高中化学资料：等电子体与杂化类型的判断方法归纳.docx
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一、等电子体的判断
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，这一原理称为等电子原理。
如果仅从概念字面出发，判断与A粒子互为等电子体的B粒子的化学式，往往感觉无从下手，或东拼西凑的试写，试写也往往只注意“价电子数”或“原子数”相同某一方面而错答。
如写CH4分子的等电子体时许多学生写成NH3（原子数不同）、CCl4（价电子数不同）等，至于再稍复杂一些的，错的更多，实际体现为问题解决方法的欠缺。
等电子体的判断一般可采取以下几种方法：
1、同族元素互换法
即将既定粒子中的某元素换成它的同族元素。
如：
（1）CCl4的等电子体确定：
换IVA族元素有SiCl4、GeCl4等；换VIIA族元素有CF4、CBr4、CI4、CFCl3、……；同时换可有SiF4、SiFCl3、……。
（2）CO2的等电子体确定：
可将O原子换为S原子得COS、CS2，注意不能将C原子换为Si原子，因为CO2和SiO2的结构不同（前者为分子晶体，后者为原子晶体）。
同理，不能将BeCl2的等电子体确定为MgCl2或BeF2（后两种为离子晶体）。
（3）SO42－的等电子体确定：
将一个O原子换为S原子得S2O32－；NO3－的等电子体可确定为PO3－。
（4）对于原子晶体类也可作类似推导：
金刚石Cn与晶体硅Sin互为等电子体。
2、价电子迁移法
即将既定粒子中的某元素原子的价电子逐一转移给组成中的另一种元素的原子，相应原子的质子数也随之减少或增加，变换为具有相应质子数的元素。
一般来说，讨论的元素为s区或p区元素，即主族元素居多，通常相关元素的族序数满足A+B=C+D（或A+B=2C）关系的，可考虑将A、B等个数换为C、D（或1A、1B换为2C）。
如：
（1）CO2的等电子体确定，除了上述结果以外，还可以采用价电子迁移法：
C、O原子的价电子数分别为4、6，从周期表中的位置看，中间夹着N元素，N原子价电子数为5，一个O原子拿一个电子给C原子，在电性不变条件下质子数同时变为7（价电子同时变为5），则可换为两个N原子（由此也可以看出N2与CO互为等电子体）得N2O；如果将C原子的两个价电子转移给两个O原子，元素原子分别转换为1个Be、2个Cl，就可以得到CO2的另一个等电子体BeCl2。
同样可以判断：
金刚石C2n与晶体硅Si2n的等电子体还可以为金刚砂（SiC）n、GaAs、AlP等；石墨C2n与白石墨（BN）n互为等电子体；无机苯B3N3H6与有机苯C6H6互为等电子体。
（2）离子之间的等电子体也可以推导：
与N3－的等电子体查找方法，可将2个N原子换为1个C原子和一个O原子可得CNO－。
3、电子—电荷互换法
即将既定粒子中的某元素原子的价电子转化为粒子所带的电荷。
这种方法可实现分子与离子的互判。
如：
CN－的等电子体查找可用N原子1个电子换作1个负电荷，则N原子换为C原子，离子带2个负电荷，其等电子体即为C22－；反之，将CN－的电荷转化为1个电子，该电子给C原子，即得N2，若给N原子即得CO。
同样可判断HNO3的等电子体为HCO3－；ICl4－与XeCl4互为等电子体。
在具体问题分析时，通常几种方法同时联想，灵活使用，方可快速准确的回答问题。
现以几例说明（文中所用题目为2009年江苏高考或各地质量检测题，原题中与本文无关的内容均略去）。
例题1、（徐州三检）与CNO－互为等电子体的分子、离子化学式依次为、（各写一种）。
分析：
就与CNO－互为等电子体的分子而言，首先需将这1个电荷转化为1个价电子，这个价电子给C变为N得N2O，给N变为O则得CO2（也可直接看作将N2O中2个N原子进行价电子转移换为C、O从而得CO2，再由CO2进行价电子转移或同族元素互换可得COS、CS2、BeCl2等。
若进行离子查找，除前面判断出的N3－外，利用同族元素互换可得CNS－；利用电子—电荷互换可得NO2+和CN22－。
答案：
N2O或CO2或COS或CS2或BeCl2；N3－或CNS－或NO2+或CN22－。
例2、
（1）（江苏高考）根据等电子原理，写出CO分子的结构式；
（2）（南通二检）写出NO2+离子的电子式。
分析：
CO分子的结构式、NO2+离子的电子式中学中并不作已有知识要求，直接作答难度大，但在题给信息提示下，可以利用等电子原理，先找出我们熟知结构的等电子体：
CO与N2互为等电子体，NO2+与CO2互为等电子体，等电子体的结构相同，参照熟悉的N2的结构式、CO2的电子式便可轻松作答。
答案：
C≡O；
二、杂化类型的判断
杂化轨道理论的引进是为了更好的解释有关分子的空间构型和分子的相关性质，其核心思想是多原子分子中心原子将能级相近、能量较低的价层轨道相互作用，重新组合、再分配，构建成新的轨道，即杂化轨道，轨道杂化的目的是为了更有利于原子成键，成键时能力更强，有利于分子的形成。
这部分知识较抽象，理论性强，学生在应用上有很大的难度。
通过对学生的错误分析，我认为关键是中心原子的杂化类型能否准确判断，杂化类型判断正确，结合分子组成、价层电子对互斥理论，就容易解决分子构型、分子性质的相关问题。
从考试说明中不难看出，考核要求是简单的杂化类型判断，对d轨道参与杂化的不作要求，即仅限于sp、sp2、sp3三种类型的判断，就此三种杂化类型的判断方法作如下归纳。
1、取代法
以中学常见的、熟悉的基础物质分子为原型，用其它原子或原子团取代原型分子中的部分原子或原子团，得到的新分子中心原子与原型分子对应的中心原子的杂化类型相同。
如：
（1）CH3CH=CH2分子中C原子的杂化类型判断，看作乙烯基取代了甲烷分子中的一个H原子，则甲基C原子为sp3杂化，也可看作甲基取代了乙烯分子中的一个H原子，故两个不饱和C原子均为sp2杂化；
（2）（CH3）3N看作三个甲基取代了NH3分子中的三个H原子而得，所以其分子中N原子采用sp3杂化；
（3）H2O2看作羟基取代了H2O分子中一个H原子，H2O2中O原子应为sp3杂化；
（4）B（OH）3看作三个羟基取代了BF3中的F原子，可知B（OH）3中B原子为sp2杂化。
2、价电子对数计算法
对于ABm型分子（A为中心原子，B为配位原子），分子的价电子对数可以通过下列计算确定：
n=1/2（中心原子的价电子数+每个配位原子提供的价电子数×m），配位原子中卤素原子、氢原子提供1个价电子，氧原子和硫原子按不提供价电子计算；若为离子，须将离子电荷计算在内：
n=1/2（中心原子的价电子数+每个配位原子提供的价电子数×m±离子电荷数），阳离子取“－”，阴离子取“+”。
根据价电子对数可以有以下结论：
分子 价电子对数 几何构型 中心原子杂化类型
BeCl2 2 直线型 sp
BF3 3 平面三角形 sp2
SiCl4 4 正四面体 sp3
一般来讲，计算出的n值即为杂化轨道数，能直接对映中心原子的杂化类型。
如：
SO42－的n=4，中心原子S原子为sp3杂化；NO3－的n=3，中心原子N原子为sp2杂化；ClO3－、ClO4－的n均为4，Cl原子均为sp3杂化（但离子空间构型不同，从价层电子对互斥模型看，前者为三角锥形，后者为正四面体型）。
这种方法不适用于结构模糊或复杂的分子、离子，如NO2+、H2B=NH2等的中心原子杂化类型学生就很难用该法进行判断，但可以从其它途径确定。
3、等电子原理应用
01酸性不同的酸遇同一种碱
当同一溶液中存在多种酸时，若向此溶液中逐滴加入一种碱液时，一般来说，碱先与酸性强的酸反应，然后与酸性较弱的酸的反应。
如向盐酸和醋酸的混合溶液逐滴加入氢氧化钠溶液时，因盐酸的酸性强于醋酸，故依次发生：
NaOH＋HCl=NaCl＋H2O，NaOH＋CH3COOH=CH3COONa＋H2O。
02
碱性不同的碱遇同一种酸
当同一溶液中存在多种碱时，若向此溶液中滴加同一种酸，一般来说，此酸先与碱性强的物质反应，然后再与碱性弱的物质反应，如向氢氧化钠与氨水的混合液中逐滴加入盐酸时，因氢氧化钠的碱性强于氨水，故依次发生：
NaOH＋HCl=NaCl＋H2O，NH3·H2O＋HCl=NH4Cl＋H2O；但是若两种碱中其中碱性相对较弱的能与酸反应产生沉淀，则是能产生沉淀的反应先进行。
例如向氢氧化钙和氢氧化钾的混合溶液通入二氧化碳，氢氧化钙能与二氧化碳反应产生碳酸钙沉淀，故依次发生：
Ca（OH）2＋CO2=CaCO3↓＋H2O，2KOH＋CO2=K2CO3＋H2O。
03
不同的盐遇同一种酸
当向含有多种盐组成的混合溶液逐滴加入同一种酸时，其反应的先后顺序主要取决于盐电离出的阴离子结合氢离子的能力，其中结合氢离子能力强的阴离子对应的盐先反应，结合氢离子能力相对较弱的离子对应的盐后反应。
例如向NaHCO3和Na2CO3的混合溶液逐滴加入盐酸，因碳酸根离子结合氢离子的能力比碳酸氢根离子结合氢离子的能力强，故依次发生：
Na2CO3＋HCl=NaHCO3＋NaCl，NaHCO3＋HCl=NaCl＋H2O＋CO2↑。
而当同一阴离子形成的溶解性不同的盐都能与同一种酸反应时，一般来说，溶解性小的盐先与酸反应，然后是溶解性大的盐与酸反应。
例如向含碳酸钙和碳酸钾混合液中通入CO2时，因CaCO3的溶解度小于K2CO3，故依次发生：
K2CO3＋CO2＋H2O=2KHCO3，CaCO3＋CO2＋H2O=Ca（HCO3）2。
04
不同的阳离子遇同一种碱
当同一溶液中含有多种能与氢氧根离子结合的阳离子时，首先是与氢氧根离子结合能力强的阳离子与OH—反应，随后是与氢氧根离子给合的能力较弱的离子与OH-反应。
例如向硫酸铝铵溶液逐滴加入氢氧化钠溶液，其中Al3+和NH4＋都能与OH-反应，但NH4＋与OH-的结合的能力强于Al3+和OH-的结合能力，故依次发生：
NH4＋＋OH-=NH3·H2O，Al3+＋3OH-=Al（OH）3↓。
05
碱性不同的碱遇同一种阳离子
当同一溶液存在多种碱性不同的碱时，若它们都能与同一阳离子反应时，首先是强碱与该阳离子反应，然后是碱性相对较弱的与该阳离子反应。
例如，向含有NaOH和NH3·H2O的混合溶液中加入CuSO4溶液时，因氢氧化钠的碱性强于氨水，故依次发生：
CuSO4＋2NaOH=Cu（OH）2↓＋Na2SO4，CuSO4＋2NH3·H2O=Cu（OH）2↓＋（NH4）2SO4。
06
同一溶液中阴离子和阳离子都能与OH-反应
若同一溶液中既有一种阴离子能与OH—反应，又有一种阳离子能与OH—反应，此时向这种溶液中逐滴加入强碱时，首先是与OH-的结合能力强的离子先反应，然后是与OH-的结合能力较弱的离子反应。
例如向NH4HCO3溶液中逐滴加入NaOH溶液，因为HCO3－结合OH-能力强于NH4＋结合OH-，所以依次发生：
HCO3－＋OH-=H2O＋CO32－，NH4＋＋OH-=NH3·H2O。
07
同一氧化剂遇到多种还原性不同的微粒
在任意的氧化还原体系中，若存在多种还原性不同的微粒和一种强氧化剂时，首先氧化剂与还原性强的微粒反应，然后与还原性相对较弱的微粒反应。
例如向FeBr2溶液中逐滴加入氯水，因为二价铁离子的还原性强于溴离子，故依次发生：
2Fe2+＋Cl2=2Fe3+＋2Cl-，2Br-＋Cl2=2Cl-＋Br2。
08
同一还原剂遇到多种氧化性不同的微粒
在任意的氧化还原体系中，若存在多种氧化性不同的微粒和一种强还原剂时，首先是还原剂与氧化性强的微粒反应，然后与氧化性相对较弱的微粒反应。
例如向含有Fe3+和Cu2+的溶液中加铁粉，因为三价铁离子的氧化性强于二价铜离子，故依次发生：
2Fe3+＋Fe=3Fe2+，Cu2+＋Fe=Cu＋Fe2+。
09
同一阳离子遇到能与之反应的多种阴离子
当同种阳离子遇到多种阴离子都能生成沉淀时，首先是生成溶解度较小的沉淀，然后依次产生溶解度大的沉淀。
例如，向含有Cl-，Br-，I-的溶液中逐滴加入含Ag+的溶液，因氯化银的溶解度大于溴化银，而溴化银的溶解度大于碘化银，故依次发生：
Ag+＋I-=AgI↓，Ag+＋Br-=AgBr↓，Ag+＋Cl-=AgCl↓.
10
同一阴离子遇到能与之反应的多种阳离子
当同一阴离子遇到能与之反应的多种阳离子时，优先生成易挥发的气体，然后生成溶解性较小的沉淀。
例如向含有钙离子和氢离子的溶液中逐滴加入碳酸钠溶液时，依次发生：
2H+＋CO32－=H2O＋CO2↑，Ca2+＋CO32－=CaCO3↓
等电子体具有相同的结构特征，则等电子体的中心原子的杂化类型相同。
用此方法将结构模糊或复杂的分子、离子转化成熟悉的等电子体，然后进行确定。
如NO2+、H2B=NH2分别与CO2、CH2=CH2互为等电子体，而CO2、CH2=CH2中心原子C原子分别为sp、sp2杂化，则NO2+中心原子N原子为sp杂化，H2B=NH2中心原子B、N原子均为sp2杂化。
4、价键直查法
从杂化轨道理论可知，原子之间成键时，未杂化轨道形成键，杂化轨道形成键，若未参与成键，剩余的必然是杂化轨道上的孤对电子。
在能够明确结构式的分子、离子中心原子杂化类型分析时，可直接用下式判断：
杂化轨道数n=中心原子的键数+中心原子的孤电子对数（多重键中只有一个σ键，其余均为π键），可方便找到中心原子的杂化类型。
如：
（1）SiF4分子中Si原子轨道杂化类型分析，基态Si原子有4个价电子，与4个F原子恰好形成4个σ键，无未成键电子，n=4，则SiF4分子中Si原子采用sp3杂化；
（2）基态C原子有4个价电子，在HCHO分子中，C原子与2个H原子形成2个σ键，与O原子形成C=O双键，C=O双键中有1个σ键、1个π键，C原子无剩余价电子，n=3，则HCHO分子中C原子采用sp2杂化；
（3）三聚氰胺中有两种环境的N原子，环外N原子形成3个σ键，用去基态N原子5个价电子中的3个,余下1个孤电子对，n=4，则环外N原子采用sp3杂化，环内N原子形成2个σ键、1个π键，用去基态N原子5个价电子中的3个,余下1个孤电子对，n=3，则环内N原子采用sp2杂化。
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