基于3D Max探究判斷分子中心原子雜化類型的方法

高茹婷　 彭慶蓉　劉豐茂

【摘要】提供一種可以判斷常見分子和離子中心原子雜化類型的方法，即畫出分子合適的電子式，用3D Max轉(zhuǎn)換成空間立體構(gòu)型，根據(jù)原子間斥力最小的原則可以判斷出分子的空間構(gòu)型，進(jìn)而利用價層電子對互斥模型來判斷分子中心原子雜化類型。

【關(guān)鍵詞】電子式 3D Max 雜化軌道理論 中心原子雜化類型 價層電子對互斥模型

利用雜化軌道理論，在已知分子的空間構(gòu)型，可以判斷分子或部分離子的中心原子的雜化類型;利用VSEPR模型可以預(yù)測分子或部分離子的空間構(gòu)型，但需要結(jié)合中心原子雜化理論才能確定中心原子雜化類型，所以教學(xué)的過程基本是將兩種理論結(jié)合。然而，對于初次接觸這兩種理論的學(xué)生，如果沒有一定的空間感知能力，想象出空間構(gòu)型是比較困難的，或者容易把所接觸到的分子雜化類型以及空間構(gòu)型弄混淆。有人提到了一種利用電子式的觀察法，但并沒有詳細(xì)說明應(yīng)該怎樣利用。本文介紹一種讓剛升入大學(xué)的學(xué)生清晰、快速掌握這兩種理論并且可判斷中心原子雜化類型的方法，即畫出電子式，用3D Max轉(zhuǎn)換成空間立體構(gòu)型，然后根據(jù)VSEPR理論和雜化軌道理論推測出中心原子雜化類型。此方法適用于由主族元素組成的無機(jī)化合物和少量碳四以內(nèi)有機(jī)化合物。

一、根據(jù)分子最外層電子數(shù)目畫出分子的電子式

在畫電子式時，要滿足兩個條件：（1）保證每個原子提供電子數(shù)為其價層電子數(shù)，并且中心原子為其他每一個原子提供電子，而且能得到其他任意一個原子提供的電子，在原子間形成電子對。如果中心原子或者其他原子電子不夠，電子對中的電子均源于同一原子，則形成配位鍵。比如，銨根離子（NH4）其中一個氫原子失去一個電子變成氫離子，不能夠給氮原子提供電子，這個氫離子和氮原子之間的電子全部由氮原子提供，進(jìn)而形成配位鍵。（2）使分子中每個原子最外層電子均達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。若部分原子無法達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，則要滿足除中心原子外其他原子均滿足穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，此類化合物一般會形成離域鍵。（3）補(bǔ)充說明離域鍵。部分中心原子無法達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子，是因?yàn)樾纬苫瘜W(xué)鍵的π電子不局限于兩個原子的區(qū)域，而是在參加成鍵的多個原子的分子骨架中運(yùn)動，這種由多個原子形成的π型化學(xué)鍵稱作離域π鍵。但是對于這類分子，依舊可以畫出其電子式，只需要滿足除中心原子外其他原子達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如表二氧化硫（SO2）分子電子式和二氧化氮（NO2）分子電子式，這兩個電子式中，中心原子都未滿足穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

二、確定分子空間構(gòu)型

根據(jù)分子的二維電子式圖，將其變成三維空間圖像。由排斥力大小為孤對電子-孤對電子>成鍵電子-孤對電子>成鍵電子-成鍵電子，且在鍵長一定的情況下互相間距離越遠(yuǎn)越穩(wěn)定，根據(jù)最小排斥原則，可判斷分子空間構(gòu)型。為了讓學(xué)生能夠直觀的看到空間模型，更好地理解理論，可以采用兩種方法。

1.如果時間充裕，讓學(xué)生們用簡單的材料自己制作分子模型。比如，用粘土或者是易得的橡皮泥和木棒搭建模型，幫助學(xué)生想象和理解幾何圖形，將幾何圖形與分子形狀連接起來，讓學(xué)生能夠理解分子在空間的排列，最后引入更抽象的價電子對排斥理論。

2.如果時間不夠充裕，教師可以利用3Dmax軟件更好的講解。本文以3ds max2015版為例，進(jìn)行說明。這個軟件的優(yōu)點(diǎn)是可以看到分子模型的空間立體結(jié)構(gòu)，也可以看到分子主視圖、左視圖、俯視圖的透視結(jié)構(gòu)，同時在調(diào)整位置過程中通過看每一個結(jié)構(gòu)的x、y、z坐標(biāo)和三視圖，進(jìn)而可以更直觀的感受到原子的相對位置。教師既可以做好了模型展示給學(xué)生，也可以直接一邊做一邊展示。

3.為了讓學(xué)生更好地掌握結(jié)構(gòu)，可以將閱讀和寫作結(jié)合使用，以促進(jìn)通常由死記硬背學(xué)習(xí)的主題的概念性學(xué)習(xí)。讓學(xué)生通過查找很久以前的相關(guān)文章，試著自己編寫論文的摘要來解釋關(guān)鍵點(diǎn)，試著自己畫出電子式。它還使教師能夠看到學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

三、根據(jù)分子空間構(gòu)型推斷VSEPR模型和中心原子雜化類型

為了便于判斷，需要將未成鍵的孤對電子甚至是單電子看成鍵電子，再根據(jù)最小排斥力原則，確定VSEPR模型。最后，根據(jù)VSEPR模型，考慮需要中心原子最多可形成幾條共價鍵，進(jìn)而考慮需要多少條雜化軌道。再根據(jù)雜化理論判斷中心原子雜化類型。

利用這種方法，可以先列出一個成鍵電子及孤對電子的總對數(shù)與VSEPR模型、雜化類型、相應(yīng)的分子及其電子式（如表1所示），然后分析推斷中心原子雜化類型的成因。

本文提出的方法是，教師在講授的過程中做出電子式和3Dmax立體結(jié)構(gòu)，時間充裕，讓學(xué)生自己做出立體模型，或者是通過論文摘要寫作。

這樣讓學(xué)生更直觀的理解和記憶分子空間結(jié)構(gòu)、VSEPR結(jié)構(gòu)和中心原子雜化類型;而且無論是電子式還是3Dmax軟件，都容易操作和掌握，是一種高效的學(xué)習(xí)方式。

但是，由于過渡金屬有d軌道參與軌道雜化成鍵，中心原子雜化軌道與主族元素的p軌道參與形成的雜化軌道不同，這種方法不適合過度金屬，部分特殊情況仍需要單獨(dú)記憶。

參考文獻(xiàn)：

[1]揭念芹.基礎(chǔ)化學(xué)（無機(jī)及分析化學(xué)）.第二版[M].北京：科學(xué)出版社，2016.7.57.61.

[2]席改卿.雜化軌道理論與價層電子對互斥理論的互補(bǔ)性[J].邯鄲師專學(xué)報，2000，（3）：46.

[3]盧國鋒，盧敬萱.中心原子雜化類型的確定方法與應(yīng)用.化學(xué)教學(xué)，2012，（07）：70.

[4]周公度，段連運(yùn).結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008.149-155.162-163.

[5]大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.260.

[6]Kelley J.Donaghy and Kathleen J.Saxton. Connecting Geometry and Chemistry：A Three-Step Approach to Three-Dimensional Thinking.Journal of Chemical Education，2012，（7）：917-920.

[7]Shultz G V，Gere A R.Writing-to-Learn the Nature of Science in the Context of the Lewis Dot Structure Model[J].Journal of Chemical Education，2015，（8）.