高中化學雜化軌道理論疑難問題解析

毛立可

摘 要：雜化軌道理論是高中化學教學中一個重要知識點，也是每年高考中必考內(nèi)容。老師在講授這部分內(nèi)容時都是根據(jù)一個計算公式，首先計算出孤對電子數(shù)目，并由成鍵原子得出σ鍵數(shù)目，從而得出價層電子對數(shù)。然后利用價層電子對數(shù)和互斥模型的關系確定分子構型和雜化類型。這樣學生雖然能夠確定中心原子雜化方式，但不理解為什么這樣雜化，有時候還會得出錯誤結論。

關鍵詞：高中化學；雜化軌道；疑難問題；解析

1 CH4中心碳原子為什么是sp3雜化

中心碳原子電子排布式1s22s22p2，這樣中心碳原子2s能級2個電子已成對，只有2p能級存在2個單電子，按照共價鍵理論，一個原子有幾個未成對電子，便可和幾個自旋方向相反的電子配對成鍵。顯然中心碳原子只能結合兩個氫原子，可這與事實相矛盾。所以應該是2s能級的一個電子激發(fā)到2p能級，呈現(xiàn)四個單電子，從而能夠結合四個氫原子。但是有一個電子是2s能級，另外三個電子是2p能級，這樣形成的四個碳氫鍵鍵長不一樣，與甲烷是正四面體結構相矛盾，所以美國化學家鮑林提出了雜化軌道理論，認為s能級和p能級發(fā)生了sp3雜化，得到了四個能量相同的軌道。這種解釋同樣適用于BeCl2雜化方式，Be的1s能級的成對電子有一個激發(fā)到2p能級，發(fā)生了sp雜化。

2 H2O中心氧原子為什么是sp3雜化

中心氧原子電子排布式1s22s22p4，2p能級三個軌道填充4電子，中心氧原子有兩個未成對電子，按照共價鍵理論恰好結合兩個氫原子，這樣中心氧原子就不需要雜化，但事實上為sp3雜化。這是因為如果中心氧原子不雜化，中心氧原子三個啞鈴型2p軌道是相互垂直的，那么氧原子結合氫原子后形成的氧氫鍵鍵角應該是90°，但實際上H2O的鍵角是104.5°，這是共價鍵理論不能解釋的。雜化軌道理論認為形成水分子時，氧原子的一個2s軌道和三個2p軌道采取sp3雜化，電子對互斥模型為四面體形，因還有兩對電子未參與成鍵的孤對電子，孤對電子對成鍵電子的排斥作用，所以水分子中氧氫鍵的鍵角不是109°28′[1]。該解釋也適用于氨分子的雜化方式，如果N原子不發(fā)生雜化，那么形成的N-H鍵鍵角應該為90°，但事實上氨分子中鍵角為107°18′。

3 氧氣分子為什么是sp雜化

中學化學教學中大多數(shù)老師根據(jù)共價鍵理論把氧氣分子的電子式書寫為 ，這樣每個氧原子價層含有2孤對電子和1個σ鍵電子，因此很多學生甚至一部分教師都認為氧原子雜化方式為sp2雜化。但事實上氧氣分子的電子式不能那樣寫，首先實驗證明氧氣分子有順磁性，上面書寫的氧氣分子電子式顯示氧原子的價電子都配對成鍵不可能為順磁性。而氧分子的分子軌道式為（σ1s）2（σ*1s）2（σ 2s）2（σ* 2s）2（σ 2px）2（π 2py）2（π 2pz）2（π*2py）1（π*2pz）1，氧氣分子中兩個氧原子之間應該形成兩個三電子л鍵，其結構式為 ，這樣每個氧原子有一個σ鍵，一對孤對電子，所以氧原子雜化方式應為sp雜化。

4 HCl分子為什么是sp3雜化

Cl原子的電子排布式為1s22s22p63s23p5，Cl原子3p能級三個軌道填充5個電子，有一個軌道填充一個電子。很多學生和老師認為Cl原子3p能級有一個單電子，H原子有一個電子，它們恰好成鍵，就不需要雜化。還有一部分老師直接告訴學生雙原子分子是直線形結構，就是sp雜化。其實這是對雜化軌道的錯誤認識，如果Cl原子不雜化，3p能級的三個軌道空間伸展方向是相互垂直的，那么未成鍵的孤對電子對成鍵電子擠壓作用就很大，這不符合共價鍵成鍵斥力最小原則，所以Cl原子應該為sp3雜化，價層電子對互斥模型為空間四面體形，這樣形成的H-Cl才最穩(wěn)定。

5 ClO2分子為什么是sp2雜化

中學化學在講授分子雜化類型時，首先根據(jù)公式計算出孤電子對數(shù)目。對于ABn型分子，中心原子上的孤電子對數(shù)=1/2（a-nb）=1/2（A的價電子數(shù)-│B的化合價│×B的個數(shù)）=1/2（7-2×2）=1.5。孤電子對數(shù)為1.5，說明有一個單電子，同樣占據(jù)一個軌道，把孤電子對數(shù)看作2，另外ClO2分子兩個σ鍵，所以Cl原子價層電子對數(shù)為4，其雜化方式為sp3雜化。這樣ClO2的價層電子對互斥模型應為四面體形，但事實上卻是平面三角形。說明不顧事實計算出來的模型不準確。正確的是Cl原子價層兩對電子分別提供給兩個O原子形成兩個σ鍵，有一對孤對電子參與雜化，形成sp2雜化。2個O原子各提供一對電子和Cl原子的一個單電子形成三中心五電子的大л鍵[2]。

雜化軌道理論是1931年由美國化學家鮑林等人提出的，它解決了價鍵理論不能解釋某些分子的鍵長、鍵角、中心原子結合的原子數(shù)目及分子穩(wěn)定性問題。所以我們在確定分子雜化方式時要從上面幾個方面考慮，要分析哪些

能級的電子躍遷到激發(fā)態(tài)參與雜化，要使參與雜化的電子對之間斥力最小即分子最穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]武漢大學，吉林大學等校（曹錫章，宋天佑，王杏喬修訂）.高等學校教材無機化學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1994：156-157

[2]桂耀榮.二氧化氯的分子結構[EB/OL].2010-8-27. http：//blog.sciencenet.cn/blog-3777-356659.html.