高中化学杂化轨道理论疑难问题解析

高中化学杂化轨道理论疑难问题解析

作者：毛立可

来源：《中学理科园地》2017年第04期

摘 要：杂化轨道理论是高中化学教学中一个重要知识点，也是每年高考中必考内容。老师在讲授这部分内容时都是根据一个计算公式，首先计算出孤对电子数目，并由成键原子得出σ键数目，从而得出价层电子对数。然后利用價层电子对数和互斥模型的关系确定分子构型和杂化类型。这样学生虽然能够确定中心原子杂化方式，但不理解为什么这样杂化，有时候还会得出错误结论。

关键词：高中化学；杂化轨道；疑难问题；解析 1 CH4中心碳原子为什么是sp3杂化

中心碳原子电子排布式1s22s22p2，这样中心碳原子2s能级2个电子已成对，只有2p能级存在2个单电子，按照共价键理论，一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋方向相反的电子配对成键。显然中心碳原子只能结合两个氢原子，可这与事实相矛盾。所以应该是2s能级的一个电子激发到2p能级，呈现四个单电子，从而能够结合四个氢原子。但是有一个电子是2s能级，另外三个电子是2p能级，这样形成的四个碳氢键键长不一样，与甲烷是正四面体结构相矛盾，所以美国化学家鲍林提出了杂化轨道理论，认为s能级和p能级发生了sp3杂化，得到了四个能量相同的轨道。这种解释同样适用于BeCl2杂化方式，Be的1s能级的成对电子有一个激发到2p能级，发生了sp杂化。 2 H2O中心氧原子为什么是sp3杂化

中心氧原子电子排布式1s22s22p4，2p能级三个轨道填充4电子，中心氧原子有两个未成对电子，按照共价键理论恰好结合两个氢原子，这样中心氧原子就不需要杂化，但事实上为sp3杂化。这是因为如果中心氧原子不杂化，中心氧原子三个哑铃型2p轨道是相互垂直的，那么氧原子结合氢原子后形成的氧氢键键角应该是90°，但实际上H2O的键角是104.5°，这是共价键理论不能解释的。杂化轨道理论认为形成水分子时，氧原子的一个2s轨道和三个2p轨道采取sp3杂化，电子对互斥模型为四面体形，因还有两对电子未参与成键的孤对电子，孤对电子对成键电子的排斥作用，所以水分子中氧氢键的键角不是109°28′[1]。该解释也适用于氨分子的杂化方式，如果N原子不发生杂化，那么形成的N-H键键角应该为90°，但事实上氨分子中键角为107°18′。

3 氧气分子为什么是sp杂化

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中学化学教学中大多数老师根据共价键理论把氧气分子的电子式书写为 ，这样每个氧原子价层含有2孤对电子和1个σ键电子，因此很多学生甚至一部分教师都认为氧原子杂化方式为sp2杂化。但事实上氧气分子的电子式不能那样写，首先实验证明氧气分子有顺磁性，上面书写的氧气分子电子式显示氧原子的价电子都配对成键不可能为顺磁性。而氧分子的分子轨道式为（σ1s）2（σ*1s）2（σ 2s）2（σ* 2s）2（σ 2px）2（π 2py）2（π 2pz）2（π*2py）1（π*2pz）1，氧气分子中两个氧原子之间应该形成两个三电子л键，其结构式为 ，这样每个氧原子有一个σ键，一对孤对电子，所以氧原子杂化方式应为sp杂化。 4 HCl分子为什么是sp3杂化

Cl原子的电子排布式为1s22s22p63s23p5，Cl原子3p能级三个轨道填充5个电子，有一个轨道填充一个电子。很多学生和老师认为Cl原子3p能级有一个单电子，H原子有一个电子，它们恰好成键，就不需要杂化。还有一部分老师直接告诉学生双原子分子是直线形结构，就是sp杂化。其实这是对杂化轨道的错误认识，如果Cl原子不杂化，3p能级的三个轨道空间伸展方向是相互垂直的，那么未成键的孤对电子对成键电子挤压作用就很大，这不符合共价键成键斥力最小原则，所以Cl原子应该为sp3杂化，价层电子对互斥模型为空间四面体形，这样形成的H-Cl才最稳定。

5 ClO2分子为什么是sp2杂化

中学化学在讲授分子杂化类型时，首先根据公式计算出孤电子对数目。对于ABn型分子，中心原子上的孤电子对数=1/2（a-nb）=1/2（A的价电子数-│B的化合价│×B的个数）=1/2（7-2×2）=1.5。孤电子对数为1.5，说明有一个单电子，同样占据一个轨道，把孤电子对数看作2，另外ClO2分子两个σ键，所以Cl原子价层电子对数为4，其杂化方式为sp3杂化。这样ClO2的价层电子对互斥模型应为四面体形，但事实上却是平面三角形。说明不顾事实计算出来的模型不准确。正确的是Cl原子价层两对电子分别提供给两个O原子形成两个σ键，有一对孤对电子参与杂化，形成sp2杂化。2个O原子各提供一对电子和Cl原子的一个单电子形成三中心五电子的大л键[2]。

杂化轨道理论是1931年由美国化学家鲍林等人提出的，它解决了价键理论不能解释某些分子的键长、键角、中心原子结合的原子数目及分子稳定性问题。所以我们在确定分子杂化方式时要从上面几个方面考虑，要分析哪些

能级的电子跃迁到激发态参与杂化，要使参与杂化的电子对之间斥力最小即分子最稳定。 参考文献：

[1]武汉大学，吉林大学等校（曹锡章，宋天佑，王杏乔修订）.高等学校教材无机化学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1994：156-157

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[2]桂耀荣.二氧化氯的分子结构[EB/OL].2010-8-27. http：//blog.sciencenet.cn/blog-3777-356659.html.