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如何比较NH3和NF3的键角大小?

键角是共价键的键参数之一,在多原子分子中,2个相邻共价键之间的夹角称为键角。键角是描述分子空间结构的重要参数,分子的许多性质都与键角有关。

那么,如何判断分子键角的大小呢?

(1)确定中心原子的杂化类型。

根据VSEPR理论,中心原子分别为 sp3、sp2和 sp 杂化时,它们对应VSEPR 模型的键角分别为 109°28’、120°、180°。因此,先确定分子中中心原子的杂化类型,即可大致判断键角的大小。

(2)确定中心原子的孤电子对数目。

在杂化类型相同的条件下,中心原子的孤电子对数越多,键角越小。

中心原子周围存在孤对电子和键合电子时,键合电子对受到左右两端带正电的原子核的吸引,而孤对电子对只受到一端原子核吸引,相比之下,孤对电子对较“胖”,占据较大的空间,而键合电子较“瘦”,占据较小的空间。由于中心原子的孤对电子的电子云肥大,对其他电子对有较大的排斥力,所以孤对电子能使其他电子对之间彼此离得更近,键角被压缩而变小。一般地,孤对电子与孤对电子间的斥力>孤对电子与键合电子间的斥力>键合电子与键合电子间的斥力。孤电子对数越多,键角越小。

(3)看中心原子电负性或配位原子电负性的大小。

在杂化类型和孤电子对数相同的条件下,中心原子电负性越大,键角越大;配位原子的电负性越大,键角越小。

当分子中杂化类型和孤电子对数相同时,中心原子的电负性越大,中心原子和配位原子之间的成键电子对更靠近中心原子(即中心原子周围的电子云重叠越密集),成键电子对间的斥力更大,键角更大。反之,中心原子电负性小的分子,成键电子对更远离中心原子,成键电子对间的斥力更小,键角更小。

同理,当中心原子相同、配位原子不同时,配位原子的电负性越大,相邻的2个成键电子对越远离中心原子,相互间的斥力越小,键角越小。反之,键角越大。

参照上述方法,具体来比较NH3和NF3的键角大小。

首先,据VSEPR理论可判断出 NH3和 NF3均为 sp3杂化,且孤对电子数相同,中心原子相同(都是N)。配位原子H的电负性小于F,在NH3中成键电子对偏向电负性较大的氮原子一边,氮原子周围成键电子对的斥力较强;在NF3中成键电子对偏向电负性较大的氟原子一边,因此成键电子离N原子更远,2个N-F键间的斥力较小、可以靠的更近,所以其键角较小。

实际上,NH3的键角是107.3°,NF3 的键角是102.5°,与以上推测是吻合的。(注意:虽然 NH3中的∠HNH大于 NF3中的∠FNF,但对于 PH3与 PF3的键角大小比较,与上述 NH3与 NF3的比较结论却是相反的,即 PH3中的∠HPH小于 PF3中的∠FPF。这是因为在 PF3分子中,F原子上的孤对电子对会占有P原子的3d空轨道,形成了d-pπ键,从而增强了P原子周围的电子云密度,使成键电子对之间的排斥力增大,所以键角变大。)

参考文献

[1]北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学无机化学教研室.无机化学(上册)[M].4 版.北京:高等教育出版社,2003:70,72-74.

[2]课程教材研究所.普通高中教科书(选择性必修2).物质结构与性质[M]北京:人民教育出版社.2019:38.

(责任编辑:化学自习室)
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