中心原子雜化軌道類型的判斷方法.doc

中心原子雜化軌道類型的判斷方法徐長(zhǎng)明（湖北省十堰市房縣第三中學(xué) 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(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在使用該理論時(shí)，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(shí)比較困難，成為教學(xué)難點(diǎn)。關(guān)鍵詞：雜化軌道理論；價(jià)層電子對(duì)互斥理論；等電子原理高中化學(xué)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(jià)鍵結(jié)構(gòu)。 在使用該理論時(shí)，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(shí)比較困難，成為教學(xué)難點(diǎn)。 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)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷教材中介紹了價(jià)層電子對(duì)互斥理論，根據(jù)該理論能夠比較容易而準(zhǔn)確地判斷 ABm 型共價(jià) 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(jià)電子對(duì)數(shù)與價(jià)電子對(duì)的幾何分布、中心原子雜化軌道類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表（價(jià)電子對(duì)數(shù)4 的，高中階段不作要求）。中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù)價(jià)電子對(duì)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(yùn)用該理論的關(guān)鍵是能準(zhǔn)確計(jì)算出中心原子的價(jià)電子對(duì)數(shù)，其計(jì)算方法是：1價(jià)電子對(duì)數(shù) n 鍵的電子對(duì)和中心原子上的孤電子對(duì)，中心原子上的孤電子對(duì)數(shù)=1/2(a-xb) 2.鍵的電子對(duì)可由分子式確定。例如，H20中0有2對(duì)鍵電子對(duì)；NH3中N有3對(duì)鍵電子對(duì)3式中a為中心原子的價(jià)電子數(shù)對(duì)于主族元素，中心原子（A）的價(jià)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(jià)電子數(shù)”。 離子在計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)時(shí)，還應(yīng)加上負(fù)離子的電荷數(shù)或減去正離子的電荷數(shù)（絕對(duì)值）4雜化軌道由形成 鍵的電子對(duì)和孤電子對(duì)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(duì)后剩余的形狀。例如：指出下列分子或離子的中心原子的雜化軌道類型，并預(yù)測(cè)它們的空間構(gòu)型：BeCl2 SO3 NH4解析：是 AB2 型分子，BeCl2 的價(jià)電子對(duì)數(shù)n12（2-21）+2=2，Be 采用 sp 雜化，無(wú)孤電子對(duì)， 故分子呈直線型；是 AB3 型分子，SO3 的價(jià)電子對(duì)數(shù) n12（6-32）+33，S 采用 sp2 雜化， 無(wú)孤電子對(duì)，故分子呈平面三角形是 AB4 型離子，NH4的價(jià)電子對(duì)數(shù) n12（5-1-41）+44，N 采用 sp3 雜化，無(wú)孤電子對(duì)，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180sp2平面三角形120sp3正四面體1095由此，可以根據(jù)分子的空間構(gòu)型或鍵角來(lái)判斷中心原子軌道的雜化方式。例如：學(xué)生對(duì)于一些常見(jiàn)的簡(jiǎn)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(kuò)展到以共價(jià)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(jià)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(gè)碳原子與其它三個(gè)碳原子結(jié)合，形成六元環(huán)層，鍵角為 120，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(duì)數(shù)逆向判斷根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論，中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù) 鍵數(shù)孤電子對(duì)數(shù)，如果我們已知 鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)，就可以逆向判斷出中心原子價(jià)電子對(duì)數(shù)，從而判斷出雜化方式。例如： 指出乙酸分子中標(biāo)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(xué)生都能熟練書寫有機(jī)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(duì)數(shù)，從而判斷出雜化方式。1 號(hào) C 形成 4 個(gè) 鍵，無(wú)孤電子對(duì)，所以有 4 個(gè)價(jià)電子對(duì)，C 原子為 sp3 雜化，其周圍 3 個(gè) H 和 1 個(gè) C 呈正四面體分布；2 號(hào) C 形成 3 個(gè) 鍵，無(wú)孤電子對(duì)，所以有 3 個(gè)價(jià)電子對(duì)，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(jià)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(lái)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(jià)層電子對(duì)互斥理論是比較淺顯的，并沒(méi)有介紹 N 作為配位原子應(yīng)該如何計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)，在解決這樣的題目時(shí)，教師不必加深補(bǔ)充介紹價(jià)層電子對(duì)互斥理論， 可以采用等電子原理巧解。 因?yàn)镹2O 與 CO2 互為等電子體，學(xué)生對(duì)于 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(dāng)然也可以計(jì)算出 CO2 中的 C 原子的價(jià)電子對(duì)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(gè)原子是中心原子，哪個(gè)是配位原子， 如何計(jì)算價(jià)電子對(duì)數(shù)， 直接根據(jù) CNS與CO2 等電子體，來(lái)判斷 CNS為直線型，sp 雜化。五、根據(jù)結(jié)構(gòu)代換判斷有機(jī)化學(xué)中的取代反應(yīng)是指有機(jī)物分子里某些原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng)，根據(jù)取代反應(yīng)機(jī)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(duì)于一些復(fù)雜的分子，我們可以將其中的某些原子團(tuán)代換成原子，變成簡(jiǎn)單熟悉的分子，根據(jù)這個(gè)分子的空間構(gòu)型和雜化軌道類型，來(lái)判斷原來(lái)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?yàn)?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?yàn)镹H3 中 N 原子為 sp3 雜化，所以 H2NNH2 中的 N 原子也為 sp3 雜化。課程標(biāo)準(zhǔn)和高考說(shuō)明對(duì)這部分的教學(xué)和考試要求是這樣描述的：“能根據(jù)雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷簡(jiǎn)單分