CO₂常温常压下是一种无色无臭且其水溶液略有酸味的气体，它是空气的组分之一，也是一种常见的温室气体.

        本文拟结合“C=O”键能的热力学计算，探讨CO₂分子的成键特征.

1.CO₂分子的成键特征

      依据价层电子对互斥理论，CO₂分子中C原子的价电子构型为2s²2p², 共有四个价电子.

      则CO₂分子：价层电子对数VP=1/2×4=2；

                               键电子对数BP=2；

                               孤电子对数LP=VP-BP=2-2=0.

      由上可得CO₂分子C原子成键时采用sp等性杂化，CO₂分子的空间构型为直线形.

       CO₂分子的成键过程如下图1所示：

                                                                        图1. C原子sp等性杂化示意图    

        此时，C原子的两个参与sp等性杂化轨道中的单电子，分别接受两个氧原子提供的自旋方向相反的单电子，形成

两个完全相同的σ共价键， CO₂分子呈直线形空间构型.

       另C原子剩下的两个2p轨道价电子，可以与两个氧原子各提供的一个价电子，形成一个离域大Π键.

       CO₂分子的结构示意图参见如下图2.  

                                                                                图2. CO₂分子结构示意图

2. "C=O"键能的热力学估算

      25℃标态下相关物质的标准摩尔生成焓数据参见如下表1.

      表1. 25℃标态下相关物质的标准摩尔生成焓数据^[1]

2.1 CO₂分子中"C=O"键能的热力学估算

        CO₂(g)→C(g)+2O(g)       (1)

    Δ_rH^θ_m,1= Δ_fH^θ_m(C,g)+2Δ_fH^θ_m(O,g)-Δ_fH^θ_m(CO₂,g) =2E^θ(C=O)     (2)

    式（2）中Δ_rH^θ_m,1代表式（1）的标准摩尔焓变；E^θ(C=O)代表CO₂分子中一个C=O键的键能.

     将表1数据代入式（2）可得：

     Δ_rH^θ_m,1=716.68kJ·mol^-1+2×249.18kJ·mol^-1-（-393.51kJ·mol^-1）=1608.55kJ·mol^-1

    E^θ(C=O)=(1608.55/2)kJ·mol^-1=804.275kJ·mol^-1

2.2 HCHO(g)分子中"C=O"键能的热力学估算

     HCHO(g)→C(g)+2H(g)+O(g)       (3)

   Δ_rH^θ_m,3= Δ_fH^θ_m(C,g)+2Δ_fH^θ_m(H,g)+Δ_fH^θ_m(O,g)-Δ_fH^θ_m(HCHO,g) =E^θ(C=O)+2E^θ(C-H)       (4)

   将表1数据代入式（4）可得：

    Δ_rH^θ_m,3=716.68kJ·mol^-1+2×217.999kJ·mol^-1+249.18kJ·mol^-1-（-108.57kJ·mol^-1）=1510.428kJ·mol^-1

   又因为^[2]E^θ(C-H)=415.87kJ·mol^-1

    结合式（4）可得：E^θ(C=O)=Δ_rH^θ_m,3-2E^θ(C-H) =1510.428kJ·mol^-1-2×415.87kJ·mol^-1=678.688kJ·mol^-1

2.3 CH₃CHO(g)分子中"C=O"键能的热力学估算

     CH₃CHO(g)→2C(g)+4H(g)+O(g)       (5)

   Δ_rH^θ_m,5= 2Δ_fH^θ_m(C,g)+4Δ_fH^θ_m(H,g)+Δ_fH^θ_m(O,g)-Δ_fH^θ_m(CH₃CHO,g) =E^θ(C=O)+4E^θ(C-H)＋E^θ(C-C)      (5)

   将表1数据代入式（5）可得：

    Δ_rH^θ_m,5=2×716.68kJ·mol^-1+4×217.999kJ·mol^-1+249.18kJ·mol^-1-（-166.19kJ·mol^-1）=2720.726kJ·mol^-1

   又因为E^θ(C-H)=415.87kJ·mol^-1，E^θ(C-C)=334.77kJ·mol^-1

    结合式（4）可得：E^θ(C=O)=Δ_rH^θ_m,5-4E^θ(C-H)-E^θ(C-C) =2720.726kJ·mol^-1-4×415.87kJ·mol^-1-334.77kJ·mol^-1

                                                  =722.476kJ·mol^-1

3. 结果讨论

     由2结果可得如下表2.

     表2. 25℃标态下，不同分子中“C=O”键能数据

    由表2数据可知，CO₂分子"C=O"键的键能为804.275kJ·mol^-1，比HCHO(g)与CH₃CHO(g)分子中C=O键能

稍大，有可能表明CO₂分子内并不一定含有2个离域大Π键；这也为图2"CO₂分子结构示意图"的正确性提

供了佐证.

4. 结论

   CO₂分子中共含有2个σ共价键及1个离域大Π键.

参考文献

[1]Lide D R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 89th ed, Chemical Co, 2008,17:2688    

[2]余高奇. 气态分子中“C-H、C-C、C=C及C≡C”键能的热力学估算.科学网博,http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 ,2023,4.