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浅谈高中化学教学中离域π键的判断方法

更新时间:2020/4/28 15:20:50 点击数:190

1、什么是离域π键

我们在研究BF3分子时发现,其B-F键要比BF4--离子中B-F长短一些,前者为为131pm后者为138pm。这一事实说明BF3B和F之间存在额外的结合力,这种结合力就是离域π键。[1]

下面我们来了解一下离域π键。多原子分子或离子中空间结构呈现平面结构时,多个垂直于该平面的未参与杂化的轨道,轨道方向一致则它们相互肩并肩重叠形成的多中心π键。我们把这种多中心π键又称“非定域π键”或“共轭π键”,简称大π键[2]

2、判断简单分子或离子的离域π键主要包括下三个要点。

(1) 分子或离子中参与成键的3个或3个以上的原子在一个平面内,其中中心原子采用SP2会形成1个离域π键,而采用SP杂化则一般会形成2个离域π键 [3]

(2) 未参与杂化的P轨道电子参与形成离域π键时,其成键电子总数要小于P轨道电子的两倍[4],且P轨道上既可以排布1个电子也可以排布2个电子时,则一般要排布1个电子,即要使离域π键中电子的数目尽可能的少。

(3) 若分子或离子中存在2个相互垂直的离域π键,则离域π键电子的数目尽可能均衡。

以上原则都是为了保证轨道之间产生最大程度的重叠,同时使得成键后整个体系的能量进一步降低。

3如何表示大π键

我们这里用符号πa b表示π键的,里面的a由参与成键的原子数决定,b表示成键轨道中的电子总数,读作“a中心b电子大π键” [5]

例1:CH4 中心原子C采用SP3杂化,不具备平面结构,各原子未参与杂化的P轨道电子,因此不存在大π键。

2:BF3 先看中心原子B采用什么杂化,SP2使得4个原子共面,那么所形成的大π键就是1个。B原子价电子全部参与杂化,3个结合F原子的Py上的一对孤对电子,合计电子总数6个,这些P轨道肩并肩重叠形成π64

3:SO2 中心原子S杂化也是采用SP23个原子共面形成1个π键。S有1对未参与杂化P轨道电子,每个O原子2Py有1个电子2Pz有2个电子,则每个O原子的2Py有1个电子(满足判断方法第2条)与中心原子P轨道电子相互重叠形成π43

4NO3由于中心N的5个价电子有3个参与SP2杂化。N原子杂化后剩余的Pz有一对电子,再加上1个外来电子共计3个电子每个O原子2Py轨道1个电子参与成键合计成键电子数为6即形成π64

5:CO2 中3原子共线(共面)SP杂化。形成2个π键时C原子出2个非杂化P轨道填充1个电子,每个O2个P轨道参与成键,分别填充1个和2个电子,两组3个P轨道大π键,其可能的组合方式有π53、π33或π43、π43。从能量角度考虑形成2个π43、π43更稳定(满足判断方法第3条)

6:NO2 V形(平面)分子NO2 NSP2杂化,故生成1个π键。一种观点认为N的孤电子对占据杂化轨道,剩余电子与O形成π33另一种观点认为N的单电子对占据杂化轨道剩余电子与O形成π43到底形成哪种大π键呢?笔者认为,判断NO2成键情况还是要结合物质本身的性质,NO2分子可以形成二聚体,这一过程我们可以看做2个NO2分子中的单电子形成σ键所致。这就说明N原子有一个电子单独占据一个杂化轨道那么Pz上2个电子自然就要形成大π键了。所以,笔者认为NO2分子中形成的是π43 [6]

7 吡啶分子为平面五元环,4个C原子的4个单电子和N原子的一对电子共计6个电子,形成π65

  例8:C60石墨 60个C原子构成球形分子,每个C杂化方式为SP2有60个未参与杂化的P轨道、60个电子,即π6060。这个很大的离域π键的存在也是石墨可以导电的原因。

4、小结

本文介绍了离域π键形成的过程,总结了判断离域π键类型的方法,并通过具体例子讲解了具体如何判断简单分子或离子中的离域π键的类型。高中化学学习中有关大π键知识经常出现,教师在今后的教学中将此法传授给学生,不但增长了学生的知识,同时也锻炼了学生思考问题、分析问题、解决问题的能力。

 

参考文献:

[1] 吉林大学、武汉大学、南开大学,无机化学册 [M].3版。北京. 高等教育出版社,2015

[2] 吉林大学、武汉大学、南开大学,无机化学上册 [M].3版。北京. 高等教育出版社,2015

[3] 柴兰兰.对离域π键类型判断的探索 [j] 阜阳师范学院学报(自然科学版), 2010

[4] 杨先明.浅谈离域π键 [j] 商情(教育经济研究), 2007(3)71

[5] 吴集贵,阎兰.一种主族小分子或离子中π键的判断 [j] 大学化学, 2003

[6] 蔡苹,胡锴,程功臻.ABn型分子或离子中离域π键 [j] 大学化学,2016

 

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