常見(jiàn)分子(離子)的共價(jià)鍵解析(下)*

梁愛(ài)琴，曲寶涵，代 輝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院，山東 青島 266109)

常見(jiàn)分子(離子)的共價(jià)鍵解析(下)*

梁愛(ài)琴，曲寶涵**，代 輝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島266109)

闡述了無(wú)機(jī)化學(xué)中用于解釋多原子分子(離子)形成共價(jià)鍵的兩種理論，應(yīng)用兩種共價(jià)鍵理論對(duì)常見(jiàn)的多原子分子、離子的共價(jià)鍵進(jìn)行解析，探討成鍵數(shù)目、類型、空間構(gòu)型、磁性、穩(wěn)定性等。

多原子分子(離子) ;共價(jià)鍵; 解析

共價(jià)鍵是一種重要的化學(xué)鍵，原子之間可以通過(guò)共價(jià)鍵連接構(gòu)成分子、離子，常見(jiàn)的共價(jià)鍵理論有路易斯理論(Lewis theory簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)ewis)、價(jià)鍵理論(Valance bond theory 簡(jiǎn)寫(xiě)為VB)、雜化軌道理論(Hybridization orbital theory簡(jiǎn)寫(xiě)為HO)、價(jià)層電子對(duì)互斥理論(Valence shell electron pair repulsion theory 簡(jiǎn)寫(xiě)為VSEPR)和分子軌道理論(Molecular orbital theory 簡(jiǎn)寫(xiě)為MO)，這些理論從不同角度、不同側(cè)面描述共價(jià)鍵，又互相補(bǔ)充和借鑒，較圓滿地解釋了分子、離子中共價(jià)鍵的形成、類型以及由此決定的空間構(gòu)型[1]、磁性、穩(wěn)定性等問(wèn)題，對(duì)于多原子分子、離子主要應(yīng)用路易斯理論、價(jià)鍵理論、雜化軌道理論、價(jià)層電子對(duì)互斥理論來(lái)解釋共價(jià)鍵的形成、類型、數(shù)目、空間構(gòu)型等問(wèn)題。

1 價(jià)鍵理論簡(jiǎn)介

雜化軌道理論是鮑林L．Pauling在價(jià)鍵理論的基礎(chǔ)上結(jié)合電子的波動(dòng)性提出原子在形成分子的過(guò)程中，中心原子的電子受到激發(fā)而躍遷，伴隨著原子軌道重新雜化形成電子云密度較大的雜化軌道后再成鍵，雜化軌道的空間分布決定了分子的空間構(gòu)型，該理論主要解釋分子的空間構(gòu)型。

價(jià)層電子對(duì)互斥理論由希奇維克N．V．Sidgwick和鮑威爾H．M．Powell于1940年提出，并由吉萊斯皮R．T．Gillespie、尼霍姆R．S．Nyholm完善和發(fā)展，該理論建立在靜電力學(xué)原理和大量分子幾何構(gòu)型事實(shí)的基礎(chǔ)上，依據(jù)能量最低原理確定分子的空間構(gòu)型而不考慮原子軌道的概念，計(jì)算價(jià)層電子對(duì)時(shí)通常采用原子價(jià)層電子數(shù)除以2得到，具體對(duì)于氧作為配位原子時(shí)不提供價(jià)電子、作為中心原子時(shí)提供六個(gè)價(jià)電子，鹵素原子作為配位原子和中心原子分別提供一個(gè)和七個(gè)價(jià)電子等規(guī)定，還要分析中心原子含孤對(duì)電子時(shí)對(duì)構(gòu)型的影響。該理論只用于解釋多原子分子(離子)的空間構(gòu)型[2]。

2 多原子分子(離子)共價(jià)鍵解析

多原子分子(離子)共價(jià)鍵解析可采用路易斯理論、價(jià)鍵理論、雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論來(lái)解釋，尤其是后兩種理論可以很好的解釋多原子分子(離子)的空間構(gòu)型，雜化軌道理論應(yīng)用更廣泛，價(jià)層電子對(duì)互斥理論主要解釋單個(gè)中心原子的情況，兩種理論都應(yīng)用了價(jià)鍵理論中電子配對(duì)原則、σ鍵與π鍵、單鍵、雙鍵、叁鍵等基本觀點(diǎn)，也力圖達(dá)到路易斯理論中的穩(wěn)定八隅體結(jié)構(gòu)。

2.1 氫化物的共價(jià)鍵解析

2.1.1 雜化理論解析氫化物成鍵

雜化軌道理論將原子軌道的雜化分為sp、sp2、sp3、dsp2、dsp3、d2sp3、sp3d、sp3d2八種類型，分子(離子)的空間構(gòu)型取決于中心原子的雜化類型，相同的雜化類型又分等性雜化和不等性雜化，原子之間靠單鍵σ鍵連接形成基本構(gòu)型后，若仍有單電子，就會(huì)進(jìn)一步形成π鍵以至大π鍵[3]。

圖1 乙炔、乙烯、甲烷的空間構(gòu)型

圖2 苯環(huán)中的大π鍵

C原子的sp3雜化為等性雜化，四個(gè)sp3雜化軌道上各有一個(gè)單電子，而N和O原子的sp3雜化為不等性雜化，四個(gè)sp3雜化軌道上電子數(shù)不相同，如圖3所示，因此在電子配對(duì)成鍵時(shí)需要的H原子也不相同，氨分子NH3為三角錐形、水分子H2O為角形，如圖3所示。

圖3 C、N、O原子的sp3雜化軌道電子排布和NH3、H2O的空間構(gòu)型

圖4 H2O2的空間構(gòu)型

2.1.2 價(jià)層電子對(duì)互斥理論解析氫化物成鍵

按照價(jià)層電子對(duì)互斥理論解釋氫化物成鍵如表1所示。

表1 價(jià)層電子對(duì)互斥理論對(duì)氫化物的共價(jià)鍵解析

Table 1 The analysis on covalent bond in hydride by VSEPR

其中CH4,SiH4,CCl4, NH4+由于中心原子周圍的原子相同，為正四面體結(jié)構(gòu)，具有非極性分子特征，CHCl3,CH3OH由于中心原子周圍的原子不完全相同，為四面體結(jié)構(gòu)，是極性分子；同理HCHO是非等邊三角形，是極性分子，C2H4和C6H6所有原子在同一平面上，且C6H6為正六邊形構(gòu)型。

2.2 氧化物及含氧酸根的共價(jià)鍵解析

2.2.1 雜化軌道理論對(duì)氧化物及含氧酸根的共價(jià)鍵解析

除此之外，匯率預(yù)期與實(shí)際匯率往往具有相互強(qiáng)化的效應(yīng)，使得前者對(duì)跨境資金流動(dòng)的影響程度更大。實(shí)體經(jīng)濟(jì)中的交易主體會(huì)因?qū)嶋H匯率升貶值形成對(duì)人民幣匯率走勢(shì)的預(yù)期，從而通過(guò)資金配置進(jìn)一步改變商品市場(chǎng)、資本市場(chǎng)以及信貸市場(chǎng)的均衡關(guān)系，又通過(guò)外匯市場(chǎng)供求關(guān)系的變化將影響傳導(dǎo)至實(shí)際匯率，實(shí)際匯率的波動(dòng)則進(jìn)一步增強(qiáng)市場(chǎng)主體的匯率預(yù)期，形成“匯率升貶值——預(yù)期升貶值——加劇匯率升貶值——強(qiáng)化預(yù)期升貶值”的循環(huán)，實(shí)際匯率與匯率預(yù)期的自我強(qiáng)化也加大了對(duì)跨境資金流動(dòng)的沖擊。

用雜化軌道理論對(duì)氧化物及含氧酸根的共價(jià)鍵解析如表2所示。

表2 雜化軌道理論對(duì)氧化物及含氧酸根的共價(jià)鍵解析

Table 2 The analysis on covalent bond in oxide and oxygenates by HO

表2(續(xù))

N的氧化物較多，成鍵也表現(xiàn)出特殊性，在這里詳細(xì)說(shuō)明：NO，NO2中心N原子sp2不等性雜化后與O成鍵，如圖5所示。

圖5 NO、N2O2，NO2、N2O4成鍵示意圖

圖6 N2O3和N2O5成鍵示意圖

2.2.2 價(jià)層電子對(duì)互斥理論對(duì)氧化物及含氧酸根的共價(jià)鍵解析

價(jià)層電子對(duì)互斥理論對(duì)氧化物及含氧酸根共價(jià)鍵解析如表3。

表3 價(jià)層電子對(duì)互斥理論對(duì)氧化物及含氧酸根共價(jià)鍵解析

Table3 The analysis on covalent bond in oxide and oxygenates by VSEPR

2.3 d軌道參與雜化的分子(離子)

對(duì)于d軌道參與雜化的分子(離子)空間構(gòu)型的主要是配位離子，而關(guān)于配位離子(配合物)的結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用價(jià)鍵雜化軌道理論解釋，如表4所示，還有晶體場(chǎng)理論的解釋[4](本論文中不展開(kāi)討論)。

表4 d軌道參與雜化的分子(離子)空間構(gòu)型

Table 4 The spatial configuration of molecules and ions with d orbital involved in hybridization

3 特殊分子(離子)共價(jià)鍵解析

下面我們對(duì)特殊分子B2H6、AlCl3、疊氮酸HN3進(jìn)行共價(jià)鍵解析。

B2H6中B(2s22p1)以sp3雜化，sp3雜化軌道中一條為空軌道，其余三條含單電子，B與H原子成鍵如圖7(a)，左邊B的sp3空軌道、H的1s軌道(含單電子)、右邊B的sp3軌道(含單電子)三者重疊形成三中心二電子的B-H-B氫橋鍵，為缺電子化合物；AlCl3以二聚體存在，Al為sp3雜化，Al與Cl原子成鍵如圖7(b)，左邊Al的sp3空軌道、Cl的2px軌道(含孤對(duì)電子)成鍵，同時(shí)Cl的2py軌道(含單電子)與右邊Al的sp3軌道(含單電子)成鍵，最終形成三中心四電子的Al-Cl-Al氯橋鍵。

圖7 B2H6和AlCl3的成鍵示意圖

圖8 疊氮酸HN3、疊氮酸根成鍵示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

希望通過(guò)以上多原子分子(離子)的共價(jià)鍵解析可以幫助學(xué)生更加深刻理解共價(jià)鍵本質(zhì)、共價(jià)鍵各種理論的優(yōu)缺點(diǎn)和雜化軌道理論、價(jià)層電子對(duì)互斥理論的應(yīng)用，更加熟悉常見(jiàn)多原子分子(離子)的結(jié)構(gòu)和由結(jié)構(gòu)決定的性質(zhì)等知識(shí)。

[1] 薛泮郎. 化學(xué)鍵的力學(xué)本質(zhì)與原子的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及分子結(jié)構(gòu)[C]// 河南省化學(xué)會(huì).河南省化學(xué)會(huì).2014年學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C].鄭州：河南省化學(xué)會(huì)，2014.

[2] 孫曉妮. 議談“價(jià)層電子對(duì)互斥理論”判斷分子構(gòu)型的競(jìng)賽教學(xué)[J].西部素質(zhì)教育,2016(14):10-11.

[3] 高善民,劉 冰,金 娟,等. 《雜化軌道理論》教學(xué)改革探索[J]. 廣州化工,2016(20):138-140，175.

[4] 史啟禎.無(wú)機(jī)化學(xué)與化學(xué)分析[M].北京：高等教育出版社.2005.

[5] 宋天佑,程 鵬,王杏喬.無(wú)機(jī)化學(xué)[M].北京：高等教育出版社.2004.

(本文文獻(xiàn)格式：梁愛(ài)琴，曲寶涵，代輝.常見(jiàn)分子(離子)的共價(jià)鍵解析(下)[J].山東化工，2017，46(16)：175-178.)

The Analysis of Covalent Bonds in the Common Polyamotic Molecules and Ions(II)*

Liang Aiqin, Qu Baohan**, Dai Hui

(College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

The commonly used two kinds of covalent bond theory in the inorgnic chemistry were introduced simply in this paper. According to different theories viewpoint, covalent bonds in the common polyamotic molecules and ions were analysed from the following several aspects: the bonding number, type, space configuration, stability, etc.

polyamotic; molecules and ions; covalent bond; theory；analysis

G634.8

：A

：1008-021X(2017)16-0175-04

2017-05-30

山東省精品課程(無(wú)機(jī)化學(xué))211BK174；山東省特色名校建設(shè)工程課程建設(shè)項(xiàng)目XJG2013011，XJG2013125

梁愛(ài)琴(1976—)，女，山西靈石人，講師，從事無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)和水處理研究。