淺析中學十種物質成鍵情況

鐘輝生等

1. CO

碳原子電子層結構為：1s22s22p1x2p1y，氧原子的電子層結構為：1s22s22p2x2p1y2p1z。碳原子2個未成對的2p電子可與氧原子的2個未成對電子形成1個σ鍵和1個π鍵，氧原子的1對已成對的2p2x電子對還可與碳原子的2pz空軌道形成一個配位鍵（用“→”表示）。所以CO的電子式為∶CO∶。碳氧原子之間實際上是共用3對電子。寫成點式結構為：∶CO∶。

2. NO

氮原子的電子層結構為：1s22s22p1x2p1y2p1z，可見1個氮原子有3個未成對的2p電子，它的2個2p未成對電子與氧原子的2個未成對電子形成1個σ鍵和1個π鍵，另外氧原子的1對已成對的2p2x電子對與氮原子剩余的1個未成對電子形成1個2中心3電子的大π鍵π32。其電子式為，點式結構為。所以一個NO中含有3個鍵：σ鍵、π鍵（稱小π鍵）和π32鍵（稱大π鍵）。

3. NO2

NO2中的氮原子采取sp2雜化，sp2雜化軌道中的2個未成對電子分別與2個氧原子中的未成對電子各形成1個σ鍵，兩個氧原子中各自剩余的1個未成對電子與氮原子另外1個雜化軌道中的未成對電子形成1個3中心3電子的大π鍵π33。所以NO2電子式為。由價層電

子對互斥理論可知NO2價層電子對數為3，電子對空間構型為三角形，但是由于氮原子上存在1對孤電子對，所以NO2空間構型為V形，∠ONO=134°，氮氧鍵鍵長為112pm。其點式空間構型如圖1所示。

4. O3

中學階段，一般認為由同種元素組成的單質為非極性分子，由同種元素形成的共價鍵為非極性鍵。O3是否真的為非極性分子？O3中的O—O鍵是否真的為非極性鍵？

O3的中心氧原子為不等性sp2雜化軌道類型，它以2個sp2雜化軌道中的未成對電子與另外2個氧原子sp2雜化軌道中的未成對電子分別形成2個σ鍵，中心原子第三個sp2雜化軌道被孤電子對占據。此外中心氧原子未參與雜化的p軌道上有1對電子，而兩端氧原子各剩余1個未成對電子，它們一起形成3中心4電子大π鍵π43，所以O3電子式為。O3的空間構型為V型，∠OOO=117°，其偶極矩為0.618，所以O3為極性分子。O3中，由于中心氧原子與兩端氧原子

的電荷密度明顯不同，中心氧原子的電荷為0.2796，兩端氧原子的電荷為-0.1398，所以O-O鍵為極性鍵，鍵長為127.8pm。O3的點式空間構型圖2所示。

5. SO2

SO2與O3互為等電子體，兩者的成鍵方式及分子的空間構型完全相同。SO2的電子式為?？臻g構型也為V形，其中硫圖3

原子采取的也是sp2雜化類型。SO2分子的點式空間構型圖3所示。其中∠OSO=119.5°，硫氧鍵鍵長為143.2 pm，SO2中的硫氧鍵已具備雙鍵特征。

6. SO3

一個SO3雖然比一個SO2多出一個氧原子。但硫原子的雜化軌道類型仍為sp2雜化。硫原子以3個sp2雜化軌道與3個氧原子形成3個σ鍵，另外硫原子還發生pd2雜化，pd2雜化軌道中的3個未成對電子再與3個氧原子的各自剩余的1個未成對電子形成垂直于分子平面的大π鍵π64。由于SO3分子中不存在孤電子對，所以SO3構型為平

面三角形，∠OSO=120°。硫氧鍵鍵長為143 pm，比硫氧單鍵155 pm短，所以SO3中的硫氧鍵也具有雙鍵特征。其點式空間構型如圖4所示。

7. H2SO4

H2SO4為中學常見的二元強酸。分子中硫原子采取sp3雜化，兩個sp3雜化軌道的未成對電子與2個氧原子（羥基中的氧原子）的未成對電子各形成1個σ鍵；另外兩個氧

圖5

原子一方面接受硫原子提供的電子對分別形成2個σ配鍵，同時2個氧原子又各自提供1對孤電子對給硫原子的空3d軌道形成2個附加的（d-p）π反饋配鍵。其點式空間構型如圖5所示。

從硫酸分子的點式結構看，它的空間構型為四面體。硫原子共形成了4個σ鍵和2個反饋π鍵。在硫酸分子中，硫氧鍵有兩類，一類為硫氧雙鍵，鍵長為143 pm；一類為硫氧單鍵，鍵長為154 pm；鍵角也有兩種，分別為119°和104°。

8. H3PO4

H3PO4為三元中強酸。其分子由1個單一的磷氧四面體構成。其點式空間構型如圖6所示。

圖6由圖6可知，磷酸分子中的磷采取sp3雜化，3個雜化軌道與氧原子（3個羥基中的氧原子）之間形成3個σ鍵，另外磷原子提供1對孤電子對給氧原子的2p空軌道形成1個σ配鍵，同時磷原子的空軌道又接受氧原子提供的2對孤電子對形成2個反饋（d-p）π配鍵，所以磷原子與非羥基氧原子之間形成了磷氧多重鍵：P←→←O。但是從鍵能的大小看，該鍵并不具備叁鍵性質，而屬于雙鍵范疇。其中P-O的鍵長為

157 pm，P=O鍵長為152 pm。∠（HO）P（OH）=106°，∠OP（OH）=112°。

9. HNO3

硝酸為中學常見的氧化性酸。其氮原子的3個sp2雜化軌道分別與3個氧原子形成3個σ鍵，呈平面三角形分布。氮原圖7子π軌道上的1對電子則與2個非羥基氧原子的未成對電子形成一個3中心4電子的不定域π鍵π43。這樣使得硝酸中的氮原子的表觀氧化數為+5。硝酸分子內除了共價鍵外還可以形成氫鍵。其點式空間結構見圖7所示。

1個硝酸分子中含有2個N=O鍵、1個N-O鍵、1個O-H鍵、1個氫鍵。其中N=O鍵長為122 pm， N-O鍵長為140.5 pm， O-H鍵長為96 pm。分子內各夾角分別為：∠（HO）NO=114°，∠ONO=130°， ∠HON=90°。

10. NO-3

當硝酸被中和產生NO-3時，硝酸根中的氮原子除以sp2雜化軌道與3個氧原子分別形成3個σ鍵外，還與這些氧原子之間形成1個4中心6電子的大π鍵π64，所以NO-3的空間構型為平面三角形，其點式空間結構如圖8所示。

NO-3中3個氮氧鍵長均相等，為121 pm，∠ONO=120°。硝酸根的這種結構使得硝酸鹽在正常狀況下有足夠的穩定性。

（收稿日期：2014-12-15）