淺析“互斥理論”與“雜化理論”

四川 王夢林

《物質結構與性質》作為選修模塊，在全國卷中占據了15分的大分值，問題一般會按照教材順序進行設置：原子結構與性質、分子結構與性質、晶體結構與性質。本文主要針對分子結構與性質中的價層電子對互斥理論和雜化軌道理論進行分析和說明。

一、考頻分析

全國卷近三年價層電子對互斥理論和雜化軌道理論的考查頻率如表中所示：

價層電子對互斥理論雜化軌道理論2019全國卷Ⅰ35(2)2019全國卷Ⅱ35(1)2019全國卷Ⅲ35(4)2018全國卷Ⅰ35(3)35(3)2018全國卷Ⅱ35(2)(4)35(4)2018全國卷Ⅲ35(4)35(4)2017全國卷Ⅰ35(3)35(3)2017全國卷Ⅱ35(3)①35(3)①2017全國卷Ⅲ35(2)

由表中統計數據可知，2017年至2019年9套全國卷高考題中都至少考查了價層電子對互斥理論或雜化軌道理論中的一個。2017年和2018年6套題目中除了2017年全國卷Ⅲ只考查了雜化軌道理論外，其余5套試卷同時考查了價層電子對互斥理論和雜化軌道理論。由此可見價層電子對互斥理論和雜化軌道理論在高考中的重要性，屬于高頻考點。

2019年的3套高考題中都只考查其中一個理論的原因又是什么呢？“價層電子對是指分子中的中心原子上的電子對，包括σ鍵電子對和中心原子上的孤電子對”，這是教材上對價層電子對的解釋；“雜化軌道只用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對”，這是教材上對雜化軌道作用的說明。不難發現二者的描述很相似，都提及了σ鍵電子對和孤電子對，所以在判斷微粒空間構型或者中心原子的雜化類型時都用到了價層電子對數，故考查的知識存在一定的重復性，于是我們就不難理解2019年全國卷3套試卷都只考查其中一個理論的原因了，這樣的考查形式更加合理和精煉。

二、真題評析

(2017·全國卷Ⅰ·35節選)鉀和碘的相關化合物在化工、醫藥、材料等領域有著廣泛的應用。回答下列問題：

【答案】V形 sp3

【命題意圖】

【解析】

☆方法一

(1)確定中心原子為I原子；

(3)確定VSEPR模型為四面體形；

(4)略去孤電子對，確定微粒的真實空間構型為V形。

根據幾何構型的判斷步驟中的①②可判斷中心I原子的價層電子數對為4，故雜化軌道的數目為4個，根據雜化前后軌道數目不變即可得出“雜化軌道數=參與雜化的軌道數=4”，故I為sp3雜化。

☆方法二

合理運用等電子原理。教材中對等電子原理的描述為“原子總數相同、價電子總數相同的分子(即等電子體)具有相似的化學鍵特征”，故亦可借用等電子原理判斷微粒的空間構型，即互為等電子體的微粒具有相同的空間構型。

原子總數價電子總數I+3320OF2320

【小結】

高考題在設置問題時根據題干信息創設了新的情景對兩個理論進行考查，學生能很好地掌握微粒立體構型和中心原子雜化類型的判斷方法，這個考點的得分率相對較高。

三、應考技巧

由于價層電子對互斥理論和雜化軌道理論在知識內容有一定的相似性，故在解題時也有一些相似，解題時可按如下步驟思考：

1.確定微粒的中心原子

一般來說，達到穩定結構時需要電子數多的原子為中心原子。例如HClO中，H原子需要1個電子，Cl原子需要1個電子，O原子需要2個電子，故O原子為中心原子。

2.計算中心原子上的價層電子對數，確定中心原子的雜化類型

中心原子價層電子對數雜化軌道數參與雜化的軌道數中心原子的雜化類型222sp雜化333sp2雜化444sp3雜化

3.根據價層電子對互斥理論判斷VSEPR模型

價層電子對數VSEPR模型2直線形3平面三角形4四面體形

4.略去孤電子對，確定微粒的空間構型

VSEPR模型孤電子對數微粒真實構型平面三角形0平面(正)三角形平面三角形1V形四面體形0(正)四面體形四面體形1三角錐形四面體形2V形

四、選修三《物質結構與性質》新課教學建議

價層電子對互斥理論和雜化軌道理論都十分抽象，如果僅通過機械記憶學生也可以記住而且容易得分，但是學生會逐漸喪失對化學的學習興趣，因此在新課階段的教學一定不能僅以做題為目的，我們應運用合理的教學設計讓學生在已有知識體系上構建新的知識，讓學生學會學習，構建自己的知識體系，脫離枯燥的死記硬背的學習方式。

(一)“價層電子對互斥理論”教學建議

1.拆分概念，化未知為已知

“價層電子對互斥理論”對于學生來說是一個全新的理論，直接給出理論內容學生會較難接受，所以建議先將概念拆分。

(1)概念A——電子互斥，學生了解電子帶負電，會相互排斥至排斥力最小的位置；

(2)概念B——電子對互斥，由單個電子變為電子對，學生容易理解；

(3)概念C——價層電子對，此概念明確了電子對的來源，即為σ鍵電子對和孤電子對。

2.構建模型，化抽象為形象

實驗時使用球棍模型，大球代表中心原子，一個黑色小球代表一對σ鍵電子，一個橙色小球代表一對孤電子，金屬棒用于固定大球和小球的相對位置。

3.實際操作，化理論為實踐

設定價層電子對為2對、3對和4對，學生可自由選擇小球的顏色，學生自主思考并找到價層電子對排斥力最小的相對位置，再用金屬棒將大球與小球固定，確定VSEPR模型；然后將橙色小球去除，確定微粒的最終構型。

如此一來，學生自己體會了價層電子對互斥理論的演示過程，對于原理和方法都有了很深的印象，有助于學生更好地理解，也可增強學生的學習興趣，更強化了化學學科的實驗動手能力，一舉多得。

4.合理引導，化疑問為思考

學生在學習價層電子對互斥理論時，會有一個共同的問題：“為什么只考慮σ鍵電子對不考慮π鍵電子對？”此時我們只需要設置一個問題“π鍵在什么情況下才會形成？”，這個問題引導學生進行主動思考，進而得到自己想要的答案。

(二)“雜化軌道理論”教學建議

在雜化軌道理論教學過程中，教師必須引導學生明確幾個問題：

1.為什么要提出雜化軌道理論？

雜化軌道理論的提出源于之前所學的價鍵軌道理論和價層電子對互斥理論形成的矛盾。

CH4分子4個C-H共價鍵是否相同?價鍵軌道理論價層電子對互斥理論CH4分子在形成共價鍵時,氫原子提供1s軌道,激發態的碳原子可提供1個2s軌道和3個2p軌道,形成的四C—H共價鍵不同,因此甲烷不是正四面體形C原子有4對σ鍵電子對,無孤電子對,VSEPR模型為正四面體,真實構型為正四面體,故4個C—H共價鍵完全相同

現有理論出現矛盾時，雜化軌道理論可以起到“緩和矛盾”、解釋特殊的作用，由此讓學生體會到科學是在不斷發展和進步的，有利于培養學生嚴謹治學的科學態度，提升學生探究和創新的素養。

2.什么是雜化？怎么雜化？

教材上對雜化的描述是“當碳原子與4個氫原子形成甲烷分子時，碳原子的2s軌道和3個2p軌道會發生混雜，混雜時保持軌道總數不變，卻得到4個相同的軌道，夾角為109°28′，稱為sp3雜化軌道，表示這4個軌道是由1個s軌道和3個p軌道雜化形成的”。建議在描述雜化軌道時可引入“均分”的思想，即可將描述轉化為一定數目的能量相近的原子軌道混合后均分為數目相同的新軌道，由于軌道是用來填充電子的，所以新軌道之間也存在互斥原理，這樣學生也更好地理解了教材之后提及的雜化軌道的形狀。

3.中心原子的雜化類型如何判斷？

教材中提及“雜化軌道只用于形成σ鍵或者用來容納未參與成鍵的孤電子對”，這句話就是判斷中心原子雜化類型的基礎：

4.中心原子是否必須雜化？

必須明確的是高中階段接觸的雜化軌道理論主要是為了解釋價鍵軌道理論和價層電子對互斥理論在微粒構型判斷上產生的矛盾，但是并不是所有微粒的構型都需要用雜化軌道理論來解釋：

綜上，可通過價層電子對互斥理論判斷構型的微粒，其中心原子都可以運用雜化軌道理論來判斷雜化類型，而有些分子的構型僅用價鍵軌道理論即可解釋。

五、高三備考及命題建議

此部分內容比較簡單，在進行備考復習時，只需要將價層電子對互斥理論和雜化軌道理論內容簡要敘述，即可進行適當的課堂練習，引導學生總結歸納判斷微粒空間構型和中心原子雜化類型的判斷方法：

教師可收集與新型冠狀病毒肺炎有關信息營造題目情境，通過給定結構考查特定原子的雜化類型，例如：

Remdesivir(瑞德西韋)是一種核苷類似物，具有抗病毒活性，其結構如圖，結構中標號為1和2的碳原子的雜化類型為________。

【答案】sp3雜化 sp2雜化