用环数概念来讨论氯化铍几种存在形态的结构

属于缺电子化合物的氯化铍，除了以单体形式（BeCl₂）存在外，还可以二聚体（Be₂Cl₄）或多聚体[(BeCl₂)n]的面貌来出现。这些物质均有比较特殊的化学结构，本不宜于出现在中学化学教学中。

但在网上已出现了一些，有关其结构简式，及其中Be原子杂化类型的讨论。并给出了如下的“答案”：

其实，要想得出这些分子或巨分子中Be原子杂化类型，并不能都依靠价层电子对互斥理论；即便知道了其中Be原子杂化类型，再写出其结构式也不会是一件简单的、水到渠成的事情。

对于这些比较复杂的分子结构，还是用“环数”这个，能反映分子“结构特征”的化学概念来描述，才会更好一些。

一、环数简介^[1]

对于大量的非金属元素间以共价键结合起来的分子或离子，用归纳的方法可以得到一个，能描述其化学组成与结构特征间关系的数学式子。这个式子就是如下的环数式：

……（1）

式中的N是分子中的重原子数（分子中除了H与He之外的，其他非金属原子个数）；I为分子的价电子总数（所有原子的价电子数之和。而原子的价电子数就是其所在的主族数）；Ω是分子的环数（它反映了分子的结构特征）。

所谓的结构特征就是：

当Ω为1时，它意味着分子中有一个原子环（重原子以σ键连接而成的闭合环状结构），或有一个π键（当然这两个成键原子采取了sp²杂化。而其他原子仍为sp³杂化）；

当Ω为2时，分子则是两个原子环及两个π键，这4个结构因素中的两两组合体。如，

可以是分子中有两个原子环；

或有一个原子环和一个双键（其中两个相邻成键原子为sp²杂化）；

或有两个双键（有四个成键原子两两为sp²杂化—如丁二烯，或有一个原子采取sp杂化及两个相邻原子采取sp²杂化—如二氧化碳）；

或有一个叁键（有两个成键原子采取sp杂化—如乙炔）。

总之，一个分子环数，相当于一个原子环、或两个原子为sp²杂化、或一个原子为sp杂化。

二、BeCl₂的结构

就BeCl₂的组成，可知其N=3，I=2×1+7×2=16。

从环数式（1）可以计算出：

也就是BeCl₂的环数为2。

这就意味着，BeCl₂中的Be为sp杂化，而另外的两个Cl原子为sp²杂化。它应与CO₂的价键结构式一样（BeCl₂与CO₂互为等电子体），分子中有两个双键。

BeCl₂的价键结构式，如下左图。路易斯电子式如下中图（其中黑色圆点为Be的价电子，绿色的圆点为Cl的价电子）。

要注意的第一点是，在BeCl₂分子中，Be-Cl间并不是单键，而是双键。

还要注意的一点是，考虑到共轭效应的存在，在BeCl₂分子中实际上是有两个Π₃⁴大π键的（如上右图）。

这是因为，sp杂化的中心Be原子，还有两个未参与杂化的p轨道（尽管是空的）。这两个轨道都要参与到π键、或大π键的形成中来。

三、Be₂Cl₄的结构

就双聚分子Be₂Cl₄的组成，可知其N=6，I=2×2+7×4=32。

从环数式（1）可以计算出：

也就是Be₂Cl₄分子的环数为3。

对于这样一个原子数不多，环数却很大的分子。3个环数比较合适的分配方式是，分子中有一个原子环，及两个双键。

价键结构式如下左图。其中成双键的2个Be及2个Cl原子，均为sp²杂化。

路易斯电子式则如下中图。

考虑到共轭效应的存在，在Be₂Cl₄分子中的两个桥联Cl，不但与其他各Be原子和Cl原子都在同一个平面上，还会各提供出一个孤电子对，来形成一个遍及所有6个原子的Π₆⁸大π键（如上右图）。

四、对(BeCl₂)n结构的讨论

晶体氯化铍作为巨分子，其化学组成可以用(BeCl₂)n来表示。因此，可以用N=3n，I=2×n+7×2n=16n，来计算其环数。

从环数式（1）可以计算出：（由于n是一个极大的数，分子中的数字“2”可以被忽略）。

由于(BeCl₂)n的环数为n，这n个环数比较合理的分配方式就是，分子中有n个原子环（没有双键）。

在这种没有双键的分子中，当然是只有sp³杂化的原子（Be与Cl原子均为sp³杂化）。

其结构式如下图（其中有多个配键）：

该链状分子就能以这样的结构形式，不断地延伸下去。

作为巨分子结构的单体表示法（上中图），其中一个单体的路易斯电子式可绘制如上右图。

从上述三个例子不难看出，用计算环数的方法来讨论分子结构，不但可行，且有能统领全局的优势。

参考文献

[1] 伍伟夫. 环数式与分子的环数. 新浪博客.2022.2