分子组成与分子的极性

无论在中学化学教学中，还是在大学无机化学教学中，分子极性都是一个重要的教学内容，并且普遍被认为是教学的一个重点和难点。

一、与分子极性相关的一些概念

分子极性是由于分子的正负电荷重心是否重合而造成的，可以用静电学中的电偶极子来描述、用偶极矩的大小来度量。偶极矩可以用物理方法加以测定。其数值越大，分子的极性越强。其值为零，则表示分子完全没有极性。

分子是否有极性，与分子对称性有关。凡具有对称中心或具有对称元素公共交点的分子都是非极性分子。

分子是否有极性，与分子中心原子的杂化类型有关。当中心原子为等性杂化时，分子一定为非极性分子；当中心原子为不等性杂化时，分子很可能为极性分子。

分子是否有极性，决定了物质的性质。如，在极性分子间同时有取向力、诱导力和色散力存在，而在非极性分子间就只有色散力。又如，讨论物质的溶解性时，大家常常会用主要是指极性的“相似相溶”原理来给予解释。

所以，无论在中学化学教学，还是在大学化学教学中，作为多种化学知识和能力的一个集中体现点，分子极性的讨论都是教学中的一个重点。

二、判断分子极性的一般方法

由于学生的知识水平有差别，由于教学要求不同，在中学和大学的化学教学中所用的分子极性判断法是不同的。

（一） 中学化学教学中的方法

双原子分子的极性比较容易判别。由同种元素组成的单质分子，由于原子间的化学键为非极性键，所以双原子单质分子都是非极性分子；而不同种元素组成的双原子化合物分子则都是极性分子。对这一判据，学生理解起来没有任何困难。

对多原子分子，教师则要先描绘出指定教学范围内每个分子的空间构型，然后据分子空间构型的对称性，再告诉学生这些分子是否有极性。学生只能全靠记忆，来记住这些分子的空间构型和极性，而没有任何办法和能力去进行分子极性的判断。

（二） 大学化学教学中的方法[1]

大学生一般都能较多接触、并记住一些常见分子的空间构型，因而对这些分子极性的判断大有补益。但大学教学还是要求学生必须掌握一个判断分子极性的通用程序。对非过渡系ABm型分子，该程序为：

先用价层电子对互斥理论计算中心原子的价层电子对数，确定电子云的空间分布形状；

沿电子云的伸展方向，结合上配原子，得出分子的空间构型；

据分子空间构型的对称性（如是否有孤对电子、是否有不同种类的配原子），再确定分子是否有极性。

如对CO₂分子。其中C为中心原子，它的价电子数4。根据价层电子对互斥理论，2个O原子做为配原子时不向中心原子提供价层电子。这样C的价层电子数还是4，价层电子对数则为2，电子云为直线型分布。这两个电子云都要用于与相同的O配原子结合，无孤对电子，分子为对称的直线型，属于非极性分子。

对O₃分子。其中中心O原子，它的价电子数6。根据价层电子对互斥理论，另2个O原子做为配原子时不向中心原子提供价层电子。这样C的价层电子数还是6，价层电子对数则为3，电子云为三角形分布。考虑到3个电子云中，只有两个用于与O结合，另一个被孤对电子占据，分子为角型（或称折线型），无对称中心，是极性分子。

可见，在中学化学教学中分子极性的讨论是教学中的一个难点，在大学化学教学中分子极性的讨论是教学中的一个重点。

三、 分子组成与极性的关系

其实，由于分子的组成与其结构有关，对非过渡系ABm型分子或离子来说，分子极性的讨论应该可以从分子组成来入手。

根据等电子分子周期系，由等电子分子周期表或总配位数式，都可以很方便地确认出中心原子的杂化类型。而中心原子的所有杂化轨道，不是要用于与配原子成σ键、就是要被孤电子对所占据，无其它选择。

对称性理论告诉我们，中心原子采取等性杂化的分子一定为非极性分子。而某中心原子采取等性杂化的条件是，所有杂化轨道上都无孤电子对，且所有杂化轨道结合的配原子无电负性的差别（只能是同一种原子）。

这样，对非过渡系ABm型非极性分子的判别条件就可以归结为：中心原子杂化轨道不被孤电子对占据、且配原子仅为一种原子。

用总配位数式可以把这两个应同时满足的条件，用数学语言方便地表达出来：

对非过渡系ABm型分子或离子，总配位数式为

（I - 6m）/ 2 = Σ  ……（1）。

中心原子杂化轨道不被孤对电子占据、而全与配重原子结合时，可写为Σ= m；

配原子仅为一种原子时、不能同时有Bˊ和B″，即B只能是Bˊ、或者是B″，这样更不用额外再去加上角标；

再考虑到I = a + bm（其中a 为中心原子价电子数、b为每个配重原子的价电子数）。

这样，总配位数式可以被写为（ a + bm - 6m）/ 2 = m或 a = 8 m – b m，化简为

a = (8-b) m  ……（2）

式（2）就是描述非极性分子里，中心原子的价电子数、配原子种类及配原子个数间，固有的数学关系的一个式子。满足该式的分子一定为非极性分子。该式可以被命名为非极性分子判别式。用它可以很方便地判断出相当数量的（中学教学中的全部、大学无机化学教学中的绝大部分）非极性分子。

例：对CO₂分子。其中C原子的价电子数a = 4，O原子的价电子数b = 6，配原子数m = 2。代入式（2），有4 =（8-6）×2。等式成立，可以确定该分子为非极性分子。

四、 判断非极性分子的氧化数法

注意到（2）式中的a可以看作中心原子A的族价数、即最高正价（氧化数），(8-b)可以看作为配重原子B的最低负价的绝对值。

对任何稳定分子来说，正负化合价（氧化数）的代数和为零，恰巧也是用（2）式来描述的。所以，还可以更简单地用中心原子的氧化数来判断出该分子是否为非极性分子。

由分子组成来判断分子极性的方法，可以被更简单地表述为：对非过渡系ABm型分子，当中心原子为族价数、且配原子只有一种时，该分子为非极性分子。

这一判断非过渡系ABm型非极性分子的方法，可称为 “氧化数法”。

如BF₃、CO₂、CCl₄、PCl₅、SO₃、SF₆、IF₇、XeO₄…，中心原子均采取了族价数，且配重原子都只有一种，这些分子全是非极性分子。

在CH₄分子中，C为负4价。但该数值仍与元素族价数的绝对值相等，也满足非极性分子的判定条件，该分子也是非极性分子。

五、关于氧化数法逆命题的讨论

满足氧化数法所规定条件的分子一定是非极性分子，在化学教学中可以普遍使用。其逆命题“当中心原子不为族价数、或配原子不只一种时，该分子为极性分子”要是也能成立，那就更为方便了。

为此，要就中心原子杂化轨道部分被孤电子对占据、配原子不只一种原子，这两种情况分别进行讨论。

（一）孤电子对对分子极性的影响

对非过渡系ABm型分子，孤电子对对中心原子杂化类型的影响是显著的。只要中心原子有孤电子对，它就是不等性杂化。但在中心原子只有一种配原子的情况下，孤电子对对分子极性的影响，却要分几种情况来讨论：

当中心原子为sp杂化、sp²杂化或sp³杂化时，只要有孤对电子，该分子一定为极性分子；

中心原子为sp³d杂化时，考虑到孤电子对只能在三角双锥的腰间分布，当其孤电子对数为1或2时，该分子一定是极性分子；但当孤电子对数为3时，该分子反而是非极性分子；

中心原子为sp³d²杂化时，也要区分两种情况。只有当孤电子对数为2时（相对分布），该分子才是非极性分子；当孤电子对数为1时，该分子是极性分子。

例如：

sp杂化的CO ，sp²杂化的SO₂、O₃，sp³杂化的PCl₃、H₂O、OF₂，由于中心原子有孤电子对，这些分子均为极性分子。

sp³d杂化的SF₄和ClF₃，其孤对电子数分别为1和2，它们都是极性分子；而有3个孤电子对的XeF₂，由于孤电子对分布于三角双锥的腰部，2个F原子占据三角双锥的顶点，分子为直线型对称结构，所以是非极性分子。

属于sp³d²杂化的XeF₄，其2个孤电子对分布于八面体的两个相对顶点，4个F原子构成一个平面正方形。分子为正方形的对称结构，属于非极性分子。

逆命题不是完全成立的。对这两种氙化物就不成立。

（二） 配原子种类数对分子极性的影响

对非过渡系ABm型分子，当中心原子无孤电子对、且结合两种或两种以上的配原子时，无论中心原子采取sp杂化、sp²杂化还是sp³杂化，根据对称性来判断，该分子一定为极性分子。

例如：中心原子采取sp杂化的HCN、sp²杂化的SOCl₂、sp³杂化的CH₂Cl₂，都是极性分子。

对中心原子为sp³d杂化的情况，当配原子只有两种，且3个同种原子排布在三角双锥的腰部，另2个同种原子占据三角双锥的顶点2时，该分子一定是非极性分子。否则都是极性分子。

对中心原子为sp³d²杂化的情况，当有两种或两种以上的配原子时，只有同种配原子位于八面体的两个相对的顶点时，该分子才是非极性分子。

当然要讨论这种问题，都需要先给出分子中各原子的空间排布情况。不能仅由组成来判断分子极性。

六、 判断分子极性的简便方法

由上述的讨论可以看出，氧化数法的逆命题在相当大的范围内是可以被使用的，在中学化学教学中则完全可以被使用。

（一） 中学的非极性分子认定

“当中心原子为族价数、且配原子只有一种时，该分子一定为非极性分子”这是一个严格的判据，可以直接在教学中使用。

考虑到在中学化学教学范围内，所涉及的分子种类有限，不会遇到结构很复杂的分子。还可以不十分严格地认为“当中心原子不为族价数、或配原子不止一种时，该分子一般为极性分子”。

除上面所列举的例子外，还可以举出：

对NH₃、H₂S、NO₂这些分子，中心原子不是最高正价，虽然配重原子只有一种，它们也是极性分子。

COCI₂、CCI₂Br₂、POCI₃这些分子，中心原子虽为最高正价、但配重原子不只一种，它们是极性分子。

SOCl₂的中心原子既不为最高正价、且配重原子也不只一种，它是极性分子。

（二）大学化学教学中分子极性的判断

在大学基础化学或无机化学的教学范围内，要涉及到更多物种的分子极性的讨论。还常与分子或离子的对称性联系起来，或与中心原子是否为等性杂化等方面的判别相关，问题要复杂的多。

但在任何情况下，“当中心原子为族价数、且配原子只有一种时，该分子一定为非极性分子”的判据，都是严格适用的。并且满足这一判据，就可以说分子或离子有完全的对称性、其中心原子为等性杂化。

即使对如NO₃^-、CO₃^2-、PO₄^3-、SO₄^2-、ClO₄^-，及PCl₆^-、PCl₄⁺的离子，由于中心原子均为最高的正价、且配原子只有一种，他们的中心原子均为等性杂化，离子有完全的对称性。

而“当中心原子不为族价数、或配原子不止一种时，该分子为极性分子”判据则仅有一定的适用范围：

当中心原子为sp杂化、sp²杂化或sp³杂化时，可以使用这一判据；

例如：同属于sp²杂化的HCO₃^-、H₂CO₃，由于中心原子结合的配原子有区别（简单氧原子和羟基氧，所以它们的空间构型都为等腰三角形、中心原子为不等性杂化；属于sp³杂化的HSO₄^-、H₂SO₄，同样都为不规则四面体，中心原子为不等性杂化。

而当中心原子为sp³d杂化或sp³d²杂化时，则还要如本文的介绍来做进一步讨论。根据孤电子对的数目、或每种配原子的个数、甚至于还要给出分子中原子的空间排布情况，才能判断出该分子是否是有极性。  

如，中心原子为sp³d杂化的I₃^-，由于中心原子I不是最高正价，要做进一步分析。考虑到3个孤电子对排布在三角双锥的腰部，2个I配原子占据三角双锥的2个顶点，所以离子为直线型。虽然中心原子采取的是不等性sp³d杂化，但该离子为对称结构。

即使有上述这些规律，在大学化学教学中，也不宜让学生死记硬背这些判据。即便把上述判据的推导引入到教学中，也是为了使学生认识到这些东西是有规律的，使学生能加深对分子空间构型和结构知识的认识和理解。

 

参考文献：

[1] 北京师范大学等校编.无机化学（第三版），北京：高等教育出版社，1992年

[2] 伍伟夫.等电子原理与小分子结构规则.大连大学学报，2000.12，第21卷第6期：38-42

[3] 伍伟夫.等电子分子周期系.大学化学，2005年第1期：52-56