預(yù)測分子立體構(gòu)型的理論。

（3）當(dāng)成鍵電子對中有多重鍵時(shí)，它們之間的斥力不同，π鍵越多，斥力越大，鍵角越大。多重鍵、成鍵電子對與孤電子對的斥力大小順序?yàn)椋?/p>

叁鍵-叁鍵>叁鍵-雙鍵>雙鍵-雙鍵>雙鍵-單鍵>單鍵-單鍵

lp-lp>>lp-bp>bp-bp

（二）運(yùn)用“價(jià)層電子對互斥理論”推測分子（ABm型）的立體構(gòu)型方法1

（1）中心原子價(jià)層電子對數(shù)n=σ鍵電子對數(shù)+孤電子對數(shù)

（2）σ鍵電子對數(shù)可由分子式確定。由于共價(jià)單鍵、雙鍵、三鍵中都只有一個(gè)σ鍵，

因此可將單鍵、雙鍵、三鍵的σ鍵電子對數(shù)都算為1對。

σ鍵電子對數(shù)=與中心原子成鍵的原子數(shù)

（3）中心原子上的孤電子對數(shù)=（a-mb）/2

式中a為中心原子的價(jià)電子數(shù)，主族元素價(jià)電子數(shù)等于原子的最外層電子數(shù)；m為與中心原子結(jié)合的原子數(shù)；b為與中心原子結(jié)合的原子最多能接受的電子數(shù)，氫為1，其他原子等于“8-該原子的價(jià)電子數(shù)”。

（4）根據(jù)中心原子價(jià)層電子對數(shù)和孤電子對數(shù)推測ABm型分子的立體構(gòu)型，見表1。

（三）運(yùn)用“價(jià)層電子對互斥理論”推測分子（ABm型）的立體構(gòu)型方法2

（1）中心原子價(jià)層電子對數(shù)n=（中心原子的價(jià)電子數(shù)-離子所帶的電荷+m*每個(gè)配位原子提供的價(jià)電子數(shù)）/2

①作為中心原子，鹵素原子按提供7個(gè)電子計(jì)算，氧族元素的原子按提供6個(gè)電子計(jì)算。

②作為配位原子，鹵素原子和氫原子提供1個(gè)電子，氧族元素的原子不提供電子。

③復(fù)雜離子在計(jì)算價(jià)層電子對數(shù)時(shí)，陽離子所帶的電荷代入時(shí)取正值，陰離子所帶的電荷代入時(shí)取負(fù)值。

④計(jì)算價(jià)層電子對數(shù)時(shí)，若剩余1個(gè)電子，也把這個(gè)電子當(dāng)作1對電子計(jì)算。

⑤雙鍵、三鍵等作為1對電子計(jì)算。

（2）中心原子上的孤電子對數(shù)的計(jì)算

①中心原子上的孤電子對數(shù)=（中心原子的價(jià)電子數(shù)-中心元素的化合價(jià)）/2

②同上方法1：中心原子上的孤電子對數(shù)=（a-mb）/2

（3）根據(jù)中心原子價(jià)層電子對數(shù)和孤電子對數(shù)推測ABm型分子的立體構(gòu)型，見表1。

案例1[2016年高考全國卷II 37.（2）①]

37.（2）硫酸鎳溶于氨水形成[Ni（NH3）6]SO4藍(lán)色溶液。

①[Ni（NH3）6]SO4中陰離子的立體構(gòu)型是______。

方法1 σ鍵電子對數(shù)=與中心原子成鍵的原子數(shù)=4

中心原子上的孤電子對數(shù)=[6-（-2）-4*2]/2=0

n=4+0=4 立體構(gòu)型：正四面體形

方法2 n=[6-（-2）+0]/2=4

中心原子上的孤電子對數(shù)=（6-6）/2=0 立體構(gòu)型：正四面體形

三、運(yùn)用“等電子原理”推測分子的立體構(gòu)型

（一）等電子原理

等電子體是指原子總數(shù)相等，價(jià)電子總數(shù)也相等的分子或離子。其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有很大的相似性，具有相似的化學(xué)鍵特征，包括分子或離子的立體構(gòu)型和化學(xué)鍵的類型，但是鍵角并不一定相等。

（二）等電子體的判斷方法

（1）同族元素：同族元素價(jià)電子總數(shù)相等，故可相互替換推斷。

（2）周期表相鄰位置：在價(jià)電子總數(shù)相等的前提下，通過原子的價(jià)電子的增減，在元素周期表相鄰位置進(jìn)行推斷。

（3）分子與離子之間：根據(jù)原子的價(jià)電子與粒子所帶的電荷的轉(zhuǎn)化來進(jìn)行分子和離子之間的推斷。endprint

（三）運(yùn)用“等電子原理”判斷簡單分子或離子的立體構(gòu)型，見表2。

案例2[2016年高考全國卷II 37.（2）①]

37.（2）硫酸鎳溶于氨水形成[Ni（NH3）6]SO4藍(lán)色溶液。

①[Ni（NH3）6]SO4中陰離子的立體構(gòu)型是_____。

分析：[Ni（NH3）6]SO4中陰離子為SO42-與PO43-、ClO4-互為等電子體，原子總數(shù)為5，價(jià)電子總數(shù)為32，孤電子對數(shù)為0，可得它的立體構(gòu)型為正四面體形。

案例3[2016年高考全國卷III 37.（3）]

37.（3）AsCl3分子的立體構(gòu)型為________，其中As的雜化軌道類型為_______ 。

分析：AsCl3與NCl3互為等電子體，原子總數(shù)為4，價(jià)電子總數(shù)為26，孤電子對數(shù)為1，可得它的立體構(gòu)型為三角錐形。

四、運(yùn)用“雜化軌道理論”推測分子的立體構(gòu)型

（一）雜化軌道理論

（1）雜化軌道理論是鮑林為了解釋分子的立體構(gòu)型提出的一種價(jià)鍵理論。在外界條件影響下，原子內(nèi)部能量相近的原子軌道重新組合的過程叫作原子軌道的雜化，組合后形成的一組新的原子軌道，叫作雜化軌道。

（2）雜化軌道的數(shù)目等于組成雜化軌道的各原子軌道的數(shù)目，即軌道雜化后原子軌道總數(shù)不變。

（3）雜化軌道只用于形成σ鍵或者容納孤電子對，不用于形成π鍵。

（4）雜化軌道成鍵時(shí)形狀和方向發(fā)生變化，成鍵時(shí)重疊程度越大，形成的共價(jià)鍵越牢固，要滿足化學(xué)鍵間最小排斥原理。

（二）雜化軌道的類型

（1）sp雜化：由1個(gè)ns軌道和1個(gè)np軌道雜化，得到直線形的2個(gè)sp雜化軌道。

（2）sp2雜化：由1個(gè)ns軌道和2個(gè)np軌道雜化，得到平面三角形分布的3個(gè)sp2雜化軌道。

（3）sp3雜化：由1個(gè)ns軌道和3個(gè)np軌道雜化，得到正四面體形分布的4個(gè)sp3雜化軌道。

（三）雜化軌道數(shù)的計(jì)算方法

（1）雜化軌道數(shù)=中心原子價(jià)層電子對數(shù)n

（2）凡是能直接畫出結(jié)構(gòu)式的分子，通常用雜化軌道理論來推測分子的立體構(gòu)型。若中心原子是碳原子或氮原子時(shí)，當(dāng)它們形成的共價(jià)鍵中含有一個(gè)叁鍵或兩個(gè)雙鍵，則雜化軌道類型為sp；當(dāng)它們形成的共價(jià)鍵中含有一個(gè)雙鍵其余為單鍵，則雜化軌道類型為SP2；當(dāng)它們形成的共價(jià)鍵都是單鍵，則雜化軌道類型為sp3。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]葉虹.判斷分子空間構(gòu)型的方法[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)，2015（5）：39.

（責(zé)任編輯：張華偉）endprint