蘇金昌

(大慶教育中心 黑龍江大慶 163001)

雜化軌道理論是大學(xué)化學(xué)的重要基礎(chǔ)理論之一，主要用來討論共價(jià)分子(或離子)的成鍵情況以及預(yù)測其幾何構(gòu)型或闡述其物理化學(xué)性質(zhì)。對于如何判定給定的分子(或離子)的中心原子軌道雜化方式，在雜化軌道理論里并沒有系統(tǒng)論述，導(dǎo)致在應(yīng)用雜化軌道理論教與學(xué)時(shí)遇到困難。為了有利于應(yīng)用雜化軌道理論闡述相關(guān)問題，本文給出一個(gè)有關(guān)中心原子雜化軌道數(shù)的計(jì)算公式，并根據(jù)計(jì)算得出的雜化軌道數(shù)確定對應(yīng)的雜化軌道類型。

1 中心原子雜化軌道數(shù)的計(jì)算公式

根據(jù)價(jià)鍵理論，在共價(jià)分子(或離子)中，氫原子(H)的價(jià)層一般滿足2 電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而非氫原子(B)的價(jià)層一般滿足8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。當(dāng)每個(gè)H、B都通過一個(gè)雙電子的σ鍵與A共享2個(gè)電子時(shí)，滿足2電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的每個(gè)H的價(jià)電子就都參與了雙電子σ鍵的形成，并沒有剩余未成鍵的價(jià)電子；而每個(gè)B的價(jià)層8個(gè)電子中除了有2個(gè)是與中心原子A共用的σ鍵電子外，還有6個(gè)是未參與雙電子σ鍵的電子，n個(gè)B共有6n個(gè)電子未參與σ鍵形成。那么，對于HmABn的V個(gè)價(jià)電子中余下的(V-6n)個(gè)價(jià)電子，如果假定它們都有在A與B、A與H之間形成雙電子σ鍵的傾向，則中心原子A傾向參與形成雙電子σ鍵的最大數(shù)為：(V-6n)/2，即V/2-3n。

假定在共價(jià)分子(或離子)中，中心原子鍵合時(shí)之所以進(jìn)行軌道雜化，其主要目的是最大限度地促進(jìn)中心原子與配位體之間形成更多牢固的σ鍵，即盡可能地促使σ鍵的數(shù)目傾向于最大。因?yàn)椤邦^碰頭” 式重疊的σ鍵越多、越牢固，構(gòu)成的分子(或離子)就越穩(wěn)定。可見，中心原子傾向參與形成σ鍵的最大數(shù)與其雜化軌道數(shù)之間存在著對應(yīng)關(guān)系。若令G表示中心原子A的雜化軌道數(shù)，則計(jì)算中心原子雜化軌道數(shù)的公式可寫為：

G=V/2-3n

(1)

由式(1)可知，G的大小與V、n有關(guān)。即對于HmABn型分子(或離子)，其中心原子(A)的雜化軌道數(shù)(G)，由分子(或離子)的價(jià)電子總數(shù)(V)和非氫配位體數(shù)目(n) 決定。

用式(1)計(jì)算得出的中心原子的雜化軌道數(shù)及其雜化軌道類型、雜化軌道空間取向的對應(yīng)關(guān)系歸納在表1中。

表1 中心原子雜化軌道數(shù)與雜化軌道類型及空間取向的對應(yīng)關(guān)系

2 應(yīng)用示例

例：次磷酸分子H2(HO)PO中P的雜化軌道數(shù)為：

G=V/2-3n=20/2-3(1+1)=4

其對應(yīng)的雜化軌道類型是sp3。

應(yīng)用式(1)計(jì)算了一些有代表性的分子(或離子)的雜化軌道數(shù)及對應(yīng)的雜化軌道類型，其結(jié)果見表2，與有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告相符。

根據(jù)式(1)計(jì)算得出的雜化軌道數(shù)判定對應(yīng)的雜化軌道類型后，再進(jìn)一步結(jié)合配位數(shù)討論價(jià)鍵結(jié)構(gòu)或判定共價(jià)分子(或離子)的幾何構(gòu)型，可以按常規(guī)方法處理，本文不再贅述。

表2 代表性分子(或離子)的中心原子雜化軌道數(shù)及對應(yīng)的雜化軌道類型

3 討論

1) 當(dāng)m=0、n≠0時(shí)，即對于ABn型分子(或離子)，式(1)的形式仍為：

G=V/2-3n

所不同的是這時(shí)的價(jià)電子總數(shù)V是1個(gè)A與n個(gè)B的價(jià)電子數(shù)之代數(shù)和。

2) 當(dāng)n=0時(shí)，式(1)可簡化為：

G=V/2

3) 對于V相同的不同分子(或離子)，當(dāng)n相同時(shí)，由式(1)可得出G是相同的。說明這類分子(或離子)的中心原子的雜化軌道類型是相同的，也說明“等電子分子族”結(jié)構(gòu)相似性的理論依據(jù)是其中心原子軌道雜化方式的一致性。例如，表2中所列的各組實(shí)例。

4) 在分子(或離子)中，多數(shù)價(jià)電子總數(shù)V是偶數(shù)。對于少數(shù)V為奇數(shù)的分子(或離子)，用(V+1)代替式(1)中的V，同樣可以得出合理的結(jié)果。

例：在價(jià)電子總數(shù)為17的NO2中，N的雜化軌道數(shù)為：

G=(V+1)/2-3n=(17+1)/2-3×2=3

其對應(yīng)的雜化軌道類型是sp2。

5) 由式(1)可知，求G值并不需要先確認(rèn)中心原子價(jià)層里的孤電子對，就能直接得出合理結(jié)果。這是本方法的獨(dú)特創(chuàng)新之處，也是諸多其他方法[1-3]所不能的。實(shí)際上，當(dāng)確認(rèn)了中心原子雜化軌道數(shù)及對應(yīng)的雜化軌道類型，再結(jié)合配位數(shù)，其雜化軌道中有無未成鍵電子(或未成鍵電子分組情況)便一目了然。也可以用式(2)計(jì)算未成鍵的雜化軌道數(shù)，即價(jià)層中未成鍵的電子組數(shù)(L)。

L=G-(n+m)

(2)

綜上所述，應(yīng)用本文提出的式(1)，僅選擇2個(gè)參數(shù)(V、n)就能直接得出中心原子的雜化軌道數(shù)并確定相應(yīng)的雜化軌道類型，說明該方法是一種簡單、直接、有效的方法。但需要指出的是：這種計(jì)算方法對主族元素及主族元素與零族元素形成的單中心共價(jià)分子(或離子)是有效的，而對于含有過渡金屬元素或含有多個(gè)中心原子的分子(或離子)，則還有待進(jìn)一步探討。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張文廣,韋斯林,王祖浩.化學(xué)教育,2008,29(6):3

[2] 吳集貴,曾正志,姚卡玲.大學(xué)化學(xué),1991,6(6):9

[3] 李小平.大學(xué)化學(xué),1987,2(6):39