常見分子(離子)的共價鍵解析(下)*

梁愛琴，曲寶涵，代 輝

(青島農業大學 化學與藥學院，山東 青島 266109)

常見分子(離子)的共價鍵解析(下)*

梁愛琴，曲寶涵**，代 輝

(青島農業大學化學與藥學院，山東青島266109)

闡述了無機化學中用于解釋多原子分子(離子)形成共價鍵的兩種理論，應用兩種共價鍵理論對常見的多原子分子、離子的共價鍵進行解析，探討成鍵數目、類型、空間構型、磁性、穩定性等。

多原子分子(離子) ;共價鍵; 解析

共價鍵是一種重要的化學鍵，原子之間可以通過共價鍵連接構成分子、離子，常見的共價鍵理論有路易斯理論(Lewis theory簡寫為Lewis)、價鍵理論(Valance bond theory 簡寫為VB)、雜化軌道理論(Hybridization orbital theory簡寫為HO)、價層電子對互斥理論(Valence shell electron pair repulsion theory 簡寫為VSEPR)和分子軌道理論(Molecular orbital theory 簡寫為MO)，這些理論從不同角度、不同側面描述共價鍵，又互相補充和借鑒，較圓滿地解釋了分子、離子中共價鍵的形成、類型以及由此決定的空間構型[1]、磁性、穩定性等問題，對于多原子分子、離子主要應用路易斯理論、價鍵理論、雜化軌道理論、價層電子對互斥理論來解釋共價鍵的形成、類型、數目、空間構型等問題。

1 價鍵理論簡介

雜化軌道理論是鮑林L．Pauling在價鍵理論的基礎上結合電子的波動性提出原子在形成分子的過程中，中心原子的電子受到激發而躍遷，伴隨著原子軌道重新雜化形成電子云密度較大的雜化軌道后再成鍵，雜化軌道的空間分布決定了分子的空間構型，該理論主要解釋分子的空間構型。

價層電子對互斥理論由希奇維克N．V．Sidgwick和鮑威爾H．M．Powell于1940年提出，并由吉萊斯皮R．T．Gillespie、尼霍姆R．S．Nyholm完善和發展，該理論建立在靜電力學原理和大量分子幾何構型事實的基礎上，依據能量最低原理確定分子的空間構型而不考慮原子軌道的概念，計算價層電子對時通常采用原子價層電子數除以2得到，具體對于氧作為配位原子時不提供價電子、作為中心原子時提供六個價電子，鹵素原子作為配位原子和中心原子分別提供一個和七個價電子等規定，還要分析中心原子含孤對電子時對構型的影響。該理論只用于解釋多原子分子(離子)的空間構型[2]。

2 多原子分子(離子)共價鍵解析

多原子分子(離子)共價鍵解析可采用路易斯理論、價鍵理論、雜化軌道理論和價層電子對互斥理論來解釋，尤其是后兩種理論可以很好的解釋多原子分子(離子)的空間構型，雜化軌道理論應用更廣泛，價層電子對互斥理論主要解釋單個中心原子的情況，兩種理論都應用了價鍵理論中電子配對原則、σ鍵與π鍵、單鍵、雙鍵、叁鍵等基本觀點，也力圖達到路易斯理論中的穩定八隅體結構。

2.1 氫化物的共價鍵解析

2.1.1 雜化理論解析氫化物成鍵

雜化軌道理論將原子軌道的雜化分為sp、sp2、sp3、dsp2、dsp3、d2sp3、sp3d、sp3d2八種類型，分子(離子)的空間構型取決于中心原子的雜化類型，相同的雜化類型又分等性雜化和不等性雜化，原子之間靠單鍵σ鍵連接形成基本構型后，若仍有單電子，就會進一步形成π鍵以至大π鍵[3]。

圖1 乙炔、乙烯、甲烷的空間構型

圖2 苯環中的大π鍵

C原子的sp3雜化為等性雜化，四個sp3雜化軌道上各有一個單電子，而N和O原子的sp3雜化為不等性雜化，四個sp3雜化軌道上電子數不相同，如圖3所示，因此在電子配對成鍵時需要的H原子也不相同，氨分子NH3為三角錐形、水分子H2O為角形，如圖3所示。

圖3 C、N、O原子的sp3雜化軌道電子排布和NH3、H2O的空間構型

圖4 H2O2的空間構型

2.1.2 價層電子對互斥理論解析氫化物成鍵

按照價層電子對互斥理論解釋氫化物成鍵如表1所示。

表1 價層電子對互斥理論對氫化物的共價鍵解析

Table 1 The analysis on covalent bond in hydride by VSEPR

其中CH4,SiH4,CCl4, NH4+由于中心原子周圍的原子相同，為正四面體結構，具有非極性分子特征，CHCl3,CH3OH由于中心原子周圍的原子不完全相同，為四面體結構，是極性分子；同理HCHO是非等邊三角形，是極性分子，C2H4和C6H6所有原子在同一平面上，且C6H6為正六邊形構型。

2.2 氧化物及含氧酸根的共價鍵解析

2.2.1 雜化軌道理論對氧化物及含氧酸根的共價鍵解析

除此之外，匯率預期與實際匯率往往具有相互強化的效應，使得前者對跨境資金流動的影響程度更大。實體經濟中的交易主體會因實際匯率升貶值形成對人民幣匯率走勢的預期，從而通過資金配置進一步改變商品市場、資本市場以及信貸市場的均衡關系，又通過外匯市場供求關系的變化將影響傳導至實際匯率，實際匯率的波動則進一步增強市場主體的匯率預期，形成“匯率升貶值——預期升貶值——加劇匯率升貶值——強化預期升貶值”的循環，實際匯率與匯率預期的自我強化也加大了對跨境資金流動的沖擊。

用雜化軌道理論對氧化物及含氧酸根的共價鍵解析如表2所示。

表2 雜化軌道理論對氧化物及含氧酸根的共價鍵解析

Table 2 The analysis on covalent bond in oxide and oxygenates by HO

表2(續)

N的氧化物較多，成鍵也表現出特殊性，在這里詳細說明：NO，NO2中心N原子sp2不等性雜化后與O成鍵，如圖5所示。

圖5 NO、N2O2，NO2、N2O4成鍵示意圖

圖6 N2O3和N2O5成鍵示意圖

2.2.2 價層電子對互斥理論對氧化物及含氧酸根的共價鍵解析

價層電子對互斥理論對氧化物及含氧酸根共價鍵解析如表3。

表3 價層電子對互斥理論對氧化物及含氧酸根共價鍵解析

Table3 The analysis on covalent bond in oxide and oxygenates by VSEPR

2.3 d軌道參與雜化的分子(離子)

對于d軌道參與雜化的分子(離子)空間構型的主要是配位離子，而關于配位離子(配合物)的結構除了應用價鍵雜化軌道理論解釋，如表4所示，還有晶體場理論的解釋[4](本論文中不展開討論)。

表4 d軌道參與雜化的分子(離子)空間構型

Table 4 The spatial configuration of molecules and ions with d orbital involved in hybridization

3 特殊分子(離子)共價鍵解析

下面我們對特殊分子B2H6、AlCl3、疊氮酸HN3進行共價鍵解析。

B2H6中B(2s22p1)以sp3雜化，sp3雜化軌道中一條為空軌道，其余三條含單電子，B與H原子成鍵如圖7(a)，左邊B的sp3空軌道、H的1s軌道(含單電子)、右邊B的sp3軌道(含單電子)三者重疊形成三中心二電子的B-H-B氫橋鍵，為缺電子化合物；AlCl3以二聚體存在，Al為sp3雜化，Al與Cl原子成鍵如圖7(b)，左邊Al的sp3空軌道、Cl的2px軌道(含孤對電子)成鍵，同時Cl的2py軌道(含單電子)與右邊Al的sp3軌道(含單電子)成鍵，最終形成三中心四電子的Al-Cl-Al氯橋鍵。

圖7 B2H6和AlCl3的成鍵示意圖

圖8 疊氮酸HN3、疊氮酸根成鍵示意圖

4 結語

希望通過以上多原子分子(離子)的共價鍵解析可以幫助學生更加深刻理解共價鍵本質、共價鍵各種理論的優缺點和雜化軌道理論、價層電子對互斥理論的應用，更加熟悉常見多原子分子(離子)的結構和由結構決定的性質等知識。

[1] 薛泮郎. 化學鍵的力學本質與原子的實驗結構及分子結構[C]// 河南省化學會.河南省化學會.2014年學術年會論文摘要集[C].鄭州：河南省化學會，2014.

[2] 孫曉妮. 議談“價層電子對互斥理論”判斷分子構型的競賽教學[J].西部素質教育,2016(14):10-11.

[3] 高善民,劉 冰,金 娟,等. 《雜化軌道理論》教學改革探索[J]. 廣州化工,2016(20):138-140，175.

[4] 史啟禎.無機化學與化學分析[M].北京：高等教育出版社.2005.

[5] 宋天佑,程 鵬,王杏喬.無機化學[M].北京：高等教育出版社.2004.

(本文文獻格式：梁愛琴，曲寶涵，代輝.常見分子(離子)的共價鍵解析(下)[J].山東化工，2017，46(16)：175-178.)

The Analysis of Covalent Bonds in the Common Polyamotic Molecules and Ions(II)*

Liang Aiqin, Qu Baohan**, Dai Hui

(College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

The commonly used two kinds of covalent bond theory in the inorgnic chemistry were introduced simply in this paper. According to different theories viewpoint, covalent bonds in the common polyamotic molecules and ions were analysed from the following several aspects: the bonding number, type, space configuration, stability, etc.

polyamotic; molecules and ions; covalent bond; theory；analysis

G634.8

：A

：1008-021X(2017)16-0175-04

2017-05-30

山東省精品課程(無機化學)211BK174；山東省特色名校建設工程課程建設項目XJG2013011，XJG2013125

梁愛琴(1976—)，女，山西靈石人，講師，從事無機化學教學和水處理研究。