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第三节 分子结构,一、离子键和离子型化合物,二、共价键和共价型化合物,三、分子间力和氢键,章总目录,四、现代化学键理论,分子是由原子组成的，是物质能独立存在并保持其化学特性的最小微粒，是参加化学反应的基本单元，而分子又是由原子通过化学键形成的。所以，除原子结构知识外，还应掌握化学键理论、分子空间结构理论等。化学键：分子中直接相邻的两个（或多个）原子之间的相互作用。化学键类型：离子键、共价键、金属键。,（一）离子键的形成 离子键理论认为：当电负性很小的活泼金属原子和电负性很大的活泼非金属原子相互靠近时，前者易失去电子变成阳离子，后者易得到电子变成阴离子。正、负离子靠静电引力作用结合在一起，这种静电引力作用称为离子键。,一、离子键和离子型化合物,Cl e Cl-1s22s22p63s23p5 1s22s22p63s23p6,Na+Cl-,Na+Cl-,Na+Cl-(离子型化合物),静电引力 离子键,Na-e Na+1s22s22p63s1 1s22s22p6,以NaCl的形成为例：,IA、IIA金属阳离子（Be除外）与VIA、VIIA非金属阴离子可形成典型的离子型化合物。（二）离子键的特征(三个)(1)由正负离子形成（静电作用力）(2)无方向性和饱和性：,离子是带电体，可近似地看成一个弥漫着电子云的圆球，离子电荷分布是球形对称的，所以离子能从任何方向吸引带相反电荷的离子；而且尽可能多地吸引异号离子，只受空间大小的限制，没有方向性。,但这并不意味着一个离子周围排列的带相反电荷的离子数目是任意的。实际上，在离子晶体中，每一离子周围排列的带相反电荷的离子数目是固定的。,如：NaCl晶体，每个Na+周围有6个Cl-，每个Cl-周围也有6个Na+。,(红球Na+,绿球Cl-),如CsCl晶体，每个Cs+周围有8个Cl-，每个Cl-周围也有8个Cs+,(红球Cs+,绿球Cl-),一个离子周围排列的反离子数目主要决定于正、负离子的半径比（r+/r-)，比值越大，周围排列的离子数目越多。,由于离子键的特点，故无法在离子晶体中分辨出一个独立的“分子”。如NaCl晶体中，不存在NaCl分子，故NaCl是化学式，而不是分子式。,（3）离子键具有部分共价性,正、负离子间形成的键并不是100的离子键，还存在一定的共价性成分。,当两个原子电负性差大于1.7时，离子性成分大于50，两原子以离子键相结合，形成的化合物为离子型化合物；当两个原子电负性差小于1.7时，共价性成分大于50，两原子形成共价化合物。,离子键理论不能解释双原子分子及电负性相近的原子组成的分子，必需用共价键理论共用电子对理论来解释这类分子的形成与特性。,二、共价键和共价化合物,经典共价键理论：分子中的原子可以通过共用电子对使每一个原子达到稳定的稀有气体的8电子稳定结构。原子通过共用电子对而形成的化学键称共价键。,优点：可以解释大多数分子的结构；缺点：不能解释部分分子的原子最外层不是8个电子但仍能稳定存在，如BF3，PCl5,（一）现代价键理论,1927年，Heiler、London用量子力学处理H2分子的成键时，认为具有未成对电子的两个原子相互靠近时会出现两种情况：,又称电子配对法，简称VB法,基态能量降低、成键排斥态能量升高、不成键,基态时核间距 R0为74 pm。共价键的形成两个自旋相反的未成对电子所在原子轨道相互重叠，核间电子概率密度大吸引原子核而成键。,价键理论的要点：（1）二成键原子必需有成单的、自旋相反的电子，在相互接近时，才有可能轨道重叠、形成稳定共价键。（2）成键电子的原子轨道重叠时，要满足二条件：对称性匹配原子轨道同号重叠有效 最大重叠原理沿原子轨道键轴方向发生最大程度地重叠，才可形成稳定共价键。,（二）共价键的特点,1、键结合力的本质：电性。成键时，原子核间电子云密度增加，不仅降低了两核间的排斥力，也增加了两核对共用电子对形成的负电区域的吸引力。,共用电子对多 轨道重叠多 共价结合力强,2、饱和性：成键前提是有价电子及相应的价电子轨道。给定原子的两者是一个确定值饱和性。,3、方向性：原子轨道有一定的空间伸展方向（S轨道除外），而且必须考虑轨道的正负号方向性。,P,S,P,S,（1）键“头碰头”（原子轨道重叠部分在两核连线上，呈圆柱形，受核吸引力大，牢固。）,P,S,（三）共价键的类型：,（2）键“肩并肩”（原子轨道重叠部分不在两核连线上，镜面反对称，受核吸引力小，不牢固，易断，所以 键电子易参加反应。）,PZ-PZ,共价单键一般是 键，双键是一个 键、一个 键，叁键是一个 键、二个 键。,(3)配位键形成条件：成键原子一方有孤对电子，另一方有空轨道。,例：,C：,O：,：O C：,2s,2p,分子极性的量度 偶极矩:,=q d,q：正（负）电荷重心(电荷集中点)的电量d：正（负）电荷重心的距离,偶极矩是一个矢量，其方向是从正极到负极。电子的电荷等于1.610-19 C，两个中心的距离和分子的直径有相同的数量级，即10-10m，故偶极矩大小的数量级为10-30Cm。,分子的极性,三、分子间力和氢键,常见分子的偶极矩(1030 Cm)D3.3310-30Cm,分子式,偶极矩,分子式,偶极矩,H,2,N,2,CO,2,CS,2,CH,4,CO,CHCl3,H,2,S,0,0,0,0,0,0.40,3.50,3.67,SO,2,H,2,O,NH,3,HCN,HF,HCl,HBr,HI,5.33,6.17,4.90,9.85,6.37,3.57,2.67,1.40,正、负电荷重心不重合者，分子有极性，是极性分子。如：异核双原子，NH3等,正、负电荷中重心重合者，分子没有极性，是非极性分子。如：同核双原子分子、CO2等,分子是否有极性，关键要看分子中电荷重心是否重合。,对于双原子分子：键有极性、分子就有极性(键的极性与分子的极性一致，而且键越强、分子的极性也越强)。HFHClHBrHI,对于多原子分子：极性键多原子分子不一定是极性分子，还与分子的空间构型有关系如：CH4、CCl4 无极性，CHCl3 有极性,共价键是共价化合物分子内部原子间的相互作用。许多的共价分子组成了共价型物质，分子与分子之间存在相互的作用力，注意力大小的不同决定了物质的状态。这种 分子间的相互作用称为分子间力，又叫范德瓦尔斯力（或范德华力）。,三、分子间力和氢键,1、取向力 当极性分子相互靠近时，它们的固有偶极间相互作用，两个分子在空间按照异极相邻的状态取向。由于固有偶极的取向而引起的分子间的力叫做取向力。,分子离得较远,取向,（一）范德瓦尔斯力,分子极性越大，温度越低，分子间距离越小 取向力越大,当极性分子和非极性分子靠近时，非极性分子受极性分子电场的作用，原来重合的正、负电荷重心分离开来产生诱导偶极。诱导偶极与极性分子固有偶极间的作用力即为诱导力。另一方面，诱导偶极又反作用于极性分子，使其偶极长度增加，进一步加强了相互吸引力。,2、诱导力 极性分子和非极性分子之间或极性分子与极性分子之间存在的作用力，称为诱导力。,当极性分子和极性分子相接近时，极性分子电场间相互作用，分子发生变形产生诱导偶极，使分子的偶极距加大，分子间产生诱导力。,决定诱导作用强弱的因素：极性分子的偶极矩：愈大，诱导作用愈强。非极性分子的极化率：愈大，诱导作用愈强。,因诱导偶极产生分子间相互作用的示意图：,分子离得较远时,分子靠近时,分子极性越大，体积越大，越易变形 诱导力越大,3、色散力 非极性分子中电子在不断运动，某一瞬间，正负电荷的重心发生位移，从而产生瞬时偶极。靠近的两分子间由于同极相斥异极相吸，瞬时偶极间总是处于异极相邻的状态。瞬时偶极之间相互吸引，这种分子间力叫做色散力。,非极性分子的瞬时偶极之间相互作用,由于瞬时偶极而产生的分子间相互作用：,一大段时间内的大体情况,某一瞬间,虽然瞬时偶极存在的时间极短，但偶极异极相邻的状态总是不断地重复着，所以任何分子(不论极性与否)相互靠近时，都存在着色散力。同族元素单质及其化合物，随分子量的增加，分子体积越大，瞬时偶极矩也越大，色散力越大。,分子的变形性越大，分子间距离越近 色散力越大,分子间力是三种吸引力的总称，其大小一般为几个 kJmol1，比化学键小 12 个数量级。,分子间力的特点：,不同情况下，分子间力的组成不同。例如，非极性分子之间只有色散力；极性分子之间有三种力，并以色散力为主，仅仅极性很大的H2O 分子例外。,分子间力作用的范围很小(一般是300500pm)。,分子间作用力较弱，既无方向性又无饱和性。,分子量,色散作用,分子间力,沸点熔点,水中溶解度,是决定物质的熔、沸点、气化热、熔化热、蒸气压、溶解度及表面张力等物理性质的重要因素。,分子间力的意义：,（二）氢键,HF HCl HBr HI,沸点/85.0 66.7 35.4,19.9,HF为何反常的高？原因存在氢键。HF 分子中，共用电子对强烈偏向电负性大的 F 原子一侧。在几乎裸露的 H 原子核与另一个 HF 分子中 F 原子的某一孤对电子之间产生的吸引作用称为氢键。,1、氢键的形成,2、氢键的形成条件：,分子中有H和电负性大、半径小且有孤对电子的元素(F，O，N)形成氢键。,键长特殊：FH F 270pm 键能小 E(FH F)28kJmol1（大于分子间力远小于共价键）具有饱和性和方向性,3、氢键的特点：,氢键的方向性是指Y原子与XH形成氢键时，将尽可能使氢键与XH键轴在同一方向，即XHY三个原子在同一直线。氢键的饱和性是指每一个XH只能与一个Y原子形成氢键。,F,F（O、N）,H,F,H,d,l,4、氢键对物质性质的影响 氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质中。氢键的存在使得分子间作用力增强，状态变化时需提供额外能量，影响到物质的某些性质。使物质熔、沸点升高；在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键，则溶质的溶解度增大；分子间有氢键的液体，一般粘度较大；液体分子间如果形成氢键，会影响液体的密度。,第四节 晶体结构,1.晶体2.晶胞3.晶系4.分子晶体与原子晶体5.离子晶体6.金属晶体,一、晶 体,红宝石,蓝宝石,祖母绿,现代人类合成出来晶体，如超导晶体YBaCuO、光学晶体BaB2O4、LiNbO3、磁学晶体NdFeB等高科技产品，则推动着人类的现代化进程。,晶体具有以下性质,1）均匀性,2）各向异性,3）各种晶体生长中会自发形成确定的多面体外形,4）晶体有确定的熔点而非晶态没有,5）晶体具有对称性,（一）晶体的特征,（二）晶格的类型,晶胞：晶体中最有代表性的重复单位。晶胞有二个要素：一是晶胞的大小、型式，另一是晶胞的内容。晶胞的大小、型式由a、b、c三个晶轴及它们间的夹角.所确定。晶胞的内容由组成晶胞的原子或分子及它们在晶胞中的位置所决定。,晶格：由晶胞组成的单元,2.布拉维系-七大晶系,边长:a=b=c夹角:=900实例:Cu,NaCl,立方,边长:a=bc夹角:=900实例:Sn,SnCl2,四方,正交,边长:a bc夹角:=900实例:I2 HgCl2,边长:a bc夹角:=900 900实例:S,KClO3,单斜,边长:a bc夹角:900实例:CuSO4.5H2O,三斜,边长:a=bc夹角:=900=1200实例:Mg,AgI,六方,三方:Rhombohedral,边长:a=b=c夹角:=900实例:Bi,Al2O3,根据晶体是否有“心”,七大晶系又分为14种晶格 P:不带心 R:斜方 I:体心 H:六方 C:底心 F:面心,14 种布拉维点阵型式,（三）晶体的基本类型,离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体,1、离子晶体 离子晶体的空间结构类型一、由于正、负离子半径比 r+/r-的不同。二、主要有：AB型 NaCl型、CsCl型、ZnS型 AB2型 CaF2型、TiO2型,NaCl 型面心立方晶格：正、负离子配位数为6正、负离子半径介于0.414 0.732实例：KI,LiF,NaBr,MgO,CaS,(2)CsCl 型体心立方晶格：正、负离子配位数为8正、负离子半径介于 0.732 1实例：TiCl,CsBr,CsI,(3)ZnS 型面心立方晶格：正、负离子配位数为4正、负离子半径介于 0.225 0.414实例：BeO,ZnSe,2、原子晶体,特点:可看成“巨型分子”属于原子晶体的物质有:单质Si,单质硼、SiC,SiO2,BN,B4C,AlN,3、分子晶体 特点:分子间的作用力为范德华力（或氢键）。硬度小，熔沸点低等。,4、金属晶体 正负离子由库仑力（静电力）相互结合在一起，这种化学键称离子键，库仑力与正负离子电荷成正比，与正负离子间距成反比。,金属晶体的结构特点:,晶格结点上排列着金属原子和阳离子,结点间以金属键相结合。金属有较大的密度,配位数大，空间利用率大。金属等径圆球密堆积有三种基本方式:面心立方紧密堆积，配位数12，空间利用率74%六方紧密堆积：配位数12，空间利用率74%体心立方紧密堆积:配位数8，空间利用率68%,作业：P681，2，3，6，9，10,