硼元素的成键特征.docx

硼元素的成键特征 胡征善 、问题的推出 分子或离子的直线型、V型、三角锥型、白磷的正四面体型、 C60的足球状 等空间构型均体现了分子或离子中原子间的共价键，而四面体型 （如四价单键碳 原子）、三角双锥型（如PCI5）、八面体型（如SF6）等均是配位原子两两连接的“虚 设”图形，中心原子与配位原子的共价键并非是这些图形顶点的连线。正因为 例如:如此，高中化学教学或命题中常混淆了“虚设”的连线和共价键, 例如: 【试题】晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体，其中含 有20个等边三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角各有一个硼原子， 如图所示，请回答： TOC \o 1-5 \h \z （1）B — B键键角为 ； ⑵晶体硼中硼的原子个数为 _； B — B键有 条。 【答案】（1）60° （ 2）12 30 据此图来回答B — B的键角和共价键数显然是不正确的。因为 B原子的电子组态为 2s22p1, 常采取sp2杂化或sp3杂化，每个B原子最多只能形成 4个共价键。 例如，四硼酸根离子[B4O5QH） 4]: 而据此图回答，在硼晶体的结构基元中每个 B原子有5个共价键。 二、硼元素成键的复杂性 硼原子的成键特征 2c-2e —键 3c-2e—键 6c-5e—键 B — H B — B 氢桥键 厂f 开放式硼桥键 厂f 关闭式硼键 人 H原子s-杂化轨道 B原子p-杂化轨道 杂化轨道间 A A 例如：乙硼烷: B4H10： B5H9: B5H9: 每个B形成1个2c-2e—B — H键，4个B2两两分别与4个H原子形成4个 氢桥键，每 个B2各提供1条轨道和1个e—，Bi提供余下的3条轨道和2个e—,共7条轨道6个e—, 用4条轨道和4个e—形成2个2c-2e— B — B键，再用 3条轨道和2个 e—形成3c-2e V .键。 硼元素除了能形成一系列硼烷外，还可形成一系列硼烷原子簇阴离子，如： B6H62—B7H72—B8H B6H62— B7H72— B8H82— B 9H 92— B10H10 2 — 2— B11H11 2 B12H 12 、韦德（Wade）规则 1971年英国化学键K .Wade在分子轨道法的基础上提出了预言硼烷硼烷衍生物及其它原子 簇合物的结构。其基本内容为： .原子簇合物的结构决定于其骨架成键电子对数； .原子簇合物分子是以三角形面为基本结构单元的多面体； .如果多面体的全部n个顶点都有骨架原子——闭式结构， BnHn2—或BnHn+2 .如果多面体中有1个顶点无骨架原子——开式 （巢式）结构，BnHn4—或BnHn+4 .如果多面体中有2个相邻顶点无骨架原子——网式 （蛛网式）结构，BnHn6—或BnHn+6 .如果多面体中有3个相邻顶点无骨架原子——敞网式结构， BnHn6—或BnHn+6 硼烷和硼烷原子簇阴离子 硼烷 BnHn+2 BnH n+4 B nHn+6 B nH n+8 硼烷簇阴离子 BnHn2— BnHn4— BnHn6— BnHn8— 骨架电子对数 n+1 n+2 n+3 n+4 实例 m 2— 2— B6H6 B 12H12 B5H9、B6H10、 B10H14 B3H9、B4H10、 B5H11、B6H 12 B8H16 closo （闭式） nido（巢式） arachno（蛛网式） hypho（敞网式） 【习题】结合表中实例求证韦德规则 （硼烷和硼烷原子簇阴离子中B原子数n与骨架电 子对数的关系）。 四、硼晶体及其化学键 硼晶体有 a菱形、3■菱形、四方型、六方型、三方型等 16种同素异形体。其中 a菱形硼 晶体的结构（每个B12结构单元为二十面体，30条棱）。在一个封闭型-Bn骨干中，只有3个 2c-2e— B — B 键，（n—2）个 3c-2e」?键。 B12共有36个电子，进行如下分配： （1）B12二十面体内成键，由 多面体顶角 Wade规则”确定：多面体顶点数 n=12，成键轨道 数n+1=13（每条棱不是化学键），其中有3个2c-2e— B— B键，10个3c-2e—丿“键，用去电子 数2（n+1）= 26。成键情况如下图所示： 相邻B原子之间的键长分别为 173 pm、178 pm、179 pm，平均值177 pm。二十面体的 排列可将其点阵划分成六方晶胞，晶胞参数 a°=490.8 pm， co=1256.7pm。 （2） 顶部和底部：顶部（3、 9）和底部（5、6、11）各 3个B原子与上下两层的另外 2 个B12各3个B原子形成 6个2c-2e— B — B键（B — B 171 pm），分摊到该 B12中共用去 6 2e—/2=6e —； （3） 腰部6个B原子：每个 B12单元的6个B原子（1、2、7、12、10、4）与同一平面