常见分子(离子)的共价键解析(下)*

梁爱琴，曲宝涵，代 辉

(青岛农业大学 化学与药学院，山东 青岛 266109)

常见分子(离子)的共价键解析(下)*

梁爱琴，曲宝涵**，代 辉

(青岛农业大学化学与药学院，山东青岛266109)

阐述了无机化学中用于解释多原子分子(离子)形成共价键的两种理论，应用两种共价键理论对常见的多原子分子、离子的共价键进行解析，探讨成键数目、类型、空间构型、磁性、稳定性等。

多原子分子(离子) ;共价键; 解析

共价键是一种重要的化学键，原子之间可以通过共价键连接构成分子、离子，常见的共价键理论有路易斯理论(Lewis theory简写为Lewis)、价键理论(Valance bond theory 简写为VB)、杂化轨道理论(Hybridization orbital theory简写为HO)、价层电子对互斥理论(Valence shell electron pair repulsion theory 简写为VSEPR)和分子轨道理论(Molecular orbital theory 简写为MO)，这些理论从不同角度、不同侧面描述共价键，又互相补充和借鉴，较圆满地解释了分子、离子中共价键的形成、类型以及由此决定的空间构型[1]、磁性、稳定性等问题，对于多原子分子、离子主要应用路易斯理论、价键理论、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论来解释共价键的形成、类型、数目、空间构型等问题。

1 价键理论简介

杂化轨道理论是鲍林L．Pauling在价键理论的基础上结合电子的波动性提出原子在形成分子的过程中，中心原子的电子受到激发而跃迁，伴随着原子轨道重新杂化形成电子云密度较大的杂化轨道后再成键，杂化轨道的空间分布决定了分子的空间构型，该理论主要解释分子的空间构型。

价层电子对互斥理论由希奇维克N．V．Sidgwick和鲍威尔H．M．Powell于1940年提出，并由吉莱斯皮R．T．Gillespie、尼霍姆R．S．Nyholm完善和发展，该理论建立在静电力学原理和大量分子几何构型事实的基础上，依据能量最低原理确定分子的空间构型而不考虑原子轨道的概念，计算价层电子对时通常采用原子价层电子数除以2得到，具体对于氧作为配位原子时不提供价电子、作为中心原子时提供六个价电子，卤素原子作为配位原子和中心原子分别提供一个和七个价电子等规定，还要分析中心原子含孤对电子时对构型的影响。该理论只用于解释多原子分子(离子)的空间构型[2]。

2 多原子分子(离子)共价键解析

多原子分子(离子)共价键解析可采用路易斯理论、价键理论、杂化轨道理论和价层电子对互斥理论来解释，尤其是后两种理论可以很好的解释多原子分子(离子)的空间构型，杂化轨道理论应用更广泛，价层电子对互斥理论主要解释单个中心原子的情况，两种理论都应用了价键理论中电子配对原则、σ键与π键、单键、双键、叁键等基本观点，也力图达到路易斯理论中的稳定八隅体结构。

2.1 氢化物的共价键解析

2.1.1 杂化理论解析氢化物成键

杂化轨道理论将原子轨道的杂化分为sp、sp2、sp3、dsp2、dsp3、d2sp3、sp3d、sp3d2八种类型，分子(离子)的空间构型取决于中心原子的杂化类型，相同的杂化类型又分等性杂化和不等性杂化，原子之间靠单键σ键连接形成基本构型后，若仍有单电子，就会进一步形成π键以至大π键[3]。

图1 乙炔、乙烯、甲烷的空间构型

图2 苯环中的大π键

C原子的sp3杂化为等性杂化，四个sp3杂化轨道上各有一个单电子，而N和O原子的sp3杂化为不等性杂化，四个sp3杂化轨道上电子数不相同，如图3所示，因此在电子配对成键时需要的H原子也不相同，氨分子NH3为三角锥形、水分子H2O为角形，如图3所示。

图3 C、N、O原子的sp3杂化轨道电子排布和NH3、H2O的空间构型

图4 H2O2的空间构型

2.1.2 价层电子对互斥理论解析氢化物成键

按照价层电子对互斥理论解释氢化物成键如表1所示。

表1 价层电子对互斥理论对氢化物的共价键解析

Table 1 The analysis on covalent bond in hydride by VSEPR

其中CH4,SiH4,CCl4, NH4+由于中心原子周围的原子相同，为正四面体结构，具有非极性分子特征，CHCl3,CH3OH由于中心原子周围的原子不完全相同，为四面体结构，是极性分子；同理HCHO是非等边三角形，是极性分子，C2H4和C6H6所有原子在同一平面上，且C6H6为正六边形构型。

2.2 氧化物及含氧酸根的共价键解析

2.2.1 杂化轨道理论对氧化物及含氧酸根的共价键解析

除此之外，汇率预期与实际汇率往往具有相互强化的效应，使得前者对跨境资金流动的影响程度更大。实体经济中的交易主体会因实际汇率升贬值形成对人民币汇率走势的预期，从而通过资金配置进一步改变商品市场、资本市场以及信贷市场的均衡关系，又通过外汇市场供求关系的变化将影响传导至实际汇率，实际汇率的波动则进一步增强市场主体的汇率预期，形成“汇率升贬值——预期升贬值——加剧汇率升贬值——强化预期升贬值”的循环，实际汇率与汇率预期的自我强化也加大了对跨境资金流动的冲击。

用杂化轨道理论对氧化物及含氧酸根的共价键解析如表2所示。

表2 杂化轨道理论对氧化物及含氧酸根的共价键解析

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

表2(续)

N的氧化物较多，成键也表现出特殊性，在这里详细说明：NO，NO2中心N原子sp2不等性杂化后与O成键，如图5所示。

图5 NO、N2O2，NO2、N2O4成键示意图

图6 N2O3和N2O5成键示意图

2.2.2 价层电子对互斥理论对氧化物及含氧酸根的共价键解析

价层电子对互斥理论对氧化物及含氧酸根共价键解析如表3。

表3 价层电子对互斥理论对氧化物及含氧酸根共价键解析

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

2.3 d轨道参与杂化的分子(离子)

对于d轨道参与杂化的分子(离子)空间构型的主要是配位离子，而关于配位离子(配合物)的结构除了应用价键杂化轨道理论解释，如表4所示，还有晶体场理论的解释[4](本论文中不展开讨论)。

表4 d轨道参与杂化的分子(离子)空间构型

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

3 特殊分子(离子)共价键解析

下面我们对特殊分子B2H6、AlCl3、叠氮酸HN3进行共价键解析。

B2H6中B(2s22p1)以sp3杂化，sp3杂化轨道中一条为空轨道，其余三条含单电子，B与H原子成键如图7(a)，左边B的sp3空轨道、H的1s轨道(含单电子)、右边B的sp3轨道(含单电子)三者重叠形成三中心二电子的B-H-B氢桥键，为缺电子化合物；AlCl3以二聚体存在，Al为sp3杂化，Al与Cl原子成键如图7(b)，左边Al的sp3空轨道、Cl的2px轨道(含孤对电子)成键，同时Cl的2py轨道(含单电子)与右边Al的sp3轨道(含单电子)成键，最终形成三中心四电子的Al-Cl-Al氯桥键。

图7 B2H6和AlCl3的成键示意图

图8 叠氮酸HN3、叠氮酸根成键示意图

4 结语

希望通过以上多原子分子(离子)的共价键解析可以帮助学生更加深刻理解共价键本质、共价键各种理论的优缺点和杂化轨道理论、价层电子对互斥理论的应用，更加熟悉常见多原子分子(离子)的结构和由结构决定的性质等知识。

[1] 薛泮郎. 化学键的力学本质与原子的实验结构及分子结构[C]// 河南省化学会.河南省化学会.2014年学术年会论文摘要集[C].郑州：河南省化学会，2014.

[2] 孙晓妮. 议谈“价层电子对互斥理论”判断分子构型的竞赛教学[J].西部素质教育,2016(14):10-11.

[3] 高善民,刘 冰,金 娟,等. 《杂化轨道理论》教学改革探索[J]. 广州化工,2016(20):138-140，175.

[4] 史启祯.无机化学与化学分析[M].北京：高等教育出版社.2005.

[5] 宋天佑,程 鹏,王杏乔.无机化学[M].北京：高等教育出版社.2004.

(本文文献格式：梁爱琴，曲宝涵，代辉.常见分子(离子)的共价键解析(下)[J].山东化工，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

山东省精品课程(无机化学)211BK174；山东省特色名校建设工程课程建设项目XJG2013011，XJG2013125

梁爱琴(1976—)，女，山西灵石人，讲师，从事无机化学教学和水处理研究。