摘要
1、 杂化轨道类型与什么有关,
2、 杂化轨道类型判断方法有哪些,
3、 解析杂化轨道类型的判断方法。
关键词
杂化轨道、价层电子对数、数轴法、中心原子
正文
1、
在无机化学中, 准确地预测和判断共价多原子分子或离子的中心原子轨道杂化类型是确定分子或离子空间构型、原子间成键情况及有关性质的前提. 由于原子结合成分子的复杂性和多样性, 即使同一元素的原子在不同分子或离子中做中心原子时, 往往也采用不同的杂化类型( 例如价电子结构为2s22p2 的C 原子做中心原子时, 在CH4 中呈sp3 杂化,CO32- 中呈sp2 杂化, 而在CO2 中则呈sp 杂化) . 中心原子轨道杂化类型的预测和分析,需在列出中心原子价电子结构的基础上, 充分考虑与其键合原子的结构、数目及可能出现复键的形式, 分析中心原子价电子是否需要激发, 是否需要预留纯粹的部分轨道形成π键或大π键, 以及中心原子在轨道杂化后是否含孤对电子及其数目等诸多不确定因素, 采用试探的方法进行分析和确定杂化类型. 一般在预知分子空间构型的前提下, 中心原子轨道杂化类型较易确定, 但对不知空间构型且结构比较复杂的分子或离子, 中心原子轨道杂化类型的确定就比较困难。现在也有简单判断杂化轨道类型的说法:中心原子通过杂化轨道与成键原子的价层轨道形成共价键的时候, 为了保证分子的稳定性最强, 杂化轨道间也必须采取夹角最大、斥力最小的分布. 所以, 成键时中心原子杂化轨道中填充的必定是σ键电子对和孤电子对, 而不可能是π键电子, π键电子只能填充在非杂化轨道中.
2、价层电子对数判断法,中心原子成键数目判断法,数轴法判断法,不饱和度判断法(不要求)
3、
(一) 价层电子对数判断中心原子的杂化轨道类型
不需要预知共价多原子分子或离子的空间构型, 只要简单的计算出其价层电子对数, 即可预测中心原子轨道可能的杂化类型, 然后再根据其原子轨道上电子的具体排布等进一步确定杂化情况( 杂化轨道中无孤电子对存在的为等性杂化, 有孤电子对存在的为不等性杂化) . 如SF6 的中心原子S 的价电子数为6, 键合原子F 各提供1 个成键电子, 价电子对数= ( 6+ 1×6) / 2= 6, 则S 应发生sp3d2 杂化; AsO43- 中心原子As 的价电子数为5, 原子O 属氧族, 可认为不提供电子, 离子带3 个负电荷, 价电子对数= ( 5+3) / 2= 4, 则As 应发生sp3 杂化; COCl2 中心原子C 的价电子数为4, 键合原子O 属氧族,可认为不提供电子, 每个Cl 提供一个成键电子, 价电子对数= ( 4+ 1×2) / 2= 3, 则C 应发生sp2 杂化; XeOF4 中心原子Xe 的价电子数为8, 键合原子O 可认为不提供电子, F 各提供一个成键电子, 价电子对数= ( 8+ 1×4) / 2= 6, 则Xe 应发生sp3d2 杂化( 键合原子数少于价电子对数存在孤电子对, 因而为不等性杂化) .
(二)、中心原子的成键数目判断杂化轨道类型
设H为中心原子的杂化轨道数,S为端基与中心原子形成σ键的数目,m为孤电子对,n为配位
键电子对。由于П键电子只能填充在非杂化轨道中,所以不参与在杂化轨道中,为了便于观察,设П键数目为K,不计入到中心原子的杂化轨道数中。H=S+m+n 下面介绍部分分子或离子杂化轨道的计算:
化学式 S m n K H 杂化类型 NH 3 sp3 3 1 0 0 4
CH4 sp3 4 0 0 0 4
sp CO 1 1 0 2 2
SF6 sp3 d2 6 0 0 0 6
sp2 H3O+ 2 1 1 0 3
SO3 sp2 3 0 0 1 3
SO2 sp2 2 1 0 2 3
NO-3 sp2 3 0 0 1 3
NO2 sp2 2 1 0 1 3
(三)由数轴法判断中心原子的杂化类型
共价分子ABaHb 中的所有价电子(V ) , 完全要用来满足b个配位原子H 的二电子结构和a个配位原子B 的八隅体结构, 剩余的价电子应以孤对电子( 2m )的形式存在. 若分子中的价电子总数是奇数, 则把这个单电子也看作孤电子对. 可用数学式表达如下: 1) 当V = 8a + 2b + 2m, 若V能被8整除时, 即V/8= a? H = a (除当V/8= 1时,H = 4); 2) 当V = 8a + 2b + 2m, 若V不能被8整除时, 即V/8= a…2( b+ m )?H = a + b + m; 3) 当V = 8a + 2b + 2m - 1] ( V + 1)/8= a…2( b + m ) ? H = a + b + m; 4) 当余数等于2时, H = a + 1; 当余数等于4时,H = a + 2; 当余数等于6时,H = a + 3. V和H 的关系若用数轴图形表示如下(见图1) :
编号 物质 价电子总数 第几区第几个 H 杂化方式
N2, CO, C2H 2, HCN, CN- I1 1+ 1= 2 sp 1 10
CO2, CS2, CH2 CCH2, HN3 sp 2 16 第二个端点 2
O3, NO, NO2, CH3 CHCH 2, CH3 CHO II1 2+ 1= 3 sp2 3 18
H 2O2, N2H4, C2H6, NH2OH, HClO I3 1+ 3= 4 sp3 4 14
C3H8, PC l3, H 3 PO3, XeO3 III1 3+ 1= 4 sp3 5 26
CC l4, H2 SO4 sp3 6 32 第四个端点 4
C lF3 III2 3+ 2= 5 sp3 d 7 28
BrF5 V1 5+ 1= 6 sp3 d2 8 42
XeF6 VI1 6+ 1= 7 sp3 d3 9 50
结语:
据上所述,不同的方法有不同的好处,但方法总有一些不足的地方。这些方法只是总结出来的具有普遍性的规律性结论,不足的地方还有待发现与完善。我将这些判断方法集结在一起,希望能利用各种方法的优势,互相补充则可更方便、更完美地解决分子或离子的杂化轨道类型。这些方法对于学习无机化学是非常方便的,规律性强,应用前景好,值得使用。
化环学院 1103班 王聪
2012年6月20日
杂化类型的简单判断
中心原子的族序号加上周围原子的族序号(氧族算0,卤族算1)除以2,等于4为sp3,等于3为sp2,等于2为sp,除不尽就进一算
氧族卤族做中心原子的时候用原本的序号
中心原子的族序数加上周围原子族序数的和(氧族卤族做中心原子时用原本的序号,做配位原子时氧族算0,卤族算1)除以2,结果为2,3,4,时分别为sp,sp2,sp3杂化
(1)线性分子,中心原子为sp杂化,如
(2)平面内的分子形如乙烯的,中心原子为sp2杂化 (3)空间(正)四面体,中心原子sp3杂化,如四氯化碳
(4)空间六面体/三角双锥(形如两个空间正四面体底对底拼在一起),中心原子为sp3d杂化
(5)空间八面体(形如两个金字塔底对底拼在一起),中心原子为sp3d2杂化 还有一些,比如“平面正方形”“四角锥”等,为杂化的内轨外轨之分。
有一点还要切记!就是如果中心原子杂化轨道中有孤对电子存在的话,分子构型显然体现不出来,但是考虑中心原子杂化类型时孤对电子是要考虑进去的,不然肯定犯错。
sp3d杂化:sp3d是由1个ns、3个np和1个nd组合而成的,它的特点是5个杂化轨道在空间呈三角双锥形,杂化轨道间夹角为90°,120°或180°。
sp3d2杂化:sp3d2杂化轨道是由1个ns和3个np及2个nd轨道组合而成,共有6条杂化轨道.六个sp3d2轨道指向正八面体的六个顶点,杂化轨道间的夹角为90°或180°,空间构型为.
1,分子结构模型
用塑料小球代替分子中的原子,塑料棒代替化学键,搭成无机分子模型.用杂化理论和价层电子对互斥理论简单说明理由.
中学杂化轨道类型归纳
中学杂化轨道类型归纳
杂化轨道理论的引进是为了更好的解释有关分子的空间构型和分子的相关性质,其核心思想是多原子分子中心原子将能级相近、能量较低的价层轨道相互作用,重新组合、再分配,构建成新的轨道,即杂化轨道,轨道杂化的目的是为了更有利于原子成键,成键时能力更强,有利于分子的形成。这部分知识较抽象,理论性强,学生在应用上有很大的难度。通过对学生的错误分析,我认为关键是中心原子的杂化类型能否准确判断,杂化类型判断正确,结合分子组成、价层电子对互斥理论,就容易解决分子构型、分子性质的相关问题。
23
从考试说明中不难看出,考核要求是简单的杂化类型判断,对d轨道参与杂化的不作要求,即仅限于sp、sp、sp三种类型的判断,就此三种杂化类型的判断方法作如下归纳。 1、取代法
以中学常见的、熟悉的基础物质分子为原型,用其它原子或原子团取代原型分子中的部分原子或原子团,得到的新分子中心原子与原型分子对应的中心原子的杂化类型相同。如:
3
(1)CH3CH=CH2分子中C原子的杂化类型判断,看作乙烯基取代了甲烷分子中的一个H原子,则甲基C原子为sp杂化,也可看作甲基取代
2
了乙烯分子中的一个H原子,故两个不饱和C原子均为sp杂化;
3
(2)(CH3)3N看作三个甲基取代了NH3分子中的三个H原子而得,所以其分子中N原子采用sp杂化;
3
(3)H2O2看作羟基取代了H2O分子中一个H原子,H2O2中O原子应为sp杂化;
2
(4)B(OH)3看作三个羟基取代了BF3中的F原子,可知B(OH)3中B原子为sp杂化。
2、价电子对数计算法 对于ABm型分子(A为中心原子,B为配位原子),分子的价电子对数可以通过下列计算确定:n=1/2(中心原子的价电子数-每个配位原子予中心原子提供的价电子数×m),配位原子中卤素原子、氢原子提供1个价电子,氧原子和硫原子按提供2个价电子计算;若为离子,须将离子电荷计算在内:n=1/2(中心原子的价电子数-每个配位原子提供的价电子数×m±离子电荷数),阳
432--3
n=3,中心原子N原子为sp杂化;ClO3、ClO4的n均为4,Cl原子均为sp杂化(但离子空间构型不同,从价层电子对互斥模型看,前者为三角锥形,后者为正四面体型)。
+
这种方法不适用于结构模糊或复杂的分子、离子,如NO2、H2B=NH2等的中心原子杂化类型学生就很难用该法进行判断,但可以从其它途径确定。
3、等电子原理应用
等电子体具有相同的结构特征,则等电子体的中心原子的杂化类型相同。用此方法将结构模糊或复杂的分子、离子转化成熟悉的等
+2+
电子体,然后进行确定。如NO2、H2B=NH2分别与CO2、CH2=CH2互为等电子体,而CO2、CH2=CH2中心原子C原子分别为sp、sp杂化,则NO2
2
中心原子N原子为sp杂化,H2B=NH2中心原子B、N原子均为sp杂化。 4、价键直查法
从杂化轨道理论可知,原子之间成键时,未杂化轨道形成键,杂化轨道形成键,若未参与成键,剩余的必然是杂化轨道上的孤对电子。在能够明确结构式的分子、离子中心原子杂化类型分析时,可直接用下式判断:杂化轨道数n=中心原子的子对数(多重键中只有一个
3
σ键数+中心原子的孤电
σ键,其余均为π
键),可方便找到中心原子的杂化类型。如:
(1)SiF4分子中Si原子轨道杂化类型分析,基态Si原子有4个价电子,与4个F原子恰好形成4个SiF4分子中Si原子采用sp杂化;
(2)基态C原子有4个价电子,在HCHO分子中,C原子与2个H原子形成2个键、1个
σ键,无未成键电子,n=4,则
σ键,与O原子形成C=O双键,C=O双键中有1个σ
π
键,C原子无剩余价电子,n=3,则HCHO分子中C原子采用sp杂化;
2
σ键,用去基态N原子5个价电子中的3个,余下1个孤电子对,n=4,
则环外N原子采用sp杂化,环内N原子形成2个σ键、1个π键,用去基态N原子5个价电子中的3个,余下1个孤电子对,n=3,则
(3)三聚氰胺中有两种环境的N原子,环外N原子形成3个
32
环内N原子采用sp杂化。
N杂化类型及其酸碱性探究
轨道的相互叠加过程叫原子轨道的杂化。原子轨道叠加后产生的新的原子轨道叫杂化轨道。 ⑴ 在形成分子 (主要是化合物) 时, 同一原子中能量相近的原子轨道 (一般为同一能级组的原子轨道 ) 相互叠加 (杂化) 形成一组的新的原子轨道。
⑵ 杂化轨道比原来的轨道成键能力强,形成的化学键键能大,使生成的分子更稳定。由于成键原子轨道杂化后,轨道 角度 分 布图的形状发生了变化(形状是一头大,一头小) ,杂化轨道在某些方向上的角度分布,比未杂化的 p 轨道和 s 轨道的角 度分布大得多, 它的大头在成键时与原来的轨道相比能够形成更大的重叠, 因此杂化轨道比原有的原子轨道成键能力更强。 ⑶ 形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理(化学键间排斥力越小,体系越稳定) ,为满足最小排斥原理, 杂化 轨道之间的夹角应达到最大。
⑷ 分子的空间构型主要 取决于 分子中 σ键形成的骨架, 杂化轨道形成的键为 σ键(无 π键) ,所以,杂化轨道的类型与分子 的空间构型相关。
氨基显碱性的原因 , 本质是氨基的氮原子有一对孤对电子 , 这个孤对电子可以与其他含 有空轨道的原子(活原子团)形成配位键,故孤对电子强弱为其酸碱强弱的本源,与杂 化类型关系并不直接。 .
原子杂化轨道类型的判断方法
原子杂化轨道类型的判断方法
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高中化学选修模块《物质结构与性质》(鲁科版)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,在未知中心原子杂化方式的情况下,判断分子的空间构型有时比较困难,成为教学难点。现将高中阶段判断原子杂化轨道类型的常见方法总结如下。
一、根据价电子对互斥理论判断
教材的“知识支持”中介绍了价电子对互斥理论,根据该理论能够比较容易而准确地判断常见的ABx型共价分子或离子中心原子杂化轨道类型及其空间构型。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)
中心原子的价电子对数计算方法是:n=1/2(a+bx)
说明:
1.n表示价电子对数;
2.a表示中心原子(A)的价电子数,对于主族元素等于其最外层电子数;
3.b表示配位原子提供的价电子数。
卤族原子、氢原子提供1 个价电子,氧族(o,s)元素
的原子按不提供电子计算。
4.离子在计算价电子对数时,还应在分子上加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数。
5.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。
例题:
1.(2013山东高考):32题(3)BCL3和NCL3中心原子的杂化方式分别为 和
代入公式n=(3+1×3) ?2=3B原子采用Sp2杂化。
代入公式n=(5+1×3) ?2=4N原子采用Sp3杂化。
2.( 2014潍坊一模)CuSO4晶体中S原子的杂化方式为
分析:即求SO42-中 S原子的杂化方式,代入公式n=(6+0+2) ?2=4 S原子采用Sp3杂化。
二、根据σ键数和中心原子孤电子对数判断
2012山东高考:32题(4)甲醛(H2C=O)在Ni催化作用下加氢可得甲醇(CH3OH ),
甲醇分子内C原子的杂化方式为
很明显由于CH3OH不再是ABx型分子,因此不能采用上述公式,那如何判断甲醇分子内C原子的杂化方式呢,由于杂化轨道只能用于形成σ 键或者用来容纳孤电子对,而两
个原子之间只能形成一个σ键,固有下列关系:
杂化轨道数=σ键数+中心原子孤电子对数,如果我们已知σ键数和中心原子孤电子对数,代入等式即可判断出中心原子杂化方式。
例如:
三、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:C2H2、CO2为直线形分子,键角为180?,推断其C原子的杂化轨道类型为sp;C2H4、C6H6为平面形分子,键角为120?,推断其C原子的杂化轨道类型为sp2;CH4、CCl4为正四面体形,键角109.5?,推断其C 原子的杂化轨道类型为sp3。
这种方法还可以扩展到其它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;已知石墨的每一层内,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?,由此判断石墨中的碳原子采用sp2杂化。
四、根据结构替换判断
依据有机取代反应特点,发生取代后,其中心原子的结构和成键方式都应该不变。因此,对于一些复杂的分子,我们可以将其中的某些原子团替换成原子,变成简单熟悉的分子,根据这个分子的中心原子的杂化轨道类型,来判断原来分子中原子的杂化轨道类型。
例如(2014淄博一模32题)H2O2分子中氧原子的杂化方式为 。
利用替换法上题中H2O2分子可以看作-OH替换了H2O中的H,因为H2O中O原子为sp3杂化,所以H2O2中的O原子也为sp3杂化。
N2H4可以看作-NH2替换了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。
练习:(2014青岛一模):有如下反应
化合物乙中采取sp3杂化的原子的第一电离能由小到大的顺序为 。
根据替换法可知乙中采取sp3杂化的原子有,C.N.O,再依据同周期第一电离能递变规律便可顺利解答。
五、根据等电子原理判断
教材的“知识支持”中介绍了等电子原理,即原子总数相等且价电子总数相同的分子或离子互为等电子体。互为等电子体的物质具有相同的空间构型和化学键类型。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
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,N2O的结构我们也不熟悉。因此用以上四种方法就不好判断,但可用等电子原理巧解。因为N2O与CO2互为等电子体,所以N2O也应为sp杂化,是直线形分子。
高考考试说明中要求:“了解杂化轨道理论及常见的杂化轨道类型(sp,sp2,sp3),能用价层电子对互斥理论或者杂化轨道理论推测常见的简单分子或者离子的空间结构”,纵观近几年的高考试题,对这部分内容都有考查,但难度不大。因此,在学习这部分内容时,要特别注重思维方法的培养,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,熟练灵活运用各种方法才是学习之本。