三氧化硫和三氧化氯雜化軌道類型的探析

孫梓嘉 薛韓 孫洪海

[摘 要] 針對無機(jī)化學(xué)專業(yè)書籍和網(wǎng)絡(luò)中SO3和ClO3兩種分子成鍵的雜化軌道過程存在的問題，該文應(yīng)用雜化軌道理論解釋清楚分子的成鍵過程，既符合VB理論也符合分子構(gòu)型，消除模棱兩可的解釋，力爭做到知識傳授的準(zhǔn)確性，以共同行探討。

[關(guān)鍵詞] 雜化軌道;類型;探析

[作者簡介] 孫梓嘉（1990—），女，黑龍江大慶人，碩士，吉林大學(xué)珠海學(xué)院化工與新能源材料學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事高分子功能材料的合成與應(yīng)用研究;薛 韓（1982—），女，黑龍江密山人，博士，大慶師范學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院講師，主要從事多金屬氧酸鹽的合成和性能研究;孫洪海（1964—），男，黑龍江綏棱人，碩士，大慶師范學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事無機(jī)功能材料的合成與應(yīng)用研究。

[中圖分類號] G642.4;O641.1-4? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）38-0282-02? ? [收稿日期] 2020-04-03

引言

在無機(jī)化學(xué)課程中，雜化軌道理論是一個(gè)重要的知識點(diǎn)，用于已知分子結(jié)構(gòu)（鍵長、鍵角）情況下，判斷分子的成鍵過程，解釋分子結(jié)構(gòu)形成的原因。但是，專業(yè)書籍和網(wǎng)絡(luò)中對于一些分子結(jié)構(gòu)的解釋過于牽強(qiáng)。在教學(xué)實(shí)踐中，對一些分子的雜化軌道類型有了新認(rèn)識，更好地符合成鍵要求和構(gòu)型，提出來和同行們一起探討。

一、雜化軌道理論

L·.Pauling和J.C.Stater于1931年以量子力學(xué)為基礎(chǔ)提出了雜化軌道理論。優(yōu)點(diǎn)：通過分子構(gòu)型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地解釋分子或離子的成鍵過程，較好地解釋了用“電子配對法”不能說明的分子空間結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的事實(shí)，在成鍵能力、分子的空間構(gòu)型等方面豐富和發(fā)展了現(xiàn)代價(jià)鍵理論;缺點(diǎn)：（1）不能解釋分子的磁性問題;（2）沒有分子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最好不用雜化軌道理論解釋分子結(jié)構(gòu)。

二、實(shí)例

（一）三氧化硫

實(shí)驗(yàn)事實(shí)：氣態(tài)SO3分子為平面正三角形，S-O鍵的鍵長為143pm，鍵角120°[1]。

“在SO3分子中，S原子采取sp2雜化，在豎直方向（就是未雜化的p軌道）上的p軌道中有一對電子，在形成的雜化軌道中有一對成對電子和2個(gè)成單電子，有2個(gè)氧原子分別與其形成σ鍵;2個(gè)氧原子豎直方向上p軌道各有1個(gè)電子，一個(gè)氧原子與雜化軌道的孤對電子形成配位鍵，其豎直方向上有2個(gè)電子，這樣，在4個(gè)原子的豎直方向的電子共同形成一套四中心六電子大π鍵，大π鍵是離域的鍵。”

應(yīng)解釋為：在SO3分子中，S元素采取sp3d雜化，雜化軌道的空間構(gòu)型為三角雙錐，S的三條雜化軌道與平面三角形頂點(diǎn)上的O形成3個(gè)σ鍵;在垂直平面三角形方向上的兩條sp3d雜化軌道中各有單電子與一個(gè)O原子上平行的單電子形成π鍵，sp3d雜化軌道中的孤對電子與另兩個(gè)O原子上平行的單電子，滿足形成大π鍵條件，即π，也就是說（sp3d）1（S）-2p1（O）形成π鍵，（sp3d）2（S）-2p1（O）-2p（O）1-形成大π鍵，分子中，只有3個(gè)σ鍵、1個(gè)π鍵和1個(gè)大π鍵，所以分子構(gòu)型為平面正三角形，成鍵過程如圖1所示。

這樣，既解釋了VB理論中S-Oσ鍵（電子配對）形成過程，又解釋了SO3分子中S-O鍵（鍵長143pm，具有雙鍵性質(zhì)）比S-O單鍵（鍵長155pm）短，原因是形成了1個(gè)π鍵和1個(gè)大π鍵，也解釋了分子結(jié)構(gòu)為平面正三角形的事實(shí)。

（二）三氧化氯（ClO3）

實(shí)驗(yàn)事實(shí)：氣態(tài)ClO3分子為三角錐，Cl-O鍵的鍵長為145.2pm，ClOCl鍵角為114.16°[2]。“在ClO3分子中，Cl原子采取sp3雜化，3條sp3雜化軌道與3個(gè)O原子形成3個(gè)Cl-Oσ鍵和3個(gè)Cl-Oπ鍵，剩下1條軌道雜化中只有1個(gè)電子，所以分子構(gòu)型為三角錐。”

應(yīng)解釋為：在ClO3分子中，Cl元素采取sp3d雜化，雜化軌道的空間構(gòu)型為三角雙錐，Cl與平面三角形頂點(diǎn)上的O形成三個(gè)σ鍵;在垂直平面三角形方向上的兩條sp3d雜化軌道中各有一對電子，其中一對與三個(gè)O上的單電子軌道平行，所以滿足形成大π鍵條件，即π;也就是說（sp3d）2（Cl）--2p1（O）-2p1（O）-2p1（O）形成大π鍵。分子中，只有一對孤對電子、3對成鍵電子和大π鍵（π），所以分子構(gòu)型即為三角錐。鍵角為114.16°的原因：孤對電子斥力比成鍵電子對斥力大，加之有大π鍵的存在，所以鍵角介于109.5°～120°之間。如圖2所示。

這樣，既解釋了VB理論中Cl-Oσ鍵形成過程，又解釋了ClO3分子中Cl-O鍵（鍵長145.2pm，具有雙鍵性質(zhì)）比Cl-O單鍵（鍵長170pm）短，原因是形成了1個(gè)大π鍵，也解釋了ClO3的分子結(jié)構(gòu)為三角錐和抗磁性物質(zhì)的事實(shí)，也符合化學(xué)反應(yīng)的事實(shí)：ClO3分子中無單電子，也不能二聚合為Cl2O6。Cl2O6是ClO2與O3反應(yīng)制備的：2ClO2+2O3=Cl2O6+2O2

總之，利用雜化軌道理論解釋分子成鍵過程時(shí)，一定要以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，既要考慮雜化軌道又要考慮成鍵，成鍵情況包括正常σ和π鍵、大π鍵，也要尊重化學(xué)反應(yīng)事實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室，華中師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]Armando Beltrán，Juan Andrés，Stéphane Noury，Bernard Silvi.Tructure and Bonding of Chlorine Oxides and Peroxides：ClOx，ClOx- （x=1-4），and Cl2Ox（x=1-8），Phys Chem A，1999，103（16）3078-3088.

[3]鐘興厚，蕭文錦，袁啟華，等.無機(jī)化學(xué)叢書（第六卷鹵素銅分族鋅分族）[M].北京：科學(xué)出版社，1995.

Analysis on the Types of Sulfur Trioxide and Chlorine Trioxide Hybrid Orbitals

SUN Zi-jia1， XUE Han2， SUN Hong-hai2

（1. College of Chemical Engineering and New Energy Materials， Zhuhai College of Jilin University， Zhuhai， Guangdong 519041， China;

2. College of Chemical Engineering， Daqing Normal University， Daqing， Heilongjiang 163712， China）

Abstract： In view of the problems of SO3 and ClO3 two molecules （ions） of hybrid orbital bonding process in inorganic chemistry professional books and the network， this paper applies the hybrid orbital theory to explain the molecular bonding process， which accords with the VB theory and the molecular structure， and eliminate ambiguous explanations， striving to achieve the accuracy of the knowledge， and provide reference for fellow researchers to discuss together.

Key words： hybrid orbital; type; analysis