高茹婷 彭慶蓉 劉豐茂
【摘要】提供一種可以判斷常見分子和離子中心原子雜化類型的方法,即畫出分子合適的電子式,用3D Max轉(zhuǎn)換成空間立體構(gòu)型,根據(jù)原子間斥力最小的原則可以判斷出分子的空間構(gòu)型,進(jìn)而利用價層電子對互斥模型來判斷分子中心原子雜化類型。
【關(guān)鍵詞】電子式 3D Max 雜化軌道理論 中心原子雜化類型 價層電子對互斥模型
利用雜化軌道理論,在已知分子的空間構(gòu)型,可以判斷分子或部分離子的中心原子的雜化類型;利用VSEPR模型可以預(yù)測分子或部分離子的空間構(gòu)型,但需要結(jié)合中心原子雜化理論才能確定中心原子雜化類型,所以教學(xué)的過程基本是將兩種理論結(jié)合。然而,對于初次接觸這兩種理論的學(xué)生,如果沒有一定的空間感知能力,想象出空間構(gòu)型是比較困難的,或者容易把所接觸到的分子雜化類型以及空間構(gòu)型弄混淆。有人提到了一種利用電子式的觀察法,但并沒有詳細(xì)說明應(yīng)該怎樣利用。本文介紹一種讓剛升入大學(xué)的學(xué)生清晰、快速掌握這兩種理論并且可判斷中心原子雜化類型的方法,即畫出電子式,用3D Max轉(zhuǎn)換成空間立體構(gòu)型,然后根據(jù)VSEPR理論和雜化軌道理論推測出中心原子雜化類型。此方法適用于由主族元素組成的無機(jī)化合物和少量碳四以內(nèi)有機(jī)化合物。
一、根據(jù)分子最外層電子數(shù)目畫出分子的電子式
在畫電子式時,要滿足兩個條件:(1)保證每個原子提供電子數(shù)為其價層電子數(shù),并且中心原子為其他每一個原子提供電子,而且能得到其他任意一個原子提供的電子,在原子間形成電子對。如果中心原子或者其他原子電子不夠,電子對中的電子均源于同一原子,則形成配位鍵。比如,銨根離子(NH4)其中一個氫原子失去一個電子變成氫離子,不能夠給氮原子提供電子,這個氫離子和氮原子之間的電子全部由氮原子提供,進(jìn)而形成配位鍵。(2)使分子中每個原子最外層電子均達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。若部分原子無法達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu),則要滿足除中心原子外其他原子均滿足穩(wěn)定結(jié)構(gòu),此類化合物一般會形成離域鍵。(3)補充說明離域鍵。部分中心原子無法達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子,是因為形成化學(xué)鍵的π電子不局限于兩個原子的區(qū)域,而是在參加成鍵的多個原子的分子骨架中運動,這種由多個原子形成的π型化學(xué)鍵稱作離域π鍵。但是對于這類分子,依舊可以畫出其電子式,只需要滿足除中心原子外其他原子達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如表二氧化硫(SO2)分子電子式和二氧化氮(NO2)分子電子式,這兩個電子式中,中心原子都未滿足穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
二、確定分子空間構(gòu)型
根據(jù)分子的二維電子式圖,將其變成三維空間圖像。由排斥力大小為孤對電子-孤對電子>成鍵電子-孤對電子>成鍵電子-成鍵電子,且在鍵長一定的情況下互相間距離越遠(yuǎn)越穩(wěn)定,根據(jù)最小排斥原則,可判斷分子空間構(gòu)型。為了讓學(xué)生能夠直觀的看到空間模型,更好地理解理論,可以采用兩種方法。
1.如果時間充裕,讓學(xué)生們用簡單的材料自己制作分子模型。比如,用粘土或者是易得的橡皮泥和木棒搭建模型,幫助學(xué)生想象和理解幾何圖形,將幾何圖形與分子形狀連接起來,讓學(xué)生能夠理解分子在空間的排列,最后引入更抽象的價電子對排斥理論。
2.如果時間不夠充裕,教師可以利用3Dmax軟件更好的講解。本文以3ds max2015版為例,進(jìn)行說明。這個軟件的優(yōu)點是可以看到分子模型的空間立體結(jié)構(gòu),也可以看到分子主視圖、左視圖、俯視圖的透視結(jié)構(gòu),同時在調(diào)整位置過程中通過看每一個結(jié)構(gòu)的x、y、z坐標(biāo)和三視圖,進(jìn)而可以更直觀的感受到原子的相對位置。教師既可以做好了模型展示給學(xué)生,也可以直接一邊做一邊展示。
3.為了讓學(xué)生更好地掌握結(jié)構(gòu),可以將閱讀和寫作結(jié)合使用,以促進(jìn)通常由死記硬背學(xué)習(xí)的主題的概念性學(xué)習(xí)。讓學(xué)生通過查找很久以前的相關(guān)文章,試著自己編寫論文的摘要來解釋關(guān)鍵點,試著自己畫出電子式。它還使教師能夠看到學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。
三、根據(jù)分子空間構(gòu)型推斷VSEPR模型和中心原子雜化類型
為了便于判斷,需要將未成鍵的孤對電子甚至是單電子看成鍵電子,再根據(jù)最小排斥力原則,確定VSEPR模型。最后,根據(jù)VSEPR模型,考慮需要中心原子最多可形成幾條共價鍵,進(jìn)而考慮需要多少條雜化軌道。再根據(jù)雜化理論判斷中心原子雜化類型。
利用這種方法,可以先列出一個成鍵電子及孤對電子的總對數(shù)與VSEPR模型、雜化類型、相應(yīng)的分子及其電子式(如表1所示),然后分析推斷中心原子雜化類型的成因。
本文提出的方法是,教師在講授的過程中做出電子式和3Dmax立體結(jié)構(gòu),時間充裕,讓學(xué)生自己做出立體模型,或者是通過論文摘要寫作。
這樣讓學(xué)生更直觀的理解和記憶分子空間結(jié)構(gòu)、VSEPR結(jié)構(gòu)和中心原子雜化類型;而且無論是電子式還是3Dmax軟件,都容易操作和掌握,是一種高效的學(xué)習(xí)方式。
但是,由于過渡金屬有d軌道參與軌道雜化成鍵,中心原子雜化軌道與主族元素的p軌道參與形成的雜化軌道不同,這種方法不適合過度金屬,部分特殊情況仍需要單獨記憶。
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