中心原子杂化类型确定方法和应用

摘要：总结概括中学阶段常用的判断中心原子杂化类型的方法，提供解决杂化轨道类型判断的多种角度，分别为公式法、观察法、取代法、转化法和性质法。
关键词：杂化轨道理论；立体构型；价层电子对互斥理论；中学化学教学
文章编号：1005–6629(2012)7–0070–03：B
为了更好地解释分子的实际空间构型和稳定性，鲍林在“电子配对”检测设的基础之上，提出了“轨道杂化理论”。理论对讨论共价分子（或离子）的成键情况以及预测其几何构型或阐述其物理化学性质有很强的解释力。但对于如何判定给定的分子（或离子）的中心原子轨道杂化方式，并没有系统论述，导致在应用杂化轨道理论教与学时遇到困难。本文通过公式法、观察法、取代法、转化法、性质法等形象思维进行突破，介绍中心原子杂化类型的确定方法与应用，注重培养学生灵活运用的思维品质。

1 公式法

（1）共价分子（或离子）表示为HmABn，其中H表示氢原子，A为中心原子，B为配位原子。
杂化轨道数计算公式：G=-3n，其中G表示中心原子A的杂化轨道数，V表示分子或离子的总价电子数（如果价电子总数为奇数，再+1），对于阴离子要再加上所带的电荷数，对于阳离子要再减去所带的电荷数，n表示配位数。
方法评析：方法简单、直接、有效；容易遗忘，机械学习。
（2）对于ABm型分子或离子（A为中心原子，B为配位原子），价层电子对数分别为

2、

3、4对应的杂化类型分别为sp、spsp3。

G= 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；
方法评析：容易理解，价层电子对将最外层电子和按2个电子为一个电子对计算。学生难接受氧原子和硫原子在任何情况下不提供成键原子。
（3）G=与中心原子成键的原子数（配位原子总数）+中心原子的孤电子对数。
设中心原子为A，配位原子为B，孤电子对为L，再设配位原子数为n，孤电子对数为m，则分子式可为ABnLm。若组成分子的元素都是主族元素，整个分子的价电子总数为V，则V与n、m有如下关系：V=8n+2m，m=(V-8n)/2；若配位原子是氢原子时，应改为V=2n+2m。
方法评析：以“八隅体”结构为基础求算孤电子对容易理解，整体计算简单。
例1 下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是：
①CO2与SO2 ②CH4与NH3③BeCl2与BF3 ④NH4+与SO32-
A.①、③B.②、④C.①、④D.②、③
解析：用G= -3n计算，G(CO2)=-3×2= 2；G(SO2)=-3×2=3。CO

2、SO2杂化类型分别为sp、sp2。

用G=计算，G(NH4+)==4，G(SO32-)==4，NH4+、SO32-杂化类型都为sp3。
用G=与中心原子成键的原子数（配位原子总数）+中心原子的孤电子对数计算，
G(BeCl2)=2+=2，
G(BF3)=3+ =3，BeCl2 、BF3杂化类型别为sp、sp2。答案：B。

2 观察法

杂化轨道数是中心原子的σ键数与孤电子对数之和，单键为σ键，多重键中只有一个σ键，其余均为π键。高中学生能熟练书写常见无机分子和有机分子的电子式和结构式，根据所给或所写的结构式，直接观察σ键数与孤电子对数确定杂化类型。
（1）该分子中有个sp2杂化碳原子；个sp3杂化碳原子。（2）该分子中有个sp2-sp3的σ键； 个sp3-sp3的σ键。
解析：从结构简式观察C原子，其中-CH3有3个C-H、1个C-C即4个σ键，C原子的杂化形式sp3。其中-CH2-有2个C-H、2个C-C即4个σ键，C原子的杂化形式sp3。其中-CH=有1个C-H、1个C-C、1个C=C即3个σ键1个π键，C原子的杂化形式sp2。答案：（1）2，6（2）3，3
例3 2008年秋天，毒奶粉事件震惊全国，这主要是奶粉中含有有毒的三聚氰胺，下列关于三聚氰胺分子的说法中正确的是：
A.一个分子含有15个σ键
B.所有碳原子采用sp2杂化，所有氮原子采用sp3杂化
C.属于极性分子，故极易溶于水
D.形成的晶体熔点较高
解析：从三聚氰胺结式观察C-N、C=N、N-H共含有15个σ键。C原子有2个C-N单键即2个σ键，1个C=N双键即1个σ键、1个π键，无未成对电子。杂化轨道数为3，C原子的杂化形式是sp2。环外N原子形成3个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，杂化轨道数为4，则环外N原子采用sp3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，杂化轨道数为3，则环内N原子采用sp2杂化。结构式是对称的属于非极性分子晶体。答案：A 。

3 取代法

有机化学中的发生取代反应后，其中心原子的结构和成键方式一般不发生变化。以CO2、SO2、H2O、SO3、BF3、NH3、CH4为迁移原型，将陌生复杂的分子通过部分原子或原子团的代换，转化成熟悉简单的分子，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。
例4 在硼酸[B(OH)3]分子中，B原子与3个羟基相连，其晶体具有与石墨相似的层状结构。则分子中B原子杂化轨道的类型及同层分子间的主要作用力分别是：
A. sp，范德华力 B. sp2，范德华力
C. sp2，氢键D. sp3，氢键
解析：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。答案：C。
类似情况还有，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；(CH3)3N看作三个取代了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；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C原子为sp3杂化，也可看作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。

4 转化法

根据等电子原理，具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子，导致它们具有相似的化学结构。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。确定等电子体常用同族元素等同互换，或某些元素原子的价电子加减乘除进行转化。
例5 （1）试写出短周期元素形成的含有14个电子的分子（至少3种）的化学式：，其中和互为等电子体。
（2）NO2+中的N原子采用杂化方式；H2B=NH2中心原子B、N原子采用 、 杂化方式。
解析：14个电子的分子，根据质子数等于电子数，14个电子的元素为Si，但是它的粒子是原子。除法转化，如果为双原子分子，该粒子的原子电子数为7，分子为N2。加法转化，从周期表中的位置看，C、O原子的价电子数分别为4、6，中间夹着N元素，N原子价电子数为5，1个O原子拿1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），则两个N原子可换为CO。电子数为7=6+1，N用CH代换得C2H2。N2中1个N用CH代换得HCN。
减法转化，NO2+中将N+的转化为C原子，NO2+与CO2互为等电子体，CO2中心原子C原子为sp杂化H2B=NH2 中B=N 相当于2个C，H2B=NH2与CH2=CH2互为等电子体，中心原子B、N原子均为sp2杂化。
答案：（1）N2C2H

2、HCN、CO，N2CO；

（2）sp，sp2、sp2

5 性质法

根据分子的立体构型及键角进行判断，根据课本杂化轨道理论可知如下表：
（1）上表中各物质的中心原子是否以杂化轨道成键？以何种杂化轨道成键？
（2）NH3和H2O的键角为什么比CH4小？CO2键角为什么是180°？乙烯的键角又为何是120°？
解析：（1）表中所给的物质的中心原子都是以杂化轨道成键的：
（2）NH3和H2O中的N和O原子都是采用sp3杂化，若杂化轨道中由原子本身的孤对电子对占据着，对其他成键的电子的杂化轨道有排斥作用，所以NH3和 H2O中的键角都被压缩而小于109.5°。CO2分子中C原子以sp杂化，形成两条sp-p σ键，分子为直线形。在C2H4分子中，两个C原子都采用sp2等性杂化，两原子各以一个sp2杂化轨道相连形成sp2-sp2 σ键，另外每个C原子各有一个未加杂化的p轨道，与sp2杂化轨道平面平行，“肩并肩”平行交盖，形成π键，所以C与C之间是一个双键。每个C原子剩下的两个sp2杂化轨道分别与H原子的s轨道形成sp2-s σ键，所以C2H4分子中C-H键的键角为120°。
参考文献：
北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学，无机化学教学研究室.无机化学[M].北京：高等教育出版社，1989.
王波.中心原子杂化轨道类型的判断方法[J].化学教与学，2010，（11）：60~61.
[3]陈益.浅述价层电子对互斥模型在判别分子构型中的应用[J].化学教学，2007，（6）：73~76.
[4]苏金昌.关于中心原子杂化轨道数的计算方法[J].大学

摘自：毕业论文摘要范文www.udooo.com

化学，2011，（3）：90~92.