梁愛琴，曲寶涵，代 輝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院，山東 青島 266109)

常見分子(離子)的共價鍵解析(上)

梁愛琴，曲寶涵*，代 輝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院，山東 青島 266109)

闡述了無機化學(xué)中用于解釋雙原子分子(離子)形成共價鍵的三種理論，應(yīng)用不同共價鍵理論對常見的雙原子分子(離子)的共價鍵進行解析，探討成鍵數(shù)目、類型、穩(wěn)定性等。

雙原子；分子(離子)；共價鍵；解析

共價鍵是一種重要的化學(xué)鍵，原子之間可以通過共價鍵連接構(gòu)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(Molecular orbital theory 簡寫為MO)，之所以共存幾種理論，是因為尚未有一種理論能解釋所有的共價鍵現(xiàn)象，這些理論從不同角度、不同側(cè)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(gòu)型、磁性、穩(wěn)定性等問題，其中雜化軌道理論和價層電子對互斥理論主要用于解釋多原子分子，路易斯理論、價鍵理論、分子軌道理論可用于解釋雙原子分子和離子。

1 共價鍵理論簡介

1916年路易斯G．N．Lewis最早提出共價鍵的概念，他提出分子中原子通過共享電子對使每個原子具有穩(wěn)定的稀有氣體電子組態(tài)，即Lewis的八隅體結(jié)構(gòu)式，說明了簡單非金屬元素形成分子的過程和共價鍵與離子鍵的區(qū)別，其局限性為無法解釋元素周期表中第三周期及以下周期元素的價層電子數(shù)大于8的分子、離子的穩(wěn)定性(如PCl5、[SiF6]2-)，而且也沒有解釋共價鍵的本質(zhì)、分子、離子的空間構(gòu)型等[1]。

價鍵理論是1930年斯萊特Slater和鮑林L．Pauling發(fā)展了量子力學(xué)對氫分子成鍵的處理結(jié)果而建立起來的，也稱為電子配對法，該理論解釋共價鍵的本質(zhì)為帶正電的原子核對核間電子云的吸引，是原子軌道的重疊，波函數(shù)的加強，電子云密度的增大，并按照電子配對原則和軌道重疊方式解釋了共價鍵的飽和性、方向性、類型、鍵參數(shù)(鍵長、鍵角、鍵級)等基本術(shù)語，缺陷是無法解釋多原子分子(離子)的空間排列問題。

分子軌道理論于1932年由洪特F．Hund和密里根Mulliken提出，分子具有由原子軌道線性組合得到的分子軌道，電子不屬于任何原子，而屬于整個分子體系，在分子軌道上運動，通過電子在分子軌道的排布可以判斷形成的化學(xué)鍵數(shù)目、類型、鍵級、穩(wěn)定性和磁性，但不能解釋分子的空間構(gòu)型[2]。

下面就常見的簡單分子、雙原子分子、離子的共價鍵進行分析，熟悉各種理論的應(yīng)用、了解不同理論解釋同一現(xiàn)象的方法和聯(lián)系，更深刻地認識物質(zhì)世界的微觀結(jié)構(gòu)。

2 稀有氣體分子共價鍵解析

3 雙原子分子(離子)共價鍵解析

對于雙原子分子(離子)中共價鍵解析用得最多的就是路易斯理論、價鍵理論和分子軌道理論，雙原子分子(離子)中兩原子只能是直線相連，因此較少用雜化軌道理論和價層電子對互斥理論解釋空間構(gòu)型。

3.1 相同原子的雙原子分子(離子)

H2、N2、O2、O22-、F2的Lewis結(jié)構(gòu)式如表1。

表1 H2、N2、O2、O22-、F2的Lewis結(jié)構(gòu)式Table 1 The Lewis structure of H2,N2,O2,O22-,F2

兩原子之間形成共價單鍵就是σ鍵，形成共價雙鍵或叁鍵時只能有一個σ鍵，其余是π；Cl2、Br2、I2的Lewis結(jié)構(gòu)式與F2類似。

按照價鍵理論，只有兩個自旋相反電子才能配對成鍵，且有幾個單電子就形成幾個共價鍵[3]，H2、N2、O2、F2的共價鍵解析如表2所示。

表2 價鍵理論對H2、N2、O2、F2的共價鍵解析Table 2 The analysis on covalent bond of H2,N2,O2,F2 by Valance bond theory

Cl2、Br2、I2的成鍵情況與F2類似；過氧根離子O22-與O2不同，基態(tài)O原子有兩個未成對電子，由于O22-帶兩個負電荷，因此每個O原子就剩一個單電子，兩O原子的單電子配對形成一個 的 鍵，與F2類似。

按照分子軌道理論，H2、N2、O2、O2+、O2-、O22-、F2的分子軌道排布式、鍵級(鍵級越大，基團越穩(wěn)定)、共價鍵數(shù)目、類型和磁性(有單電子即為順磁性，無單電子即為反磁性)由表3所示。

表3 分子軌道理論對H2、N2、O2、O2+、O2-、O22-、F2的共價鍵解析Table 3 The analysis on covalent bond of H2、N2、O2、O22-、F2 by Molecular orbital theory

由表3可以看出N2、O2、F2的鍵級順序為N2>O2>F2，因此，穩(wěn)定性順序為N2>O2>F2；同理，O2、O2+、O2-、O22-的穩(wěn)定性順序為O2+>O2>O2->O22-，自然氧氣比雙氧水穩(wěn)定，負氧離子O2-、O22-比O2活性大，更容易被人體吸收利用，產(chǎn)生舒服的感覺。讀者可試著寫出第二周期元素Li2、Be2、B2、C2的分子軌道排布式，由Be2鍵級為零推測出Be2分子不存在，Li2、B2、C2的鍵級不為零，經(jīng)實驗證明，其存在要具備特殊條件。

3.2 異種原子的雙原子分子(離子)

HF、OH-、CO 、NO、NO+、NO-、CN-的Lewis結(jié)構(gòu)式如表4所示。

表4 HF、OH-、CO 、NO、NO+、NO-、CN-的Lewis結(jié)構(gòu)式Table 4 The Lewis structure of HF, OH-, CO , NO, NO+, NO-, CN-

HCl、HBr、HI的Lewis結(jié)構(gòu)式與HF類似。CO分子中C與O形成叁鍵，有兩個共價鍵為C、O各提供一個電子配對形成，第三個共價鍵為C提供空軌道，O提供孤對電子為C、O共用，稱配位鍵，用 表示，這是從電子來源方面的命名，區(qū)別于雙方均提供一個電子形成的共價鍵，而一旦形成共價鍵，配位鍵與其他共價鍵是一樣的。CN-與CO分子成鍵相同，NO中N未形成八隅體結(jié)構(gòu)，因此NO不穩(wěn)定，常以二聚體N2O2的形式存在 。

按照價鍵理論解釋HF、CO、OH-、NO、NO+、NO-成鍵情況如表5，注意OH-、NO+、NO-離子形成過程中整個基團得失電子的情況。

表5 價鍵理論對HF、CO、OH-、NO、NO+、NO-的共價鍵解析Table 5 The analysis on covalent bond of HF, CO, OH-, NO,NO+, NO- by Valance bond theory

HF、OH-、CO、NO、NO+、NO-按照分子軌道理論解析如表6所示。

表6 分子軌道理論對HF, OH-, CO, NO, NO+, NO-的共價鍵解析Table 6 The analysis on covalent bond of HF, OH-, CO, NO, NO+, NO- by Molecular orbital theory

價鍵理論解釋的NO、NO-均為雙鍵，分子軌道理論解釋的NO、NO-均為叁鍵，注意區(qū)別，后者解釋更貼合事實；按分子軌道理論NO、NO-都有兩個π鍵，但NO中兩個π鍵不完全一樣，一個是2電子π鍵，一個是3電子π鍵，而NO-中兩個π鍵完全一樣，都是3電子π鍵[5]。

由NO、NO+、NO-的鍵級可知穩(wěn)定性順序為NO+>NO >NO-。

CO、CN-與N2是等電子體，其分子軌道式相同；NO-與O2是等電子體，分子軌道式也相同。

4 結(jié)束語

希望通過以上雙原子分子(離子)的共價鍵解析可以幫助學(xué)生更加深刻理解共價鍵本質(zhì)、共價鍵各種理論的優(yōu)缺點和路易斯理論、價鍵理論、分子軌道理論的應(yīng)用，更加熟悉常見雙原子分子(離子)的結(jié)構(gòu)和由結(jié)構(gòu)決定的性質(zhì)等知識。

[1] 史啟禎.無機化學(xué)與化學(xué)分析[M].北京：高等教育出版社,2005.

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

[3] 黃 薇.以《化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)》為例,談基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂在《無機與分析化學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣東化工,2016(17):218-219.

[4] 陳 喜,陸娟鳳. 關(guān)于一氧化氮生成反應(yīng)的討論[J]. 大學(xué)化學(xué),2016(9):83-86.

(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(上)[J].山東化工,2017,46(15):82-84.)

The Analysis of Covalent Bonds in the Common Diatomic Molecules and Ions(I)

LiangAiqin,QuBaohan*,DaiHui

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

The commonly used three kinds of covalent bond theory used to explain the formation of diatomic molecules and ions in the inorganic chemistry were introduced in this paper. According to different theories viewpoint,covalent bonds in the common diatomic molecules and ions were analysed from the following several aspects: the bonding number,type,stability,etc.

diatomic; molecules and ions; covalent bond; analysis

2017-05-30

山東省精品課程(無機化學(xué))(2011BK174)；山東省特色名校建設(shè)工程教學(xué)研究項目(XJG2013011，XJG2013125)

梁愛琴(1976—)，女，山西靈石人，講師，從事無機化學(xué)教學(xué)和水處理研究；*通信作者：曲寶涵。

O641.1

A

1008-021X(2017)15-0082-03