共价键与分子作用力.ppt

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1、,共价键和分子间作用力,第一节 离子键,化学键：在分子和晶体中，直接相邻的原子或离子之间的强烈的相互作用。1.离子键 2.共价键 3.金属键 分子间作用力:分子与分子之间比较弱的相互作用力 1.范德华力 2.氢键,第六章 2.共价键和分子间作用力,Valence electron transfer leads to an ionic bond,Ionic Bond:One Big Greedy Thief Dog!,Covalent Bonds,Covalent Bonds:willing to share,Valence e-play a fundamental role in chemic

2、al bonding.e-transfer leads to ionic bonds.Sharing of e-leads to covalent bonds.e-are transferred of shared to give each atom a noble gas configuration the octet.,经典共价键电子理论,经典共价键电子理论,第一节 离子键,现代价键理论,经典共价键电子理论,该理论认为两个或多个原子可以相互“共用”一对或多对电子，以便达到路易斯结构，而生成稳定的分子。,H+H HH 或HH,但不能解释一些分子的中心原子最外层电子数少于或多于8个仍能稳定存在

3、的事实。,一、氢分子形成和共价键的本质,(一)氢分子的形成,两个氢原子接近时的能量变化曲线,r/pm,74.1,E/kJmol-1,氢分子的 两种状态,一、氢分子形成和共价键的本质,(二)共价键的本质,可见共价键的本质是两原子轨道重叠，成键原子共享配对电子，电子云密集区把两个带正电荷的原子核吸引在一起而形成稳定的共价分子。,二、现代价键理论要点,（一）共价键的形成 共价键形成的条件 一是成键两原子各有自旋相反的单电子，可互相配对形成共价键。二是单电子所处的两原子轨道互相重叠形成共价键。,二、现代价键理论要点,（二）共价键的饱和性和方向性饱和性 两原子自旋相反的单电子配对之后，不能再与第三个原子

4、的单电子配对成键，这称为共价键的饱和性。方向性 两原子轨道重叠越多，两核间电子云越密集，则系统能量降低越多，所形成的共价键越牢固，这称为原子轨道最大重叠理。,二、现代价键理论要点（二）共价键的饱和性和方向性,成键时原子轨道只有沿一定方向接近，才能达到最大重叠，才能形成共价键,键:,键:,对键轴呈圆柱形对称(头碰头),对键轴所在的某一特定平面具反对称性(肩并肩),电子:形成 键的电子.,电子:形成 键的电子.,（三）共价键的类型 按原子轨道重叠方式不同 共价键分为键、键。,二、现代价键理论要点,二、现代价键理论要点（三）共价键的类型,二、现代价键理论要点（三）共价键的类型,“s-s”键,二、现代

5、价键理论要点（三）共价键的类型,“s-p”键,二、现代价键理论要点（三）共价键的类型,“p-p”键,二、现代价键理论要点（三）共价键的类型,“p-p”键,二、现代价键理论要点（三）共价键的类型,N 2分子中的键和键示意图,Keep in mind,The shape of a molecule is determined only by the orbitals forming bonds(the bond framework)Note that only one of the bonds in a multiple bond is a bond;the others are bonds on

6、e bond in a double bond and two in a triple bond.,参见教材P122,二、现代价键理论要点（三）共价键的类型,成键原子一方有孤对电子，另一方有空轨道.,特殊共价键:配位共价键,形成条件：,例：,二、现代价键理论要点,（四）共价键的参数表征共价键特征的物理量称为共价键参数。如键长、键角、键能和键的极性。,分子内成键两原子核间的平均距离。两原子形成同型共价键的键长越短，键越稳定。,键长,二、现代价键理论要点（四）共价键的参数,键角是同一个原子形成的相邻两个键间的夹角。分子构型由键角、键长决定。,.键角,分子式 键长/pm(实验值)键角(实验值)几何构

7、型,H2SCO2NH3CH4,134 92,角型,116.2 180,直线型,三角锥型,正四面体型,101 10718,109 10928,分子空间构型由键角、键长决定,linear,trigonal planar,tetrahedral,trigonal bipyramidal,octahedral,BF3,CH4,PCl5,SF6,分子空间构型由键角、键长决定,二、现代价键理论要点（四）共价键的参数,键能 在一定温度和标准压下断裂 1mol 化学键所需要的能量。共价键强弱的量度。一般键能越大，共价键强度越大。成键时放出能量，断键时吸收能量。,二、现代价键理论要点（四）共价键的参数,一些共价

8、键的键长和键能,二、现代价键理论要点（四）共价键的参数,4.共价键的极性共价键共用电子对是否偏移分类,1)极性键,2)非极性键:,强极性键:,弱极性键:,如H2O,HCl中的共价键,如H2S,HI中的共价键,如N2,H2中的共价键,Covalent Bonds:willing to share,Example:Covalent Bonding in H2S,S atomic number is 16,分子式 键长/pm(实验值)键角(实验值)几何构型,H2SCO2NH3CH4,134 92,角型,116.2 180,直线型,三角锥型,正四面体型,101 10718,109 10928,第一节

9、离子键,杂化轨道理论,为了从理论上说明分子构型，1931年美国化学家鲍林(L.Pauling)等人以价键理论为基础，根据电子具有波动性、波可以叠加的原理，提出了杂化轨道理论。,L.Pauling，斯坦福大学教授，曾阐明蛋白质中多肽链-螺旋的排列。两次获得诺贝尔奖。,第一节 离子键,杂化轨道理论,一、杂化轨道理论的要点 形成分子时，因原子之间的相互影响，同一原子内能量相近的不同类型的 n 个价原子轨道混合（杂化），重新分配能量和确定空间方向，形成 n 个新原子轨道 杂化轨道(hybrid orbital)。,第一节 离子键,杂化轨道理论一、杂化轨道理论的要点,2.杂化轨道形状不同于原轨道形状，杂

10、化轨道的角度分布变得一头大一头小，更有利于最大重叠，成键能力增强。而且原子轨道杂化过程中所需要的能量可由杂化轨道形成共价键时所释放的能量来补偿且有余，形成的分子更加稳定。,第一节 离子键,杂化轨道理论一、杂化轨道理论的要点,3.杂化轨道之间尽可能取最大夹角分布，形成相互排斥能最小的杂化轨道构型。杂化类型不同，杂化轨道构型也不相同，由此即可解释分子空间构型。4.杂化分为等性杂化和不等性杂化。,第一节 离子键,杂化轨道理论,二、原子轨道杂化类型及实例,(一)sp杂化:,BeCl2:,Be,Cl,Cl,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,两个sp杂化轨道:,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例

11、,BeCl2,第一节 离子键,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,(二)p2杂化:,BF3:,第一节 离子键,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,三个sp2杂化轨道:,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,第一节 离子键,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,(三)sp3杂化:,CH4空间构型:,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,第一节 离子键,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,(四)不等性sp3杂化:,NH3:,N,H,H,H,HNH=10718,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,H2O:,O,H,H,HOH=10430,

12、杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,第一节 离子键,杂化轨道理论二、原子轨道杂化类型及实例,杂化轨道的类型与分子的空间构型,杂化轨道类型参加杂化的轨道 杂化轨道数成键轨道夹角分子空间构型 实例 中心原子,s+p,s+(3)p,s+(2)p,s+(3)p,2,4,4,3,Be(A)Hg(B),B(A),C,Si(A),N,P(A),O,S(A),不等性sp3,sp,sp2,sp3,180,120,10928,90 10928,H2OH2S,BeCl2HgCl2,BF3BCl3,CH4SiCl4,NH3PH3,Determine hybridization of the central ato

13、m?,CCl4 and CH3Cl,NH3 and NH4+,BF3 and PCl3,sp3Tetrahedral,sp3 anamorphic Tetrahedral,sp3 Trigonal pyramidal,sp3 Tetrahedral,sp2Trigonal planar,sp3 Trigonal pyramidal,分子间作用力,The phase transitions indicate that there are intermolecular forces between molecules,Inter-vs.Intramolecular Forces,The coval

14、ent bond holding a molecule together is an intramolecular force.,第一节 离子键,分子间作用力,一、共价分子的极性和极化（一）极性分子与非极性分子 每个分子都可看成由带正电的原子核和带负电的电子所组成的系统。整个分子是电中性的，但从分子内部电荷的分布看，可认为正负电荷各集中于一点，叫电荷重心。若正、负电荷重心重合称为非极性分子，不重合称为极性分子。,H,Cl,+,-,第一节 离子键,第五节 分子间作用力一、共价分子的极性和极化,双原子分子的极性与键的极性一致，即同核双原子分子如H2、O2是非极性键也是非极性分子，异核双原子分子如H

15、Cl、HF是极性键也是极性分子。多原子分子的极性不仅与键的极性有关，也与分子构型有关。CO2、CH4是非极性分子，SO2、NH3为极性分子。,第一节 离子键,分子间作用力一、共价分子的极性和极化,分子的极性可用电偶极矩来衡量。它是分子中正、负电荷中心的距离 d 与正或负电荷中心上的电量 q 的乘积，即=qd，单位为10-30 Cm。=0的分子为非极性分子。0的分子为极性分子。越大，分子极性越大,The Polarity of Polyatomic Molecules,第一节 离子键,分子间作用力一、共价分子的极性和极化,（二）分子的极化 在外电场作用下，无论是极性分子还是非极性分子都会发生变形

16、，变形分子中电子云与原子核出现相对位移，使非极性分子产生诱导偶极、使极性分子的电偶极矩增大，这种现象称为分子的极化。,第一节 离子键,分子间作用力一、共价分子的极性和极化,分子在外电场中的极化,第一节 离子键,分子间作用力,二、范德华力（一）范德华力的分类1.取向力 当极性分子互相接近时，分子的永久偶极之间同极相斥、异极相吸，使分子在空间按一定取向排列吸引，而处于较稳定的状态，这种永久偶极间的吸引力称为取向力。,第一节 离子键,分子间作用力二、范德华力,取向力示意图,第一节 离子键,分子间作用力二、范德华力,诱导力示意图,2.诱异力,极性分子与非极性分子接近时，极性分子的永久偶极产生的电场使非

17、极性分子极化产生诱导偶极。永久偶极与诱导偶极间的吸引力称为诱导力。,第一节 离子键,分子间作用力二、范德华力,3.色散力 非极性分子中电子不断运动和原子核的振动，使某一瞬间分子的正负电荷中心不重合，形成瞬时偶极，瞬时偶极可使相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极。瞬时偶极间相互作用产生的引力叫色散力。,第一节 离子键,分子间作用力二、范德华力,色散力示意图,第一节 离子键,分子间作用力二、范德华力,总之，非极性分子间只有色散力；极性与非极分子间有色散力和诱导力；而极性分子间有色散力、诱导力和取向力。大多数分子的范德华力中，色散力是最主要的，诱导力一般较小，取向力只有当分子的极性很强（如 H2O

18、分子之间）时才占有优势。,第一节 离子键,分子间作用力二、范德华力,（二）范德华力的特征和作用 范德华力作用能很小，一般为2 kJmol-1 20 kJmol-1，不属于化学键范畴；作用的范围也很小，几十到500pm，作用力的大小随分子之间距离增大而迅速减弱；它不具有方向性和饱和性。范德华力是决定物质的熔点mp、沸点bp等物理性质的主要因素。同类型分子间范德华力越强，物质的熔、沸点越高。,Johannes Diderik van der Waals,for his work on the equation of state for gases and liquids,The Nobel Lau

19、reate in Physics 1910,第一节 离子键,氢 键,浩瀚的大海,第一节 离子键,氢 键,神奇的DNA,第一节 离子键,氢 键,是它们孕育、发展和把生命推向更高级的形式。它们有何魔力，产生如此结果？原来在水中、在蛋白质中、在核酸中存在一种渺小而又伟大、平凡而又辉煌的力量氢键。什么是氢键呢？,第一节 离子键,氢 键,一、氢键的定义(definition)XHY 其中，X 和 Y 代表F、O、N等电负性大、半径小的非金属元素的原子；代表共价键；代表氢键。这种产生在氢原子和电负性大的元素原子的孤对电子之间的静电引力称为氢键(Hydrogen Bonding)。,第一节 离子键,氢 键,

20、一些重要的氢键是：NHN OHN FHN NHO OHO FHO NHF OHF FHF 氢键的键能（bond energy）比化学键能（chemical bond energy）小得多，一般在 42 kJ/mol以下，与van der waals力同数量级且稍强。,第一节 离子键,氢 键,二、氢键的特点(characteristics)XHY1氢键具有方向性。X、H、Y尽可能在同一直线上，斥力最小，能量最低。2 氢键具有饱和性。一个XH分子中的H只能与一对孤对电子形成氢键。,氢 键,三、氢键的类型(types)（一）分子间氢键 一个分子的XH中的H和另一分子Y所形成的氢键分子间氢键。如液态氟

21、化氢、二聚乙酸具有的氢键（如下图）。,第一节 离子键,氢 键,2 分子内氢键 一个分子XH中的H 与该分子内的Y形成氢键叫做分子内氢键。如邻硝基苯酚中的羟基可与硝基中的氧原子形成分子内的氢键。,第一节 离子键,氢 键,四、氢键的影响(effects)例如，水中氢键：,H2O100.0,HF19.9,NH334.4,CH4161.5,PH387.7,H2S60.3,HBr66.7,HCl85.1,一些化合物的沸点（boiling point）比较,氢键的存在，水的沸点一下子高到100,氢 键,Hydrogen bonding and boiling points,第一节 离子键,氢 键,氢键的存

22、在，水形成了浩瀚的大海，显示了合作的力量！,第一节 离子键,氢 键,第一节 离子键,氢 键,水形成了巍峨的冰山，越是严峻的环境越是坚强！,氢 键,DNA中的氢键,维持了核酸的结构,蕴藏了核酸的功能和魅力。,Leave blank on purpose,下列量子数组合中，不可能存在的是。(A)2，1，0，12(B)3，2，2，12(C)3，1，1，12(D)1，0，0，12,已知BCl3分子中，B以sp2杂化轨道成键，则该分子的空间构型是。(A)直线型(B)三角锥型(C)正四面体(D)平面正三角形,在I2的CCl4溶液中，溶质与溶剂分子间的作用力是。(A)色散力，诱导力(B)色散力(C)取向力，诱导力(D)取向力,水具有反常高沸点是由于存在着。(A)诱导力(B)氢键(C)取向力(D)共价键,成键原子的轨道以 的方式相重叠而形成的共价键称为键，以 的方式重叠而形成的共价键称为 键。,由于 键的轨道重叠程度比 键的轨道重叠程度，因此键比键。,19K原子的电子排布式是_,