2012年12月29日 星期六

dsp3混成軌域 dsp3 Hybridization

化學原理啟迪366
1.     我們曾經討論過,第三列元素組成像SF6PCl5這類化合物時,第三列元素的價電子是不是能夠超過8顆(超過八隅體法則允許的數量)的關鍵在於,第三列元素的原子組成化合物時,使否有使用到3d軌域去鍵結。現在我們將說明當原子使用3d軌域去鍵結時的混成軌域狀態。

The Sleeping Beauty 9/14 Tchaikovsky-Ballet de L'Opera de Paris Rudolf Nureyev choreographed

http://www.youtube.com/watch?v=F1o7qvYsbSM


2.     首先,我們將討論五氯化磷PCl5分子。傳統上,PCl5路易斯結構(假設d軌域參與鍵結):
顯示出磷原子周圍有5對電子。
3.     價電殼層電子對模型VSEPR model5對價電子要降低彼此的斥力必須是雙三角錐trigonal bipyramidal構造,因此五氯化磷PCl5的磷P的原子軌域必須是雙三角錐,這樣的軌域稱為dsp3混成軌域,這是由1d軌域、1s軌域和3p 軌域混合而成的。
4.     dsp3混成軌域組合裡,構成三角平面的3個混成軌域的形狀,與垂直於三角平面的2個混成軌域的形狀有些不同;這點與spsp2sp3混成軌域組合裡,每個軌域的形狀都一樣,是有差異的。
5.     五氯化磷PCl5分子的磷Pdsp3混成軌域5個軌域與5個氯原子Cl共享電子。根據這個模型,一個分子內的原子,如果有5對有效電子,這些電子對一定是雙三角錐trigonal bipyramidal構造,並且這個原子的軌域一定是dsp3混成軌域。
6.     五氯化磷PCl5分子的路易斯結構顯示,每個氯原子身邊圍繞著4對價電子,這4對價電子彼此之間的斥力降到最低的構造是四面體結構,所以氯的原子軌域是由4個次軌域組成的sp3混成軌域。
7.     現在我們已經能夠清楚描述五氯化磷PCl5分子的鍵結構造,磷原子的dsp3軌域與每個氯原子的sp3軌域彼此交疊,共享電子,構成了五氯化磷PCl5分子5PClσ鍵。扣除鍵結的軌域,氯原子還有3sp3混成軌域用來填入未鍵結電子對。
8.     【例題】請描述碘離子I3的鍵結情形。
【解題】
碘離子的路易斯結構:
碘離子的路易斯結構顯示,碘原子有5對價電子,這5對價電子彼此斥力降到最低的構造是雙三角錐結構,因此碘離子的中心碘原子是dsp3混成軌域。
碘離子左右兩顆碘原子有4對電子,要使這4對電子彼此斥力降到最低的構造四面體結構,並且他們的原子軌域是sp3混成軌域。
碘離子的中心碘原子是dsp3混成軌域,其中3dsp3混成軌域用來填入未鍵結電子對,另外2dsp3混成軌域與左右兩顆碘原子的sp3混成軌域交疊形成σ鍵。
9.     d2sp3混成軌域d2sp3 Hybridization。接下來我們將討論六氟化硫SF6的路易斯結構:
10. 六氟化硫SF6的硫原子共有6對價電子,將這6對價電子彼此的斥力降到最低的結構是八面體構造,這是由6個混成軌域為骨架撐起的八面體構造,因此六氟化硫SF6的硫是d2sp3混成軌域d2sp3混成軌域由2d軌域,1s軌域和3p軌域混合而成。
11. 特別留意,任何一個分子內的原子,如果它的身上圍繞6對價電子,由這6對價電子為骨架撐起的造型一定是八面體,這個原子的軌域是d2sp3混成軌域。
12. 六氟化硫SF6分子裡,硫的每一個d2sp3混成軌域都用來與氟原子鍵結。因為氟原子身上共有4對電子,因此氟原子的軌域是sp3混成軌域。
13. 【例題】四氟化氙XeF4的氙原子是哪一種混成軌域?
【解題】四氟化氙XeF4的路易斯結構顯示,氙的身邊圍繞6對價電子,將這6對價電子彼此的斥力減到最低的構造是八面體;八面體構造是由6個原子軌域支撐出來,只有d2sp3混成軌域是由6個原子軌域,因此氙原子是d2sp3混成軌域。
14. 摘要 定域化電子模型描述一個分子
l  先畫出分子的路易斯結構。
l  利用VSEPR模型決定電子對在空間中的排列方式。
l  找出要容納這些價電子的混成軌域。

n       翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles》;圖片來源/ChemeddlENLACESChemwikiChemistry.tutorvistaTimpanogos

6 則留言:

  1. 三碘離子路易士結構打錯了

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  2. 想請問:d2sp3和sp3d2 這2個有什麼差別
    列如ICL2-的混成軌域是哪一個

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  3. 回應 化學原理啟迪366 dsp3混成軌域

    匿名網友問:dsp3混成軌域 dsp3 Hybridization 上的「想請問:d2sp3和sp3d2 這2個有什麼差別 列如ICL2-的混成軌域是哪一個」?
    1. 首先,我認為:d2sp3和sp3d2沒有差別,只是這本教科書的作者Steven S. Zumdahl習慣用 d2sp3混成軌域,但是也有很多人會寫成sp3d2。不過,你會有困擾,可能是沒有完全想清楚s、p、d的意義,所以,我補充解釋一下這幾個名詞的意義。
    2. 包覆在原子核外的電子雲,是一層一層的,不是均勻分布的;愈靠近原子核的電子雲,受到原子核的引力愈大,電子與原子核之間正負相吸的力量愈強;
    3. 我們用能階n表示各層電子雲的能量大小,n=1 是第一能階,最靠近原子核,能量最大,其次是n=2第二能階,能量次之,再其次是n=3第三能階………。
    4. 原子核外面有一層一層的電子雲,稱為主電子殼層。能階n是用來說明各層電子雲的能量大小。
    5. 每一個能階(或稱主電子殼層)的電子雲,又可以再細分成好幾層,由內而外、由低能階到高能階,依序為s殼層、p殼層、d殼層、f殼層。
    6. 每個次殼層電子雲的形狀不同,s殼層(s軌域)是圓球型;p殼層(p軌域)是兩個相連的橢圓球,又稱為啞鈴型;d殼層共有5種形狀;f殼層共有7種形狀。
    7. 當一顆原子是獨立自主的時候,這些殼層的特性不會顯現出來,但是,當原子彼此互相鍵結的時候,這些次殼層的電子雲形狀,就會因為周圍其他原子的引力,而被誇大出來。
    8. 如果一個原子的最外層電子雲,也就是所謂的鍵結電子軌域,包括1個s軌域和p軌域,那麼,在周圍其他鍵結原子的引力牽引下,會混合成一種新的電子雲型狀;新的電子雲型狀,帶有一點s軌域的特性,又帶有一點p軌域的特性,因此稱為sp、sp2或sp3混成軌域;p右上方的數字是依據參與鍵結p軌域的數量來決定。
    9. 你說:d2sp3和sp3d2有沒有差別?我認為沒有,因為不論是d2sp3或是sp3d2意思都是指,這是由原子的2個d軌域、1個s軌域和3個p軌域,混合而成的軌域。
    10. 第二個問題,ICL2-的混成軌域是哪一個?我幫你查網路,依據化學網站UCDAVIS CHEMWIKI(加州大學戴維斯分校化學維基) 是sp3d混成軌域。
    11. 加州大學戴維斯分校化學維基說,碘的最外的電子殼層有7個電子,因此,ICl2-尚有多一個負電子,因此碘的最外層共有7+1=8個電子;
    12. 在ICl2-,碘I與2個氯原子Cl鍵結,形成2個「碘-氯鍵」,這是σ鍵,碘扣掉二個與氯鍵結的電子,還剩下6個電子,這6個電子形成3個未鍵結電子軌域,全部加起來共有5個σ鍵。
    13. 5個σ鍵=4個σ鍵+1個外加的σ鍵,這是sp3d混成軌域。
    14. 科學領域牽涉好幾項能力,國內的教育體系比較注意「運算能力」與「記憶能力」,這些確實都是重要的科學能力;這幾年有很多人加入國際發明獎的比賽,應用理論,動手設計與製造產品,也是一種科學能力。
    15. 圖像思考也是一種科學能力,將抽像的、看不見的世界,用具體的圖形表達出來;混成軌域理論就牽涉到圖像思考的能力。如何訓練圖像思考能力?繪畫、玩積木、看漫畫書、看卡通、學習攝影、去美術館看藝術品、欣賞建築,都可以訓練圖像思考能力。
    16. 台灣過去很長一段時間處於白色恐怖戒嚴時期,當時多數人看到碰政治的人都坐牢、被殺害,很害怕,就建議小孩子不要碰政治,碰政治會出事。我的一家人不想碰政治,結果還是出事。
    17. 我不懂政治,就一直被握有權力的人、懂政治的人迫害,被統派和獨派輪流追殺;只要損及他們的利益,懂政治又握有權力的人,就會用他們的能力打壓弱勢者,不僅連一份糊口的工作都不會給,他們還會使出栽贓抹黑的手段,這是他們的求生本能,這也是每個人必須面對的社會現實。
    18. 所以,我認為學科學的人不要學政治的想法,是不對的。一個人對政治無知,她一定會因為在政治方面的無知而遭遇不幸;一個人對法律無知,她一定會因為在法律方面的無知而遭遇不幸。
    19. 因此,學科學的人一定要多元學習,看報紙、看政論節目、看政治人物的造勢演講,這樣頭腦比較靈活,才會產生獨立思考能力,縱使一時失敗,也可以再次站起來。
    20. 所謂的科學就是不斷地對不同領域求知。

    以下為從UCDAVIS CHEMWIKI下載的內容:
    Prediction of sp3d, sp3d2, and sp3d3 Hybridization States
    In case of sp3d, sp3d2 and sp3d3 hybridization state there is a common term sp3 for which 4 sigma bonds are responsible. So, in addition to 4 sigma bonds, for each additional sigma, added one d orbital gradually as follows:-
    5σ bonds = 4σ bonds + 1 additional σ bond = sp3d hybridization
    6σ bonds = 4σ bonds + 2 additional σ bonds = sp3d2 hybridization
    7σ bonds = 4σ bonds + 3 additional σ bonds = sp3d3 hybridization
    Eg:-
    a.IF4+: I has 7 e-s in its outermost shell, so, in this case, subtract one e- from 7 i.e. 7 – 1 = 6. So, out of 6 electrons, 4 electrons form 4 I-F bonds i.e. 4 sigma bonds and there is one LP. So, altogether there are 5 σ bonds. So, 5σ bonds = 4 σ bonds + 1 additional σ bond = sp3d hybridization
    b.IF7: 7 I-F single bonds i.e. 7σ bonds = 4σ bonds + 3 additional σ bonds = sp3d3 hybridization.
    c.ICl2-: I has 7 e-s in its outermost shell, so, in this case, add one e- with 7(overall charge on the compound) i.e. 07+1= 08. So, out of 08 electrons, 02 electrons form 02 I-Cl bonds i.e. 02 sigma bonds and there is 03 LPs. So, altogether there are 05σ bonds. So, 5σ bonds = 04 σ bonds + 01 additional σ bond = sp3d hybridization.
    d. XeF4: Xe, an inert gas, consider 8 e-s in its outermost shell, 04 of which form 04 Xe-F sigma bonds and there is two LPs, i.e. altogether there is 06 σ bonds = 04 σ bonds + 02 additional σ bonds = sp3d2 hybridization.
    In case of determination of the hybridization state by using the above method, one must have a clear idea about the outermost electrons of different family members in the periodic table as follows:

    圖片來源∕克里斯的小窩、chemistry.tutorvista.com

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  4. 有沒有sp3d4 和 sp3d5?
    如有,是甚麼樣的?

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    1. 我推測
      Sp3d4軌域的分子,
      是很少見的 。
      目前地球上
      應該還沒有發現這樣的分子,

      但是,
      在恰當的條件下 ,
      可以人工製造,
      如果1個中心原子可以和另外8個原子鍵結,
      那就會出現sp3d4軌域。

      同樣地,
      sp3d5軌域的分子 ,
      也是很少見,
      必須 人工合成,
      Sp3d5的分子,是一個中心原子和另外9個原子鍵結 ,
      Sp3d5的分子結構,很像太陽系,
      中間一顆太陽(中心原子),外面環繞著九大行星的狀態(外圍原子)



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