浅析中学十种物质成键情况

钟辉生等

1. CO

碳原子电子层结构为：1s22s22p1x2p1y，氧原子的电子层结构为：1s22s22p2x2p1y2p1z。碳原子2个未成对的2p电子可与氧原子的2个未成对电子形成1个σ键和1个π键，氧原子的1对已成对的2p2x电子对还可与碳原子的2pz空轨道形成一个配位键（用“→”表示）。所以CO的电子式为∶CO∶。碳氧原子之间实际上是共用3对电子。写成点式结构为：∶CO∶。

2. NO

氮原子的电子层结构为：1s22s22p1x2p1y2p1z，可见1个氮原子有3个未成对的2p电子，它的2个2p未成对电子与氧原子的2个未成对电子形成1个σ键和1个π键，另外氧原子的1对已成对的2p2x电子对与氮原子剩余的1个未成对电子形成1个2中心3电子的大π键π32。其电子式为，点式结构为。所以一个NO中含有3个键：σ键、π键（称小π键）和π32键（称大π键）。

3. NO2

NO2中的氮原子采取sp2杂化，sp2杂化轨道中的2个未成对电子分别与2个氧原子中的未成对电子各形成1个σ键，两个氧原子中各自剩余的1个未成对电子与氮原子另外1个杂化轨道中的未成对电子形成1个3中心3电子的大π键π33。所以NO2电子式为。由价层电

子对互斥理论可知NO2价层电子对数为3，电子对空间构型为三角形，但是由于氮原子上存在1对孤电子对，所以NO2空间构型为V形，∠ONO=134°，氮氧键键长为112pm。其点式空间构型如图1所示。

4. O3

中学阶段，一般认为由同种元素组成的单质为非极性分子，由同种元素形成的共价键为非极性键。O3是否真的为非极性分子？O3中的O—O键是否真的为非极性键？

O3的中心氧原子为不等性sp2杂化轨道类型，它以2个sp2杂化轨道中的未成对电子与另外2个氧原子sp2杂化轨道中的未成对电子分别形成2个σ键，中心原子第三个sp2杂化轨道被孤电子对占据。此外中心氧原子未参与杂化的p轨道上有1对电子，而两端氧原子各剩余1个未成对电子，它们一起形成3中心4电子大π键π43，所以O3电子式为。O3的空间构型为V型，∠OOO=117°，其偶极矩为0.618，所以O3为极性分子。O3中，由于中心氧原子与两端氧原子

的电荷密度明显不同，中心氧原子的电荷为0.2796，两端氧原子的电荷为-0.1398，所以O-O键为极性键，键长为127.8pm。O3的点式空间构型图2所示。

5. SO2

SO2与O3互为等电子体，两者的成键方式及分子的空间构型完全相同。SO2的电子式为。空间构型也为V形，其中硫图3

原子采取的也是sp2杂化类型。SO2分子的点式空间构型图3所示。其中∠OSO=119.5°，硫氧键键长为143.2 pm，SO2中的硫氧键已具备双键特征。

6. SO3

一个SO3虽然比一个SO2多出一个氧原子。但硫原子的杂化轨道类型仍为sp2杂化。硫原子以3个sp2杂化轨道与3个氧原子形成3个σ键，另外硫原子还发生pd2杂化，pd2杂化轨道中的3个未成对电子再与3个氧原子的各自剩余的1个未成对电子形成垂直于分子平面的大π键π64。由于SO3分子中不存在孤电子对，所以SO3构型为平

面三角形，∠OSO=120°。硫氧键键长为143 pm，比硫氧单键155 pm短，所以SO3中的硫氧键也具有双键特征。其点式空间构型如图4所示。

7. H2SO4

H2SO4为中学常见的二元强酸。分子中硫原子采取sp3杂化，两个sp3杂化轨道的未成对电子与2个氧原子（羟基中的氧原子）的未成对电子各形成1个σ键；另外两个氧

图5

原子一方面接受硫原子提供的电子对分别形成2个σ配键，同时2个氧原子又各自提供1对孤电子对给硫原子的空3d轨道形成2个附加的（d-p）π反馈配键。其点式空间构型如图5所示。

从硫酸分子的点式结构看，它的空间构型为四面体。硫原子共形成了4个σ键和2个反馈π键。在硫酸分子中，硫氧键有两类，一类为硫氧双键，键长为143 pm；一类为硫氧单键，键长为154 pm；键角也有两种，分别为119°和104°。

8. H3PO4

H3PO4为三元中强酸。其分子由1个单一的磷氧四面体构成。其点式空间构型如图6所示。

图6由图6可知，磷酸分子中的磷采取sp3杂化，3个杂化轨道与氧原子（3个羟基中的氧原子）之间形成3个σ键，另外磷原子提供1对孤电子对给氧原子的2p空轨道形成1个σ配键，同时磷原子的空轨道又接受氧原子提供的2对孤电子对形成2个反馈（d-p）π配键，所以磷原子与非羟基氧原子之间形成了磷氧多重键：P←→←O。但是从键能的大小看，该键并不具备叁键性质，而属于双键范畴。其中P-O的键长为

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

9. HNO3

硝酸为中学常见的氧化性酸。其氮原子的3个sp2杂化轨道分别与3个氧原子形成3个σ键，呈平面三角形分布。氮原图7子π轨道上的1对电子则与2个非羟基氧原子的未成对电子形成一个3中心4电子的不定域π键π43。这样使得硝酸中的氮原子的表观氧化数为+5。硝酸分子内除了共价键外还可以形成氢键。其点式空间结构见图7所示。

1个硝酸分子中含有2个N=O键、1个N-O键、1个O-H键、1个氢键。其中N=O键长为122 pm， N-O键长为140.5 pm， O-H键长为96 pm。分子内各夹角分别为：∠（HO）NO=114°，∠ONO=130°， ∠HON=90°。

10. NO-3

当硝酸被中和产生NO-3时，硝酸根中的氮原子除以sp2杂化轨道与3个氧原子分别形成3个σ键外，还与这些氧原子之间形成1个4中心6电子的大π键π64，所以NO-3的空间构型为平面三角形，其点式空间结构如图8所示。

NO-3中3个氮氧键长均相等，为121 pm，∠ONO=120°。硝酸根的这种结构使得硝酸盐在正常状况下有足够的稳定性。

（收稿日期：2014-12-15）