鍵角,是某原子與另兩個原子所成共價鍵間的夾角。是表示分子空間構型的基本參數之一。在高中化學階段,利用價層電子對互斥模型理論比較分子中鍵角的大小,是價層電子對互斥模型理論的具體運用,也是高考化學的必備基礎知識。分子的鍵角到底與哪些因素有關?如何比較不同物質中的鍵角大小?鍵角大小比較有何規律?
一、中心原子雜化類型對鍵角大小有決定性的影響
中心原子採取不同的雜化形式時,其雜化軌道的空間分布情況及雜化軌道之間的夾角是各不相同的。這是決定鍵角大小的最根本的原因。
由雜化理論很容易得到如下的結果:中心原子採用sp雜化,則鍵角為180°,中心原子採用sp2雜化,則鍵角為120°,中心原子採用sp3雜化,則鍵角為109°28',對於sp3d、sp3d2、sp3d3的中心原子雜化高中暫不討論。
例1:比較CH4、BF3、CO2三種分子的鍵角大小。
分析:因為CH4分子中中心原子採用sp3雜化且中心原子上無孤電子對,則H—C—H鍵角為109°28', BF3分子中中心原子採用sp2雜化且中心原子上無孤電子對,則F—B—F鍵角為120°, CO2分子中中心原子採用sp雜化且中心原子上無孤電子對,則O—C—O鍵角為180°。
二、中心原子孤電子對數目對鍵角的影響
在中心原子雜化類型相同時、由於其配原子的個數可能不同,也就是孤電子對數目會有區別,這時鍵角也會是有區別的。這是由於中心原子的孤對電子的電子云肥大,對成鍵電子對有較大的排斥力,所以孤對電子能使成鍵電子對彼此離得更近,鍵角被壓縮而變小。且中心原子的孤電子對數越多,鍵角會變得越小。
例2:比較CH4、NH3、H2O三種分子的鍵角大小。
分析:三種分子的中心原子都採用sp3雜化,但中心原子C上無孤電子對,中心原子N上有一對孤電子對,中心原子O上有兩對孤電子對,根據孤電子對對數越多,對成鍵電子斥力越大,鍵角被壓縮而變得更小。所以CH4中H—C—H鍵角為109°28', NH3中H—N—H鍵角為107°,而H2O中H—O—H鍵角為104.5°。
三、配原子電負性對鍵角的影響
當中心原子為同一種原子、雜化類型也相同,而配原子種類不同時,由於配原子的電負性不同,會使鍵角有區別。因為當相鄰的兩個成鍵電子對更靠近中心原子時、相互間的斥力會增大。反之,當相鄰的兩個成鍵電子對遠離近中心原子時、相互間的斥力會變小。
例3、比較NH3、NCl3鍵角大小。
分析:NH3和NCl3兩種分子中,中心原子相同,雜化方式相同,可以認為中心原子N上的一對孤電子對對各成鍵電子斥力相差不大,但Cl的電負性大於H,使得N—Cl鍵中的共用電子對更偏向於Cl,從而使N—Cl鍵之間的斥力小於N—H鍵之間的斥力,所以NH3分子的鍵角更大。
例4、比較CH3Cl中H—C—H鍵角和H—C—Cl鍵角的大小。
分析:中心原子C有三個C—H鍵,一個C—Cl鍵。因為Cl的電負性比H大,使得C—Cl鍵之間的共用電子對偏向C—Cl鍵,從而使C—Cl鍵與C—H鍵之間的斥力變小,而C—H鍵與C—H鍵之間的斥力更大,所以,CH3Cl中H—C—H鍵角大於H—C—Cl鍵角。
四、中心原子電負性對鍵角的影響
當中心原子屬於同一主族,但雜化類型相同、且配原子種類相同時,中心原子的電負性大,成鍵電子對更靠近中心原子,成鍵電子對間的斥力要變大,鍵角要變大。
例5:比較H2O、H2S分子中鍵角的大小。
分析:中心原子O、S雜化方式相同,兩對孤電子對對成鍵電子的斥力近似相同,但O的電負性大於S,使得O—H鍵之間的斥力更大,H2O中鍵角更大。
五、單鍵與雙鍵對鍵角的影響
在同一個分子中,與單鍵相比較,雙鍵的成鍵電子數目要多一些,對另一單鍵電子對的斥力也要更大些。雙鍵的存在,可以使與其相鄰的由單鍵組成的鍵角變小。
例6:比較COCl2中Cl—C—O和Cl—C—Cl的鍵角大小。
分析:中心原子C與O形成C=O, C=O對C—Cl的斥力要大於C—Cl對C—Cl的斥力,所以,Cl—C—Cl的鍵角更小。
六、單一孤電子與孤電子對對鍵角的影響
單一孤電子對成鍵電子的斥力肯定比孤電子對對成鍵電子的斥力小,通過實測NO2分子中O—N—O的鍵角為134°,比120°大,說明單一孤電子對成鍵電子的斥力比成鍵電子與成鍵電子間的斥力還小。
例7:比較NO2+、NO2、NO2-的鍵角大小。
分析:NO2+中,中心原子N採用sp雜化,其鍵角為180°;NO2中,中心原子N採用sp2雜化,因為存在一個單電子沒參與成鍵,而單電子對成鍵電子的斥力小於成鍵電子之間的斥力,所以其鍵角大於120°,為134°;NO2-中,中心原子N採用sp2雜化,因為存在一對孤電子對,而孤電子對對成鍵電子的斥力大於成鍵電子之間的斥力,所以其鍵角小於120°,為114.9°。
綜上所述,得用價層電子對互斥模型理論判斷鍵角大小時,互斥作用的相對大小為:孤電子對-孤電子對>孤電子對-成鍵電子對>成鍵電子對-成鍵電子對>單一孤電子-成鍵電子對。當然,影響鍵角的大小還有其它因素,比如配位原子或原子團的大小,在高中階段不常見,不需要進行深入討論。