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等电子体与杂化类型的判断方法归纳

来源:未知作者:姚小伟 点击:所属专题: 等电子体 杂化类型判断
《2009年江苏省高考说明(化学科)》的选考内容“物质结构与性质”课程模块中对“等电子原理”、“杂化轨道理论”考点是这样描述的:了解“等电子原理”的含义,能结合实例说明“等电子原理”的应用;能根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断简单分子或离子的空间构型

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《2009年江苏省高考说明(化学科)》的选考内容“物质结构与性质”课程模块中对“等电子原理”、“杂化轨道理论”考点是这样描述的:了解“等电子原理”的含义,能结合实例说明“等电子原理”的应用;能根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断简单分子或离子的空间构型(对d轨道参与杂化和AB5型以上复杂分子或离子的空间构型不作要求)。围绕这两个考点设计的问题应该是很容易作答的,但学生实际作答时错误率极高,经分析发现关键在于等电子体确定、中心原子的杂化类型判断上缺乏方法,就此两个问题的分析方法作如下归纳。


一、 等电子体的判断

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,这一原理称为等电子原理。如果仅从概念字面出发,判断与A粒子互为等电子体的B粒子的化学式,往往感觉无从下手,或东拼西凑的试写,试写也往往只注意“价电子数”或“原子数”相同某一方面而错答。如写CH4分子的等电子体时许多学生写成NH3(原子数不同)、CCl4(价电子数不同)等,至于再稍复杂一些的,错的更多,实际体现为问题解决方法的欠缺。等电子体的判断一般可采取以下几种方法:

1、同族元素互换法

即将既定粒子中的某元素换成它的同族元素。如:

(1)CCl4的等电子体确定:换IVA族元素有SiCl4、GeCl4等;换VIA族元素有CF4cBr4、CI4、CfCl3、……;同时换可有SiF4、SiFCl3、……。

(2)CO2的等电子体确定:可将O原子换为S原子得COS、CS2,注意不能将C原子换为Si原子,因为CO2和SiO2的结构不同(前者为分子晶体,后者为原子晶体)。同理,不能将BeCl2的等电子体确定为MgCl2或BeF2(后两种为离子晶体)。

(3)SO42的等电子体确定:将一个O原子换为S原子得S2O32;NO3的等电子体可确定为PO3

(4)对于原子晶体类也可作类似推导:金刚石CN与晶体硅SiN互为等电子体。

2、价电子迁移法

即将既定粒子中的某元素原子的价电子逐一转移给组成中的另一种元素的原子,相应原子的质子数也随之减少或增加,变换为具有相应质子数的元素。

一般来说,讨论的元素为s区或p区元素,即主族元素居多,通常相关元素的族序数满足ab=c+d(或ab=2c)关系的,可考虑将A、B等个数换为C、D(或1A、1B换为2C)。如:

(1)CO2的等电子体确定,除了上述结果以外,还可以采用价电子迁移法:C、O原子的价电子数分别为4、6,从周期表中的位置看,中间夹着n(元素),n(原子价电子数为)5,一个O原子拿一个电子给C原子,在电性不变条件下质子数同时变为7(价电子同时变为5),则可换为两个n(原子)(由此也可以看出N2与CO互为等电子体)得N2O;如果将C原子的两个价电子转移给两个O原子,元素原子分别转换为1个Be、2个Cl,就可以得到CO2的另一个等电子体BeCl2

同样可以判断:金刚石CN与晶体硅SiN的等电子体还可以为金刚砂 (SiC)n、GaAs、AlP等;石墨CN与白石墨(BN)n互为等电子体;无机苯B3N3H6与有机苯C6H6互为等电子体。

(2)离子之间的等电子体也可以推导:与N3-的等电子体查找方法,可将2个N原子换为1个C原子和一个O原子可得CNO

3、电子—电荷互换法

即将既定粒子中的某元素原子的价电子转化为粒子所带的电荷。这种方法可实现分子与离子的互判。如:

CN的等电子体查找可用n(原子)1个电子换作1个负电荷,则N原子换为C原子,离子带2个负电荷,其等电子体即为C22- ;反之,将CN的电荷转化为1个电子,该电子给C原子,即得N2,若给N原子即得CO。同样可判断HNO3的等电子体为HCO3;ICl4与XeCl4互为等电子体。

在具体问题分析时,通常几种方法同时联想,灵活使用,方可快速准确的回答问题。现以几例说明(文中所用题目为2009年江苏高考或各地质量检测题,原题中与本文无关的内容均略去)。

例题1、(徐州三检)与CNO互为等电子体的分子、离子化学式依次为            、               (各写一种)。

分析:就与CNO互为等电子体的分子而言,首先需将这1个电荷转化为1个价电子,这个价电子给C变为N得N2O,给N变为O则得CO2(也可直接看作将N2O中2个N原子进行价电子转移换为C、O从而得CO2,再由CO2进行价电子转移或同族元素互换可得COS、CS2、BeCl2等。若进行离子查找,除前面判断出的N3-外,利用同族元素互换可得CNS;利用电子—电荷互换可得NO2和CN22-

答案:N2O或CO2或COs或CS2或BeCl2;N3-或CNS或NO2+或CN22-

例2、(1)(江苏高考)根据等电子原理,写出CO分子的结构式 ;(2)(南通二检)写出NO2+离子的电子式 。

分析:CO分子的结构式、NO2+离子的电子式中学中并不作已有知识要求,直接作答难度大,但在题给信息提示下,可以利用等电子原理,先找出我们熟知结构的等电子体:CO与N2互为等电子体,NO2+与CO2互为等电子体,等电子体的结构相同,参照熟悉的N2的结构式、CO2的电子式便可轻松作答。

答案:C≡O;


二、 杂化类型的判断

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。

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、sp2、sp3三种类型的判断,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:

(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sp3杂化,也可看作甲基取代了乙烯分子中的一个H原子,故两个不饱和C原子均为sp2杂化;

(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sp3杂化;

(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sp3杂化;

(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sp2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,氧原子和硫原子按不提供价电子计算;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),阳离子取“-”,阴离子取“+”。根据价电子对数可以有以下结论:

分子价电子对数几何构型中心原子杂化类型

BeCl22直线型sp

BF33平面三角形sp2

SiCl4 4正四面体sp3

一般来讲,计算出的n(值即为杂化轨道数),能直接对映中心原子的杂化类型。如:SO42的n=4,中心原子S原子为sp3杂化;NO3的n=3,中心原子N原子为sp2杂化;ClO3、ClO4N均为4,Cl原子均为sp3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、sp2杂化,则NO2+中心原子N原子为sp杂化,H2B=NH2中心原子B、N原子均为sp2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 键数+中心原子的孤电子对数(多重键中只有一个 键,其余均为 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 键,无未成键电子,n=4,则SiF4分子中Si原子采用sp3杂化;

(2)基态C原子有4个价电子,在HHO分子中,C原子与2个H原子形成2个 键,与O原子形成C=O双键,C=O双键中有1个 键、1个 键,C原子无剩余价电子,n=3,则HHO分子中C原子采用sp2杂化;

(3)三聚氰胺 中有两种环境的N原子),环外N原子形成3个 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sp3杂化,环内N原子形成2个 键、1个 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,则环内N原子采用sp2杂化。

通过以上分析,可以认识到问题的难易是相对的,关键是能否找到解决问题的方法,方法往往有多种,要在学习过程中积累、归纳、体会,有了正确、适合的解决问题的方法,才会收到事半功倍的效果。


(责任编辑:化学自习室)
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