第二章:分子结构方案课件.ppt
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1、,Chapter 2:Molecular Structure,第二章 分子结构,1、认识化学键的本质;掌握离子键的形成及其特点,离子的特征,离子极化概念。2、掌握价键理论的内容;会用价键理论解释共价键的特征,会用价电子对互斥理论和杂化轨道理论解释简单的分子结构。3、初步认识分子轨道,掌握第二周期元素的分子轨道特点。4、认识分子间作用力和氢键的本质,用其解释对物质性质的影响。,本章教学要求,研究分子结构的主要内容是研究原子是如何结合成分子的,即化学键问题。化学键一般可分为离子键、共价键、金属键,重点讨论前两者。由于物质的性质与分子结构有关,因此,介绍一些物质的性质,如:分子极性,磁性,氢键。,前
2、言,一、离子键的形成与特点,第一节:离 子 键 理 论,科塞尔(Kossel),离子键:原子间发生电子转移,形成正、负离子,并通过 静电作用而形成的化学键。,Na,+,-,离子键,Na:1s22s22p63s1,Cl:1s22s22p63s23p5,a、条件:两原子的电负性的差值:XP1.7。b、形成:电负性相差较大的原子间发生电子的转移,正、负离子通过静电作用而形成的化学键。c、特点:没有方向性,没有饱和性。,一、离子键的形成与特点,离子键的形成、条件与特点,因为离子键的本性是静电作用,离子晶体,(a)NaCl型晶体(b)立方ZnS型(c)CsCl 型晶体,离 子 晶 体 模 型,一、离子键
3、的形成与特点,离 子 晶 体 模 型,二、离子的电荷、半径、电子构型,它对离子间作用有重要影响,电荷越高,对异性离子吸引越大,熔点越高。,1、离子的电荷:相应原子失去或获得的电子数,1)同一周期阳离子半径随正价增加而减少,例如:Na+Mg2+Al3+。2)同一主族元素离子半径从上到下递增,例如:Li+Fe3+。,二、离子的电荷、半径、电子构型,2、离子的半径:指形成稳定离子键时所表现的有效半径。,5)阳离子半径较小约10170pm;阴离子半径较大,约130260pm。6)鑭系、锕系收缩:相同正价的镧系和锕系阳离子半径随原子序数增加而减少。,离子半径的大小对物质的熔点的影响:,二、离子的电荷、半
4、径、电子构型,2、离子的半径:指形成稳定离子键时所表现的有效半径。,二、离子的电荷、半径、电子构型,3、电子构型:原子形成离子时,失去或获得电子以后所形成的稳定的电子组态。,价键理论,第二节:共 价 键 理 论,电负性相差较小(Xp1.7)的原子之间将如何成键呢?,电负性相差较大的原子间发生电子的转移,形成正、负离子,阴、阳离子间通过静电作用而形成离子键,构成分子。,第二节:共 价 键 理 论,前言,1916年路易斯提出了原子之间共有电子对成键的概念。(八 隅 律),路易斯学说,为什么皆带负电荷的两个电子不相斥,反而互相配对呢?,Cl,Cl,N,N,ClCl,NN,前言,一、价键理论(电子配对
5、理论)VB法,能量,0,核间距,稳定态,排斥态,稳定态,H,H,1927年海特勒和伦敦用量子力学处理由氢原子形成氢气分子的过程:,一、价键理论(电子配对理论)VB法,1、共价键的本质:,当两个原子接近时,如两个电子是反方向自旋,在达平衡距离之前原子是相互吸引的,体系能量随距离的缩短而不断降低,从而形成稳定的共价键。,原子轨道发生有效重叠,电子在两核间出现的机会较多,即电子云密度增大,此电子云加强了电子云对两核的吸引力-电荷桥。,有节面,H2分子的整体电子云图,一、价键理论(电子配对理论)VB法,电子云密度增大,共价键的定义 这种由自旋方向相反的单电子配对,原子轨道发生空间上的最大可能的重叠,从
6、而增强两核间的电子云的密度,有效地加强了核中心对两核间的电子云吸引,所形成的化学键,称为共价键。,2、稳定共价键的形成条件:,1)电子配对原则:自旋方向相反的单电子相互接近时,才可形成稳定的共价键。2)最大重叠原则:成键电子的原子轨道重叠越多,两核 之间电子的几率密度越大,形成得共价键越牢固。,一、价键理论(电子配对理论)VB法,3、共价键的特征:,a、饱和性,基态原子的未成对电子数是一定的,因此它能形成的共价键数也是一定的。,例如:N:1S22S22P3,N:,3个单电子,NH3分子的成键过程,一、价键理论(电子配对理论)VB法,3、共价键的特征:,b、方向性,s轨道与p轨道的三种重叠示意图
7、,s,s,本质原因是:原子轨道具有方向性,s,一、价键理论(电子配对理论)VB法,除了s原子轨道外,其余的p、d、f原子轨道在空间都有一定的取向,而形成共价键要尽量达到原子轨道的最大的重叠,因此,这些轨道只有沿着一定的方向才能发生最大程度的重叠。,原子轨道的方向性,4、共价键的类型:键,键:能形成共价键的原子轨道是:ss、spx、pxpx,特点:键成键方式是“沿键走,头碰头”的方式发生轨道重叠,因此键比较稳定。,一、价键理论(电子配对理论)VB法,特点:键成键方式是“肩并肩”的方式发生轨道重叠,所以键不太稳定。,键:能形成共价键的原子轨道是:pypy、pzpz,一、价键理论(电子配对理论)VB
8、法,4、共价键的类型:键,运用价键理论来说明N2的成键情况。,N,N,随堂练习:,课 堂 小 结 价键理论简明地描述了共价键的成键本质与特点:自旋方向相反的单电子配对,原子轨道发生空间上的最大可能的有效重叠。这样形成的共价键具有方向性与饱和性的特点。根据原子轨道重叠的方式的不同分为:键、键。键成键方式是“沿键走,头碰头”的方式发生轨道重叠,轨道的重叠成分较多,因此键比较稳定;键成键方式是“肩并肩”的方式发生轨道重叠,所以键不太稳定,发生化学反应时,优先断裂的是键。,杂化轨道理论,第二节:共 价 键 理 论,杂化轨道理论是价键理论的一部分,是对价键理论的发展和补充。它是在价键理论不能解释的分子的
9、空间构型、稳定性问题时而形成的理论。,第二节:共 价 键 理 论,二、杂化轨道理论,前言,C:1S2 2S2 2Px1 2Py1,Question,有四个完全等价的共价单键,空间构型为正四面体,键角为10928。,为什么甲烷能形成四个等同的共价键?且空间构型为正四面体?,按照共价键最初理论:碳原子只能和两个H形成共价键,并且键角为90度。但事实上甲烷分子的结构为:,1、杂化轨道理论基本要点,1、原子在结合成分子时,中心原子的能量相近的原子轨道在形成化学键过程中,重新组成为新轨道,此过程叫轨道的杂化,新轨道叫杂化轨道。(线性组合),2、杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目。(遵循原则),二
10、、杂化轨道理论,3、杂化轨道在空间的伸展方向是尽可能取最大夹角,一般取对称形,这样排斥力最小,形成的分子体才系稳定。(数学理想建模),直线型,正三角型,正四面体,三角双锥,正八面体,二、杂化轨道理论,1、杂化轨道理论基本要点,4、杂化轨道外形与原子轨道不同,它一端肥大,其成键能力比原子轨道成键能力强,形成的分子也就更稳定。,二、杂化轨道理论,1、杂化轨道理论基本要点,二、杂化轨道理论,杂化轨道理论中心要点,杂 化 轨 道,结果,当然是更有利于成键罗!,2Px 2Py 2Pz 2Px 2Py 2Pz sp3杂化轨道 2P 2S 1S,碳 原 子 轨 道的 sp3 等 性 杂 化 过 程,基 态
11、激发态 杂化态,为什么甲烷能形成四个等同的共价键?且空间构型为正四面体?,FLASH 动 画,甲烷的杂化轨道,二、杂化轨道理论,sp3等性杂化,2、杂化轨道的类型,sp杂化,sp2杂化,sp3杂化,参与杂化的原子轨道的类型和数目不同,就形成不同类型的杂化轨道。常见的杂化轨道类型有:,二、杂化轨道理论,BeCl2的杂化轨道,Be 原 子 轨 道的 sp等 性 杂 化 过 程,2Px 2Py 2Pz 2Px 2Py 2Pz sp杂化轨道 2P 2S 1S,二、杂化轨道理论,BeCl2杂化轨道的形成,二、杂化轨道理论,FLASH 动 画,sp等性杂化,BF3的杂化轨道,B 原 子 轨 道的 sp2等
12、 性 杂 化 过 程,2Px 2Py 2Pz 2Px 2Py 2Pz sp2杂化轨道 2P 2S 1S,二、杂化轨道理论,BF3杂化轨道的形成,二、杂化轨道理论,FLASH 动 画,sp2等性杂化,NH3的杂化轨道,sp3杂化,NH3中N 原子采取 sp3 不等性杂化,Hybrid orbital,二、杂化轨道理论,sp3不等性杂化,NH3杂化轨道的形成,FLASH 动 画,二、杂化轨道理论,H2O中O原子采取 sp3 不等性杂化,Valence bond pictures of H2O,H2O的杂化轨道,二、杂化轨道理论,sp3不等性杂化,H2O的杂化轨道的形成,FLASH 动 画,二、杂化
13、轨道理论,杂化轨道的类型,二、杂化轨道理论,杂化轨道的类型,随堂练习:,1、运用杂化轨道理论来合理解释乙烯分子的成键情况与分子构型。,提示:中心原子C均采用sp2杂化,每个C原子的两个sp2杂化轨道与配原子H形成两个键,剩下的另一个sp2杂化轨道彼此形成一个键,未参与杂化的原子轨道再肩并肩地形成一个键。分子构型:六个成键原子在一个平面上,键角为120。,乙炔,2、请应用现代价键理论合理地解释乙炔的成键情况,有几个键?几个 键?,HCCH,随堂练习:,课 堂 小 结 杂化轨道理论是价键理论的一部分,是对价键理论的发展补充。它能成功地解释价键理论不能解释的分子构型、稳定性问题。杂化并非是一实际过程
14、,而是基于数学理想建模思想,在量子力学的基础上设想出来的理论。杂化不仅提高了轨道的成键能力,而且杂化轨道在空间的分布更合适,降低了成键电子间的排斥作用,有利于体系能量下降,这就是为什么我们要设想原子轨道在成键时杂化的原因。,价层电子对互斥理论,第二节:共 价 键 理 论,三、价层电子对互斥理论,1940年由Sidgwich N.和 Powell H.提出价层电子对互斥理论,它在预言主族元素所形成的多原子分子空间构型时,取得令人惊奇的的成功。,运用杂化理论能合理地解释分子空间构型,但必须首先先知道分子的构型。那么如何来预言分子的几何构型呢?,第二节:共 价 键 理 论,前言,确定分子构型的原则,
15、在AXm型多原子分子或离子中,分子的几何构型主要决定于中心原子A的价层电子对数的互斥情况:价层电子对之间尽可能远离,采取静电互斥力小、对称性最好的排布。,三、价层电子对互斥理论,(一)理论基本要点,2、价层电子对尽可能远离,以使斥力最小。,LP-LP LP-BP BP-BP,1、分子或离子的空间构型与中心原子的 价层电子对数目有关。,3、根据 VP 和 LP 的数目,可以推测出分子的空间构型。,三、价层电子对互斥理论,(二)分子形状的确定方法,a、中心原子提供的电子数:卤素:7个价电子;氧族:6个价电子。b、配体提供的电子数:氢、卤素:一个电子;氧族:不提供电子。c、如是离子:则应加上或减去与
16、电荷相应的电子数。,1、计算价层电子对数,三、价层电子对互斥理论,2、价层电子对的最佳排布理想构型的确定,这时就可以确定分子的空间构型吗?,(二)分子形状的确定方法,三、价层电子对互斥理论,3、确定分子、离子的空间构型,(二)分子形状的确定方法,三、价层电子对互斥理论,中心离子周围的价层电子对包含两种:a、成键电子对 b、孤电子对,分子的空间构型:是由中心原子和与它成键的原子来确定的,不包含孤电子对。,1、运用VSEPR 法判断 ICl4-的几何构型。,课 堂 例 题,成键电子对:4 孤电子对:2,中心原子价层有 6 对电子.理想排布方式为正八面体,但考虑到其中包括两个孤对,所以分子的实际几何
17、形状为平面四方形:,中心原子 Xe 的价电子数为 8,F 原子的未成对电子数为 1.可以算得中心原子价电子对的总数和孤对数分别为:,(价层电子对总数)=(84)/2=6(孤电子对的数目)=64=2,2、运用VSEPR 法判断 XeF4 分子的几何构型。,课 堂 例 题,3、运用VSEPR 法判断 ClF3 分子的几何构型。,课 堂 练 习,分子轨道理论,第二节:共 价 键 理 论,价键理论有明确的键的概念,能成功的给出一些键的性质和分子结构的直观图象,但对有些问题的解释感到困难:氢分子离子单电子键的存在,氧分子的顺磁性等。因此,在价键理论建立不久,洪特和密立肯又提出分子轨道理论。,四、分 子
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