臭氧分子中的键是非极性键吗

臭氧分子中的键是非极性键吗

濮阳油田第二高级中学武圣君

目前，中学化学教师对O3分子中的键是否是非极性键存在着不同的看法。笔者认为，臭氧分子中的键是极性共价键，其理由如下。

一、现代价键理论的论证

现代价键理论认为，臭氧分子中，中心氧原子利用其sp2杂化轨道中的两个未成对电子，分别与另外两个氧原子中的一个未成对电子相结合，占据2个杂化轨道，形成2个σ键。中心氧原子的未杂化的轨道由孤对电子占据，又与两个配位氧原子（各提供1个电子）形成一个由3个氧原子共同拥有4个电子的离域大π键（Π34），此键垂直于分子平面（图1）。

由于Π34中的4个π电子平均分布在3个氧原子的分子轨道中，所以中心氧原子供给的2个电子，又部分的被两边的氧原子所共有，致使两个原子核所形成的正电荷重心和由电子形成的负电荷重心不再重合，因此O3分子中的键是极性共价键[图2（a）].

二、科学实验结果的证实

科学实验测得，臭氧分子中的键角为116.8°，键长为1.278×10 – 10 m（该键键长正好介于氧原子间单键键长1.48×10 –10 m与双键键长1.12×10 –10 m 之间）[1] [图2（b）]。臭氧分子电偶极矩为1.77×10 – 30 C·m（即0.53德拜）[2]。

实验结果表明：O3分子中氧原子间的键是介于单键与双键之间的重叠，且一定是极性键。这是因为分子电偶极矩是各单个键电偶极矩的矢量和。若电偶极矩不等于零，则是极性分子。若为极性分子，则分子内必存在极性键。

三、分子中氧原子电荷分布的计算

根据O3分子的电偶矩和分子中的键角，可以计算出O3分子

中O—O键的电偶极矩μ'为：

假设O3分子中Π34键是离子型，那么每个配位氧原子的电荷的绝对值应等于1.60×10 – 19 C，在这种情况下，O3分子中的O—O键的电偶极矩应为：

μ' = q·d = 1.60×10 – 19 C ×1.278×10 – 10 m

= 20.4×10 – 30 C·m

但实际测得O3分子中O—O键电偶极矩只有1.70×10 – 30 C·m，占100%离子键时所得数值的比例为：

即O3分子中O—O键的离子性为8.3%。这说明O3分子中氧原子的电荷分布情况是：配位氧原子为－0.083，中心氧原子为+ 0.166。

综上所述，O3分子是含有极性键的极性分子。

那么，根据电负性来判断键的极性时，有些教师为什么会得出O3分子中的键是非极性键的结论呢？这是因为利用成键原子的电负性差值判断键的极性时，不能忽视的一个重要因素就是：同种元素的原子，其成键的原子轨道不同，或电子云的重叠不同，则元素的化合价不同，电负性的值也不同。在O3分子中，配位氧原子与中心氧原子的成键的原子轨道和电子数均不同，导致中心氧原子带部分的正电荷，配位氧原子带部分负电荷。即O3分子中氧的实际价态不同，其电负性差值不为零，因此，O3分子中的键是极性键。这与前面的论述是完全一致的。

参考文献

1 北京师范大学，等. 高等学校教材无机化学上册. 第3版. 北京：高等教育出版社，1992. 452

2 印永嘉. 大学化学手册. 第1版. 济南：山东科学技术出版社，1985. 1035

说明：

本文发表在《中学化学》2001年第5期——“教学-备课札记”栏目。