杂化轨道理论在无机化学与有机化学教学间的衔接

摘要：以无机化学中杂化轨道理论的实例入手，通过中心原子杂化方式的不同，变换到有机化学中的实例，以中心原子C、O和N在不同化合物中的杂化形式与成键方式为例，分析了三种原子杂化成键规律性的变化，衔接了无机化学与有机化学的杂化轨道理论内容，梳理出学习杂化轨道理论的知识脉络。

关键词：杂化轨道；共价键；分子构型；σ键；π键

文章编号：1005C6629（2016）10C0092C05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

无机化学和有机化学是非常重要的两门基础学科，其中“杂化轨道理论”在两门课程中均有涉及，它是认识无机物质及有机物质的基础，并更有助于理解化合物的空间结构和理化性质。若能把“杂化轨道理论”在两门课程中的知识点进行衔接性学习，就可以更容易理解和掌握知识要点。纵观无机化学与有机化学杂化轨道理论章节，不难发现，其中第二周期的三种元素原子C、O和N的杂化成键方式对学好无机化学和有机化学显得尤为重要。本文试对C、O和N三种原子杂化成键过程和方式进行分析，阐述三种原子的成键规律，使中学知识与大学知识由浅入深地进行对接，将无机化学与有机化学的杂化轨道理论知识点衔接起来，为学生的学习与教师的备课提供有益参考[1～5]。

1 碳原子C（2s22p2）的杂化

C原子是构成有机物的重要原子，了解C原子的成键规律，对掌握有机物结构及反应性质有重要的意义。从简单结构的无机化学课程中的实例CH4、CH3-CH3、HCN、CO2入手，演变为重要的有机官能团及有机化合物，梳理出一条清晰的知识脉络。

1.1 C-H键（σ键）

掌握C-H构成的σ键要从简单的有机化合物、中学课本中常见实例CH4入手，中心C（2s22p2）原子采用sp3杂化方式与H原子的s轨道重叠成键，构成正四面体结构[6，7]。甲烷杂化成键如图1所示，中心C原子价层电子2s22p2中s轨道电子受到激发跃迁到p轨道当中，s轨道与3个p轨道进行杂化形成具有单电子的4个sp3杂化轨道以接受H原子s轨道当中的自旋相反的单电子成键。

当CH4中C的一个轨道不与H原子成键时，仅有一个单电子占据轨道，则可变换为有机化学中重要基团甲基自由基・CH3，掌握它的成键过程对研究有机反应有着重要的意义。甲基自由基与甲烷不同，其中心C（2s22p2）原子采用sp2杂化方式与H原子的s轨道重叠成键，构成平面三角形结构。甲基自由基杂化成键如图2所示，杂化后的3个sp2轨道具有单电子可以与H原子s轨道当中的自旋相反的单电子成键，最终剩余1个2pz轨道中有一个电子[9]。

当・CH3中的C失去一个电子，成为C正离子后，基团变为甲基正离子H3C+（中心C离子外层电子为2s22p1），其与甲基自由基杂化成键方式类似，不同的是杂化成键以后剩余的2pz轨道当中没有电子，但构型仍呈平面三角形。其杂化成键过程如图3所示[11]。

当・CH3中的C得到一个电子，成为C负离子后，基团变为甲基负离子H3C-，与前两者杂化成键方式不同，由于中心C离子外层电子为2s22p3，其只能采用不等性sp3杂化，如图4所示，成键以后剩余一个具有孤对电子的sp3轨道，由于孤对电子没有成键，使得本应该为正四面体构型变成了三角锥型结构[13]。

1.2 C-C键（σ键和π键）

C-C键（σ键）是构成有机物基本骨架重要的成键方式，例如乙烷CH3-CH3中的C原子为sp3杂化，相当于最简单的有机物两个CH4相连，形成的C-C的σ键以sp3-sp3轨道重叠成键；C-H的σ键为sp3-s轨道重叠成键[15～17]。以简单的C-C键可以演化出C=C键（σ键+π键），双键当中除了重要的σ键外，还存在π键。π键的存在使得许多有机反应可以发生，它是掌握有机反应机理的重要成键方式。以最简单的乙烯CH2=CH2为例，C原子杂化成键方式如图5所示，C采用sp2杂化，其中C-H的σ键是sp2-s成键；C=C之间的σ键以sp2-sp2成键；π键是杂化以后剩余的2pz轨道以肩并肩形式构成pz-pz重叠π键。在有机反应中易发生亲电加成反应。CC键（σ键+2个π键）以乙炔为例，除了σ键外，叁键当中有两个π键，其中C原子采用sp杂化，如图6所表示的，C杂化成键后剩余的2py和2pz轨道以肩并肩形式分别构成2个py-py和pz-pz重叠的π键，最终乙炔构成直线型结构[18]。

C=C键和CC键在有机化合物中极为常见，许多有机化合物中还不仅仅以单一双键和单一叁键形式存在。若乙烯（或乙炔）当中的H原子被乙烯或乙炔结构单元取代后，其构成π键的py或pz轨道重叠形成离域π键，分子形成共轭分子体系。如图3中所示，就是通过此成键方式形成的重要有机化合物丁二烯[图7（a）]和苯[图7（b）][20]。

无机化学实例氢氰酸H-CN：中C、N均采用sp杂化，其中形成的C-H的σ键为sp-s轨道重叠，而C和N之间的叁键类似乙炔中C和C之间的成键方式，只是在杂化时N原子为不等性sp杂化，所以N原子杂化后的sp轨道当中留有孤对电子，最终氢氰酸构型为直线型（如图8）。

依据氢氰酸结构，将H原子换成任意烷基基团R，则构成有机化合物腈R-CN：，如乙腈CH3-CN：，C原子与N原子之间杂化成键方式与氢氰酸一样，只是烷基一侧成键轨道有所改变，甲基与C原子之间为sp3轨道与sp轨道重叠成键。

1.4 羰基：C=O（σ键+π键）

羰基作为有机反应中一类活性基团，其杂化成键规律在探讨有机化学反应机理时尤为重要。了解羰基的杂化成键性质要从最简单的无机实例CO2入手，CO2分子中心C原子采用sp杂化，杂化过程如图6中乙炔的C相似，杂化后余下的2py和2pz轨道分别与两个O（2s22p4）原子中2py或2pz肩并肩重叠形成两个π34键，C杂化的两个sp轨道分别与两个O原子中px轨道重叠形成2个σ键（sp-px），所以构成直线型结构。

C=C-C=O基团：若羰基基团上连有C=C双键，所有C和O的pz轨道肩并肩形成大π键，形成共轭体系，如图10所示。从简单的无机实例CO2出发，只要掌握羰基杂化成键方式，通过变换不同的取代基便可推出各种具有羰基衍生物的杂化成键规律。

2 氧原子O（2s22p4）的杂化

2.1 臭氧O3和氧气O2

无机实例O3相当于OO2，中心氧原子采用不等性sp2杂化，余一对孤对电子在sp2轨道当中，O-O键：σ键（sp2-py）；所有O原子中剩余的pz轨道形成π34键（如图11），整个分子结构呈V型[21，22]。对于氧分子O2的成键方式则要利用分子轨道理论解释，1个σ键2个3电子π键，键级为2，在这里不赘述。

2.2 水H2O和双氧水H2O2

依据臭氧O3结构，可将非中心原子氧替换为H原子，则为H2O，中心O原子采用不等性sp3杂化后与H原子s轨道重叠成键（sp3-s），由于两个sp3轨道中两对孤对电子的存在，使水分子构型呈V型，如图12（a），夹角为104.5°。双氧水H2O2中两个O也为不等性sp3杂化，H-O-O-H键空间构型如同一本打开的书，且书打开角度为105°左右，其分子结构为图12（b）。

2.3 甲醚CH3-O-CH3、甲醇CH3-OH和苯酚

3 氮原子N（2s22p3）的杂化

3.1 氨NH3、联氨NH2NH2和羟胺NH2OH

N原子的杂化要从无机实例NH3谈起，中心N原子采用不等性sp3杂化方式后与H原子s轨道重叠成键，构成三角锥型结构，键夹角为107.3°，这与1.1中甲基负离子H3C-结构相似。联氨和羟胺中的N原子都采用了不等性sp3杂化，它们的构型如图15所示，联氨和羟胺中的H-N-H夹角约为107°。

4 结语

综上所述，C、O和N三种原子的杂化成键方式均可由简单的无机化学章节中的实例深入至较为复杂的有机化合物。以C、O和N三种原子作为桥梁将无机化学与有机化学的杂化轨道理论内容进行衔接，可为学生学习及教师备课提供较为清晰的知识脉络。

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