中心原子雜化軌道類型的判斷方法

1、中心原子雜化軌道類型的判斷方法徐長明湖北省十堰市房縣第三中學 442100摘要：雜化軌道理論能解釋大多數(shù)分子的幾何構(gòu)型及價鍵結(jié)構(gòu)。在使用該理論時，首先必須確定中心原子的雜化類型，在未知分子構(gòu)型的情況下，判斷中心原子雜化軌道類型有時比較困難，成為教學難點。關(guān)鍵詞：雜化軌道理論；價層電子對互斥理論；等電子原理高中化學選修模塊物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)人教版中介紹了雜化軌道理論，這一重要理論能解釋大多數(shù)分子幾何構(gòu)型及價鍵結(jié)構(gòu)。 在使用該理論時，首先必須確定中心原子的雜化形式，在未知分子構(gòu)型的情況下，判斷中心原子雜化軌道類型有時比較困難，成為教學難點。 下面總結(jié)幾種高中階段判斷中心原子雜化軌道類型的方法。一、根據(jù)

2、價層電子對互斥理論判斷教材中介紹了價層電子對互斥理論，根據(jù)該理論能夠比較容易而準確地判斷 ABm 型共價 化合物分子或離子的空間構(gòu)型和中心原子雜化軌道類型。 中心原子的價電子對數(shù)與價電子對的幾何分布、中心原子雜化軌道類型的對應(yīng)關(guān)系如下表價電子對數(shù)4 的，高中階段不作要求。中心原子價電子對數(shù)價電子對幾何分布中心原子雜化軌道類型2 直線形 sp3平面三角形 sp24 正四面體 sp3運用該理論的關(guān)鍵是能準確計算出中心原子的價電子對數(shù)，其計算方法是：1價電子對數(shù) n 鍵的電子對和中心原子上的孤電子對，中心原子上的孤電子對數(shù)=1/2(a-xb) 2.鍵的電子對可由分子式確定。例如，H20中0有2對鍵電

3、子對；NH3中N有3對鍵電子對3式中a為中心原子的價電子數(shù)對于主族元素，中心原子A的價電子數(shù)最外層電子數(shù)；x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-該原子的價電子數(shù)”。 離子在計算價電子對數(shù)時，還應(yīng)加上負離子的電荷數(shù)或減去正離子的電荷數(shù)絕對值4雜化軌道由形成 鍵的電子對和孤電子對占據(jù)，因此分子或離子的空間構(gòu)型為雜化軌道構(gòu)型去掉孤電子對后剩余的形狀。例如：指出以下分子或離子的中心原子的雜化軌道類型，并預(yù)測它們的空間構(gòu)型：BeCl2 SO3 NH4解析：是 AB2 型分子，BeCl2 的價電子對數(shù)n122-2×1+2=2，Be

4、采用 sp 雜化，無孤電子對， 故分子呈直線型；是 AB3 型分子，SO3 的價電子對數(shù) n126-3×2+33，S 采用 sp2 雜化， 無孤電子對，故分子呈平面三角形是 AB4 型離子，NH4的價電子對數(shù) n125-1-4×1+44，N 采用 sp3 雜化，無孤電子對，故分子呈正四面體二、根據(jù)分子的空間構(gòu)型判斷根據(jù)雜化軌道理論，中心原子軌道采取一定的雜化方式后，其空間構(gòu)型和鍵角如下：雜化軌道類型雜化軌道空間構(gòu)型鍵角sp 直線形180°sp2平面三角形120°sp3正四面體1095°由此，可以根據(jù)分子的空間構(gòu)型或鍵角來判斷中心原子軌道的雜化方

5、式。例如：學生對于一些常見的簡單分子的結(jié)構(gòu)都是熟悉的，C2H2、CO2 為直線型分子，鍵角為 180°，推斷其 C 原子的雜化軌道類型為 sp；C2H4 、C6H6 為平面型分子，鍵角為 120°， 推斷其 C 原子的雜化軌道類型為 sp2；CH4、CCl4為正四面體，鍵角 1095°，推斷其 C 原子的雜化軌道類型為 sp3。還可以擴展到以共價鍵形成的晶體，如：已知金剛石中的碳原子、晶體硅和石英中的硅原子，都是以正四面體結(jié)構(gòu)形成共價鍵的，所以也都是采用 sp3 雜化；已知石墨的二維結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，每個碳原子與其它三個碳原子結(jié)合，形成六元環(huán)層，鍵角為 120°

6、;，由此判斷石墨的碳原子采用 sp2 雜化。三、根據(jù) 鍵數(shù)和孤電子對數(shù)逆向判斷根據(jù)價層電子對互斥理論，中心原子價電子對數(shù) 鍵數(shù)孤電子對數(shù)，如果我們已知 鍵數(shù)和孤電子對數(shù)，就可以逆向判斷出中心原子價電子對數(shù)，從而判斷出雜化方式。例如： 指出乙酸分子中標出原子的雜化軌道類型以及它們周圍原子的空間分布情況。解析： 高中學生都能熟練書寫有機分子的結(jié)構(gòu)式，根據(jù)結(jié)構(gòu)式就很容易得知 鍵數(shù)和孤電子對數(shù)，從而判斷出雜化方式。1 號 C 形成 4 個 鍵，無孤電子對，所以有 4 個價電子對，C 原子為 sp3 雜化，其周圍 3 個 H 和 1 個 C 呈正四面體分布；2 號 C 形成 3 個 鍵，無孤電子對，所以

7、有 3 個價電子對，C 原子為 sp2 雜化。四、根據(jù)等電子原理判斷教材中介紹了等電子原理，即具有相同價電子數(shù)和相同原子數(shù)的分子或離子具有相同的結(jié)構(gòu)特征，這里的結(jié)構(gòu)特征包括中心原子的雜化軌道類型、分子的空間結(jié)構(gòu)等。 因此，我們可以根據(jù)一些熟悉的分子的雜化軌道類型來判斷與它互為等電子體的不熟悉的分子的雜化軌道類型。例如：指出 N2O 分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型。解析：教材中介紹的價層電子對互斥理論是比較淺顯的，并沒有介紹 N 作為配位原子應(yīng)該如何計算價電子對數(shù)，在解決這樣的題目時，教師不必加深補充介紹價層電子對互斥理論， 可以采用等電子原理巧解。 因為N2O 與 CO2 互為等電子體，學生對于

8、 CO2 的結(jié)構(gòu)非常熟悉，直接根據(jù)直線型，判斷出 sp 雜化，當然也可以計算出 CO2 中的 C 原子的價電子對數(shù) n2，判斷出 sp 雜化，直線型，所以 N2O 也應(yīng)為 sp 雜化，直線型。同樣， 如果要判斷 SCN的空間構(gòu)型和雜化軌道類型，我們大可不必研究究竟哪個原子是中心原子，哪個是配位原子， 如何計算價電子對數(shù)， 直接根據(jù) CNS與CO2 等電子體，來判斷 CNS為直線型，sp 雜化。五、根據(jù)結(jié)構(gòu)代換判斷有機化學中的取代反應(yīng)是指有機物分子里某些原子或原子團被其它原子或原子團所代替的反應(yīng)，根據(jù)取代反應(yīng)機理，發(fā)生取代后，其中心原子的結(jié)構(gòu)和成鍵方式都應(yīng)該不變。 由此啟發(fā)，對于一些復(fù)雜的分子，我們可以將其中的某些原子團代換成原子，變成簡單熟悉的分子，根據(jù)這個分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型，來判斷原來的分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型。例如：CH3OH 等醇類，都可以看作 R代換了 H2O中的 H ， 因為 H2O 中 O 原子為 sp3 雜化， 所以 CH3OH中的 O 原子也為 sp3 雜化。H2NNH2 可以看作NH2 代換了 NH3 中的 H ， 因為NH3 中 N 原子為 sp3 雜化，所以 H2NNH2 中的 N 原子也為 sp3 雜化。課程標準和高考說明對這部分的教學和考試要求是這樣描述的：“能根據(jù)雜化軌道理論和價層電子對互斥理論判斷簡單分子或離子的空