大专无机化学PPT课件 化学键与分子结构.ppt

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1、化学综合,第八课 化学键与分子结构,第六章 化学键与分子结构,原子如何结合组成物质世界？原子间相互作用力称为化学键原子间通过化学键形成分子，分子形成物质世界,112种原子(18种人造)，天然存在、数量较多的只有几十种，组成了物质世界。,化学键的分类,离子键、共价键、金属键,强化学键：,共价键又分为：键、键、键、离域键、 配位键、 -配位键、 缺电子多中心键等,弱化学键（次级键）：,氢键、范德华力等,1916年，德国化学家 A. Kossel提出了离子键理论。, HHe:NO:ClNaMg: :Ne: ,为什么惰性气体稳定？ ns2np6 八电子结构, Na + :Cl Na+ :Cl: ,3s

2、1,3s23p5,2s22p6,3s23p6,一、离子键理论,当电负性相差较大的金属原子和非金属原子在一定的反应条件下相互接近时，由于有达到稳定的电子结构的倾向而分别失去或得到电子生成正离子和负离子。, Na + :Cl Na+ + :Cl: ,1.1 离子键及其特点,定义：正负离子间的静电吸引力叫做离子键。,1. 本质：静电力,离子的电荷 离子的半径 离子的构型,离子化合物的性质取决于离子的特征：,2. 键的离子性与元素的电负性有关,电负性差越大，离子性越强 两个原子电负性差1.7时，可认为形成离子键；1.7时，可认为形成共价键,3. 离子键没有方向性和饱和性,特点：无法从晶体中划分出孤立的

3、分子。,NaCl 晶体,NaCl晶体结构示意图,Na+,Cl-,Go to 3D,CsCl晶体结构解析图,Cs+,Cl-,CsCl晶体结构解析图,CsCl晶体结构示意图,Go to 3D,1.2 离子的特征,离子的电荷对离子的性质和离子化合物的性质有着非常重要的影响。,(1) 离子的电荷,Fe3+,Fe2+,氧化性,还原性,SCN-,血红色化合物,不反应,K4Fe(CN)6,蓝色沉淀,不反应,无水FeCl3棕黄色,无水FeCl3白色,含水FeCl3棕黄色,含水FeCl2淡绿色,(2) 离子的构型,2电子构型 最外层为2个电子Li+: 1s2Be2+: 1s2,负离子一般具有稳定的8电子构型,F

4、-: 2s22p6,Cl-: 3s23p6,O2-: 2s22p6,阳离子：,8电子构型 最外层为8个电子Na+: 2s22p6Ca2+: 3s23p6,18电子构型 最外层为18个电子Zn2+: 3s23p63d10 Ag+: 4s24p64d10,18+2电子构型 最外层为2个电子，次外层为18个电子Pb: Kr4d104f145s25p65d106s26p2 Pb2+: Kr4d104f145s25p65d106s2,9-17电子构型 最外层为9-17个电子Fe: Ne3s23p63d64s2 Fe2+: Ne3s23p63d6 Fe3+: Ne3s23p63d5,离子电荷与半径大致相同

5、的条件下，不同构型的正离子对同种负离子的结合经验规律：8电子构型离子917电子构型离子18、18+2构型离子,Na+ 2s22p6NaCl易溶于水K+ 3s23p6KCl易溶于水Ag+ 4s24p64d10AgCl难溶于水Cu+ 3s23p63d10CuCl难溶于水,离子性减弱，共价性增强,(3) 离子的半径,离子晶体中正负离子中心距离（核间距）为正负离子半径之和,A+与B-两个离子在相互作用时所表现的半径，通常称为离子半径。,正负离子半径与核间距的关系,离子半径的一般变化规律,主族元素，自上而下，相同电荷数的离子半径逐渐增大。F- Mg2+ Al3+同一元素形成不同电荷的正离子时，电荷愈高，

6、离子半径愈小。 Fe Fe2+ Fe3+ 负离子的半径一般较大(130250pm)，正离子的半径一般较小(10170pm)。,一般说来，离子半径越小，离子间的引力越大，要拆开它们所需的能量就越大，相应的离子晶体熔沸点就越高。,Li+ 60pmLiF1040CNa+ 95pmNaF870 C,对性质的影响：,Na+ 95pmCl-181pmBr-195pm I-216pm,I-的还原性强于Br-， Br-又强于Cl-。,二、经典价键理论, Na + :Cl Na+ + :Cl: ,1916年，美国化学家G. N. Lewis提出了共价键理论 (经典价键理论)。,NaCl:,离子键理论不能说明相同

7、原子形成单质分子，也不能说明电负性相近的原子如何形成化合物分子。,O2，CO2：,O ,C ,分子中每个原子应该具有稳定的稀有气体原子的电子层结构 (8电子结构)，该结构可以通过原子间共享电子对 (一对或若干对) 的方式来实现。,分子中原子间通过共用电子对而结合成的化学键称为共价键。,单键：以一道短线代表一对电子双(叁)键：以二(三)道短线代表二(三)对电子孤对电子：在分子中原子单独拥有的未成键的 电子对,Lewis结构式,l2气体分子,H2 气体分子,共价键的形成（以氢气在氯气中燃烧为例）,分开后，她们为什么不高兴？让我们听听她们说些什么？,我只有一个电子，太少了,我也少一个电子,e, 原子

8、,Cl 原子,二位好！我有一个好办法你们每人拿出一个电子共用，就象共同分享快乐一样共同拥有行吗？,愿意,H原子，你愿意拿出一个电子共用吗？,Cl原子，你愿意拿出一个电子共用吗？,我给你们点燃之后，你们要结合在一起，为人类做出自己的贡献,H,Cl,H2+Cl2=2HCl,点燃,有些分子的中心原子最外层电子数少于8或多于8个，这些分子仍能稳定存在。BF3 (6个), PCl5 (10个), SF6 (12个),不能解释共价键的方向性和饱和性共价键的本质。因为根据经典静电理论，两个电子为何不排斥，反而互相配对？,经典价键理论的不足,1927年，W. Heitler和F. London把量子力学应用到

9、氢分子结构中，初步揭示了共价键的本质。,建立了现代价键理论、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论。,1925年获博士学位，1931年任化学教授，由于他对化学键的研究以及用化学键理论阐明复杂物质化学结构获得成功，1954年获Nobel化学奖。,1932年，Hund和Mulliken从另一角度提出了分子轨道理论。,三、现代价键理论,W. Heitler 和 F. London,H,H,氢分子能量 (E) 和核间距离 (R) 的关系,基态分子中两核间的电子概率密度2远远大于排斥态分子中核间的电子概率密度2,概率密度增加能量降低,概率密度降低能量升高,根据量子力学原理，基态成键：H原子轨道相互叠加时，两个

10、1s都是正值，这称为原子轨道的重叠。排斥态：相当于两个原子轨道相减，增大了排斥能，体系能量升高。,3.1 共价键的本质,共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。,现代价键理论的基本要点：（共价键形成的两个主要条件）,当两个原子接近时，两原子中自旋相反的未成对电子轨道重叠，电子云密集，系统能量降低，成为两原子的共享电子对而形成化学键共价键,原子轨道重叠时，轨道重叠越多，电子在两核间出现的机会越大，形成的化学键越稳定，因此，共价键应尽可能地沿原子轨道最大重叠方向形成最大重叠原理。,3.2 共价键的特点,共价键结合力的本质是电性的 两

11、个原子核对共用电子对所形成的负电区域的吸引力。结合力的大小，取决于原子轨道重叠的多少，共用电子对的数目三键双键单键,共用电子对绕着两个原子核运动，而在两核之间出现的概率较大。,共价键具有饱和性 每个原子所能提供的轨道数和未成对电子数一定 每个原子成键的总数或以单键连接的相邻原子数是一定的。,H2为什么只能形成双原子分子？,共价键具有方向性 原子轨道在空间上具有一定取向，为遵守最大重叠原理，原子轨道重叠时必须具有一定的方向（重叠最大的方向）。,H2S,HCl,(1) 键和键, 键 ：成键的两原子轨道以“头碰头”的方式，沿两原子核连线方向发生轨道重叠。,3.3 共价键的键型, 键 ：成键时两原子轨

12、道以“肩并肩”的方式发生重叠，重叠部分对通过键轴、密度为零的一个平面呈对称分布。,一般说来，键的重叠程度小于键，所以键的键能比键的键能小，更易于发生化学反应。,N2分子N 1s22s22px12py12pz1,* 键,(2) 配位共价键,正常共价键：共用的两个电子由成键的两个 原子共同提供。,配位共价键：共用电子对由成键原子中的一个 原子提供,形成配位共价键的条件：1. 提供共用电子对的原子有孤对电子；2. 接受共用电子对的原子有空轨道。,CO分子,现代价键理论比较简明地阐述了共价键的形成过程和本质，并成功地解释了共价键方向性、饱和性的特点，但在解释分子的空间结构时遇到了困难。,CH4，CCl

13、4,CH4分子，C原子的电子层结构：1s22s22px12py1，只能与两个H原子形成两个共价单键。,为了解释多原子分子的空间结构，1931年Pauling在价键理论的基础上，提出了杂化轨道理论。,四、轨道杂化理论,在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型，但能量相近的几个原子轨道混合起来，重新组成一组同等数量的能量完全相同的杂化原子轨道。所形成的新轨道叫杂化轨道，它可以与其它的原子轨道重叠形成化学键。,4.1 轨道的杂化,原子形成杂化轨道的一般过程 激发 杂化 轨道重叠,sp3杂化：CH4分子的形成,4.2 杂化轨道的类型,1个ns轨道与3个np轨道组合产生4个sp3杂化轨道，每个sp

14、3轨道含1/4 s，3/4 p轨道成分。,4个sp3轨道间的夹角为109.5,注意点：,原子轨道的杂化，只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。只有能量相近的原子轨道才能发生杂化。n个原子轨道间杂化就得到n个杂化轨道。,sp2杂化： BF3分子的形成,1个ns轨道与2个np轨道组合产生3个sp2杂化轨道，每个sp2轨道含1/3 s，2/3 p轨道成分，夹角为120,sp杂化： 气态BeCl2分子的形成,1个ns轨道与1个np轨道组合产生2个sp杂化轨道，每个sp轨道含1/2 s，1/2 p轨道成分，夹角为180,有d轨道参加的杂化轨道 (sp3d、 sp3d2、sp3d3、

15、dsp2),总结：sp 杂化轨道的类型,总结：sp 杂化轨道和dsp杂化轨道的空间构型,CH 0.110nm CC 0.154nm CN 0.147nm CO 0.143nm CF 0.142nm CCl 0.178nm CBr 0.191nm CI 0.213nm OH 0.097nm,共价键的属性及其断裂行为,1、键长,形成共价键的两个原子核之间的距离称为键长（也叫键距）。,注意：不同的共价键具有不同键长，即使是同一类型的共价键在不同化合物的分子中它的键长也可能稍有不同。,常见共价键的平均键长,请同学们思考为什么？,两价以上的原子在与至少两个原子成键时，键与键之间的夹角称为键角。,2、键角

16、,形成共价键所释放的能量或断裂共价键所吸收的能量叫离解能，分子中同一类型共价键的离解能的平均值为键能。,3、键能,对于相同原子形成的共价键来说（例如H-H，Cl-Cl），成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。但是，下列化合物有极性：H+ Cl-（HCl）H3C+Cl-（CH3Cl）由于电子云的不完全对称而呈现极性的共价键叫作极性共价键。,4、键的极性和元素电负性分子的偶极距,电负性：一个元素吸引电子的能力。,极性共价键就是构成共价键的两个原子具有不同电负性的结果（一般相差在0.6-1.7之间）。电负性相差越大，共价键的极性也越大。,偶极矩：正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中

17、心之间的距离d的乘积。 qd 单位D,德拜（Debye)偶极矩有方向性:正到负,一般用符号 表示。,请注意偶极矩是有方向性的。,在两原子组成的分子中，键的极性就是分子的极性，键的 偶极矩就是分子的偶极矩。在多原子组成的分子中，分子的偶极矩是分子中各个键的 偶极矩的向量和。分子偶极距 =i,例如,5、共价键的断裂均裂与异裂,有自由基参与的反应叫做自由基反应。由共价键异裂产生离子而进行的反应叫做离子型反应。,有些反应过程没有明显分步的共价键均裂或异裂,只是通过一个环状的过渡态,化学键的断裂和新化学键的生成同时完成而得到产物。,协同反应,补充,原子晶体：金刚石晶体结构示意图,C原子,正四面体结构单元

18、,硅晶体结构示意图,Si原子,正四面体结构单元,二氧化硅晶体结构示意图,Si原子,结构单元,O原子,金属键,1、定义：金属阳离子与自由电子之间通过静电作用形成的化学键,2、成键微粒：,3、成键实质：,金属阳离子和自由电子,静电作用（静电引力和斥力）,金属键存在于固体金属单质或合金中,三种化学键的比较,化学键 概念 作用点 特征 形成条件和规律 示例,离子键,阴阳离子间静电作用,离子,无方向性无饱和性,金属(NH4+)与非金属或酸根,盐、碱金属氧化物,共 价 键,极性键,非极性键,配位键,原子间共用电子对,偏不偏一方提供,不同原子相同原子特殊原子,有方向性和饱和性,不同非金属元素之间,同种非金属

19、元素之间,一方有孤对电子，一方有空轨道,CO HXX2 O2 H2O2H3O+ NH4+,金属键,金属离子和自由电子间的静电作用,金属离子和自由电子间,无方向性无饱和性,金属单质和合金,分子间作用力（范德华力）,组成和结构相似：分子量越大，力越大。 如熔沸点 CF4异戊烷新戊烷,3）影响因素,1）概念：存在于分子之间的微弱作用力。 （只有分子晶体有）,2）意义：决定分子晶体的物理性质。 如范德华力越大熔沸点越高,4)分子间作用力的特点,分子间力一般比化学键能小1-2个数量级，只有几个到几十个kJmol-1, 。分子间力作用范围约是几百pm,一般不具有方向性和饱和性。分子间力的大小,是影响物质熔沸点,溶解度等的因素之一。,氢键,氢原子与其他电负性大的原子上的孤电子对产生的相互作用力,称为氢键。,水分子中的氢键,分子间氢键实际上是分子间的缔合键,它的作用力与分子间力相近。但与分子间力不同的是，它有方向性和饱和性,实际上只有F、O、N等原子与H原子结合的物质，才能形成较强的氢键。,分子间氢键加强了分子间作用力,它使物质的熔沸点升高。,氢键对物质性质的影响,如水和氟化氢的沸点与同族元素的氢化物比较,出现了反常的升高。,