《无机化学》课程教学资源（文献资料）分子结构（键级计算——高中化学竞赛中的键级问题）

°76·化学教育2011年第4期化学竞赛中的键级问题化学奥林匹克田益民2陈凯3（1.江苏姜堰中学化学教研组2255002.南京师范大学化学与材料科学学院江苏南京210097；3.南京晓庄学院生物化工与环境工程学院江苏南京211171）摘要在各省的竞赛试题和全国的竞赛试题中，以“键级”为主题的考题不多。不过也正因为如此，化学教师与竞赛选手对该考点通常认识不够，难以应付。本文从价键理论、分子轨道理论、电子空位对假说、等电子体原理4个角度，结合理论和实例初探键级计算的相关问题。关键词键级价键理论分子轨道理论电子空位对假说等电子体原理化学奥赛中国化学会颁发的《全国高中学生化学竞赛基对FHNINRHRRNRRN0()(I)本要求》（以下简称“基本要求”）旨在明确全国高中学生化学竞赛初赛及决赛试题的知识水平，作为试(I)、（II)中形式电荷小，相对稳定，而形式（II)题命题的依据，同时这也应该是化学竞赛教练员的中形式电荷高，而且相邻2原子之间的形式电荷为授课依据。虽然“基本要求”在初赛要求部分对键级同号，相对不稳定，应舍去。如果一个共价分子有几只字未提，但其中对分子结构部分明确要求了路易种可能的Lewis结构式通过形式电荷Q判断并斯结构式，也就是说学生已经能用价键理论解决部保留最稳定和次稳定的几种Lewis结构式，它们互分分子的键级。笔者把2002年与2008年的决赛要称为共振结构式。求做了简单对比，2002年的描述为“分子结构在初例如：H-N=N=N-H-N-N=N，互称赛要求基础上增加分子轨道基本概念。键级。分子为HN3的共振结构式。轨道对氧的顺磁性的解释”。2008年的描述为“分在价键理论中，用成键原子间共价单键的数目子轨道基本概念。定域键键级。分子轨道理论对氧表示键级。如H一F分子中的键级为1：N=N分子分子、氮分子、一氧化碳分子、一氧化氮分子的结构中的键级为3。有了共价分子或离子团的共振结构和性质的理解及应用。”很显然，2008年在2002年式，可以利用同一位置的各键级之和除以共振结构基础上做了进一步细化与明确要求，尤其强调了定式数目，计算出多原子分子中原子之间的键级。域键的键级。如上面的H一Na)一Nb）一Ne中，据（I）（III）1基于Lewis结构式的键级计算与应用2个HN3共振结构式可知：N—N之间的键级=2=1.5,N-N11理论依据g路易斯共价键理论中八隅律的基本思想是：当之间的键级=23=2.5。再如:CcH。（苯)的共振ns、np原子轨道充满电子，会成为八电子稳定构型，2所以在许多共价分子中，每个原子都希望成为八电结构式为其C一C之间的键级=子构型（H原子为两电子构型）。在应用该规则时常常需要计算共价分子中成键数和孤对电子对数，1+2=1.5。以便画出各种可能的Lewis结构式!"。例如：2键级是一个描述键的稳定性的物理量，属于键H20NH3HN3H-N-N-NHN-H参数之一。有了键级，可以判断原子之间键长的长HO-HH-N=N-N:短，键级越大，键能越大，键长越短。在HN3中，H-N-N=N:N)一Na）的键长(124pm>Nb)一Nce)的键长(113判断Lewis结构式的稳定性常常引入形式电荷pm）,在C6H中，C一C键的键长（140pm）都是一（Qr），计算方法如下：Q=原子的价电子数一键数一抓对电子数China Academic Jourmnal ElectronicPublish样的这些均可以通过键级来判断p://www.cnki.net

化学奥林匹克 化学竞赛中的键级问题 田益民1 , 2 陈 凯3 (1.江苏姜堰中学化学教研组 225500; 2.南京师范大学化学与材料科学学院 江苏南京 210097; 3.南京晓庄学院生物化工与环境工程学院 江苏南京 211171) 摘要 在各省的竞赛试题和全国的竞赛试题中, 以“键级” 为主题的考题不多 。不过也正因为 如此 ,化学教师与竞赛选手对该考点通常认识不够 ,难以应付。本文从价键理论 、分子轨道理论、电 子空位对假说、等电子体原理 4 个角度, 结合理论和实例初探键级计算的相关问题。 关键词 键级 价键理论 分子轨道理论 电子空位对假说 等电子体原理 化学奥赛 中国化学会颁发的《全国高中学生化学竞赛基 本要求》(以下简称“基本要求”)旨在明确全国高中 学生化学竞赛初赛及决赛试题的知识水平, 作为试 题命题的依据, 同时这也应该是化学竞赛教练员的 授课依据 。虽然“基本要求”在初赛要求部分对键级 只字未提 ,但其中对分子结构部分明确要求了路易 斯结构式 ,也就是说学生已经能用价键理论解决部 分分子的键级。笔者把 2002 年与 2008 年的决赛要 求做了简单对比 , 2002 年的描述为“分子结构在初 赛要求基础上增加分子轨道基本概念。键级 。分子 轨道对氧的顺磁性的解释” 。 2008 年的描述为“ 分 子轨道基本概念 。定域键键级 。分子轨道理论对氧 分子 、氮分子、一氧化碳分子 、一氧化氮分子的结构 和性质的理解及应用。”很显然 , 2008 年在 2002 年 基础上做了进一步细化与明确要求 ,尤其强调了定 域键的键级。 1 基于 Lewis 结构式的键级计算与应用 1.1 理论依据 路易斯共价键理论中八隅律的基本思想是 :当 ns 、np 原子轨道充满电子,会成为八电子稳定构型 , 所以在许多共价分子中, 每个原子都希望成为八电 子构型(H 原子为两电子构型)。在应用该规则时 常常需要计算共价分子中成键数和孤对电子对数 , 以便画出各种可能的 Lew is 结构式[ 1] 。例如 : 判断 Lew is 结构式的稳定性常常引入形式电荷 (QF),计算方法如下:QF =原子的价电子数 -键数 -孤对电子数 (I)、(III)中形式电荷小, 相对稳定 ,而形式(II) 中形式电荷高 ,而且相邻 2 原子之间的形式电荷为 同号 ,相对不稳定 ,应舍去。如果一个共价分子有几 种可能的 Lew is 结构式, 通过形式电荷 QF 判断并 保留最稳定和次稳定的几种 Lew is 结构式 ,它们互 称为共振结构式。 键级是一个描述键的稳定性的物理量 ,属于键 参数之一 。有了键级 ,可以判断原子之间键长的长 短, 键级越大 , 键能越大, 键长越短 。在 HN3 中, N (a) -N (b)的键长(124 pm)>N(b) -N(c)的键长(113 pm),在 C6 H6 中 ,C -C 键的键长(140 pm)都是一 样的 ,这些均可以通过键级来判断 。 · 76 · 化 学 教 育 2011 年第 4 期

2011年第4期化学教育：77与分子轨道能级关系图有2种类型，原子序数小的1.2竞赛选例B2.C2、N2有别于原子序数大的02、F2。N2、02的【例1]2007年江苏省夏令营选拔赛试题第1分子轨道能级图分别见图1和图2题：多氮化合物均为潜在的高能量密度材料os（HEDM）.HEDM可用作火箭推进剂及爆炸物1999年K.0.Christe及其同事成功合成了第一个1+tttN的化合物N支AsF，它能猛烈地爆炸。光谱数2p2p02P据及量子力学计算结果均表明，在N的各种异构1体中，V型结构最为稳定，它有2短的末端键和Rapy20t2较长的中心键。↑ttG(1)请写出V型结构的N的Lewis共振式t12525025(2)根据杂化轨道理论，指出每原子的杂化图1Nz的分子轨道能级示意图类型(3)中心键的N一N键级为「分析这是一道根据Lewis结构式计算键级的at2*2p..1utt典型题。本题第（1）问其实是第（3）问的伏笔，在tl↑2p2pLewis共振式的基础上可求算平均键级。根据题中要求“V型结构最为稳定，它有2个较短的末端键和t2个较长的中心键”，结合Lewis共振式的书写原则不难写出N#的Lewis共振式有：1fi"s2s25G25图20的分子轨道能级示意图根据分子轨道理论，键级一1+2+1因此中心键的NN键级=，末端键33成键轨道上的电子数一反键轨道上的电子数23+2+3-号，同时这一结果也符的N-N键级=33另外，对于同核双原子分子，由于内层分子轨道上合题于中“未端键较短，中心键较长”的要求。都已充填了电子，成键分子轨道上的电子使分子体系［答案】的能量降低与反键分子轨道上的电子使分子体系的能量升高基本相同，互相抵消，可以认为它们对键的形成没有贡献。所以，键级可用下式计算：键级一(1)LN外层成键轨道上的电子数一外层反键轨道上的电子数(2)中心氮原子为sp和sp杂化，其余为sp杂2化（末端氮可不杂化）例如：N2的分子轨道电子排布式为：「（o1）2(3)号（01）（2）2（2）2（元2p）4（02p），N2分子的键级8-2=3.22基于分子轨道理论的键级计算与应用而对异核双原子分子，其成键的2个原子的能级21理论依据不同.分子轨道能级图不同于同核双原子分子，但同根据分子轨道理论，原子轨道（AO)线性组合为样体现原子轨道线性组合为分子轨道的3个原则。分子轨道（MO）的原则有：能量相近、最大重叠、对例如,对于HF分子,H的1s轨道与F的2p轨道能称匹配z例如第云周翘同核双原子的原子轨薄blishingHouse.Allrightsreserved.htp://www.enki.net

1 .2 竞赛选例 [ 例 1] 2007 年江苏省夏令营选拔赛试题第 1 题: 多氮化 合物 均为 潜在 的高 能量 密度 材 料 (HEDM), HEDM 可用作火箭推进剂及爆炸物 。 1999 年 K .O .Christe 及其同事成功合成了第一个 N + 5 的化合物 N + 5 A sF - 6 , 它能猛烈地爆炸 。光谱数 据及量子力学计算结果均表明, 在 N + 5 的各种异构 体中 ,V 型结构最为稳定 ,它有 2 个较短的末端键和 2 个较长的中心键 。 (1)请写出 V 型结构的 N + 5 的 Lew is 共振式 。 (2)根据杂化轨道理论,指出每个氮原子的杂化 类型 。 (3)中心键的 N -N 键级为 。 [ 分析] 这是一道根据 Lew is 结构式计算键级的 典型题。本题第(1)问其实是第(3)问的伏笔, 在 Lew is 共振式的基础上可求算平均键级 。根据题中 要求“V 型结构最为稳定 ,它有 2 个较短的末端键和 2 个较长的中心键” ,结合 Lewis 共振式的书写原则 不难写出 N + 5 的 Lewis 共振式有: 2 基于分子轨道理论的键级计算与应用 2.1 理论依据 根据分子轨道理论, 原子轨道(AO)线性组合为 分子轨道(M O)的原则有:能量相近、最大重叠 、对 称匹配[ 2] 。例如 ,第二周期同核双原子的原子轨道 与分子轨道能级关系图有 2 种类型 , 原子序数小的 B2 、C2 、N2 有别于原子序数大的 O2 、F2 。 N2 、O2 的 分子轨道能级图分别见图 1 和图 2 : 根据分子轨道理论 ,键级= 成键轨道上的电子数 -反键轨道上的电子数 2 另外,对于同核双原子分子,由于内层分子轨道上 都已充填了电子,成键分子轨道上的电子使分子体系 的能量降低,与反键分子轨道上的电子使分子体系的 能量升高基本相同,互相抵消,可以认为它们对键的形 成没有贡献。所以, 键级可用下式计算:键级 = 外层成键轨道上的电子数-外层反键轨道上的电子数 2 。 例如 :N2 的分子轨道电子排布式为 :[ (σ1s)2 (σ ＊ 1s)2(σ2s)2(σ ＊ 2 s)2 (π2p)4(σ2p)2 ] , N2 分子的键级 = 8 -2 2 =3 。 而对异核双原子分子 ,其成键的 2 个原子的能级 不同,分子轨道能级图不同于同核双原子分子, 但同 样体现原子轨道线性组合为分子轨道的 3 个原则 。 例如,对于 HF 分子, H 的 1s 轨道与 F 的 2pz 轨道能 2011 年第 4 期 化 学 教 育 · 77 ·

78.化学教育2011年第4期级相近，对称匹配，能进行最大程度的重叠而组合成直接考查了键级的计算及相关应用。第5小问中，OzO，O，O寸的分子轨道排布式及键级计算见分子轨道。HF的分子轨道能级示意图见图3。HFHF下表：反键G*型体键级分子轨道排布式1s[(01)2()2（02)2(2)2(02p)2(p)48-4=2O2ttH非键tt41(元)32R2p2p[(01)2(ot)(02s)2(2.)2(2p)2(p)48-3=2.5Ott4(元2p)1]成键0[(01)2()2（)()2（02p)(元2p)485=1.5O2↑(元）52s[(o1)2(i)2(0s)2(a2)2(02p)2(2p)48-61非键022(元p)]图3HF的分子轨道能级示意图根据键级越大，分子越稳定，所以核间距必然越HF分子的价层电子组态为（2）2（）（元2）4，短。键级由大到小为：0>0,>02>0，核间距其中62。、元2为非键轨道，。为成键轨道，而反键轨道由长到短必然为：0+>0>0>0。第6小问2-0。并未填充电子，所以HF分子的键级=1中，F的分子轨道电子排布式为［（o1）（os）2（2）（z）2（）2（元20）*（元2）（2）2，键级=0，键2.2竞赛选例级为0的分子往往不存在，所以不可能制出F-离［例2]1999年全国中学化学竞赛（陕西赛区）试子的化合物。题第IⅡI卷第一题：[【答案]-03O05制备含02001.的化合物，通常是在氧分还原还原O02<子进行右图各种反应时氧化O进行的：O1.明确指出上述反应中哪些相当于氧分子的氧化，哪些相当于氧分子的还原？2.O2:K02;O2-:Na2O2;Of:02[PtF.]3.022.对上述每一种离子给出含该离子的一种化合4、5.见下表物的化学式。3.指出上述4种型体中是反磁性的物质。02型体O2OO24.已知上述4种型体中O0原子间距离大约22.51.51键级为112、121、132、149pm，把这4种数值填在表中合核间距121 pm112pm132 pm149 pm适的空格中。5.确定每一型体的键级，把结果填入表中。（此6.F共有20个电子，键级为0，所以没有可内容在2010年全国高中学生化学竞赛初赛试卷中能制出F离子的化合物。进行了考查）3基于电子空位对假说的键级计算与应用1Ot02型体02O23.1理论依据键级根据泡利原理，1个轨道可以容纳2个电子，就核间距称有2个电子位。显然，总价电子位数等于分子中各原子价层总轨道数的二倍，用总价电子位数减去6.指出有没有可能制出F离子的化合物，理实际总价电子数，等于总空位数。总空位数与总价由是什么？电子数2者中数值小的一方决定为总电子空位对［分析这是一道根据分子轨道理论解决有关分子的结构及性质的典型题，其中第5小问、第6小问数，分子的总键级等于总电子空位对数的一半。绝2i994-2015ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net

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化学教育。79.2011年第4期同的结构特征”。2004年全国高中学生化学竞赛决大多数分子中总价电子空位数少于总价电子数因此赛理论试题涉及了“NO具有线型结构，Lewis结常用计算公式为：构式中每个键的键级为2.0”，NO与CO2互为等总键级一总电子空位对数2电子体，结构应该和COz分子相似，根据CO，的（总价电子位数一总价电子数）Lewis结构式OCO：，C.O之间的键级显然2为2.0。32竞赛选例6反键【例3]湖南省化学竞赛题：填充下表，使NO、NO+、NH3OH和NO32元反键等微粒与表中最后一栏所列的对应N一O键长相匹配4。2Pz~2Ry2Px2p2py2pz分子N-0键级N-0键长/pm5g非键106.21元成键115. 4sp2s混杂125.64g成键142. 0sp2s混茶3g非键【分析NO的总价电子位数=2X（4十4)=16,(16-1)=2.5.COC总价电子数=5+6-11，总键级=2图4CO的分子轨道能级示意图NO+的总价电子位数=2X（4+4)=16，总价电子数=5+6-1=10,总键级=(16=10)=3.等电子体也可以辅助处理异核双原子分子轨2道，臂如NO的键级处理可以先以CO的分子轨道NH30H*的总价电子位数=2X（4+3十4+1）为过渡，CO和N2是等电子体，它们在分子轨道、成=24，总价电子数=5十3十6十1一1=14，总键级=键情况和电子排布上大致相同，基态CO分子的电(24=14)=5。分子结构中N-H键、0-H键键子组态为（1）2（2）2（3g）2（4）2（1元）4（5g）2[5]，而2级均为1,所以N0的键级=5—3一1=1。N2分子的电子组态为[（1）2（o1.）2（2）2（2）2NO3的总价电子位数=2X（4十4X3）=32，总（元2=）2（元2p）（02r）1，读者留意异核双原子和同核(32—24)价电子数=5+6×3+1=24，总键级=双原子电子组态表示的异同。具体地说，C、O原子2均先分别进行sp不等性杂化，各形成2条sp不等4。分子结构中有3个N一0键，故平均每个N一0性杂化轨道，然后这4条sp杂化轨道再组合成4条健级为卡。分子轨道，即1条成键的4c，1条反键的60，2条非[答案]键分子轨道3c和5o：C和0各自未参与杂化的2条元轨道进行肩并肩重叠组合成2条成键的元分子分子N-0键长/pmN-0键级轨道和2条反键的元分子轨道。总之，在图4中30NO+3106.2和5c为非键分子轨道，4g、1元为成键轨道，2元、6g为2. 5NO115. 4反键轨道。CO的10个价电子分别填入在3c、4c、NOT4/3125.61元、50分子轨道上1]，CO的键级=6==3.1NH,OH+142.02NO比CO分子多1个电子，在上述分析的基4基于等电子体原理的键级计算与应用础上，顺理成章写出NO的电子组态为（1o）（20）41理论依据（30）（40）（1元）（50）（2元），NO的键级=62等电子体原理的描述为：“具有相同价电子数（或金部电子数）和相同愿子数的分或离子具有相blishrHouse.Allrightsreservedhtp://wwW.cnki.net

大多数分子中总价电子空位数少于总价电子数,因此 常用计算公式为 [ 3] : 总键级= 总电子空位对数 2 = (总价电子位数-总价电子数) 2 3.2 竞赛选例 [ 例3] 湖南省化学竞赛题: 填充下 表 , 使 NO 、NO + 、NH3O H + 和 N O - 3 等微粒与表中最后一栏所列的对应 N -O 键长 相匹配 [ 4] 。 分子 N -O 键级 N -O 键长/ pm 106.2 115.4 125.6 142.0 [ 分析] NO 的总价电子位数=2 ×(4 +4)=16 , 总价电子数=5 +6 =11 , 总键级= (16 -11) 2 =2 .5 。 NO + 的总价电子位数 =2 ×(4 +4)=16 , 总价 电子数=5 +6 -1 =10 ,总键级 = (16 -10) 2 =3 。 NH3OH + 的总价电子位数=2 ×(4 +3 +4 +1) =24 ,总价电子数=5 +3 +6 +1 -1 =14 ,总键级 = (24 -14) 2 =5 。分子结构中 N -H 键 、O -H 键键 级均为 1 ,所以 N -O 的键级=5 -3 -1 =1 。 NO - 3 的总价电子位数=2 ×(4 +4 ×3)=32 , 总 价电子数 =5 +6 ×3 +1 =24 ,总键级 = (32 -24) 2 = 4 。分子结构中有 3 个 N -O 键 ,故平均每个 N -O 键级为 4 3 。 [ 答案] 分子 N -O 键级 N -O 键长/ pm NO + 3 106.2 NO 2.5 115.4 NO -3 4/ 3 125.6 NH3 OH + 1 142.0 4 基于等电子体原理的键级计算与应用 4.1 理论依据 等电子体原理的描述为 :“具有相同价电子数 (或全部电子数)和相同原子数的分子或离子具有相 等电子体也可以辅助处理异核双原子分子轨 道, 譬如 NO 的键级处理可以先以 CO 的分子轨道 为过渡, CO 和 N2 是等电子体, 它们在分子轨道、成 键情况和电子排布上大致相同 , 基态 CO 分子的电 子组态为(1σ)2(2σ)2 (3σ)2 (4σ)2(1π)4 (5σ)2 [ 5] , 而 N2 分子的电子组态为[ (σ1s)2 (σ ＊ 1 s)2 (σ2 s)2 (σ ＊ 2s)2 (π2pz)2(π2py)2(σ2px)2 ] , 读者留意异核双原子和同核 双原子电子组态表示的异同 。具体地说 ,C 、O 原子 均先分别进行 sp 不等性杂化, 各形成 2 条 sp 不等 性杂化轨道, 然后这 4 条 sp 杂化轨道再组合成 4 条 分子轨道 , 即 1 条成键的 4σ, 1 条反键的 6σ, 2 条非 键分子轨道 3σ和 5σ;C 和 O 各自未参与杂化的 2 条 π轨道进行肩并肩重叠组合成 2 条成键的 π分子 轨道和 2 条反键的 π分子轨道。总之, 在图 4 中 3σ 和 5σ为非键分子轨道, 4σ、1π为成键轨道 , 2π、6σ为 反键轨道 。CO 的 10 个价电子分别填入在 3σ、4σ、 1π、5σ分子轨道上[ 6] ,CO 的键级=6 -0 2 =3 。 NO 比 CO 分子多 1 个电子, 在上述分析的基 础上 ,顺理成章写出 NO 的电子组态为(1σ) 2(2σ) 2 (3σ)2(4σ)2(1π)4(5σ)2(2π)1 , NO 的键级 =6 -1 2 = 2 .5 2011 年第 4 期 化 学 教 育 · 79 ·

°80化学教育2011年第4期42竞赛选例Be[(1（）(2）(2)]，键级=22「例4按分子轨道理论写出NF,NF和NF-0.5.基态时的电子组态，并说明它们的键级。而对NO+无需写出分子轨道排布式，可灵活采【分析等电子体的各种分子在分子轨道、成键用等电子体原理NO+与N2为等电子体，两者键级情况和电子排布上大致相同，等电子体的概念对分相同，所以NO+的键级为3。析分子轨道中电子排布以及键级十分有帮助，NF，【答案]NO+最稳定。NF+和NF-分别是02、O、02的等电子体，所以综上所述，化学竞赛试题对教师的竞赛教学有结合例2以及上述关于异核双原子分子轨道理论的较强的指导意义，教师需要结合典型试题认真研读分析不难得出答案。[答案]“基本要求”，在竞赛教学中合理把握渗透内容的“度”，在实践中不断摸索和不断积累经验。但需要型体键级电子组态说明的是，键级计算的方法还有很多，本文计算方法NF2(10)2(20)2(30)2(40)2(50)2(1元)4(2元)3主要限于定域共价键的分析，离域元键的键级需要NF+2.5(10)2(20)2(30)2(40)2(50)2()4(2元)用HMO法联系电荷集居与分子图计算得到该法1.5NF-(10)2(20)2(30)2(40)2(50)2(元)4(2元）3也不属于竞赛要求，在此不再赞述。参考文献【例5]地球电离层中，存在许多种阳离子，如果N、NO+、Be三种离子均存在的话，最稳定的是【1】张祖德.无机化学。安徽：中国科学技术大学出版社，2008:200-204哪种？[2]吴国庆.无机化学第4版，北京：高等教育出版社。2002：8490【分析根据键级越大，分子越稳定，该题实质上赵荣万.徐州师范学院学报，1992.（3)：66-70[3]是比较3者的键级。从方便解题的角度分析，N2、[4]徐嵘，曾纪朝.邵阳师范高等专科学报。2000（2)：45-47NO+、Be±的键级计算可以采取2个思路，N±、Be2[5]周公度.结构化学基础.第3版。北京：北京大学出版社.2002分别根据其分子轨道排布式计算键级：84-87金安定，刘淑薇。吴勇.高等无机化学简明教程.南京：南京师范[6]N（）（0（（（）（）大学出版社。2007:348-350(62m)）]，键级=2=2.5;2（上接第75页）研究者都选用2～3种研究方法相结合的形式进行章的分析是吻合的。研究。参考文献（4）不同化学概念“研究类型”所应用的"研究方【]毕华林.化学教育1996（9);23-25法的组合形式”是不同的。研究者一般都采用实验陶保平.研究设计.北京：教育科学出版社。2004[2]研究，多采用准实验、问卷与访谈相结合的形式进行[3]装娣娜.教育研究方法.合肥：安徽教育出版社。2006“基手迷思概念的教学”研究：准实验与问卷相结合[4刘良华.教育研究方法：专题与案例.上海：华东师范大学出版的形式进行“基于教学策略的概念教学”研究。“概社，2007念学习”研究中，研究者多以问卷或问卷与访谈相结【5]刘俊庚，迷思概念与概念改变教学策略之文献分析—以概念构图和后设分析模式探讨其意涵与影响.台湾：台湾师范大学合的形式进行研究；“迷思概念的诊断”中，研究者多科学教育研究所.2001以问卷与访谈相结合的形式进行研究[6]邱美虹.科学教育学刊.2000.8(1)：2-34在文献的查找过程当中，关于化学概念研究的[7]杨小微主编.教育研究方法的原理与方法.上海：华东师范大学研究方法的分析是比较少的，研究对象也存在差异。出版社，2002台湾学者黄万居指出，科学概念的研究，可以纸笔[8]黄万居.台湾地区国小学生酸碱概念之研究.台湾：台北市立师范学院科学教育研究所，2002的方式进行评测，亦可应用诊断式的传统测验题与[9] Treagust D F. Research in Science Education 1986. 16: 199访谈。Treagusti9利用两段式的选择题来诊断学207生在特定领域内的科学概念之理解，“两段式的应用[1]Treagust D F. International Journal of Science Education已概研究方法的种发展稳势e济与文blishingHoseeservedhtt:/www.cnki.net

4.2 竞赛选例 [ 例 4] 按分子轨道理论写出 NF , NF + 和 NF - 基态时的电子组态, 并说明它们的键级 。 [ 分析] 等电子体的各种分子在分子轨道 、成键 情况和电子排布上大致相同 , 等电子体的概念对分 析分子轨道中电子排布以及键级十分有帮助, NF , NF +和 NF - 分别是 O2 、O + 2 、O - 2 的等电子体 , 所以 结合例 2 以及上述关于异核双原子分子轨道理论的 分析不难得出答案。 [ 答案] 型体 电子组态 键级 NF (1σ)2(2σ)2(3σ)2(4σ)2(5σ)2(1π)4(2π)2 2 NF + (1σ)2(2σ)2(3σ)2(4σ)2(5σ)2(1π)4(2π)1 2.5 NF - (1σ)2(2σ)2(3σ)2(4σ)2(5σ)2(1π)4(2π)3 1.5 [ 例 5] 地球电离层中, 存在许多种阳离子, 如果 N + 2 、NO + 、Be + 2 三种离子均存在的话 , 最稳定的是 哪种 ? [ 分析] 根据键级越大 ,分子越稳定 ,该题实质上 是比较 3 者的键级。从方便解题的角度分析 , N + 2 、 NO + 、Be + 2 的键级计算可以采取 2 个思路 ,N + 2 、Be + 2 分别根据其分子轨道排布式计算键级: N + 2 [ (σ1s)2 (σ ＊ 1s )2 (σ2s)2 (σ ＊ 2s )2 (π2pz)2 (π2py )2 (σ2px)1 ] , 键级 = 7 -2 2 =2 .5 ; Be + 2 [ (σ1s) 2(σ ＊ 1s) 2(σ2s) 2(σ ＊ 2s) 1 ] , 键级 = 2 -1 2 = 0 .5 。 而对 NO +无需写出分子轨道排布式 ,可灵活采 用等电子体原理, NO + 与 N2 为等电子体 ,两者键级 相同 ,所以 NO +的键级为 3 。 [ 答案] NO +最稳定 。 综上所述 ,化学竞赛试题对教师的竞赛教学有 较强的指导意义, 教师需要结合典型试题认真研读 “基本要求” , 在竞赛教学中合理把握渗透内容的 “度” ,在实践中不断摸索和不断积累经验。但需要 说明的是 ,键级计算的方法还有很多, 本文计算方法 主要限于定域共价键的分析, 离域 π键的键级需要 用 HM O 法联系电荷集居与分子图计算得到, 该法 也不属于竞赛要求 ,在此不再赘述 。 参 考 文 献 [ 1] 张祖德.无机化学.安徽:中国科学技术大学出版社, 2008:200- 204 [ 2] 吴国庆.无机化学.第 4 版, 北京:高等教育出版社, 2002:84-90 [ 3] 赵荣万.徐州师范学院学报, 1992 ,(3):66-70 [ 4] 徐峥嵘, 曾纪朝.邵阳师范高等专科学报, 2000 ,(2):45-47 [ 5] 周公度.结构化学基础.第 3 版, 北京:北京大学出版社.2002: 84-87 [ 6] 金安定, 刘淑薇, 吴勇.高等无机化学简明教程.南京:南京师范 大学出版社, 2007:348-350 (上接第 75 页) 研究者都选用 2 ～ 3 种研究方法相结合的形式进行 研究 。 (4)不同化学概念“研究类型”所应用的“研究方 法的组合形式”是不同的。研究者一般都采用实验 研究 ,多采用准实验 、问卷与访谈相结合的形式进行 “基于迷思概念的教学” 研究 ;准实验与问卷相结合 的形式进行“基于教学策略的概念教学”研究。“ 概 念学习”研究中 ,研究者多以问卷或问卷与访谈相结 合的形式进行研究;“迷思概念的诊断”中,研究者多 以问卷与访谈相结合的形式进行研究。 在文献的查找过程当中 , 关于化学概念研究的 研究方法的分析是比较少的, 研究对象也存在差异 。 台湾学者黄万居[ 8] 指出,科学概念的研究 ,可以纸笔 的方式进行评测 ,亦可应用诊断式的传统测验题与 访谈 。 Treag ust [ 9 , 10] 利用两段式的选择题来诊断学 生在特定领域内的科学概念之理解 ,“两段式的应用 已是概念研究方法的一种发展趋势” [ 8] 。这些与文 章的分析是吻合的 。 参 考 文 献 [ 1] 毕华林.化学教育, 1996 ,(9):23-25 [ 2] 陶保平.研究设计.北京:教育科学出版社, 2004 [ 3] 裴娣娜.教育研究方法.合肥:安徽教育出版社, 2006 [ 4] 刘良华.教育研究方法:专题与案例.上海:华东师范大学出版 社, 2007 [ 5] 刘俊庚.迷思概念与概念改变教学策略之文献分析———以概念 构图和后设分析模式探讨其意涵与影响.台湾:台湾师范大学 科学教育研究所,2001 [ 6] 邱美虹.科学教育学刊, 2000 , 8(1):2-34 [ 7] 杨小微主编.教育研究方法的原理与方法.上海:华东师范大学 出版社, 2002 [ 8] 黄万居.台湾地区国小学生酸碱概念之研究.台湾:台北市立师 范学院科学教育研究所, 2002 [ 9] T reagu st D F .Research in Science Edu cation , 1986 , 16:199- 207 [ 10] Treagu st D F .Int ernational Journal of S cience Edu cation , 1988 , 10(2):159-169 · 80 · 化 学 教 育 2011 年第 4 期