等電子體原理

1、揭秘化學(xué)競(jìng)賽新熱點(diǎn)等電子原理杭州市余杭高級(jí)中學(xué) 鄒定兵結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)是物質(zhì)性質(zhì)的本源，性質(zhì)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)。這是貫穿整個(gè)化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生需要重點(diǎn)掌握的物質(zhì)結(jié)構(gòu)思想。作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)選修模塊的拓展，等電子原理已成為各級(jí)化學(xué)競(jìng)賽試題的考查新熱點(diǎn)。主要是因?yàn)檫@類(lèi)試題所涵蓋的知識(shí)具有極強(qiáng)的輻射性和發(fā)散性特點(diǎn)，能較好的考查學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)原理的活用，特別是對(duì)該原理的遷移和邏輯推理能力。為了便于學(xué)生掌握這一考點(diǎn)，筆者對(duì)等電子原理進(jìn)行了分析、歸納，以供大家參考。1、等電子原理1919年，美國(guó)化學(xué)家Irving Langmuir在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)出一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，即等電子原理：

2、原子數(shù)相同，電子數(shù)相同的分子，結(jié)構(gòu)相似，物理性質(zhì)相近。具有等電子特征的微粒互稱(chēng)為等電子體。常見(jiàn)的等電子體如N2和CO，其性質(zhì)比較如表1。表1 CO與N2的性質(zhì)對(duì)比CON2原子個(gè)數(shù)電子總數(shù)價(jià)電子數(shù)成鍵特征離解能/kJmol-1熔點(diǎn)/K沸點(diǎn)/K密度/gcm-3臨界溫度/K臨界壓強(qiáng)/MPa21410共價(jià)叁鍵（一個(gè)鍵和兩個(gè)鍵，且有一個(gè)空的軌道）1075832530.7931333.621410共價(jià)叁鍵（一個(gè)鍵和兩個(gè)鍵，且有一個(gè)空的軌道）946772520.7961273.52、等電子原理運(yùn)用時(shí)需要注意的幾個(gè)問(wèn)題2.1 明確等電子原理的含義等電子原理中所講的“電子數(shù)相等”既可以是指總電子數(shù)相等（如CO和

3、N2，均為14），也可以是指價(jià)電子數(shù)相等（如N2和CN-，均為10）。因而互為等電子體的微粒可以是分子，也可以是離子。注意的是，若按價(jià)電子數(shù)相等計(jì)數(shù)時(shí)，此時(shí)價(jià)電子總數(shù)包括重原子（原子序數(shù)4）提供的價(jià)電子以及輕原子(H、He、Li)用來(lái)與重原子成鍵的電子，如N2和C2H2互為10電子體，其中，C2H2的總電子數(shù)就包括兩個(gè)H原子與C原子形成C-H鍵的電子。此外，等電子原理中所指的“原子數(shù)相等”通常指的是重原子個(gè)數(shù)相等；“結(jié)構(gòu)相似”也是針對(duì)重原子而言。因此，等電子原理也可以理解為：重原子數(shù)相等，總電子數(shù)相等的分子或離子，重原子的空間構(gòu)型通常具有相似性。2.2 明確等電子原理適用的范圍運(yùn)用等電子原理預(yù)

4、測(cè)分子或離子的空間構(gòu)型時(shí)，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為價(jià)電子數(shù)相等的兩種微粒即為等電子體，必須注意等電子體用于成鍵的軌道具有相似性。例如CO2和SiO2，若單從價(jià)電子數(shù)相等角度考慮，二者看似互為等電子體，實(shí)則不然，兩者的空間結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)。原因是，在CO2中，除了C原子以sp雜化軌道分別與2個(gè)O原子的p軌道以鍵結(jié)合，還有2個(gè)離域的鍵；而SiO2中Si原子以sp3雜化軌道分別與4個(gè)O原子的p軌道以鍵結(jié)合，同時(shí)，Si原子的d軌道還與O原子的P軌道形成了離域的鍵。因此，成鍵軌道是否具有相似性是運(yùn)用等電子原理判斷分子或離子空間構(gòu)型的前提。3、常見(jiàn)的等電子體中學(xué)常見(jiàn)的等電子體價(jià)電子數(shù)有8、10、14、16、18、24、

5、26、30、32、48十種，按照重原子總數(shù)的不同可以歸類(lèi)如下（表2）。表2 常見(jiàn)的等電子體及空間構(gòu)型等電子類(lèi)型常見(jiàn)等電子體空間構(gòu)型2原子10電子2原子14電子3原子16電子3原子18電子4原子24電子4原子26電子5原子8電子5原子32電子6原子30電子7原子48電子N2, CN-, C22-, C2H2, NO+F2, O22-, H2O2, N2H4, C2H6, CH3NH2, NH2OH, CH3FCO2, N2O, NCO-, N3-, NO2+, SCN-, HgCl2, BeCl2(g)，O3, SO2, NO3-SO3(g), CO32-, NO3-, BO33-, BF3 S

6、O32-, ClO3-, BrO3-, IO3-, XeO3CH4, SiH4, NH4+, PH4+, BH4-CCl4, SiF4, SiO44-, SO42-, ClO4-C6H6, N3B3H6(俗稱(chēng)無(wú)機(jī)苯)AlF63-, SiF62-, PF6-, SF6直線型直線型直線型折線型平面三角型三角錐型正四面體型正四面體型平面六邊型八面體型4、等電子原理的考查4.1考查等電子體的書(shū)寫(xiě)例1. （2005 湖北化學(xué)競(jìng)賽初賽試題）H2O2是一種綠色氧化劑，應(yīng)用十分廣泛。1979年化學(xué)家將H2O2滴入到含SbF5的HF溶液中，獲得了一種白色固體A。經(jīng)分析，A的陰離子呈八面體結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子與羥胺NH2

7、OH是等電子體。（1）確定A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。寫(xiě)出生成A的化學(xué)方程式。（2）若將H2O2投入到液氨中，可得到白色固體B。紅外光譜顯示，固態(tài)B存在陰陽(yáng)兩種離子，其中一種離子呈正四面體。試確定B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。（3）上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明H2O2的什么性質(zhì)？解析 本題第（1）、（2）問(wèn)是對(duì)等電子原理的間接考查。A的陰離子呈八面體結(jié)構(gòu)，結(jié)合題目所給信息，分析可知，A的陰離子應(yīng)該是PF6-的等電子體SbF6-；A的陽(yáng)離子與羥胺NH2OH是等電子體，同樣結(jié)合題干信息分析可知，陽(yáng)離子應(yīng)該是H3O2+。綜上所述，A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為H3O2+SbF6-。固態(tài)B存在陰陽(yáng)兩種離子，其中呈正四面體結(jié)構(gòu)的必為NH4+，陰離子應(yīng)該是H2O

8、2的等電子體HO2-，因此B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為NH4 OOH。答案（1）， （2）NH4 OOH（3）上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)說(shuō)明H2O2既具有酸性，又具有堿性。4.2 考查等電子體的結(jié)構(gòu)例2.（1998 全國(guó)化學(xué)競(jìng)賽試題）鋨的名稱(chēng)源自拉丁文，原意“氣味”，這是由于鋨的粉末會(huì)被空氣氧化為有惡臭氣味的OsO4(代號(hào)A，熔點(diǎn)40，沸點(diǎn)130)。A溶于強(qiáng)堿轉(zhuǎn)化為深紅色的OsO4(OH)22-離子（代號(hào)B）。向含B的水溶液中通入氨，生成C，溶液的顏色轉(zhuǎn)化為淡黃色。C十分穩(wěn)定，是A的等電子體，其中鋨的氧化態(tài)仍為+8。紅外譜圖可以檢出分子中某些化學(xué)鍵的振動(dòng)吸收。紅外譜圖顯示，C有一個(gè)四氧化鋨所沒(méi)有的振動(dòng)吸收。C的含鉀化合物

9、是黃色的晶體，與高錳酸鉀類(lèi)質(zhì)同晶。（1）寫(xiě)出C的化學(xué)式。（2）寫(xiě)出A、B、C最可能的立體結(jié)構(gòu)。解析：本題所給信息較多，但仔細(xì)分析之后不難發(fā)現(xiàn)，C物質(zhì)是眾多信息的核心，如C是OsO4(OH)22+與NH3反應(yīng)的產(chǎn)物；C是OsO4的等電子體；C的含鉀化合物（KC）與KMnO4類(lèi)質(zhì)同晶等。因此，解答本題最明智的做法是以C為中心建構(gòu)關(guān)系圖，理清相互間的聯(lián)系，從而確定C的組成。思考線索可圖解如下：C是OsO4(OH)22+與NH3反應(yīng)的產(chǎn)物表明C中應(yīng)該有N；C的含鉀化合物KC是KMnO4的類(lèi)質(zhì)同晶可確認(rèn)C是-1價(jià)離子；又知C是OsO4的等電子體且C中Os的氧化態(tài)仍等于+8，因此, 可確定C的化學(xué)式為Os

10、O3N-；這個(gè)結(jié)構(gòu)與C中有一個(gè)OsO4沒(méi)有的化學(xué)鍵恰好吻合。答案 （1）OsO3N- （2）例3.（1991 安徽化學(xué)競(jìng)賽試題）1919年Langmuir提出：“凡原子數(shù)與電子總數(shù)相等的物質(zhì)，則結(jié)構(gòu)相同，物理性質(zhì)相近”，稱(chēng)為等電子原理。相應(yīng)的物質(zhì)互稱(chēng)為等電子體。(BN)n是一種新的無(wú)機(jī)合成材料，它與某單質(zhì)互為等電子體。工業(yè)上制造(BN)n的方法之一是用硼砂和尿素在10731273K時(shí)反應(yīng)，得到-(BN)n 及其他元素的氧化物，-(BN)n 可作高溫潤(rùn)滑劑、電器材料和耐熱材料等。如在更高的溫度下反應(yīng)，可制得-(BN)n， -(BN)n硬度特別高，是作超高溫耐熱陶瓷材料、磨料、精密刀具的好材料。試

11、問(wèn)：（1）它與什么單質(zhì)互為等電子體？（2）寫(xiě)出硼砂與尿素反應(yīng)的方程式。（3）根據(jù)等電子原理畫(huà)出-(BN)n 和-(BN)n的結(jié)構(gòu)。解析 由于BN的價(jià)電子數(shù)=3+5=8，(BN)n的價(jià)電子數(shù)為8n（24n），運(yùn)用等量異質(zhì)替換(BN)n(C2)n。再根據(jù)題中所給信息，與碳的同素異形體進(jìn)行類(lèi)比，可知與金剛石和石墨的價(jià)電子數(shù)（4n）相等（n，4n與24n相等）。由此可推知：-(BN)n 結(jié)構(gòu)與石墨相似，而-(BN)n 與金剛石相似。答案（1）-(BN)n、-(BN)n與石墨、金剛石互為等電子體。（2）nNa2B4O7 + 2nCO(NH2)2 = 4(BN)n + Na2O + 4nH2O +2nCO

12、2（3） -(BN)n -(BN)n4.3 考查等電子體的性質(zhì)例4.（2010 浙江化學(xué)競(jìng)賽試題）下圖中，A、B、C、D、E、F在常溫時(shí)均為氣體，A、B分子中的電子數(shù)相同，G、H均為含氧化合物，其中反應(yīng)生成的水及含銅化合物均略去，反應(yīng)條件未注明。試根據(jù)上圖各物質(zhì)間的變化回答下列問(wèn)題：（1）寫(xiě)出X的化學(xué)式 ；（2）寫(xiě)出物質(zhì)C和Y的電子式：C 、Y ； （3）反應(yīng)的化學(xué)方程式 ； （4）反應(yīng)的離子方程式 ； （5）在上述各步反應(yīng)中，有兩種物質(zhì)既做氧化劑又做還原劑，它們是 、 。 解析 這是一道典型的框圖推斷試題，解這類(lèi)試題的關(guān)鍵是要找到“突破口”。本題的解答可從Z物質(zhì)入手，根據(jù)Z與Cu反應(yīng)產(chǎn)物的不

13、同，可初步判斷Z為HNO3，進(jìn)而推測(cè)D為O2，E為NO， F為NO2，H為H2O。O2能夠與A反應(yīng)產(chǎn)生NO氣體，則A可能為NH3或N2。又A與B具有相同電子數(shù)，可以大膽的猜測(cè)，如果A為N2，則B為其等電子體CO。顯然，很難在中學(xué)化學(xué)范圍內(nèi)找到一種能夠與堿石灰作用產(chǎn)生N2和CO混合氣體的物質(zhì)。因而，可以推測(cè)A為NH3，B為其等電子體CH4，余皆迎刃而解。答案（1）CH3COONH4（2）C的電子式為 Y的電子式為 （3）反應(yīng)的化學(xué)方程式: （4）反應(yīng)的離子方程式: （5）Na2O2、NO2例5.（2008 全國(guó)化學(xué)競(jìng)賽備用試題） POCl3和NH3作用生成一種易溶于水的晶體C，它在NaOH溶液中

14、水解濃縮得化合物D，D于483K時(shí)置于真空條件下發(fā)生縮合反應(yīng)生成E，數(shù)天后將E在水中重結(jié)晶得到含十個(gè)結(jié)晶水的鹽類(lèi)F，F(xiàn)和十水焦磷酸鈉是等電子體。（1）寫(xiě)出POCl3和NH3作用生成C的反應(yīng)方程式。（2）寫(xiě)出C在NaOH溶液中水解生成D的反應(yīng)方程式。（3）寫(xiě)出D轉(zhuǎn)變?yōu)镋的反應(yīng)方程式，畫(huà)出E的陰離子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。解析 本題可采用逆推法解答，首先確定F的化學(xué)式，其余物質(zhì)皆追根溯源可一一確定。由于F與十水焦磷酸鈉是等電子體，結(jié)合題意可以確定F為，所以E為。又因?yàn)镈通過(guò)縮合反應(yīng)可以生成E，故不難確定D為，從而最終確定C為。答案（1）（2）（3） 附錄資料：不需要的可以自行刪除 試講機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)械基礎(chǔ) 6-1平

15、面連桿機(jī)構(gòu)【課題】平面連桿機(jī)構(gòu)（高等教育出版社機(jī)械基礎(chǔ)（機(jī)械類(lèi)）（第二版）第6章第1節(jié)第1課時(shí)）【課時(shí)】1課時(shí)（40分鐘）【教材分析】機(jī)械基礎(chǔ)是中等職業(yè)學(xué)校機(jī)械專(zhuān)業(yè)的一門(mén)綜合性基礎(chǔ)課，在制造、維修、使用常用的機(jī)械設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)時(shí)，必須具備力學(xué)、材料、機(jī)構(gòu)與機(jī)械零件的相關(guān)知識(shí)；而常用機(jī)構(gòu)是機(jī)器工作的基礎(chǔ)之一，在生活工作中都能發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，這為教學(xué)的情境創(chuàng)設(shè)提供了條件。【學(xué)情分析】 針對(duì)職高學(xué)生的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)相對(duì)較差，對(duì)理論學(xué)習(xí)普遍缺乏興趣，但善于觀察、喜歡動(dòng)手操作，尤其是當(dāng)課本上的知識(shí)與實(shí)際生活相聯(lián)系時(shí)，他們會(huì)產(chǎn)生很濃厚的興趣。故本堂課是以學(xué)生為本，貫穿啟發(fā)式教學(xué)方法和實(shí)例教學(xué)法，在生活實(shí)例

16、與課本理論知識(shí)之間找到契合點(diǎn)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。【教學(xué)目標(biāo)】認(rèn)知目標(biāo)：1、了解平面連桿機(jī)構(gòu)的概念；掌握鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式和判斷方法。能力目標(biāo)：通過(guò)對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各種類(lèi)型的觀察，增強(qiáng)學(xué)生觀察分析能力。情感目標(biāo)：利用實(shí)例教學(xué)法，讓學(xué)生學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生積極而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)、獨(dú)立思考的科學(xué)態(tài)度；從而為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)職業(yè)崗位技術(shù)、形成職業(yè)能力打下基礎(chǔ)。【重點(diǎn)難點(diǎn)】重點(diǎn)：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成、基本形式和機(jī)構(gòu)類(lèi)型的判別。難點(diǎn)：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的判別?！窘虒W(xué)平臺(tái)與資源】 平臺(tái)：教室； 資源：自制教具、教學(xué)模型?！窘虒W(xué)過(guò)程】新課引入當(dāng)今時(shí)代，人們出行最常利用的交通工具是什么呢?公交車(chē)或小汽車(chē)公交車(chē)

17、的車(chē)門(mén)是如何實(shí)現(xiàn)啟、閉的？小汽車(chē)又是如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的呢？這些都與本節(jié)課的內(nèi)容相關(guān)！目標(biāo)達(dá)成預(yù)測(cè)：用現(xiàn)代生活中的交通工具中的工作原理來(lái)吸引學(xué)生的注意力，點(diǎn)明本課程的主題。講授新課1.平面連桿機(jī)構(gòu)：平面連桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件是用銷(xiāo)軸、滑道等方式連接起來(lái)的，各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均在同一平面或相互平行的平面內(nèi)。結(jié)合模型說(shuō)明平面連桿機(jī)構(gòu)的組成，及平面連桿機(jī)構(gòu)中“平面”的含義。2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)（1）組成 （簡(jiǎn)圖） 連架桿中能繞其回轉(zhuǎn)中心作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱(chēng)為曲柄；連架桿中不能繞其回轉(zhuǎn)中心作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱(chēng)為搖桿。（2）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本形式曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：一個(gè)曲柄，一個(gè)搖桿雙搖桿機(jī)構(gòu)：兩個(gè)搖桿雙曲柄機(jī)構(gòu)：兩個(gè)曲柄 （3）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)三種基本類(lèi)型的判別提問(wèn)：用不同桿件作機(jī)架，會(huì)得到什么結(jié)果？如下圖。 結(jié)論：三種形式的根本區(qū)別在于連架桿是否為曲柄。而連架桿能否成為曲柄，取決于機(jī)構(gòu)中各桿件的相對(duì)長(zhǎng)度和最短桿所處的位置。目標(biāo)達(dá)成預(yù)測(cè)：通過(guò)上述過(guò)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的