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中心原子杂化轨道类型的判断方法
徐长明（湖北省十堰市房县第三中学 442100）
摘要：杂化轨道理论能解释大多数分子的几何构型及价键结构。在使用该理论时，首先必须确定中心原子的杂化类型，在未知分子构型的情况下，判断中心原子杂化轨道类型有时比较困难，成为教学难点。
关键词：杂化轨道理论；价层电子对互斥理论；等电子原理
高中化学选修模块《物质结构与性质》（人教版）中介绍了杂化轨道理论，这一重要理论能解释大多数分子几何构型及价键结构。 在使用该理论时，首先必须确定中心原子的杂化形式，在未知分子构型的情况下，判断中心原子杂化轨道类型有时比较困难，成为教学难点。 下面总结几种高中阶段判断中心原子杂化轨道类型的方法。
一、根据价层电子对互斥理论判断
教材中介绍了价层电子对互斥理论，根据该理论能够比较容易而准确地判断 ABm 型共价 化合物分子或离子的空间构型和中心原子杂化轨道类型。 中心原子的价电子对数与价电子对的几何分布、中心原子杂化
轨道类型的对应关系如下表（价电子对数＞4 的，高中阶段不作要求）。
中心原子价
电子对数
价电子对
几何分布
中心原子杂化
轨道类型
2
直线形
sp
3
平面三角形
sp2
4
正四面体
sp3
运用该理论的关键是能准确计算出中心原子的价
电子对数，其计算方法是：
1．价电子对数 n ＝σ键的电子对和中心原子上的孤电子对，中心原子上的孤电子对数=1/2(a-xb)
2.σ键的电子对可由分子式确定。例如，H20中0有2对σ键电子对；NH3中N有3对σ键电子对
3．式中a为中心原子的价电子数对于主族元素，中心原子（A）的价电子数＝最外层电子数；x为与中心原子结合的原子数；b为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数，氢为 1 ，其他原子等于“8-该原子的价电子数”。 离子在计算价电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数（绝对值）
4．杂化轨道由形成 σ 键的电子对和孤电子对占据，因此分子或离子的空间构型为杂化轨道构型去掉孤电子对后剩余的形状。
例如：指出下列分子或离子的中心原子的杂化轨道类型，并预测它们的空间构型：
⑴BeCl2 ⑵SO3 ⑶NH4＋
解析：⑴是 AB2 型分子，BeCl2 的价电子对数
n＝1／2（2-2×1）+2=2，Be 采用 sp 杂化，无孤电子对， 故分子呈直线型；
⑵是 AB3 型分子，SO3 的价电子对数 n＝1／2（6-3×2）+3＝3，S 采用 sp2 杂化， 无孤电子对，故分子呈平面三角形
⑶是 AB4 型离子，NH4＋的价电子对数 n＝1／2（5-1-4×1）+4＝4，N 采用 sp3 杂化，无孤电子对，故分子呈正四面体
二、根据分子的空间构型判断
根据杂化轨道理论，中心原子轨道采取一定的杂化方式后，其空间构型和键角如下：
杂化轨道类型
杂化轨道空间构型
键角
sp
直线形
180°
sp2
平面三角形
120°
sp3
正四面体
109．5°
由此，可以根据分子的空间构型或键角来判断中心原子轨道的杂化方式。
例如：学生对于一些常见的简单分子的结构都是熟悉的，C2H2、CO2 为直线型分子，键角为 180°，推断其 C 原子的杂化轨道类型为 sp；C2H4 、C6H6 为平面型分子，键角为 120°， 推断其 C 原子的杂化轨道类型为 sp2；CH4、CCl4为正四面体，键角 109．5°，推断其 C 原子的杂化轨道类型为 sp3。还可以扩展到以共价键形成的晶体，如：已知金刚石中的碳原子、晶体硅和石英中的硅原子，都是以正四面体结构形成共价键的，所以也都是采用 sp3 杂化；已知石墨的二维结构平面内，每个碳原子与其它三个碳原子结合，形成六元环层，键角为 120°，由此判断石墨的碳原子采用 sp2 杂化。
三、根据 σ 键数和孤电子对数逆向判断根据价层电子对互斥理论，中心原子价电子对数＝σ 键数＋孤电子对数，如果我们已知 σ 键数和孤电子对数，就可以逆向判断出中心原子价电子对数，从而判断出杂化方式。
例如： 指出乙酸分子中标出原子的杂化轨道类型以及它们周围原子的空间分布情况。
解析： 高中学生都能熟练书写有机分子的结构式，根据结构式就很容易得知 σ 键数和孤电子对数，从而判断出杂化方式。
1 号 C 形成 4 个 σ 键，无孤电子对，所以有 4 个价电子对，C 原子为 sp3 杂化，其周围 3 个 H 和 1 个 C 呈正四面体分布；2 号 C 形成 3 个 σ 键，无孤电子对，所以有 3 个价电子对，C 原子为 sp2 杂化。
四、根据等电子原理判断
教材中介绍了等电子原理，即具有相同价电子数和相同原子数的分子或离子具有相同的结构
特征，这里的结构特征包括中心原子的杂化轨道类型、分子的空间结构等。 因此，我们可以根据一些熟悉的分子的杂化轨道类型来判断与它互为等电子体的不熟悉的分子的杂化轨道类型。
例如：指出 N2O 分子的空间构型和杂化轨道类型。
解析：教材中介绍的价层电子对互斥理论是比较浅显的，并没有介绍 N 作为配位原子应该如何计算价电子对数，在解决这样的题目时，教师不必加深补充介绍价层电子对互斥理论， 可以采用等电子原理巧解。 因为N2O 与 CO2 互为等电子体，学生对于 CO2 的结构非常熟悉，直接根据直线型，判断出 sp 杂化，当然也可以计算出 CO2 中的 C 原子的价电子对数 n＝2，判断出 sp 杂化，直线型，所以 N2O 也应为 sp 杂化，直线型。
同样， 如果要判断 SCN－的空间构型和杂化轨道类型，我们大可不必研究究竟哪个原子是中心原子，哪个是配位原子， 如何计算价电子对数， 直接根据 CNS－与CO2 等电子体，来判断 CNS－为直线型，sp 杂化。
五、根据结构代换判断
有机化学中的取代反应是指有机物分子里某些原子或原子团被其它原子或原子团所代替的反应，根据取代反应机理，发生取代后，其中心原子的结构和成键方式都应该不变。 由此启发，对于一些复杂的分子，我们可以将其中的某些原子团代换成原子，变成简单熟悉的分
子，根据这个分子的空间构型和杂化轨道类型，来判断原来的分子的空间构型和杂化轨道类型。
例如：CH3－OH 等醇类，都可以看作 R—代换了 H2O中的 H ， 因为 H2O 中 O 原子为 sp3 杂化， 所以 CH3－OH中的 O 原子也为 sp3 杂化。H2N－NH2 可以看作－NH2 代换了 NH3 中的 H ， 因为NH3 中 N 原子为 sp3 杂化，所以 H2N－NH2 中的 N 原子也为 sp3 杂化。
课程标准和高考说明对这部分的教学和考试要求是这样描述的：“能根据杂化轨道理论和价层电子对互斥理论判断简单分子或离子的空间构型”， 处于认知性学习目标的第三水平。 近几年的高考题对这部分内容都有考查，但难度不大。 因此，虽然这部分内容是教学难点，但并不是考试难点。 所以，教师在教学这部分内容或讲解这部分习题时，不要随意加深、加难，而要注意思维品质的培养，根据学生的掌握情况灵活运用。