高考化學(xué)中一種解決中心原子雜化、成鍵等問題的有效方法

賴時軍　韓林

摘要：本文詳細(xì)地剖析了雜化軌道理論與價(jià)層電子對互斥理論相互結(jié)合在中學(xué)化學(xué)中的應(yīng)用，為高中學(xué)生判斷ABm分子的雜化類型、成鍵情況和立體構(gòu)型等提供了較為系統(tǒng)的方法，特別能解決高考題的《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》選修模塊中涉及的判斷中心原子雜化類型和大π鍵的相關(guān)題型。

關(guān)鍵詞：雜化類型；分子構(gòu)型；中心原子；成鍵

對于很多高中生而言，軌道雜化的相關(guān)認(rèn)識總是十分模糊，對于常見分子的中心原子雜化、成鍵等問題的認(rèn)識也不夠深入。為什么H2O中O為sp3雜化，為什么H2O的O會有孤對電子，為什么同為sp3雜化的H2O、CH4和NH3卻有著不同的構(gòu)型，這些都讓學(xué)生產(chǎn)生極大的困惑。

這是由于雜化軌道理論本身是一個很精深的理論，甚至需要復(fù)雜的理論計(jì)算，在中學(xué)教材中只能簡要提及。

筆者通過將雜化軌道理論與價(jià)層電子對互斥理論（VSEPR法）結(jié)合應(yīng)用，可以較好解決以上的問題。該方法能讓高中生更深刻地了解中心原子雜化、成鍵過程，擺脫對這部分知識的死記硬背，從而提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)。

一、 雜化軌道理論和價(jià)層電子對互斥理論相結(jié)合能解決的問題

1. 能判斷價(jià)層電子對數(shù)和雜化類型

（1） 確定中心原子價(jià)層電子對數(shù)

根據(jù)價(jià)層電子對互斥理論，中心原子的價(jià)層電子對數(shù)=（中心原子的價(jià)電子數(shù)+配位原子提供價(jià)電子數(shù)±所帶電荷數(shù)）/2，需要注意：氫和鹵素作為配體時只提供一個電子；氧族元素為配體時不提供電子，為中心原子時提供6個電子。

如CO32-的中心原子的價(jià)層電子對數(shù)為（O為配體）：（4+2）/2=3；而H2O（O為中心原子）的中心原子的價(jià)層電子對數(shù)為：（6+2）/2=4。

（2） 確定中心原子雜化類型

根據(jù)雜化軌道理論可得出：參與成鍵的通常為價(jià)電子所在的軌道；中心原子的價(jià)層電子對數(shù)=所需的雜化軌道數(shù)。結(jié)合這兩點(diǎn)便可推出雜化類型。

例如CO2的中心原子的價(jià)層電子對數(shù)為2，需2條雜化軌道，即1條2s和1條2p參與雜化，則中心原子C為sp雜化。CO32-的中心原子價(jià)層電子對數(shù)為3，則需1條2s和2條2p參與雜化，則為sp2雜化。又如H2O的中心原子O的價(jià)層電子對數(shù)為4，需四條雜化軌道，1條2s和3條2p參與雜化，為sp3雜化。

學(xué)生用以上的方法還可以判斷不常見分子的雜化類型，例如PCl5，中心原子的價(jià)層電子對數(shù)：（5+5×1）/2=5，需要五條雜化軌道，故PCl5中P原子除了3s和3p軌道之外，3d軌道也要參與成鍵，為sp3d雜化。

2. 能判斷分子構(gòu)型和孤對電子的存在

（1） 中心原子上孤對電子的判斷

若分子中配體數(shù)=中心原子的價(jià)層電子對數(shù)（雜化軌道數(shù)）則意味著中心原子沒有孤對電子，即雜化軌道是被成鍵電子對所占據(jù)。

反之，配體數(shù)<價(jià)層電子對數(shù)，則有孤對電子，且孤對電子對數(shù)=價(jià)層電子對數(shù)-配體數(shù)。

例如，對CH4價(jià)層電子對數(shù)為4，即（4+4）/2=4，配體數(shù)=價(jià)層電子對數(shù)，無孤對電子。而H2O價(jià)層電子對數(shù)為4，只有兩個H為配體，配體數(shù)<價(jià)層電子對數(shù)，孤對電子對數(shù)目為2，即（4-2=2）。

同樣，NH3價(jià)層電子對數(shù)為4，三個H為配體，孤對電子對數(shù)目為1對，即（4-3=1）。這樣，通過簡單的計(jì)算便可快速判斷孤對電子的存在，以及數(shù)目。

（2） 分子構(gòu)型的判斷

根據(jù)價(jià)層電子對互斥理論的要點(diǎn)，分子的構(gòu)型總采取電子對排斥作用最小的結(jié)構(gòu)。由于高中化學(xué)中常見sp、sp2和sp3雜化的ABm分子的中心原子的價(jià)層電子對數(shù)分別為2、3和4，若分子中中心原子沒有孤對電子，為了滿足成鍵電子對間排斥力最?。ㄆ骄嚯x最遠(yuǎn)），可知其構(gòu)型應(yīng)分別為直線型、平面三角形和正四面體，例如CH4為正四面體構(gòu)型。

而H2O分子孤對電子對數(shù)目為2，可看成同為sp3雜化的CH4上四個H中的兩個被孤對電子對取代，這樣很容易推出分子構(gòu)型為“V”字型（電子體積很小可不看），實(shí)際教學(xué)時可借用球棍模型，效果更佳。

用相同方法可引導(dǎo)學(xué)生分析NH3分子中孤對電子的數(shù)目和分子構(gòu)型，可得出NH3為三角錐型（N上一對孤對電子）。

3. 能判斷分子中成鍵情況

（1） σ鍵數(shù)的判斷

ABm型分子的中心原子通過雜化軌道與配位原子成的鍵為σ鍵（形成橋鍵的例外），故幾個配位原子就有幾條σ鍵，即配位原子數(shù)=σ鍵數(shù)。

例如，H2O和CO2的中心原子均有兩個配位原子，故分子內(nèi)有2條σ鍵。同理，CH4為4條σ鍵。

（2） 大π鍵存在的判斷

通常ABm型分子的中心原子A中價(jià)電子填充的軌道如果有未雜化的p軌道時，那么分子中通常有π鍵。若π鍵由三個以上原子共同構(gòu)成，則為離域大π鍵，且離域大π鍵數(shù)與未雜化的p軌道數(shù)相同。

例如CO2，中心原子C為sp雜化，還有2條未雜化的2p軌道，分別有一個電子在兩條未雜化2p軌道上和兩個氧上的p電子進(jìn)行成鍵。由于頭碰頭形成了σ鍵，接下來C的2p只能與兩個氧的2p通過肩并肩形成π鍵，這種π鍵由于大于兩個中心所以為離域大π鍵。由于有2條未雜化2p軌道，故CO2有兩條大π鍵（II34）。

同樣，對于CO32-，根據(jù)雜化軌道理論和VSEPR法結(jié)合推出為sp2雜化，只有1條2p軌道未參與雜化，故其只有一條大π鍵（II46）。CO32-大π鍵的電子分別是C和三個O各提供一個，還要加上負(fù)電荷所帶的兩個電子，總共六個。

二、 高考真題透析，深層領(lǐng)悟

例1（2017新課標(biāo)Ⅰ卷第35題節(jié)選）X射線衍射測定等發(fā)現(xiàn)，I3AsF6中存在I3+離子。I3+離子的幾何構(gòu)型為，中心原子的雜化形式為。

解析：I3+離子可看成一個I為中心原子，另外兩個I為配位原子。據(jù)VSEPR法可計(jì)算出價(jià)層電子對數(shù)：（7+2-1）/2=4；配體數(shù)為2，可推斷為不等性sp3雜化，具有兩對孤對電子（4-2=2），這種分子的構(gòu)型類似于H2O分子，為V形。

答案：V形，sp3雜化

本題雖然也有通過I3+離子與OF2為等電子體來推斷，但是顯然不如本文中的解題方法來得清晰和徹底。

例2（2017新課標(biāo)Ⅱ卷第35題節(jié)選）經(jīng)X射線衍射測得化合物R的晶體結(jié)構(gòu)，其局部結(jié)構(gòu)如圖所示。

（1） 從結(jié)構(gòu)角度分析，R中兩種陽離子的相同之處為，不同之處為。（填標(biāo)號）

A. 中心原子的雜化軌道類型

B. 中心原子的價(jià)層電子對數(shù)

C. 立體結(jié)構(gòu)

D. 共價(jià)鍵類型

（2） R中陰離子N5-中的σ鍵總數(shù)為個。分子中的大π鍵可用符號Πnm表示，其中m代表參與形成的大π鍵原子數(shù)，n代表參與形成的大π鍵電子數(shù)（如苯分子中的大π鍵可表示為Π66），則N5-中的大π鍵應(yīng)表示為。

解析：（1）根據(jù)圖所示，陽離子是NH+4和H3O+，據(jù)VSEPR法可計(jì)算出中心原子的價(jià)層電子對數(shù)NH+4為（5+4-1）/2=4，H3O+為（6+3-1）/2=4，雜化類型均為sp3。NH+4中配位原子=價(jià)層電子對數(shù)，無孤對電子，為正四面體型。而H3O+孤對電子數(shù)=價(jià)層電子對數(shù)-配體數(shù)=4-3=1，為類似于NH3的三角錐型。NH+4和H3O+的中心原子均無未雜化p軌道，故均無π鍵，只有σ鍵，即共價(jià)鍵類型相同。

（2）根據(jù)圖所示，N5-為平面構(gòu)型，加上題目提示有大π鍵（有為雜化p軌道），可推出N的雜化類型為sp2，每個N均與兩個N通過σ鍵相連，N5-環(huán)還存在一個大π鍵。N的3條sp2各填電子數(shù)分別為1、1和2，即每個N均通過單電子與周圍N形成2條σ鍵（N5-共5條σ鍵），還有一對孤對電子在sp2上，正是由于其存在N5-才能與周圍的H形成氫鍵。N價(jià)電子為5，所以每個N還有一個電子在未雜化p軌道上通過肩并肩形成大π鍵，π電子還包括一個負(fù)電荷（還有一個外來電子），所以形成5中心6電子的π體系，即II56。

答案：（1）ABDC（2）5NAII56

綜上所述，將價(jià)層電子對互斥理論與雜化軌道相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用，將可以快速而又簡便地判斷分子的雜化、成鍵特點(diǎn)和立體構(gòu)型等物質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題，尤其能很好地判斷分子中的大π鍵。此外，還有利于學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)有更深層的認(rèn)識，從而提高學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)。

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作者簡介：

賴時軍，韓林，福建省漳州市，福建省廈門雙十中學(xué)漳州校區(qū)。