浅析杂化轨道理论与价电子对互斥理论的理解与应用

杂化轨道理论与价电子对互斥理论是 高中选修化学《物质结构与性质》中的重点与难点，并且这部分教材对很多教师来说 还是崭新的内容，笔者对于这部分内容有 一些体会，想与大家分享。

一、轨道进行杂化的原因 

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原子为了更好的成键。这里的“更好” 包括“更多”和“更强”。以CH₄为例:按照传 统的结构玮论，C原子的外围电子轨道表 示式为(图一)，且2p的两个有单电子的轨道相互垂直，那么C就只能结合两个H原 子，并且C－H键角为90°。而CH₄中的C却 结合了 4个H，C－H键角为109°28'，这样 CH₄中的C就成了“更多”的键；根据元素周期律：C元素的非金属性较弱，似我们知道CH₄的稳定性还是很强的，这样CH₄中 的C就成了“更强”的键。由此我们对CH₄ 中C的轨道在成键过程中的变化情况可作 出以下假设：(图二)。这就是C的一种杂化方式即sp³杂化

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二、杂化轨道理论要点

1.某些原子(C、N、O、S等)在某些物质 中为更好的结合其他原子而对轨道进行 杂化。

2.同一原子中不同类型，能量相近的 轨道参与杂化。

3.杂化前后轨道总数不变。

4.杂化后的轨道上如有单电子则去成σ键，未参与杂化的轨道上如有单电子则去成π键。

根据这一理论，我们可以对BF₃和 BeCl₂中的B和Be的杂化情况作出分析：

(1)用轨道表示式表示B原子采取sp² 杂化轨道成键的形成过程：

对B的sp²杂化我们根据杂化理论有 以下认识：

①每个sp²杂化轨道占有1/3个s，2/3个p轨道。 本文来自中学化学同步辅导！

②sp1杂化轨道呈平面三角型，轨道间夹角为120° ; 本文来自中学化学同步辅导！

③中心原子通过sp²杂化轨道成键的分子有C₆H₆、C₂H₄等。本文来自中学化学同步辅导！

(2)用轨道表不式表示 Be原子采取sp 杂化轨道成键的形成过程 本文来自中学化学同步辅导！

对Be的Sp杂化我们根据杂化理论有以下认识：

①每个sp杂化轨道占有1/2个s轨道，1/2个p轨道。

②sp杂化轨道呈直线型，轨道间夹角为180° ; 本文来自中学化学同步辅导！

③中心原子通过sp杂化轨道成键的分子有CO₂、C₂H₂等。

再以O原子为例，O原子的sp 杂化过程：

对O的sp³杂化的认识是：

①杂化后的轨道数=杂化前的轨道数=4

②杂化后的4个轨道不完全相同。

③有单电子的杂化轨道参与形成σ键。 那么怎样解释H₂O中键角为104.5°,而不是180°呢？这就要用到价电子对互斥 理论了。

三、价电子对互斥理论

1. 价电子对包括成键电子对和孤电 子对。

2. 价电子对之间相互排斥而趋向尽可 能彼此远离以减小斥力，分子尽可能采取对称的空间构型。

3. 斥力大小顺序为：孤对电子对—孤对电子对> 孤对电子对—成键电子对 > 成键电子对—成键电子对 本文来自中学化学同步辅导！

4.对于ABm型分子价层对数目(n)= (中心原子A的价电数+配位原子B提供 的价电子数×m)÷2。

5.O、S作为配位原子时按不提供价电 子计算，作中心原子时价电子数为6。

由此我们就可以解释H₂O中键角为 104.5°而不是180°。即：O原子成4个价电 子对，其中两个成键电子对，两个孤电子对， 由于成键电子对之间的斥力小于与孤电子对之间的斥力，故H₂O中O-H键之间的夹角减小而小于180°，实际表现为104.5°。

四、典型例题

1.关于杂化方式的考察

例1.下列各微粒的中心原子采用了sp³杂化的是    （ ）

A.NH₄^＋           B.CO₂     C.H₂O            D.SCl₆

解析：当价电子对数n分别为4、3、2， 对应的杂化方式分别为sp³、sp²、sp。四个 选项对应的价电子对数n分别为：

故答案为A，C。

2.  关于空间构型的考察

例2.下列分子的空间构塑分别为： ① BeCl₂；②H₂O；③NH₃；④PCl₃.

解析：这儿种都是ABm型分子，它们 的价电子对数n分别为2、4、4、4,其中① BeCl₂的n=m=2，其空间构型为对称的直线 型。而②H₂O中n=4,m=2,n不等于m其空间构型为不对称的“V”字型；③NH₃中的 n=4，m=3，n不等于m，其空间构型为不对 称的三角锥型；④PCl₃中n=4,m=3,n不等于m，其空间构型为不对称的三角锥型。

2. 分子极性的考察

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例3.下列分子属于极性分子的是( ) 本文来自中学化学同步辅导！

A.H₂O         B.CCl₄     C.CS₂         D.PH₃

解析： 本文来自中学化学同步辅导！

A.H₂O中n=4，n=2，n大于m，说明O原子所成的价电子对中除成键电子对 外还有孤电子对，由于成键电子对与孤电 子对之间的斥力不同，其空间构型为不对 称的“V”字型，正负电荷重心不重合，故为极性分子。

B.CCl₄中n=4，m=4，n=m，说明C 原子所成的价电子对全是一样的成键电子对,它们之间的斥力完全相同，其空间构型 为正四面体型，正负电荷重心重合，故为非极性分子。

C.CS₂中n=m=2,说明C原子所 成的价电子对全是一样的成键电子对，其空间构型为直线型，正负电荷重心重合，故 为非极性分子。 本文来自中学化学同步辅导！

D.PH₃中n=4,m=3,n大于 m,说明P原子所成的价电子对中还有孤电子对，由于成键电子对与孤电子对之间 的斥力不同，其空间构型为不对称的三角 锥型，正负电荷重心不重合，故为极性分 子。 本文来自中学化学同步辅导！

答案为AD。

4.物质结构式的考察

例4.请写出H₂SO₄和HNO₃的结构式。

解析:H₂SO₄中S的杂化方式与SO₄^2－的应该一样，SO₄^2－中n=4，故S的杂化方式为sp³。用轨道表示式可表示如下：

H₂SO₄为二元强酸，分子中有两个-OH， 在S的sp³的四个轨道上有两个单电子， 有两对成对电子；两个单电子应和-OH中 的O原子分别形成一个σ键，这样还有两个O原子，它们应和S的孤电子对形成配位键，故H₂SO₄的结构式为：

； 本文来自中学化学同步辅导！

HNO₃中N的杂化方式与NO₃^－的应该 一样，NO₃^－中n=3，故N的杂化方式为sp²。

用轨道表示式可表示如下: 本文来自中学化学同步辅导！

HNO₃为一元强酸，分子中有一个-OH， 在N的sp²的三个轨道上有两个单电子， 有一对成对电子；两个单电子中一个应和-OH中的O原子形成一个σ键，另一个与其他O原子形成一个π键；未参与杂化的 2p轨道上的一个单电子与O形成π键；还有一对孤电子应在N和O之间形成配位键。故HNO₃的结构式为：