在体育运动中应用心理生理学的广泛性与重要性

正四面体的结构与稳定性 ????? 正四面体的结构与稳定性 江苏省如皋市丁堰中学 冒春建 226521 物质的组成、结构决定物质的性质。如果某物质具有稳定的空间构型，就有稳定的性质。 那么怎么样的空间构型才是稳定的呢？按照价键理论，只要化学键的键角方向与其成键原子 的价电子云在空间的伸展方向一致，则成键原子间的作用力最强烈，而成键电子与成键电子 之间的排斥力最小（即通常所说的“键角张力”），非成键原子或原子团之间的空间距离最大， 达到最大程度的舒展，使非成键原子或原子团间的空间位阻最小，具有这样的结构其内能最 小，结构稳定。 正四面体结构是中学生所遇化学物质中最常见的空间构型之。例如，原子晶体中的金刚 石、晶体硅、水晶等，它们的熔沸点高、硬度大，通常情况下很难跟一般的化学试剂反应， 表现出较强的稳定性；分子晶体中的甲烷、四氯化碳等，它们在通常情况下与大多数化学试 剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂等都不起反应，也表现出较强的稳定性。这是什么原 因呢？因为在这些物质中，碳原子、硅原子都是以四个sp3杂化轨道与其相邻的四个原子形成典型的共价键基团“CC4”、“SiSi4”、“SiO4”或小分子“CH4”、“CCl4”，它们的键角方向与其中心原子的四个sp3杂化轨道的空间伸展方向一致，均为109o28'，不存在“键角张力”。 并且它们的成键原子的电子云之间达到最大程度的重叠，键能大，内能低，结构稳定，所以 它们的性质也稳定。 我们知道，浓硫酸中+6价的硫具有强氧化性，而稀硫酸中同样为+6价的硫却没有氧化性，这是为什么呢？在浓硫酸中，+6价的硫绝大多数是以H2SO4分子形式存在，而H2SO4分子的空间构型是不规则的四面体： a=155pm ?ab=1160 b b=142pm ?ac=1040 a c c=152pm ?ad=1120 d d=143pm ?bc=900 ?bd=1170 ?cd=1090 显然，由上述结构示意图和有关数据可以看出，在H2SO4分子中O—S—O键的键角与硫原子的四个sp3杂化轨道的空间伸展方向（夹角为109028’）不一致，化学键之间存在较强的“键角张力”，内能较大。并且四个S—O键的键长不等，使位于中间的+6价硫原子的周围空间相对来说有一定的空隙，易受到具有还原性微粒的攻击，夺得电子，从而表现出氧化 性。在稀硫酸中，+6价的硫原子是以自由移动的SO42-离子形式存在，而SO42-离子的空间构型是正四面体： 109028' 149pm 所有的S—O键都是沿着硫原子的四个sp3杂化轨道在空间的伸展方向成键，不存在化 学键之间的“键角张力”，四个S—O键的键长、键能完全相同，四个氧原子均匀地、等距离 地分布在硫原子周围，使位于正四面体中心的+6价硫原子难以被其它原子或原子团攻击， 也就没有得电子的可能性，故稀硫酸中+6价的硫没有氧化性。又如，氨气和硝酸中的氮元 素分别处于最低价态-3价和最高价态+5价，按理说，前者具有较强的还原性，后者具有很 强的氧化性，两者相遇应发生强烈的氧化还有反应，而事实上，它们之间发生的是非氧化还 原反应（简单的化合反应），这又是什么原因呢？这是由于NH3分子中的氮原子在成键时的 四个sp3杂化轨道有一个被自身的孤对电子占领，当它遇到H+后很快形成N?H配位键，变成NH4+离子。而NH4+离子的空间构型又是正四面体，四个N—H键的键长、键能均完全一样，键角均为109028’，与N原子的四个sp3杂化轨道的夹角完全吻合，不存在“键角张力”；四个氢原子也均匀地分布在氮原子周围，使位于中心的-3价氮原子难以被其它原子 或原子团进攻。故氨气在遇到硝酸、浓硫酸等酸性强氧化剂时，表现不出还原性。但是，当 NH3在一定条件下，遇到CuO、Cl2等氧化剂时又表现出一定的氧化性。这是因为NH3分子中，N原子的四个sp3杂化轨道中有一个被孤对电子占用，根据价电子对互斥原理，N—H键间的夹角受孤对电子的排斥挤压，键角不再是109028’，而是1070，故NH3分子中氮原子的周围空间不是被氢原子均匀包围，氮原子的价电子云有了一定程度的“裸露”，较易受到其它氧化性微粒的进攻，从而表现出一定的还原性。 也许有人要问：白磷分子不也是正四面体结构吗？为何白磷的性质又很活泼呢？在白 磷分子中每个磷原子用它的3个p轨道与另外三个磷原子的p轨道间形成三个σ键时，这种纯p轨道间的键角应为900，实际上却是600，所以P4分子具有较强的“键角张力”，这种张力的存在使每一个P—P键的键能减弱，易于断裂，从而导致白磷在常温下具有较高的化学 活性。 综上所述，当物质具有体心正四面体结构时，其中心原子在成键时的价电子云伸展方 向与它所形成的化学键方向一致，非成键原子间呈最大程度的舒展，不存在“键角张力”，内能最低，结构稳定，决定着其性质亦稳定。 参考资料：1、《无机化学》上、下册/北京师范大学无机化学教研室等编 *3版* ——北京：高等教育出版社，1992.9(2000重印). 2、《物质结构》/潘道皑等编 *2版* ——北京：高等教育出版社，1989.5(1999重印). 豆丁致力于构建全球领先的文档发布与销售平台，面向世界范围提供便捷、安全、专业、有效 的文档营销服务。包括中国、日本、韩国、北美、欧洲等在内的豆丁全球分站，将面向全球各地 的文档拥有者和代理商提供服务，帮助他们把文档发行到世界的每一个角落。豆丁正在全球各地 建立便捷、安全、高效的支付与兑换渠道，为每一位用户提供优质的文档交易和账务服务。