基于物质结构判断多中心原子的杂化类型

李建明

判断中心原子的杂化类型有多种方法。运用鲍林的杂化轨道理论，可以较好地解释CH4等简单分子的空间结构；运用价层电子对互斥模型，可以预测简单分子或离子的空间构型；利用等电子原理，可以判断一些简单分子或离子的立体构型。[1]但以上方法均无法判断多中心原子的杂化类型。那么，如何在鲍林的杂化轨道理论和价层电子对互斥模型的基础上构建一种判断多中心原子的杂化类型的方法呢？本文着重介绍如何根据物质结构判断多中心原子的杂化类型，从而掌握高中化学要求的三种杂化类型，即sp杂化、sp2杂化和sp3杂化。

一、掌握中心原子形成化学键时的结构

根据常见中心原子的电子式，掌握其形成化学键时的结构，看看是否达到8电子稳定结构，是否含孤电子对，是否含空轨道。

1.IIA族元素铍的电子式为·Be·，形成化学键呈二价的结构式为-Be-，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有2个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。

2.IIIA族元素硼的电子式为·B··，形成化学键呈三价的结构式为，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。同主族中Al与B相似。

3.IVA族元素碳的电子式为·C·1··，形成化学键呈四价的结构式为，达8电子稳定结构，不含孤电子对，且无空轨道，同主族中Si与C相似。

4.VA族元素氮的电子式为·N··1··，形成化学键呈三价的结构式为，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对1对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中P、As与N相似。

5.VIA族元素氧的电子式为·O··1···，形成化学键呈二价的结构式为-O-，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中S、Se与O相似。

二、判断中心原子杂化类型的方法

1.根据物质结构推算中心原子含孤电子对、σ键电子对和π键电子对的数目。

2.求价电子对数（n），n=孤电子对数+σ键电子对数，但不包括π键电子对，是因为杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳孤电子对；若有未参与杂化的P轨道，则可用于形成π键。[2]

3.根据价电子对数等于杂化轨道数，当n=2时，中心原子为sp杂化；当n=3时，中心原子为sp2杂化；当n=4时，中心原子为sp3杂化。

三、中心原子杂化类型的分类

1.双中心的分子

2.多中心的分子

3.原子晶体

四、中心原子杂化类型的案例分析

【例1】2011年福建省质检理综第30题（节选修改）

硼酸能够吸收中子，屏蔽核辐射。硼酸晶体具有层状结构，每一层结构如下图所示。

（2）硼酸晶体中，B的杂化轨道类型是。

（4）硼酸是一元弱酸，呈酸性的机理是硼酸与水作用时，硼原子与水电离产生的OH-以配位键结合形成Y-离子，导致溶液中c（H+）>c（OH-）。Y-中B的杂化轨道类型是。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼酸晶体层状结构可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；Y-的结构式为，可知四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

【例2】2012年福建高考理综第30题（节选）

（4）硼砂是含结晶水的四硼酸钠，其阴离子Xm-（含B、O、H三种元素）的球棍模型如下图所示：

①在Xm-中，硼原子轨道的杂化类型有；配位键存在于原子之间（填原子的数字标号）。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼砂的球棍模型可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键，配位键存在于 4、5 原子之间。

【例3】2013年福建高考理综第31题（节选）

（3）BF3与一定量的水形成（H2O）2·BF3晶体Q，Q在一定的条件下可转化为R：

熔化（279.2K）1结晶

②R中阳离子的空间构型为，阴离子的中心原子轨道采用杂化。

解析：根据IIIA族元素硼的电子式为·B··形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键，故四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

而VIA族元素氧形成化学键时呈二价的结构式为-O-，含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键，达8电子稳定结构；三价氧原子含孤电子对1对，σ键电子对3对，其中有一个配位键，三价O的杂化类型为sp3杂化，空间构型为三角锥形。

总之，基于物质结构判断中心原子的杂化轨道类型，是对高中化学的杂化轨道理论、价层电子对互斥模型和等电子原理的补充，对于多中心原子杂化轨道类型的判断尤其适合，是一种可行且值得推广的判断方法。

参考文献

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（化学选修3）·物质结构与性质[M].南京：江苏教育出版社，2012.

[2]张泉.高中全程学习夺冠方略：A版·化学3[M].西安：未来出版社，2012.

（责任编辑罗艳）

判断中心原子的杂化类型有多种方法。运用鲍林的杂化轨道理论，可以较好地解释CH4等简单分子的空间结构；运用价层电子对互斥模型，可以预测简单分子或离子的空间构型；利用等电子原理，可以判断一些简单分子或离子的立体构型。[1]但以上方法均无法判断多中心原子的杂化类型。那么，如何在鲍林的杂化轨道理论和价层电子对互斥模型的基础上构建一种判断多中心原子的杂化类型的方法呢？本文着重介绍如何根据物质结构判断多中心原子的杂化类型，从而掌握高中化学要求的三种杂化类型，即sp杂化、sp2杂化和sp3杂化。

一、掌握中心原子形成化学键时的结构

根据常见中心原子的电子式，掌握其形成化学键时的结构，看看是否达到8电子稳定结构，是否含孤电子对，是否含空轨道。

1.IIA族元素铍的电子式为·Be·，形成化学键呈二价的结构式为-Be-，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有2个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。

2.IIIA族元素硼的电子式为·B··，形成化学键呈三价的结构式为，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。同主族中Al与B相似。

3.IVA族元素碳的电子式为·C·1··，形成化学键呈四价的结构式为，达8电子稳定结构，不含孤电子对，且无空轨道，同主族中Si与C相似。

4.VA族元素氮的电子式为·N··1··，形成化学键呈三价的结构式为，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对1对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中P、As与N相似。

5.VIA族元素氧的电子式为·O··1···，形成化学键呈二价的结构式为-O-，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中S、Se与O相似。

二、判断中心原子杂化类型的方法

1.根据物质结构推算中心原子含孤电子对、σ键电子对和π键电子对的数目。

2.求价电子对数（n），n=孤电子对数+σ键电子对数，但不包括π键电子对，是因为杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳孤电子对；若有未参与杂化的P轨道，则可用于形成π键。[2]

3.根据价电子对数等于杂化轨道数，当n=2时，中心原子为sp杂化；当n=3时，中心原子为sp2杂化；当n=4时，中心原子为sp3杂化。

三、中心原子杂化类型的分类

1.双中心的分子

2.多中心的分子

3.原子晶体

四、中心原子杂化类型的案例分析

【例1】2011年福建省质检理综第30题（节选修改）

硼酸能够吸收中子，屏蔽核辐射。硼酸晶体具有层状结构，每一层结构如下图所示。

（2）硼酸晶体中，B的杂化轨道类型是。

（4）硼酸是一元弱酸，呈酸性的机理是硼酸与水作用时，硼原子与水电离产生的OH-以配位键结合形成Y-离子，导致溶液中c（H+）>c（OH-）。Y-中B的杂化轨道类型是。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼酸晶体层状结构可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；Y-的结构式为，可知四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

【例2】2012年福建高考理综第30题（节选）

（4）硼砂是含结晶水的四硼酸钠，其阴离子Xm-（含B、O、H三种元素）的球棍模型如下图所示：

①在Xm-中，硼原子轨道的杂化类型有；配位键存在于原子之间（填原子的数字标号）。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼砂的球棍模型可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键，配位键存在于 4、5 原子之间。

【例3】2013年福建高考理综第31题（节选）

（3）BF3与一定量的水形成（H2O）2·BF3晶体Q，Q在一定的条件下可转化为R：

熔化（279.2K）1结晶

②R中阳离子的空间构型为，阴离子的中心原子轨道采用杂化。

解析：根据IIIA族元素硼的电子式为·B··形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键，故四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

而VIA族元素氧形成化学键时呈二价的结构式为-O-，含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键，达8电子稳定结构；三价氧原子含孤电子对1对，σ键电子对3对，其中有一个配位键，三价O的杂化类型为sp3杂化，空间构型为三角锥形。

总之，基于物质结构判断中心原子的杂化轨道类型，是对高中化学的杂化轨道理论、价层电子对互斥模型和等电子原理的补充，对于多中心原子杂化轨道类型的判断尤其适合，是一种可行且值得推广的判断方法。

参考文献

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（化学选修3）·物质结构与性质[M].南京：江苏教育出版社，2012.

[2]张泉.高中全程学习夺冠方略：A版·化学3[M].西安：未来出版社，2012.

（责任编辑罗艳）

判断中心原子的杂化类型有多种方法。运用鲍林的杂化轨道理论，可以较好地解释CH4等简单分子的空间结构；运用价层电子对互斥模型，可以预测简单分子或离子的空间构型；利用等电子原理，可以判断一些简单分子或离子的立体构型。[1]但以上方法均无法判断多中心原子的杂化类型。那么，如何在鲍林的杂化轨道理论和价层电子对互斥模型的基础上构建一种判断多中心原子的杂化类型的方法呢？本文着重介绍如何根据物质结构判断多中心原子的杂化类型，从而掌握高中化学要求的三种杂化类型，即sp杂化、sp2杂化和sp3杂化。

一、掌握中心原子形成化学键时的结构

根据常见中心原子的电子式，掌握其形成化学键时的结构，看看是否达到8电子稳定结构，是否含孤电子对，是否含空轨道。

1.IIA族元素铍的电子式为·Be·，形成化学键呈二价的结构式为-Be-，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有2个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。

2.IIIA族元素硼的电子式为·B··，形成化学键呈三价的结构式为，未达8电子稳定结构，不含孤电子对，但有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。同主族中Al与B相似。

3.IVA族元素碳的电子式为·C·1··，形成化学键呈四价的结构式为，达8电子稳定结构，不含孤电子对，且无空轨道，同主族中Si与C相似。

4.VA族元素氮的电子式为·N··1··，形成化学键呈三价的结构式为，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对1对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中P、As与N相似。

5.VIA族元素氧的电子式为·O··1···，形成化学键呈二价的结构式为-O-，达8电子稳定结构，无空轨道，但含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键。同主族中S、Se与O相似。

二、判断中心原子杂化类型的方法

1.根据物质结构推算中心原子含孤电子对、σ键电子对和π键电子对的数目。

2.求价电子对数（n），n=孤电子对数+σ键电子对数，但不包括π键电子对，是因为杂化轨道只用于形成σ键或用来容纳孤电子对；若有未参与杂化的P轨道，则可用于形成π键。[2]

3.根据价电子对数等于杂化轨道数，当n=2时，中心原子为sp杂化；当n=3时，中心原子为sp2杂化；当n=4时，中心原子为sp3杂化。

三、中心原子杂化类型的分类

1.双中心的分子

2.多中心的分子

3.原子晶体

四、中心原子杂化类型的案例分析

【例1】2011年福建省质检理综第30题（节选修改）

硼酸能够吸收中子，屏蔽核辐射。硼酸晶体具有层状结构，每一层结构如下图所示。

（2）硼酸晶体中，B的杂化轨道类型是。

（4）硼酸是一元弱酸，呈酸性的机理是硼酸与水作用时，硼原子与水电离产生的OH-以配位键结合形成Y-离子，导致溶液中c（H+）>c（OH-）。Y-中B的杂化轨道类型是。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼酸晶体层状结构可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；Y-的结构式为，可知四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

【例2】2012年福建高考理综第30题（节选）

（4）硼砂是含结晶水的四硼酸钠，其阴离子Xm-（含B、O、H三种元素）的球棍模型如下图所示：

①在Xm-中，硼原子轨道的杂化类型有；配位键存在于原子之间（填原子的数字标号）。

解析：IIIA族元素硼形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键。从硼砂的球棍模型可知，三价硼原子价电子对数n=3，杂化轨道类型为sp2杂化；四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键，配位键存在于 4、5 原子之间。

【例3】2013年福建高考理综第31题（节选）

（3）BF3与一定量的水形成（H2O）2·BF3晶体Q，Q在一定的条件下可转化为R：

熔化（279.2K）1结晶

②R中阳离子的空间构型为，阴离子的中心原子轨道采用杂化。

解析：根据IIIA族元素硼的电子式为·B··形成化学键时呈三价的结构式为，不含孤电子对，有1个空轨道，易接受孤电子对形成配位键，故四价硼原子价电子对数n=4，杂化轨道类型为sp3杂化，且有一个配位键。

而VIA族元素氧形成化学键时呈二价的结构式为-O-，含孤电子对2对，易提供孤电子对形成配位键，达8电子稳定结构；三价氧原子含孤电子对1对，σ键电子对3对，其中有一个配位键，三价O的杂化类型为sp3杂化，空间构型为三角锥形。

总之，基于物质结构判断中心原子的杂化轨道类型，是对高中化学的杂化轨道理论、价层电子对互斥模型和等电子原理的补充，对于多中心原子杂化轨道类型的判断尤其适合，是一种可行且值得推广的判断方法。

参考文献

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书（化学选修3）·物质结构与性质[M].南京：江苏教育出版社，2012.

[2]张泉.高中全程学习夺冠方略：A版·化学3[M].西安：未来出版社，2012.

（责任编辑罗艳）