常見(jiàn)分子(離子)的共價(jià)鍵解析(上)

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(上)

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)中用于解釋雙原子分子(離子)形成共價(jià)鍵的三種理論，應(yīng)用不同共價(jià)鍵理論對(duì)常見(jiàn)的雙原子分子(離子)的共價(jià)鍵進(jìn)行解析，探討成鍵數(shù)目、類(lèi)型、穩(wěn)定性等。

雙原子；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(Molecular orbital theory 簡(jiǎn)寫(xiě)為MO)，之所以共存幾種理論，是因?yàn)樯形从幸环N理論能解釋所有的共價(jià)鍵現(xiàn)象，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(lèi)型以及由此決定的空間構(gòu)型、磁性、穩(wěn)定性等問(wèn)題，其中雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論主要用于解釋多原子分子，路易斯理論、價(jià)鍵理論、分子軌道理論可用于解釋雙原子分子和離子。

1 共價(jià)鍵理論簡(jiǎn)介

1916年路易斯G．N．Lewis最早提出共價(jià)鍵的概念，他提出分子中原子通過(guò)共享電子對(duì)使每個(gè)原子具有穩(wěn)定的稀有氣體電子組態(tài)，即Lewis的八隅體結(jié)構(gòu)式，說(shuō)明了簡(jiǎn)單非金屬元素形成分子的過(guò)程和共價(jià)鍵與離子鍵的區(qū)別，其局限性為無(wú)法解釋元素周期表中第三周期及以下周期元素的價(jià)層電子數(shù)大于8的分子、離子的穩(wěn)定性(如PCl5、[SiF6]2-)，而且也沒(méi)有解釋共價(jià)鍵的本質(zhì)、分子、離子的空間構(gòu)型等[1]。

價(jià)鍵理論是1930年斯萊特Slater和鮑林L．Pauling發(fā)展了量子力學(xué)對(duì)氫分子成鍵的處理結(jié)果而建立起來(lái)的，也稱(chēng)為電子配對(duì)法，該理論解釋共價(jià)鍵的本質(zhì)為帶正電的原子核對(duì)核間電子云的吸引，是原子軌道的重疊，波函數(shù)的加強(qiáng)，電子云密度的增大，并按照電子配對(duì)原則和軌道重疊方式解釋了共價(jià)鍵的飽和性、方向性、類(lèi)型、鍵參數(shù)(鍵長(zhǎng)、鍵角、鍵級(jí))等基本術(shù)語(yǔ)，缺陷是無(wú)法解釋多原子分子(離子)的空間排列問(wèn)題。

分子軌道理論于1932年由洪特F．Hund和密里根Mulliken提出，分子具有由原子軌道線性組合得到的分子軌道，電子不屬于任何原子，而屬于整個(gè)分子體系，在分子軌道上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電子在分子軌道的排布可以判斷形成的化學(xué)鍵數(shù)目、類(lèi)型、鍵級(jí)、穩(wěn)定性和磁性，但不能解釋分子的空間構(gòu)型[2]。

下面就常見(jiàn)的簡(jiǎn)單分子、雙原子分子、離子的共價(jià)鍵進(jìn)行分析，熟悉各種理論的應(yīng)用、了解不同理論解釋同一現(xiàn)象的方法和聯(lián)系，更深刻地認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的微觀結(jié)構(gòu)。

2 稀有氣體分子共價(jià)鍵解析

3 雙原子分子(離子)共價(jià)鍵解析

對(duì)于雙原子分子(離子)中共價(jià)鍵解析用得最多的就是路易斯理論、價(jià)鍵理論和分子軌道理論，雙原子分子(離子)中兩原子只能是直線相連，因此較少用雜化軌道理論和價(jià)層電子對(duì)互斥理論解釋空間構(gòu)型。

3.1 相同原子的雙原子分子(離子)

H2、N2、O2、O22-、F2的Lewis結(jié)構(gòu)式如表1。

表1 H2、N2、O2、O22-、F2的Lewis結(jié)構(gòu)式Table 1 The Lewis structure of H2,N2,O2,O22-,F2

兩原子之間形成共價(jià)單鍵就是σ鍵，形成共價(jià)雙鍵或叁鍵時(shí)只能有一個(gè)σ鍵，其余是π；Cl2、Br2、I2的Lewis結(jié)構(gòu)式與F2類(lèi)似。

按照價(jià)鍵理論，只有兩個(gè)自旋相反電子才能配對(duì)成鍵，且有幾個(gè)單電子就形成幾個(gè)共價(jià)鍵[3]，H2、N2、O2、F2的共價(jià)鍵解析如表2所示。

表2 價(jià)鍵理論對(duì)H2、N2、O2、F2的共價(jià)鍵解析Table 2 The analysis on covalent bond of H2,N2,O2,F2 by Valance bond theory

Cl2、Br2、I2的成鍵情況與F2類(lèi)似；過(guò)氧根離子O22-與O2不同，基態(tài)O原子有兩個(gè)未成對(duì)電子，由于O22-帶兩個(gè)負(fù)電荷，因此每個(gè)O原子就剩一個(gè)單電子，兩O原子的單電子配對(duì)形成一個(gè) 的 鍵，與F2類(lèi)似。

按照分子軌道理論，H2、N2、O2、O2+、O2-、O22-、F2的分子軌道排布式、鍵級(jí)(鍵級(jí)越大，基團(tuán)越穩(wěn)定)、共價(jià)鍵數(shù)目、類(lèi)型和磁性(有單電子即為順磁性，無(wú)單電子即為反磁性)由表3所示。

表3 分子軌道理論對(duì)H2、N2、O2、O2+、O2-、O22-、F2的共價(jià)鍵解析Table 3 The analysis on covalent bond of H2、N2、O2、O22-、F2 by Molecular orbital theory

由表3可以看出N2、O2、F2的鍵級(jí)順序?yàn)镹2>O2>F2，因此，穩(wěn)定性順序?yàn)镹2>O2>F2；同理，O2、O2+、O2-、O22-的穩(wěn)定性順序?yàn)镺2+>O2>O2->O22-，自然氧氣比雙氧水穩(wěn)定，負(fù)氧離子O2-、O22-比O2活性大，更容易被人體吸收利用，產(chǎn)生舒服的感覺(jué)。讀者可試著寫(xiě)出第二周期元素Li2、Be2、B2、C2的分子軌道排布式，由Be2鍵級(jí)為零推測(cè)出Be2分子不存在，Li2、B2、C2的鍵級(jí)不為零，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，其存在要具備特殊條件。

3.2 異種原子的雙原子分子(離子)

HF、OH-、CO 、NO、NO+、NO-、CN-的Lewis結(jié)構(gòu)式如表4所示。

表4 HF、OH-、CO 、NO、NO+、NO-、CN-的Lewis結(jié)構(gòu)式Table 4 The Lewis structure of HF, OH-, CO , NO, NO+, NO-, CN-

HCl、HBr、HI的Lewis結(jié)構(gòu)式與HF類(lèi)似。CO分子中C與O形成叁鍵，有兩個(gè)共價(jià)鍵為C、O各提供一個(gè)電子配對(duì)形成，第三個(gè)共價(jià)鍵為C提供空軌道，O提供孤對(duì)電子為C、O共用，稱(chēng)配位鍵，用 表示，這是從電子來(lái)源方面的命名，區(qū)別于雙方均提供一個(gè)電子形成的共價(jià)鍵，而一旦形成共價(jià)鍵，配位鍵與其他共價(jià)鍵是一樣的。CN-與CO分子成鍵相同，NO中N未形成八隅體結(jié)構(gòu)，因此NO不穩(wěn)定，常以二聚體N2O2的形式存在 。

按照價(jià)鍵理論解釋HF、CO、OH-、NO、NO+、NO-成鍵情況如表5，注意OH-、NO+、NO-離子形成過(guò)程中整個(gè)基團(tuán)得失電子的情況。

表5 價(jià)鍵理論對(duì)HF、CO、OH-、NO、NO+、NO-的共價(jià)鍵解析Table 5 The analysis on covalent bond of HF, CO, OH-, NO,NO+, NO- by Valance bond theory

HF、OH-、CO、NO、NO+、NO-按照分子軌道理論解析如表6所示。

表6 分子軌道理論對(duì)HF, OH-, CO, NO, NO+, NO-的共價(jià)鍵解析Table 6 The analysis on covalent bond of HF, OH-, CO, NO, NO+, NO- by Molecular orbital theory

價(jià)鍵理論解釋的NO、NO-均為雙鍵，分子軌道理論解釋的NO、NO-均為叁鍵，注意區(qū)別，后者解釋更貼合事實(shí)；按分子軌道理論NO、NO-都有兩個(gè)π鍵，但NO中兩個(gè)π鍵不完全一樣，一個(gè)是2電子π鍵，一個(gè)是3電子π鍵，而NO-中兩個(gè)π鍵完全一樣，都是3電子π鍵[5]。

由NO、NO+、NO-的鍵級(jí)可知穩(wěn)定性順序?yàn)镹O+>NO >NO-。

CO、CN-與N2是等電子體，其分子軌道式相同；NO-與O2是等電子體，分子軌道式也相同。

4 結(jié)束語(yǔ)

希望通過(guò)以上雙原子分子(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)和路易斯理論、價(jià)鍵理論、分子軌道理論的應(yīng)用，更加熟悉常見(jiàn)雙原子分子(離子)的結(jié)構(gòu)和由結(jié)構(gòu)決定的性質(zhì)等知識(shí)。

[1] 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.

[2] 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.

[3] 黃 薇.以《化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)》為例,談基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂在《無(wú)機(jī)與分析化學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣東化工,2016(17):218-219.

[4] 陳 喜,陸娟鳳. 關(guān)于一氧化氮生成反應(yīng)的討論[J]. 大學(xué)化學(xué),2016(9):83-86.

(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(上)[J].山東化工,2017,46(15):82-84.)

The Analysis of Covalent Bonds in the Common Diatomic Molecules and Ions(I)

LiangAiqin,QuBaohan*,DaiHui

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

The commonly used three kinds of covalent bond theory used to explain the formation of diatomic molecules and ions in the inorganic chemistry were introduced in this paper. According to different theories viewpoint,covalent bonds in the common diatomic molecules and ions were analysed from the following several aspects: the bonding number,type,stability,etc.

diatomic; molecules and ions; covalent bond; analysis

2017-05-30

山東省精品課程(無(wú)機(jī)化學(xué))(2011BK174)；山東省特色名校建設(shè)工程教學(xué)研究項(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；*通信作者：曲寶涵。

O641.1

A

1008-021X(2017)15-0082-03