中心原子杂化轨道类型的判断方法

化学教与学 2010年第 11期 高中化学选修模块《物质结构与性质》（苏教版）中介 绍了杂化轨道理论，这一重要理论能解释大多数分子几何 构型及价键结构。 在使用该理论时，首先必须确定中心原 子的杂化形式，在未知分子构型的情况下，判断中心原子 杂化轨道类型有时比较困难，成为教学难点。 下面几 种高中阶段判断中心原子杂化轨道类型的方法。 一、根据分子的空间构型判断 根据杂化轨道理论，中心原子轨道采取一定的杂化 方式后，其空间构型和键角如下： 杂化轨道类型 杂化轨道空间构型 键角 sp 直线形 180° sp2 平面三角形 120° sp3 正四面体 109．5° 由此，可以根据分子的空间构型或键角来判断中心 原子轨道的杂化方式。 例如：学生对于一些常见的简单分子的结构都是熟 悉的，C2H2、CO2为直线型分子，键角为 180°，推断其 C原 子的杂化轨道类型为 sp；C2H4 、C6H6为平面型分子，键角 为 120°， 推断其 C原子的杂化轨道类型为 sp2；CH4、CCl4 为正四面体，键角 109．5°，推断其 C 原子的杂化轨道类 型为 sp3。 还可以扩展到以共价键形成的晶体，如：已知金刚 石中的碳原子、晶体硅和石英中的硅原子，都是以正四 面体结构形成共价键的，所以也都是采用 sp3杂化；已知 石墨的二维结构平面内，每个碳原子与其它三个碳原子 结合，形成六元环层，键角为 120°，由此判断石墨的碳原 子采用 sp2杂化。 二、根据价层电子对互斥理论判断 教材的“拓展视野”中介绍了价层电子对互斥理论， 根据该理论能够比较容易而准确地判断 ABm 型共价分 子或离子的空间构型和中心原子杂化轨道类型。 中心原 子的价电子对数与价电子对的几何分布、中心原子杂化 轨道类型的对应关系如下（价电子对数＞4 的，高中阶 段不作要求）。 中心原子价 电子对数 价电子对 几何分布 中心原子杂化 轨道类型 2 直线形 sp 3 平面三角形 sp2 4 正四面体 sp3 运用该理论的关键是能准确计算出中心原子的价 电子对数，其计算方法是： 1．价电子对数 n ＝［中心原子（A）的价电子数＋配位 原子（B）提供的价电子数×m］÷2。 2．对于主族元素，中心原子（A）的价电子数＝最外层电 子数；配位原子中卤族原子、氢原子提供 1个价电子，氧族 元素的原子按不提供电子计算； 离子在计算价电子对数 时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数。 3．中心原子孤电子对数＝n（价电子对数）－m（配位原 子 B数）。 4． 杂化轨道由形成 σ键的电子对和孤电子对占据， 因此分子或离子的空间构型为杂化轨道构型去掉孤电 子对后剩余的形状。 例如：指出下列分子或离子的中心原子的杂化轨道 类型，并预测它们的空间构型：⑴BeCl2、H2O、⑵SO3、NH3、 ⑶NH4＋、PO43－。 解析：第⑴组都是 AB2型分子，BeCl2的价电子对数 n＝（2＋1×2）÷2＝2，Be 采用 sp杂化，n－m＝2－2＝0，无孤电子 对， 故分子呈直线型；H2O的价电子对数 n＝（6＋1×2）÷2＝ 4，O采用 sp3杂化，n－m＝4－2＝2，有 2对孤电子对，故分子 呈折线型。 第⑵组都是 AB3型分子，SO3的价电子对数 n＝（6＋ 中心原子杂化轨道类型的判断方法 王 波 （宿迁市中小学教学研究室 江苏 宿迁 223800） 摘要：杂化轨道理论能解释大多数分子的几何构型及价键结构。 在使用该理论时，首先必须确定中心原子的杂 化形式，在未知分子构型的情况下，判断中心原子杂化轨道类型有时比较困难，成为教学难点。本文总结几种高 中阶段判断中心原子杂化轨道类型的方法。 关键词：杂化轨道理论；价层电子对互斥理论；等电子原理 文章编号：1008-0546（2010）11-0060-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B doi：10.3969 ／ j．issn．1008－0546．2010．11．032 ·复习指导· 60－ － 化学教与学 2010年第 11期 0×3）÷2＝3，S采用 sp2杂化，n－m＝3－3＝0， 无孤电子对，故 分子呈平面三角形；NH3的价电子对数 n＝（5＋1×3）÷2＝4， N采用 sp3杂化，n－m＝4－3＝1，有 1对孤电子对，故分子呈 三角锥型。 第⑶组都是 AB4型离子，NH4＋的价电子对数 n＝（5＋ 1×4－1）÷2＝4，N 采用 sp3杂化，n－m＝4－4＝0，无孤电子对， 故分子呈正四面体；PO43－的价电子对数 n＝（5＋0×3＋3）÷ 2＝4，P采用 sp3杂化，n－m＝4－4＝0，无孤电子对，分子呈正 四面体结构。 三、根据 σ键数和孤电子对数逆向判断 根据价层电子对互斥理论，中心原子价电子对数＝σ键 数＋孤电子对数，如果我们已知 σ键数和孤电子对数，就可 以逆向判断出中心原子价电子对数，从而判断出杂化方式。 例如： 指出乙酸分子中标出原子 的杂化轨道类型以及它们周围原子的 空间分布情况。 解析： 高中学生都能熟练书写有机分子的结构式， 根据结构式就很容易得知 σ键数和孤电子对数，从而判 断出杂化方式。 1号 C形成 4个 σ键，无孤电子对，所以有 4个价电 子对，C原子为 sp3杂化，其周围 3个 H和 1个 C呈正四面 体分布；2号 C形成 3个 σ键，无孤电子对，所以有 3个价 电子对，C原子为 sp2杂化，其周围的 C、O、O呈正三角形分 布；3号 O形成 2个 σ键，2个孤电子对， 所以有 4个价电 子对，C原子为 sp3杂化，其周围的 C和 H呈折线形分布。 四、根据等电子原理判断 教材的“资料卡”中介绍了等电子原理，即具有相同 价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构 特征，这里的结构特征包括中心原子的杂化轨道类型、分 子的空间结构等。 因此，我们可以根据一些熟悉的分子的 杂化轨道类型来判断与它互为等电子体的不熟悉的分子 的杂化轨道类型。 例如：指出 N2O分子的空间构型和杂化轨道类型。 解析：教材中介绍的价层电子对互斥理论是比较浅 显的，并没有介绍 N作为配位原子应该如何计算价电子 对数，在解决这样的题目时，教师不必加深补充介绍价 层电子对互斥理论， 可以采用等电子原理巧解。 因为 N2O 与 CO2互为等电子体，学生对于 CO2的结构非常熟 悉，直接根据直线型，判断出 sp 杂化，当然也可以计算 出 CO2中的 C原子的价电子对数 n＝（4＋0×2）÷2＝2，判断 出 sp杂化，直线型，所以 N2O也应为 sp杂化，直线型。 同样， 如果要判断 CNS－的空间构型和杂化轨道类 型，我们大可不必研究究竟哪个原子是中心原子，哪个 是配位原子， 如何计算价电子对数， 直接根据 CNS－与 CO2等电子体，来判断 CNS－为直线型，sp杂化。 五、根据结构代换判断 有机化学中的取代反应是指有机物分子里某些原 子或原子团被其它原子或原子团所代替的反应，根据取 代反应机理，发生取代后，其中心原子的结构和成键方 式都应该不变。由此启发，对于一些复杂的分子，我们可 以将其中的某些原子团代换成原子，变成简单熟悉的分 子，根据这个分子的空间构型和杂化轨道类型，来判断 原来的分子的空间构型和杂化轨道类型。 例如：CH3－OH 等醇类，都可以看作 R—代换了 H2O 中的 H ， 因为 H2O中 O原子为 sp3杂化， 所以 CH3－OH 中的 O原子也为 sp3杂化。 H2N－NH2可以看作－NH2代换了 NH3中的 H ， 因为 NH3中 N原子为 sp3杂化，所以 H2N－NH2中的 N原子也 为 sp3杂化。 课程和高考说明对这部分的教学和考试要求是 这样描述的：“能根据杂化轨道理论和价层电子对互斥理 论判断简单分子或离子的空间构型”， 处于认知性学习目 标的第三水平。 近几年的高考题对这部分内容都有考查， 但难度不大。因此，虽然这部分内容是教学难点，但并不是 考试难点。 所以，教师在教学这部分内容或讲解这部分习 题时，不要随意加深、加难，而要注意思维品质的培养，不 同的分子可以用同一方法判断，同样的分子也可以用不同 的方法判断，根据学生的掌握情况灵活运用。 C H H C O H O 1 2 3 H 三、结论和建议 1．结论 通过一个多学期的实验，我把期末考试的成绩和问 卷调查的情况进行了汇总后发现：采用“学生中心组”教 学手段的高一（2）、（3）班学生成绩显著也喜爱化学。 这 是因为“学生中心组”的教学手段充分调动了学生的积 极性。 他们自主地愉快地选择自己有兴趣的学习方式， 逐渐形成自己的学习方式， 充分发挥了学生的想象、创 新能力，使学生全身心的投入到课堂教学中，使化学的 学习更有成效。 因此，我觉得“学生中心组”的教学手段 是可取的，是符合现今让学生自主学习的思想的，也充 分调动了“教”与“学”的双边关系。 2．建议 此外，在进行学生中心组的教学手段中要注意以 下两个方面。 （1）成员的选择要有目的性，不可只凭兴趣，要进 行综合评定。 （2）教师要合理地安排中心组成员示范性实验和 示范课程，不可一味让学生示范，要有选择性。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第 51页） ·复习指导· 61－ －