常见分子(离子)的共价键解析(上)

梁爱琴，曲宝涵，代 辉

(青岛农业大学 化学与药学院，山东 青岛 266109)

常见分子(离子)的共价键解析(上)

梁爱琴，曲宝涵*，代 辉

(青岛农业大学 化学与药学院，山东 青岛 266109)

阐述了无机化学中用于解释双原子分子(离子)形成共价键的三种理论，应用不同共价键理论对常见的双原子分子(离子)的共价键进行解析，探讨成键数目、类型、稳定性等。

双原子；分子(离子)；共价键；解析

共价键是一种重要的化学键，原子之间可以通过共价键连接构成分子、离子，常见的共价键理论有路易斯理论(Lewis theory简写为Lewis)、价键理论(Valance bond theory 简写为VB)、杂化轨道理论(Hybridization orbital theory简写为HO)、价层电子对互斥理论(Valence shell electron pair repulsion theory 简写为VSEPR)和(Molecular orbital theory 简写为MO)，之所以共存几种理论，是因为尚未有一种理论能解释所有的共价键现象，这些理论从不同角度、不同侧面描述共价键，又互相补充和借鉴，较圆满地解释了分子、离子中共价键的形成、类型以及由此决定的空间构型、磁性、稳定性等问题，其中杂化轨道理论和价层电子对互斥理论主要用于解释多原子分子，路易斯理论、价键理论、分子轨道理论可用于解释双原子分子和离子。

1 共价键理论简介

1916年路易斯G．N．Lewis最早提出共价键的概念，他提出分子中原子通过共享电子对使每个原子具有稳定的稀有气体电子组态，即Lewis的八隅体结构式，说明了简单非金属元素形成分子的过程和共价键与离子键的区别，其局限性为无法解释元素周期表中第三周期及以下周期元素的价层电子数大于8的分子、离子的稳定性(如PCl5、[SiF6]2-)，而且也没有解释共价键的本质、分子、离子的空间构型等[1]。

价键理论是1930年斯莱特Slater和鲍林L．Pauling发展了量子力学对氢分子成键的处理结果而建立起来的，也称为电子配对法，该理论解释共价键的本质为带正电的原子核对核间电子云的吸引，是原子轨道的重叠，波函数的加强，电子云密度的增大，并按照电子配对原则和轨道重叠方式解释了共价键的饱和性、方向性、类型、键参数(键长、键角、键级)等基本术语，缺陷是无法解释多原子分子(离子)的空间排列问题。

分子轨道理论于1932年由洪特F．Hund和密里根Mulliken提出，分子具有由原子轨道线性组合得到的分子轨道，电子不属于任何原子，而属于整个分子体系，在分子轨道上运动，通过电子在分子轨道的排布可以判断形成的化学键数目、类型、键级、稳定性和磁性，但不能解释分子的空间构型[2]。

下面就常见的简单分子、双原子分子、离子的共价键进行分析，熟悉各种理论的应用、了解不同理论解释同一现象的方法和联系，更深刻地认识物质世界的微观结构。

2 稀有气体分子共价键解析

3 双原子分子(离子)共价键解析

对于双原子分子(离子)中共价键解析用得最多的就是路易斯理论、价键理论和分子轨道理论，双原子分子(离子)中两原子只能是直线相连，因此较少用杂化轨道理论和价层电子对互斥理论解释空间构型。

3.1 相同原子的双原子分子(离子)

H2、N2、O2、O22-、F2的Lewis结构式如表1。

表1 H2、N2、O2、O22-、F2的Lewis结构式Table 1 The Lewis structure of H2,N2,O2,O22-,F2

两原子之间形成共价单键就是σ键，形成共价双键或叁键时只能有一个σ键，其余是π；Cl2、Br2、I2的Lewis结构式与F2类似。

按照价键理论，只有两个自旋相反电子才能配对成键，且有几个单电子就形成几个共价键[3]，H2、N2、O2、F2的共价键解析如表2所示。

表2 价键理论对H2、N2、O2、F2的共价键解析Table 2 The analysis on covalent bond of H2,N2,O2,F2 by Valance bond theory

Cl2、Br2、I2的成键情况与F2类似；过氧根离子O22-与O2不同，基态O原子有两个未成对电子，由于O22-带两个负电荷，因此每个O原子就剩一个单电子，两O原子的单电子配对形成一个 的 键，与F2类似。

按照分子轨道理论，H2、N2、O2、O2+、O2-、O22-、F2的分子轨道排布式、键级(键级越大，基团越稳定)、共价键数目、类型和磁性(有单电子即为顺磁性，无单电子即为反磁性)由表3所示。

表3 分子轨道理论对H2、N2、O2、O2+、O2-、O22-、F2的共价键解析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的键级顺序为N2>O2>F2，因此，稳定性顺序为N2>O2>F2；同理，O2、O2+、O2-、O22-的稳定性顺序为O2+>O2>O2->O22-，自然氧气比双氧水稳定，负氧离子O2-、O22-比O2活性大，更容易被人体吸收利用，产生舒服的感觉。读者可试着写出第二周期元素Li2、Be2、B2、C2的分子轨道排布式，由Be2键级为零推测出Be2分子不存在，Li2、B2、C2的键级不为零，经实验证明，其存在要具备特殊条件。

3.2 异种原子的双原子分子(离子)

HF、OH-、CO 、NO、NO+、NO-、CN-的Lewis结构式如表4所示。

表4 HF、OH-、CO 、NO、NO+、NO-、CN-的Lewis结构式Table 4 The Lewis structure of HF, OH-, CO , NO, NO+, NO-, CN-

HCl、HBr、HI的Lewis结构式与HF类似。CO分子中C与O形成叁键，有两个共价键为C、O各提供一个电子配对形成，第三个共价键为C提供空轨道，O提供孤对电子为C、O共用，称配位键，用 表示，这是从电子来源方面的命名，区别于双方均提供一个电子形成的共价键，而一旦形成共价键，配位键与其他共价键是一样的。CN-与CO分子成键相同，NO中N未形成八隅体结构，因此NO不稳定，常以二聚体N2O2的形式存在 。

按照价键理论解释HF、CO、OH-、NO、NO+、NO-成键情况如表5，注意OH-、NO+、NO-离子形成过程中整个基团得失电子的情况。

表5 价键理论对HF、CO、OH-、NO、NO+、NO-的共价键解析Table 5 The analysis on covalent bond of HF, CO, OH-, NO,NO+, NO- by Valance bond theory

HF、OH-、CO、NO、NO+、NO-按照分子轨道理论解析如表6所示。

表6 分子轨道理论对HF, OH-, CO, NO, NO+, NO-的共价键解析Table 6 The analysis on covalent bond of HF, OH-, CO, NO, NO+, NO- by Molecular orbital theory

价键理论解释的NO、NO-均为双键，分子轨道理论解释的NO、NO-均为叁键，注意区别，后者解释更贴合事实；按分子轨道理论NO、NO-都有两个π键，但NO中两个π键不完全一样，一个是2电子π键，一个是3电子π键，而NO-中两个π键完全一样，都是3电子π键[5]。

由NO、NO+、NO-的键级可知稳定性顺序为NO+>NO >NO-。

CO、CN-与N2是等电子体，其分子轨道式相同；NO-与O2是等电子体，分子轨道式也相同。

4 结束语

希望通过以上双原子分子(离子)的共价键解析可以帮助学生更加深刻理解共价键本质、共价键各种理论的优缺点和路易斯理论、价键理论、分子轨道理论的应用，更加熟悉常见双原子分子(离子)的结构和由结构决定的性质等知识。

[1] 史启祯.无机化学与化学分析[M].北京：高等教育出版社,2005.

[2] 宋天佑,程 鹏,王杏乔.无机化学[M].北京：高等教育出版社,2004.

[3] 黄 薇.以《化学键和分子结构》为例,谈基于微课的翻转课堂在《无机与分析化学》教学中的应用[J]. 广东化工,2016(17):218-219.

[4] 陈 喜,陆娟凤. 关于一氧化氮生成反应的讨论[J]. 大学化学,2016(9):83-86.

(本文文献格式：梁爱琴，曲宝涵，代 辉.常见分子(离子)的共价键解析(上)[J].山东化工,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

山东省精品课程(无机化学)(2011BK174)；山东省特色名校建设工程教学研究项目(XJG2013011，XJG2013125)

梁爱琴(1976—)，女，山西灵石人，讲师，从事无机化学教学和水处理研究；*通信作者：曲宝涵。

O641.1

A

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