四方锥形是什么杂化?

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四方锥形是什么杂化?

2023-04-21 00:05| 来源: 网络整理| 查看: 265

部分同意 @江南大公子 的回答。

一中心多配体形式的四方锥型分子(或基团)是中心原子采用sp3d2或者d2sp3杂化后形成了6个新轨道,然后其中一个轨道填满了中心原子提供的一对电子,形成孤对电子(L.P.);其余5个轨道中每个轨道接纳中心原子的一个电子和配体的一个电子形成成对电子(B.P.)。中心原子为过渡金属时,多采用d2sp3杂化形式,中心原子为第3~7主族元素时,多采用sp3d2杂化形式。

比如下图的IF5

IF5分子结构示意图

中心原子I的基态电子构型为[Kr] 4d10 5s2 5p5,与配体5个F原子成键时,首先进行了sp3d2轨道杂化:利用1个5s轨道,3个5p轨道与2个5d轨道和进行了杂化,杂化形成了6个sp3d2轨道,原有6个轨道中的7个电子排布在新形成的6个轨道中,如下图所示:

I原子sp3d2杂化轨道形成过程示意图

其中一个sp3d2轨道填满了一对电子,形成了一个L.P.,剩余的5个轨道中的单电子各自与一个F原子成键,形成5个I-F键。

由杂化轨道理论可以了解到,sp3d2杂化,如果6个键相同,则会是正八面体结构,也就是6个键分别指向x,y,z的正负方向。但由VSEPR理论可知,L.P与B.P之间的库伦斥力要大于B.P.与B.P.之间的,因此IF5分子中的一对L.P.会把原来在一个平面上的4个I-F键挤向第5个I-F键方向,最后的分子结构是一个变形的八面体,最下边是鼓出来的一小点,而不是凹进去的。

想知道I原子究竟有哪些轨道参与了杂化,5d上剩下的3个轨道又是什么,可以借助点群的特征标表。从上边描述可以推断出IF5的对称性和点群,为C4v群,然后借助C4v的特征标表就可以知道究竟参与杂化的是哪些轨道。我们需要参考带有特征标表附录的书,看看C4v的究竟是什么样。

C4v特征标表

标黄的部分是从书上参考下来的数值,Gama5选用了I原子为原点,与5个F原子成键的5条向量共同组成的向量组;Gama6是在Gama5的基础上增加了一条L.P.向量,组成了含有6条向量的向量组。将向量组分别进行E,C4,C2等对称变换:向量组里每条向量大小方向不变记为1,大小不变方向相反记为-1,发生其他变化记为0,然后将结果相加。将结果分别写在对应的位置,可以得到上边完整的表格。

然后进行计算,计算每种对称类别(特征标表最左侧一列,A1,A2…)占有的权重,得到下边的两列数字的小表。再利用特征标表中进行变换的基(最右侧两列),可以得知参与杂化的轨道。

Gama6表示5条I-F键和一对B.P.,总共6个形成sp3d2的轨道,用基可以表示为:{z, x2+y2, z2, x2-y2, (x,y)}。将其中的基对应到不同的原子轨道,分别为:z~pz, x2+y2~s, z2~dz2, x2-y2~dx2-y2, x~px, y~py,而且这些轨道中的px和py是二重简并的。也就是说,这6个轨道分别是由{s, pz, px, py, dz2, dx2-y2}轨道杂化形成的。

再对比Gama5,是比Gama6少一个A1对称的基,而Gama5与Gama6设定的向量组是相差了孤对电子L.P.,因此,IF5分子中的孤对电子可能是由s, pz或dz2形成的,这三种都有可能。

最后我想补充一句,四方锥不一定都是一中心五配体形成的类似AL5结构的,还有一些分子比较复杂,比如巢式硼烷B5H9。

B5H9分子结构示意图

5个B原子框架是类似于一个正八面体拿掉一个顶点之后的形状。每个B原子用sigma键连接一个H原子,剩下的4个H原子,每一个都连接着平面上那4个B原子中相邻的两个,形成桥键。

对于硼烷,一般不用杂化轨道理论解释它们的成键过程或者分子形状,因为硼作为第三主族的元素有很典型的缺电子性质。想解释它们的结构,使用分子轨道理论的比较多。

(本回答中两个分子结构的示意图截取自南开大学《结构化学》孙宏伟老师课件)



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