等電子體

等電子體是指價電子數和原子數（氫等輕原子不計在內）相同的分子、離子或原子團。有些等電子體化學鍵和構型類似。可用以推測某些物質的構型和預示新化合物的合成和結構。運用等電子原理預測分子或離子的空間構型時，不能簡單的認為價電子數相等的兩種微粒即為等電子體，必須注意等電子體用於成鍵的軌道具有相似性。可採用同族元素互換法、價電子遷移法、電子-電荷互換法判斷等電子體。

基本介紹

• 中文名：等電子體
• 外文名：Isoelectronic species
• 特徵：具有相似的化學鍵特徵
• 學科：基礎化學

等電子原理

具有相同價電子數和相同原子數的分子或離子具有相同的結構特徵，這一原理稱為等電子原理，滿足等電子原理的分子、離子或原子團稱為等電子體。

等電子原理中所講的“電子數相等”既可以是指總電子數相等（如CO和N₂，均為14），也可以是指價電子數相等（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，等電子原理中所指的“原子數相等”通常指的是重原子（原子序數≥4）個數相等；若按價電子數相等計數時，此時價電子總數包括重原子（原子序數≥4）提供的價電子以及輕原子(H、He、Li)用來與重原子成鍵的電子，如N₂和C₂H₂互為10電子體，其中，C₂H₂的總電子數就包括兩個H原子與C原子形成C-H鍵的電子。此外， “結構相似”也是針對重原子而言。因此，等電子原理也可以理解為：重原子數相等，總電子數相等的分子或離子，重原子的空間構型通常具有相似性。

原理適用範圍

運用等電子原理預測分子或離子的空間構型時，不能簡單的認為價電子數相等的兩種微粒即為等電子體，必須注意等電子體用於成鍵的軌道具有相似性。例如CO₂和SiO₂，若單從價電子數相等角度考慮，二者看似互為等電子體，實則不然，兩者的空間結構相差甚遠。原因是，在CO₂中，除了C原子以sp雜化軌道分別與2個O原子的p軌道以s鍵結合，還有2個p鍵；而SiO₂中Si原子以sp雜化軌道分別與4個O原子的p軌道以s鍵結合。因此，成鍵軌道是否具有相似性是運用等電子原理判斷分子或離子空間構型的前提。

判斷方法

如果僅從概念字面出發，判斷與A粒子互為等電子體的B粒子的化學式，往往感覺無從下手，或東拼西湊的試寫，試寫也往往只注意“價電子數”或“原子數”相同某一方面而錯答。如寫CH₄分子的等電子體時許多學生寫成NH₃（原子數不同）、CCl₄（價電子數不同）等，至於再稍複雜一些的，錯的更多，實際體現為問題解決方法的欠缺。等電子體的判斷一般可採取以下幾種方法：

同族元素互換法

即將既定粒子中的某元素換成它的同族元素。如：

（1）CCl₄的等電子體確定：換IVA族元素有SiCl₄ 、GeCl₄等；換VIIA族元素有CF₄ 、CBr₄ 、CI₄、CFCl₃……；同時換可有SiF₄、SiFCl₃……。

（2）CO₂的等電子體確定：

可將O原子換為S原子得COS、CS₂，

注意：不能將C原子換為Si原子，因為CO₂和SiO₂的結構不同（前者為分子晶體，後者為原子晶體）。同理，不能將BeCl₂的等電子體確定為MgCl₂或BeF₂（後兩種分別為離子晶體和原子晶體）。

（3）SO₄^2-的等電子體確定：將一個O原子換為S原子得S₂O₃^2-；AsO₄^3-的等電子體可確定為PO₄^3-。

注意不能將NO₃^-等電子體確定為PO₃^-，因為後者是聚合物(PO₃)_n^n-

（4）對於原子晶體類也可作類似推導：金剛石C_n與晶體矽Si_n互為等電子體。

價電子遷移法

即將既定粒子中的某元素原子的價電子逐一轉移給組成中的另一種元素的原子，相應原子的質子數也隨之減少或增加，變換為具有相應質子數的元素。一般來說，討論的元素為s區或p區元素，即主族元素居多，通常相關元素的族序數滿足A+B=C+D（或A+B=2C）關係的，可考慮將A、B等個數換為C、D（或1A、1B換為2C）。

如：（1）CO₂的等電子體確定，除了上述結果以外，還可以採用價電子遷移法：C、O原子的價電子數分別為4、6，從周期表中的位置看，中間夾著N元素，N原子價電子數為5，一個O原子拿一個電子給C原子，在電性不變條件下質子數同時變為7（價電子同時變為5），則可換為兩個N原子（由此也可以看出N₂與CO互為等電子體）得N₂O；如果將C原子的兩個價電子轉移給兩個O原子，元素原子分別轉換為1個Be、2個Cl，就可以得到CO₂的另一個等電子體BeCl₂。同樣可以判斷：金剛石C_2n與晶體矽Si_2n的等電子體還可以為金剛砂 (SiC)_n、GaAs、AlP、BeO等；石墨C_2n與白石墨(BN)_n互為等電子體；無機苯B₃N₃H₆與苯C₆H₆互為等電子體；二氟化鈹BeF₂與二氧化矽SiO₂互為等電子體

（2）離子之間的等電子體也可以推導：與N₃^-的等電子體查找方法，可將2個N原子換為1個C原子和一個O原子可得OCN^-。

電子-電荷互換法

即將既定粒子中的某元素原子的價電子轉化為粒子所帶的電荷。這種方法可實現分子與離子的互判。如：CN^-的等電子體查找可用N原子1個電子換作1個負電荷，則N原子換為C原子，離子帶2個負電荷，其等電子體即為C₂^2-；反之，將CN^-的電荷轉化為1個電子，該電子給C原子，即得N₂，若給N原子即得CO。同樣可判斷HNO₃的等電子體為HCO₃^-；IF₄^-與XeF₄互為等電子體。

常見等電子體

中學常見的等電子體價電子數有8、10、14、16、18、24、26、30、32、48十種，按照重原子總數的不同可以歸類如下：

電子類型	常見等電子體	空間構型
2原子10電子	N2，CN^-，C2^2-，C2H2，NO^+	直線形
2原子14電子	F2, O2^2-, H2O2, N2H4, C2H6, CH3NH2, NH2OH,CH3F	直線形
3原子16電子	CO2，N2O，OCN^-，N3^-，SCN^-，ONC^-，NO2^+，BeCl2(g)	直線形
3原子18電子	O3，SO2，NO2^-	V形
4原子24電子	SO3(g)，CO3^2-，NO3^-，BF3	平面三角形
4原子26電子	SO3^2-，ClO3^-，BrO3^-，IO3^-，XeO3	三角錐形
5原子8電子	CH4，SiH4，NH4^+，PH4^+，BH4^-	正四面體形
5原子32電子	CCl4，SiF4，SiO4^4-，SO4^2-，ClO4^-	正四面體形
6原子30電子	C6H6，B3N3H6（無機苯）	平面六邊形
7原子48電子	AlF6^3-，SiF6^2-，PF6^-，SF6，ClF6^+	正八面體形