中心原子杂化轨道类型的判断方法

中心原子杂化轨道类型的判断方法

徐长明（湖北省十堰市房县第三中学442100）

摘要：杂化轨道理论能解释大多数分子的几何构型及价键结构。在使用该理论时，首先必须确定中心原子的杂化类型，在未知分子构型的情况下，判断中心原子杂化轨道类型有时比较

困难，成为教学难点。

关键词：杂化轨道理论；价层电子对互斥理论；等电子原理

高中化学选修模块《物质结构与性质》（人教版）中介绍了杂化轨道理论，这一重要理论能解释大多数分子几何构型及价键结构。在使用该理论时，首先必须确定中心原子的杂化形式，在未知分子构型的情况下，判断中心原子杂化轨道类型有时比较困难，成为教学难点。下面总结几种高中阶段判断中心原子杂化轨道类型的方法。

一、根据价层电子对互斥理论判断

教材中介绍了价层电子对互斥理论，根据该理论能够比较容易而准确地判断AB m型共价化合物分子或离子的空间构型和中心原子杂化轨道类型。中心原子的价电子对数与价电子对的几何分布、中心原子杂化

轨道类型的对应关系如下表（价电子对数＞4 的，高中阶段不作要求）。

运用该理论的关键是能准确计算出中心原子的价

电子对数，其计算方法是：

1．价电子对数n ＝σ键的电子对和中心原子上的孤电子对，中心原子上的孤电子对数=1/2(a-xb)

2.σ键的电子对可由分子式确定。例如，H20中0有2对σ键电子对；NH3中N有3对σ键电子对

3．式中a为中心原子的价电子数对于主族元素，中心原子（A）的价电子数＝最外层电子数；x为与中心原子结合的原子数；b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数，氢为1 ，其他原子等于“8-该原子的价电子数”。离子在计算价电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数（绝对值）

4．杂化轨道由形成σ键的电子对和孤电子对占据，因此分子或离子的空间构型为杂化轨道构型去掉孤电子对后剩余的形状。

例如：指出下列分子或离子的中心原子的杂化轨道类型，并预测它们的空间构型：

⑴BeCl2 ⑵SO3 ⑶NH4＋

解析：⑴是AB2型分子，BeCl2 的价电子对数

n＝1／2（2-2×1）+2=2，Be 采用sp 杂化，无孤电子对，故分子呈直线型；

⑵是AB3型分子，SO3的价电子对数n＝1／2（6-3×2）+3＝3，S 采用sp2杂化，无孤电子对，故分子呈平面三角形

⑶是AB4 型离子，NH4＋的价电子对数n＝1／2（5-1-4×1）+4＝4，N 采用sp3杂化，无孤电子对，故分子呈正四面体

二、根据分子的空间构型判断

由此，可以根据分子的空间构型或键角来判断中心原子轨道的杂化方式。

例如：学生对于一些常见的简单分子的结构都是熟悉的，C2H2、CO2为直线型分子，键角为180°，推断其C 原子的杂化轨道类型为sp；C2H4 、C6H6为平面型分子，键角为120°，推断其C 原子的杂化轨道类型为sp2；CH4、CCl4为正四面体，键角109．5°，推断其C 原子的杂化轨道类型为sp3。还可以扩展到以共价键形成的晶体，如：已知金刚石中的碳原子、晶体硅和石英中的硅原子，都是以正四面体结构形成共价键的，所以也都是采用sp3杂化；已知石墨的二维结构平面内，每个碳原子与其它三个碳原子结合，形成六元环层，键角为120°，由此判断石墨的碳原子采用sp2 杂化。

三、根据σ键数和孤电子对数逆向判断根据价层电子对互斥理论，中心原子价电子对数＝σ 键数＋孤电子对数，如果我们已知σ 键数和孤电子对数，就可以逆向判断出中心原子价电子对数，从而判断出杂化方式。

例如：指出乙酸分子中标出原子的杂化轨道类型以及它们周围原子的空间分布情况。

解析：高中学生都能熟练书写有机分子的结构式，根据结构式就很容易得知σ 键数和孤电子对数，从而判断出杂化方式。

1 号C 形成4 个σ 键，无孤电子对，所以有4 个价电子对，C 原子为sp3 杂化，其周围3 个H 和1 个C 呈正四面体分布；

2 号C 形成

3 个σ 键，无孤电子对，所以有3 个价电子对，C 原子为sp2杂化。

四、根据等电子原理判断

教材中介绍了等电子原理，即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，这里的结构特征包括中心原子的杂化轨道类型、分子的空间结构等。因此，我们可以根据一些熟悉的分子的杂化轨道类型来判断与它互为等电子体的不熟悉的分子的杂化轨道类型。

例如：指出N2O 分子的空间构型和杂化轨道类型。

解析：教材中介绍的价层电子对互斥理论是比较浅显的，并没有介绍N 作为配位原子应该如何计算价电子对数，在解决这样的题目时，教师不必加深补充介绍价层电子对互斥理论，可以采用等电子原理巧解。因为N2O 与CO2 互为等电子体，学生对于CO2的结构非常熟悉，直接根据直线型，判断出sp 杂化，当然也可以计算出CO2中的C 原子的价电子对数n＝2，判断出sp 杂化，直线型，所以N2O 也应为sp 杂化，直线型。

同样，如果要判断SCN－的空间构型和杂化轨道类型，我们大可不必研究究竟哪个原子是中心原子，哪个是配位原子，如何计算价电子对数，直接根据CNS－与CO2 等电子体，来判断CNS－为直线型，sp 杂化。

五、根据结构代换判断

有机化学中的取代反应是指有机物分子里某些原子或原子团被其它原子或原子团所代替的反应，根据取代反应机理，发生取代后，其中心原子的结构和成键方式都应该不变。由此启发，对于一些复杂的分子，我们可以将其中的某些原子团代换成原子，变成简单熟悉的分子，根据这个分子的空间构型和杂化轨道类型，来判断原来的分子的空间构型和杂化轨道类型。

例如：CH3－OH 等醇类，都可以看作R—代换了H2O中的H ，因为H2O 中O 原子为sp3杂化，所以CH3－OH中的O 原子也为sp3 杂化。H2N－NH2可以看作－NH2代换了NH3中的H ，因为NH3中N 原子为sp3杂化，所以H2N－NH2 中的N 原子也为sp3杂化。