分子立体构型和杂化轨道类型的课堂实践新探究

分子立体构型和杂化轨道类型的课堂实践新探究【摘要】本论文提出了人教版高中化学选修3第二章分子的立体构型之用VSEPR模型来预测分子的立体构型以及常见分子的中心杂化类型【关键词】VSEPR模型分子立体构型杂化类型【正文】高中化学选修3在普通高中化学模块中属于选学内容，在新课改之后的高考中出现一道选考题，15分，占化学总分的15%。而各个学校的平日教学中根据学生的实际情况，又将选修3作为高考选考内容，摒弃了其它选考部分。而选修3的一道题又必然有分子的立体构型的预测和杂化轨道理论的相关知识，现对该知识做以简单的探究说明，供大家参考，借鉴。目前，各种资料和参考书中，判断分子的空间构型的理论，不外乎是两种理论，其一为价层电子对互斥理论（又称VSEPR理论）；另一种为杂化轨道理论。虽然这两种理论都可以用来预测分子的立体构型，但各有一些不足之处。如果我们将两者联系起来，取长补短，综合考虑，换个角度思考，预测分子的立体构型后，再推测它们的杂化轨道类型，解决高考试题，能达到令人满意的教学效果，学生普遍感觉这种方法易于理解，便于掌握。先谈谈价层电子对互斥理论预测分子的立体构型现行人教版高中化学必修3教材P37-38页只是简单地介绍了价层电子对互斥理论的基本内容：分子的立体构型是“价层电子对”相互排斥的结果。价层电子对指分子中中心原子的电子对，包括键电子对和孤电子对。分子的立体构型正是这两种电子对相互排斥的结果。接着又对键电子对和孤电子对的算法作以说明。以ABm为例，A为中心原子，B为与中心原子结合的原子，称为配位原子，则m为几，就有几对键电子对，中心原子上的孤电子对=（a-xb),a为中心原子价电子数，b为配位原子的最个层电子数，x为配位原子的个数，如为氢，则b=1，其它元素的b为“8-该原子的价电子数”。这种算法在平日做题时有时会遇到障碍。现将新算法介绍如下，它更有实用性。价层电子对数=（中心原子价电子数+配位原子数离子电荷数）这里中心原子价层电子对除了键电子对和孤电子对外，还包含成单价电子。需要做以说明的是，若计算结果为小数，则给整数位加一；若配位原子为氧族元素时，不计算在内。本人认为，教材中没有将键电子对、孤电子对的相互排斥形成VSEPR模型讲述的非常透彻、清晰、明了，以致于学生做题时总含含糊糊、似懂非懂。如教材中P39页，只提及到CH4分子的VSEPR模型名称，而并未提到NH3、H2O分子的VSEPR模型的名称，以致使学生感觉它们两者的模型名称到底是正四面体还是变形四面体，产生质疑。而教材在P39举例时恰好在表格中忽略了这一点。再如，SO2和CO32-都给出的是平面三角形的VSEPR模型名称，但两者的模型中，前者有孤电子对，后者没有，故形状不完全一样，但模型名称却一模一样，使学生产生困惑，难于理解。本人认为，要解决这一矛盾，更能深层次理解和辨析这一问题，我们将VSEPR 模型重新认识，简述如下：我们将价层电子对互斥理论设计成一个简单的球面模型，中心原子在球心上，并且认为中心原子的价层电子对（键电子对和孤电子对）是一模一样的来建立模型。这些电子对在球面空间排布应使它们之间的静电斥力最小，从而体系能量最低。以ABm分子为例，m=2，即价层有2对电子，这2对电子必分布在外接于球面且通过球心的直线两端，这时电子对分布最远，斥力最小；AB2分子的VSEPR模型为直线形。同理，m=3时，价层上3对电子对分布在外接于球面的正三角形的顶点（过球心），这时电子对分布最远，斥力最小。依次类推，m=4,5,6时，价层上4，5和6对电子必定分布在外接于球面的正四面体、三角双锥和正八面体的顶点。按照上述模型，我们将价层电子对中的键电子对和孤电子对看成一类，则VSEPR模型总结如下：分子类型价电子对数VSEPR模型名称举例AB22直线形CO2AB33正三角形BF3AB44正四面体CCl4AB55三角双锥PCl5AB66正八面体SF6按照这种思路，就解决了教材中，无论NH3、H2O和CH4哪个分子，它们的VSEPR模型都是一模一样的，都是正四面体；SO2、CO32-的VSEPR模型都为平面三角形。确立了模型后，再进一说明分子的立体构型，简述如下：分子的立体构型是成键电子对另一边配位原子和中心原子形成的立体构型。于是，我们去掉孤电子对后，可以确定分子的立体构型，但去掉之前要考虑这两种电子对如下的排斥关系：因为成键电子对受到A和B两方原子核吸引，而孤电子对仅受中心原子A核的吸引，未受到配位原子核吸引，故孤电子对离中心原子更近，排斥力更大，有如下的规律：孤电子对--孤电子对>孤电子对--成键电子对>成键电子对--成键电子对。所以，考虑分子立体构型时，将VSEPR模型的高度对称结构加以变形后，再去掉孤电子对，就得到分子的立体构型。如：NH3分子的VSEPR模型是正四面体，将正四面体的一个顶点对其它三个顶点排斥力稍加大，加以变形，得到变形四面体；H2O分子的VSEPR模型是正四面体，将正四面体的两个顶点对其它两个顶点排斥力加大，加以变形，仍得变形到四面体。不同之处为，NH3分子仅有一对孤电子对，而H2O分子有两对孤电子对，因为孤电子对的排斥力更大，故H2O分子变形更厉害，键角更小一些。同理，教材中SO2的分子构型是将正三角形加以变形，再去掉一对孤电子对，所以为V形，且键角小于120°，而CO32-的分子构型仍是正三角形，因为中心原子无孤电子对。这样解决问题，既解释了教材中NH3、H2O分子、SO2、CO32-粒子的VSERR模型名称的矛盾，又解释了关于分子键角的相关问题。上述主要是对于VSEPR模型的建立及分子的立体构型做了说明。其实，分子的立体构型还可以用杂化轨道理论进行预测。其中教材中以CH4的正四面体构型来引出该理论，说明在形成分子时，并非是原子的最外层原子轨道和另一原子的轨道重叠形成分子，而是轨道先进行混杂，再成键。但问题是，应用杂化轨道判断分子构型时，必须知道中心原子杂化状态，而且中心原子杂化时能量相近的轨道上的电子是否激发难以判断，因此不能准确判断分子构型。我们可以换个思路，在解决杂化轨道和分子立体构型时，可以先利用前面的VSEPR模型准确推测分子的立体构型，进而推知中心原子的杂化类型。例如，要知道H2O分子中心原子O的杂化方式，通过H2O分子的VSEPR模型正四面体，可知有四对电子对占据轨道，故为O原子的第二能层的一个s轨道和三个p轨道混杂，形成sp3杂化轨道。而PCl5的VSEPR模型为三角双锥形，故为五对电子对占据轨道，则P原子的第三能层的一个s，三个p和一个d轨道形成sp3d杂化轨道。同样，我们考虑杂化时，暂且不细分等性杂化和不等性杂化，即不考虑占据杂化轨道的是键电子对还是孤电子对。这就等同于将VSEPR模型和杂化轨道统一起来了。故只需建立分子中中心原子的VSEPR模型，就可以推测出该中心原子的杂化类型，去掉孤电子对，也就预测出了分子的立体构形。这样，便将这三者有机的结合在一块了。下列将常见中心原子的杂化态和价层电子对数以及杂化轨道空间构型总结如下：杂化类型spsp2sp3sp3dsp3d2杂化的原子轨道s+ps+p+ps+p+p+ps+p+p+p+ds+p+p+p+d+d几何构型直线形平面三角形正四面体形三锥角双锥形正八面体形常见的分子CO2BF3CH4PCl5SF6以上便是本人对于人教版高中化学选修3之价层电子对互斥理论、杂化轨道理论以及分子的立体构型在教学中的一些浅显的认识和改进，可能在教学中有促进作用。在叙述时如有不妥之处，希望批评指正，提出宝贵意见。