中心原子雜化軌道型別的判斷方法

2022-06-23 16:05:35 字數 3325 閱讀 4585

高中化學選修模組《物質結構與性質》(蘇教版)中介紹了雜化軌道理論,這一重要理論能解釋大多數分子幾何構型及價鍵結構。在使用該理論時,首先必須確定中心原子的雜化形式,在未知分子構型的情況下,判斷中心原子雜化軌道型別有時比較困難,成為教學難點。下面總結幾種高中階段判斷中心原子雜化軌道型別的方法。

一、根據分子的空間構型判斷

根據雜化軌道理論,中心原子軌道採取一定的雜化方式後,其空間構型和鍵角如下:

雜化軌道型別雜化軌道空間構型鍵角

sp直線形180°

sp2平面三角形 120°

sp3正四面體 109.5°

由此,可以根據分子的空間構型或鍵角來判斷中心原子軌道的雜化方式。

例如一些常見的簡單分子的結構都是熟

悉的,c2h2、co2為直線型分子,鍵角為180°,推斷其c 原子的雜化軌道型別為sp;c2h4 、c6h6為平面型分子,鍵角為120°, 推斷其c 原子的雜化軌道型別為sp2;ch4、ccl4為正四面體,鍵角109.5°,推斷其c 原子的雜化軌道型別為sp3。

還可以擴充套件到以共價鍵形成的晶體,如:已知金剛石中的碳原子、晶體矽和石英中的矽原子,都是以正四面體結構形成共價鍵的,所以也都是採用sp3 雜化;已知石墨的二維結構平面內,每個碳原子與其它三個碳原子結合,形成六元環層,鍵角為120°,由此判斷石墨的碳原子採用sp2 雜化。

二、根據價層電子對互斥理論判斷

教材(蘇教版)的“拓展視野”中介紹了價層電子對互斥理論,根據該理論能夠比較容易而準確地判斷abm型共價分子或離子的空間構型和中心原子雜化軌道型別。中心原子的價電子對數與價電子對的幾何分佈、中心原子雜化軌道型別的對應關係如下表(價電子對數>4 的,高中階段不作要求)。

中心原子價電子對數價電子對幾何分佈中心原子雜化型別

2直線形sp

3平面三角形sp2

4正四面體sp3

運用該理論的關鍵是能準確計算出中心原子的價電子對數,其計算方法是:

1.價電子對數n =[中心原子(a)的價電子數+配位原子(b)提供的價電子數×m]÷2。

2.對於主族元素,中心原子(a)的價電子數=最外層電子數;配位原子中鹵族原子、氫原子提供1 個價電子,氧族元素的原子按不提供電子計算; 離子在計算價電子對數時,還應加上負離子的電荷數或減去正離子的電荷數。

3.中心原子孤電子對數=n(價電子對數)-m(配位原子b 數)。

4. 雜化軌道由形成σ 鍵的電子對和孤電子對佔據,因此分子或離子的空間構型為雜化軌道構型去掉孤電子對後剩餘的形狀。

例:指出下列分子或離子的中心原子的雜化軌道型別,並**它們的空間構型:⑴becl2、h2o

⑵so3、nh3

⑶nh4+、po43-

解析:第⑴組都是ab2型分子

becl2的價電子對數

n=(2+1×2)÷2=2,be 採用sp 雜化,n-m=2-2=0,無孤對電子

, 故分子呈直線型;

h2o 的價電子對數

n=(6+1×2)÷2=4,o 採用sp3 雜化,n-m=4-2=2,有2 對孤電子對,故分子呈折線型。

第⑵組都是ab3型分子

so3的價電子對數

n=(6+0×3)÷2=3,s 採用sp2 雜化,n-m=3-3=0, 無孤對電子,故分子呈平面三角形;

nh3的價電子對數

n=(5+1×3)÷2=4,n 採用sp3 雜化,n-m=4-3=1,有1 對孤對電子,故分子呈三角錐型。

第⑶組都是ab4型離子

nh4+的價電子對數

n=(5+1×4-1)÷2=4,n 採用sp3 雜化,n-m=4-4=0,無孤對電子,

故分子呈正四面體;

po43-的價電子對數

n=(5+0×3+3)÷2=4,p 採用sp3 雜化,n-m=4-4=0,無孤對電子,分子呈正四面體結構。

三、根據σ 鍵數和孤電子對數逆向判斷

根據價層電子對互斥理論,中心原子價電子對數=σ 鍵數+孤電子對數,如果已知σ 鍵數和孤電子對數,就可以逆向判斷出中心原子價電子對數,從而判斷出雜化方式。

例: 指出乙酸分子中原子的雜化軌道型別以及它們周圍原子的空間分佈情況。

解析: 高能熟練書寫有機分子的結構式,根據結構式就很容易得知σ 鍵數和孤對電子數,從而判斷出雜化方式。

1號c形成4個σ 鍵,無孤對電子,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呈正四面體分佈;2號c形成3個σ鍵,無孤對電子,所以有3個價

電子對,c原子為sp2雜化,其周圍的c、o、o呈正三角形分佈;3號o形成2個σ鍵,2個孤對電子, 所以有4個價電子對,c原子為sp3雜化,其周圍的c和h呈折線形分佈。

四、根據等電子原理判斷

教材的“資料卡”中介紹了等電子原理,即具有相同價電子數和相同原子數的分子或離子具有相同的結構特徵,這裡的結構特徵包括中心原子的雜化軌道型別、分子的空間結構等。因此,我們可以根據一些熟悉的分子的雜化軌道型別來判斷與它互為等電子體的不熟悉的分子的雜化軌道型別。

例:指出n2o分子的空間構型和雜化軌道型別。

解析:教材中介紹的價層電子對互斥理論是比較淺顯的,並沒有介紹n作為配位原子應該如何計算價電子對數,在解決這樣的題目時,可採用等電子原理巧解。由於 n2o與co2互為等電子體,大家對於co2的結構非常熟悉,直接根據直型,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n=(4+0×2)÷2=2,判斷為sp雜化,直線型,故n2o也應為sp雜化,直線型。

同樣, 如果要判斷cns-的空間構型和雜化軌道型別,不必深究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, 直接根據cns-與

co2等電子體,來判斷cns-為直線型,sp雜化。

五、根據結構代換判斷

有機化學中的取代反應是指有機物分子裡某些原子或原子團被其它原子或原子團所代替的反應,根據取代反應機理,發生取代後,其中心原子的結構和成鍵方

式都應該不變。由此啟發,對於一些複雜的分子,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,根據這個分子的空間構型和雜化軌道型別,來判斷原來的分子的空間構型和雜化軌道型別。

例:ch3-oh 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ch3-oh中的o原子也為sp3雜化。

h2n-nh2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h2n-nh2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間構型”, 處於認知性學習目標的第三水平。近幾年的高考題對這部分內容都有考查,但難度不大。

因此,雖然這部分內容是學習難點,但並不是考試難點。

所以,在學這部分內容或解部分習題時,不要隨意加深、加難,而要注意思維品質的培養,不同的分子可以用同一方法判斷,同樣的分子也可以用不同

的方法判斷,根據掌握情況靈活運用。

sanctuary 整理