胡協(xié)強(qiáng) 沈建敏
摘要:能判斷微粒的空間構(gòu)型是高中學(xué)生必須具備的基本能力,而讓該能力在解題中靈活發(fā)揮,除需要扎實的基礎(chǔ)知識和對重點難點知識適當(dāng)?shù)睦斫猓€需要講究一定的技巧方法。
關(guān)鍵詞:雜化軌道;價層電子對;等電子體
文章編號:1008-0546(2019)06-0015-02 中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.004
化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化規(guī)律的自然科學(xué),掌握微??諉柦Y(jié)構(gòu)是了解物質(zhì)的極性、磁性、旋光性、溶解性、化學(xué)反應(yīng)活潑性等性質(zhì)的重要途徑。在高中化學(xué)選修《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》一書中主要介紹了三種解釋微??臻g結(jié)構(gòu)的理論知識。分別是雜化軌道理論、價層電子對互斥理論及等電子體原理。
在中學(xué)階段,由于學(xué)生不能深入了解這三種理論,理性認(rèn)識不足,且學(xué)生只熟悉一些常見微粒的結(jié)構(gòu)、組成,當(dāng)遇到較復(fù)雜的微粒,往往就不能作出正確的判斷。通過與學(xué)生交流,發(fā)現(xiàn)學(xué)生主要是對這三種理論不能靈活應(yīng)用,無法根據(jù)實際微粒的組成特點選用恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ荒軐⑦@些理論整合使用。
根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗,筆者將這三種理論的關(guān)系整合如下:中學(xué)化學(xué)中一般只涉及到sp、sp2、sp3三種雜化類型,其它較為復(fù)雜的雜化不需要掌握和了解。在書本中除碳、硼、鈹三種原子具體介紹了如何進(jìn)行雜化,其它原子的雜化類型一般都是通過另外兩個理論來推測的,而不是通過中心原子的雜化類型來推測微粒的空間構(gòu)型。例如硫酸根離子,學(xué)生現(xiàn)有知識很難描述原子的成鍵形式或中心硫原子的雜化類型,而是通過價層電子對互斥理論(n=4)或等電子體理論(與CCI4互為等電子體)推測硫酸根離子為正四面體,從而確定硫原子是以sp3進(jìn)行雜化的。
學(xué)生在用等電子體推測微粒空間結(jié)構(gòu)可以常用的方法有以下三種,同周期元素左右替換、同主族元素上下替換,電子一電荷互換法。但筆者認(rèn)為有前兩種方法基本可以在中學(xué)化學(xué)中解決等電子體問題。例如SO42-,按照周期表中元素的位置(圖2a),與之互為等電子體的是PO43-、CIO4-和SeO42-等微粒。與N3互為等電子體的可以是CO2、N2O、SCN-等常見微粒。這四種元素的位置關(guān)系如圖2b所示。
綜上所述,筆者認(rèn)為學(xué)生若要較好地掌握這部分知識并能應(yīng)用于解題,應(yīng)鞏固基礎(chǔ)知識同時加強(qiáng)重點難點知識突破,在遇到相應(yīng)題時,靈活機(jī)動,將三種理論有機(jī)結(jié)合,從而解出微??臻g構(gòu)型這部分題目。
一、熟悉常見微粒,能用相應(yīng)理論解釋其空間構(gòu)型(如表1、2、3)
二、抓住重點難點,巧法解題
針對比較復(fù)雜的微粒中原子雜化類型的判斷,以碳原子的成鍵方式類比推知N、O等常見原子的雜化類型。
例如,在血紅素分子中氮原子和氧原子的雜化類型(圖4)。通過以上類比的方法也可推測其它同主族元素原子的雜化類型。例如S2CI2,其結(jié)構(gòu)如圖5所示,我們發(fā)現(xiàn)分子中硫原子的成鍵形式和水分子中氧原子(sp3雜化)的成鍵形式類似,因此硫原子以sp3進(jìn)行雜化的。
結(jié)構(gòu)相對簡單的微粒,能用價層電子對互斥理論推測中心原子雜化類型(如下表4)。也可以通過歸納總結(jié)σ鍵與價層電子對數(shù)目的關(guān)系來推測中心原子雜化類型,不深入理解(如下表5)。我們還常結(jié)合價層電子對結(jié)構(gòu)和配位原子數(shù)來推測微??臻g構(gòu)型(如下表6)。
從表4中可以發(fā)現(xiàn):價層電子對數(shù)目=雜化軌道數(shù)目。
從表5中可以發(fā)現(xiàn):價層電子對數(shù)目=中心原子孤電子對數(shù)+σ鍵數(shù)目。
從表6可以看出,不能根據(jù)價層電子對直接推測微??臻g結(jié)構(gòu),必須考慮配位原子數(shù)目。也就是要有以下思考過程:價層電子對數(shù)→價層電子對結(jié)構(gòu)→配位原子數(shù)微??臻g構(gòu)型。
綜上所述,對于微粒的空間構(gòu)型和原子雜化形式的判斷,學(xué)生必須要將三種理論有機(jī)整合,不能將三種理論完全割裂,同時要根據(jù)不同的對象,隨機(jī)應(yīng)變,靈活應(yīng)用合適的技巧。