中心原子杂化轨道类型的判断方法

1中心原子杂化轨道类型的判断方法高中化学选修模块《物质结构与性质》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。下面总结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：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表（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直线型SP3平面三角形SP24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、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°2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、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、H2O⑵SO3、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＋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。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呈正四3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。课程标准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。