【化学竞赛】高中化学竞赛中常见键级的计算方法及应用

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【化学竞赛】高中化学竞赛中常见键级的计算方法及应用

2023-09-01 08:22| 来源: 网络整理| 查看: 265

常见异核双分子分子轨道与键级对照表,见表2。

1.2 八偶律与键级计算

八偶律是指一个由主族元素(H和He除外)组成的分子,其中每个原子都倾向于达到稳定的8个电子的电子组态,本质是主族元素ns2np6,并提出了分子骨干的键数b=1/2(8n-g)[2]。基于EO法本文提出了利用价电子数计算键级的公式,对于短周期元素微粒,具有很强的实用性:

需要计算出电子位数、电子数、空位数方能计算出键级,其稳定结构的电子总数指各原子达到最外层2电子或8电子的价电子总数。

1.2.1同核双分子

1.2.2异核双原子分子,设两原子的价电子数分别为a1和a2。

1.2.3当对象是双核离子时:

双原子微粒通过键级的计算可以简单的推导出结构式,但这是基于VB法得出的结论,无法解释O2的顺磁性,可通过分子轨道理论解释存在单电子轨道。但非整数键级利用VB法可定性预测出微粒具有顺磁性。

双原子微粒结构较为简单,多原子结构相对复杂,可通过计算总键级,根据中心原子的价层结构,推导或预测微粒的结构。

1.2.4过渡元素一般不符合八偶律,形成共价键键级的计算可作类似的拓展,分析如下:

主族元素:

过渡元素:

1.2.5 根据EAN规则即18电子规则,计算碳基配合物的键级,有利于分析配合物的结构。特别多核配合物可以有效的利用中心原子满价电子数与配体提供电子数的关系

配合物是化学竞赛中必考的内容,而配合物的结构书写又是考查的重点,本文从键级计算的角度分析了如何解决配合物的结构书写问题。

双核微粒,总键级即为原子间的键级;多核微粒的总键级仍可定义法计算,若微粒是一个离域共轭体系,相同原子间的键级相同可简单的平均化,NO3-和CO32-均属于此类,即总键级除以3即可,HN3并非完全的离域体系不能简单化的将总键级除以3,故需要具体物质具体分析。多核微粒的原子间键级计算多采用下列两种方法。

2

p键的键级贡献计算

p键建立在s键的基础上,在价键理论中,用成键原子间共价单键的数目表示键级,故路易斯结构式可以很好的解释键级。路易斯结构式的书写是高中化学竞赛试题考查的热点。

2.1 定域p键

已知结构式且不含离域p键的微粒可直接通过路易斯结构式数出原子间的键级及总键级。通俗的理解键级=化学键数。

2.2 离域p键

离域p键对键级的贡献并非100%,而是一个加权平均值。离域p键的路易斯结构式存在共振式,故一般利用共振式的书写,来计算离域p键对键级的计算,在此不赘述。本文采用的方法利用p键分子轨道电子排布计算键级。公式:s键数+离域p键键级的贡献值。

对于离域p键分为直链共轭体系和环状共轭体系两种情况。

2.2.1 直链共轭体系:

公式总结:含离域p键的两原子间的键级=1+p键电子键级总贡献/(a-1),a为形成离域p键的原子数。分子轨道能级图,见图3:

2.2.2 环状共轭体系

2.2.3 分子某两原子间同时参与形成定域p键、离域p键

读者可利用总键级减去已知原子间的键级来求得未知原子间的键级,本文不予赘述。

对于简单的分子和离子均可用定义法和p键的理解计算方法进行简单的计算,但对于较复杂的分子,存在一定的局限性。田益民等老师在《化学竞赛中的键级问题》[3]一文中详细介绍了基于路易斯结构式理论的共振式计算键级的方法。下面予以简单介绍。

3

共振式法

该法对学生路易斯结构式的理解以及共振式的正确书写要求较高,是对高中化学竞赛生的一项基本能力的要求。利用此法解析键级计算有助于学生正确书写Lewis结构、共振式。

4

应用

例 在地球的电离层中,可能存在下列离子:ArCl+、OF+、NO+、PS+、SCl+。请你预测哪一种离子最稳定?哪一种离子最不稳定?说明理由。

键级的考察,在全国高中生化学奥林匹克竞赛(初赛)中考查不多,但键级的计算对于提升相关路易斯结构式、分子轨道、共振式的书写能力有很大的帮助。

本文主要阐述了利用分子轨道计算键级的简单定义法,并系统的分析了常见双核微粒键级计算的数学公式;详细地解决了多核微粒键级计算的问题。计算键级还有很多其它方法,周昌勇老师[4]另辟蹊径从不饱和度角度计算键级等等。本文从实际教学过程中阐述了三种计算微粒键级的简单方法,通俗易懂,适合高中生参阅并用于实际计算应用,在实际理论基础上也许存在很多缺陷,有待完善,在此不深入赘述。

参考文献 [1] 北京师范大学等校合编.无机化学(上册).第4版.,北京:高等教育出版社,2003,82-93[2] 潘道铠,赵大成,郑载兴.物质结构.第2版.北京:高等教育出版社,1989,150-187[3] 田益民, 陈凯.化学竞赛中的键级问题[J]. 化学教育, 2011,32(4): 76-80[4] 周昌勇. 用不饱和度计算键级的研究[J]. 化学教育, 2012, 33(4): 70-71,74

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