11第十章共价键与分子结构.ppt

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1、1,第十章 共价键与分子结构,2,第十章 共价键与分子结构,分子结构,共价键,分子的几何构型,现代价键理论和分子轨道理论,分子间作用力：,分子之间的较弱相互作用力,第一节 现代价键理论,1.早期价键理论：,分子中的每个原子都有达到稀有气体稳定结构的倾向,非金属,共用一对或几对电子,共价键：,原子间通过共用电子对结合所形成的化学键,优缺点：,区别 共价键的本质 BF3、PCl5,3,2.现代价键理论：,价键理论,价层电子对互斥理论,杂化轨道理论,一、共价键的本质,基态,排斥态,(自旋,相反),(自旋,相同),氢分子形成过程中能量随核间距离变化示意图,图10-2 两个氢原子相互接近时原子轨道重叠示

2、意图,共价键的本质：,两原子轨道的重叠,4,二、价键理论的基本要点,(1)条件：,成单、自旋方向相反,共价键的特征：,饱和性、方向性,(2)共价键个数=,成单电子数,饱和性,6C,1s22s22p2,CH4,激发,1s22s12p3,CH5,习82.基态原子的未成对电子数就是该原子最多能形成的共价键数.(),5,(3)最大重叠,方向性,1H 1s1 17Cl Ne3s23p5,图10-3 H原子的1s与Cl原子的3px轨道三种方向重叠示意图,6,三、共价键的类型,键和键,重叠方式,键 键,图10-4 键和键示意图,头碰头肩并肩,重叠大重叠小,稳定不稳定,7,键 优先 单一,键 不可单独存在,H

3、2,N2,1s1,1s22s22px12py12pz1,1个 键,1个 键、2个 键,图10-5 N2中的共价三键示意图,8,四、配位共价键特殊的共价键(配位键),由一个原子单独提供共用电子对而形成的共价键,H,H,如铵（NH4+）离子的形成：,形成配位键的条件：,(1)电子对给予体的最外层有孤对电子；,(2)电子对接受体的最外层有可接受孤对电子的空轨道。,9,五、共价键参数,共价键参数：,表征共价键性质的物理量,有：键能、键长、键角和键的极性等,(一)键能,1.键的解离能：,在标准状态下，使1mol的气态分子AB(g)解离成气态原子A和原子B所需要的能量,用符号Ed表示,2.键能：,键离解能

4、的平均值,用Eb表示,双原子分子：,键能就是键的解离能 Eb=Ed,如：H2（g）=2H（g）,Eb=Ed=436kJmol-1,讨论:,10,多原子分子：,Eb Ed,NH3(g)NH2(g)+H(g),Ed,1(N-H)=427 kJmol-1,NH2(g)NH(g)+H(g),Ed,2(N-H)=375 kJmol-1,NH(g)N(g)+H(g),Ed,3(N-H)=356 kJmol-1,Eb（N-H）=,=,=386(kJmol-1),见:p 222 表10-1,11,(二)键长,定义：,分子中两个成键原子核间的平衡距离,用l表示,l(H2)=74pm,单位:pm,(三)键角,定义

5、:,多原子分子中,共价键与共价键之间的夹角,H-N-H=10728，,l(N-H)=101.9pm，,NH3的几何构型为,三角锥形,(四)共价键的极性,非极性 极性,电负性,相同不同,A-AA-B,大,-,+,12,习81.按现代价键理论，两原子形成共价键的条件是_、_。,成单,自旋方向相反,习84.对 键的描述中，正确的是（）A.原子轨道沿键轴垂直方向以“肩并肩”方式重叠 B.不能单独存在，必须与 键共存 C.两原子间可形成1个或2个键 D.键能大,A,B,C,13,用价键理论说明CH4的形成,6C1H,1s22s22p21s1,1个s-s键,3个s-p键,90,正四面体,价层电子对互斥理论

6、,14,第二节 价层电子对互斥理论,用途：预测多原子分子和离子的几何构型,一、价层电子对互斥理论的基本要点,(1)多原子分子或多原子离子的空间构型取决于中心原子的价层电子对数,(2)价层电子对之间尽可能远离,以使斥力最小,(3)价层电子对之间的斥力大小顺序为：,孤对电子-孤对电子孤对电子-成键电子对成键电子对-成键电子对,15,(4)双键和三键仍按单键处理,斥力顺序为：三键双键单键,(5)配位原子的,键角,NH3 NF3,(1020),中心原子的,键角,NH3 PH3,(93.390),16,预测空间构型的步骤如下：,(1)确定中心原子的价层电子对数：,价层电子对数=,配位原子提供的电子数：,

7、H、X 1个,O、S不提供电子,作中心原子提供6个电子,把单电子看成电子对,阳离子减去其电荷数,阴离子加上其电荷数,NH4+,（5+4-1）/2=4,SO42-,（6+2）/2=4,(2)根据中心原子的价层电子对数，从表中找出相应的电子对排布方式,17,原则：,尽可能使电子对之间的静电斥力最小,表10-3 中心原子价层电子对分布和Abn型共价分子或离子的几何构型,18,价层电子对数,价层电子对分布,成键电子对数,孤对电子数,分子类型,电子对分布方式,分子几何构型,实例,19,20,价层电子对数,价层电子对分布,成键电子对数,孤对电子数,分子类型,电子对分布方式,分子几何构型,实例,21,(3)

8、根据中心原子的价层电子对的排布方式，连接配位原子、确定孤对电子,全部是成键电子对时：,电子对构型=分子构型,有孤对电子时：,选择斥力最小的结构,二、价层电子对互斥理论的应用实例,(一)CCl4分子的空间构型,电子对构型=分子构型,正四面体,CH4,正四面体,(二)ClO3-离子的空间构型,电子对构型,正四面体,分子构型,三角锥形,22,(三)PCl5分子的空间构型,电子对构型=分子构型,三角双锥形,(四)IF2-离子的空间构型,电子对构型,三角双锥形,分子构型,直线形,23,用价键理论说明H2O的形成,8O1H,1s22s22p41s1,2个s-p键,90,10445,V形,杂化轨道理论,24

9、,第三节 轨道杂化理论,图10-7 BeCl2分子的空间构型,图10-6 sp杂化示意图,25,26,图10-9 sp3杂化轨道和CH4分子的空间构型,27,28,杂化轨道理论-,判断杂化类型及分子空间构型,原子数,杂化类型,2,sp,3,sp2,4,sp3,分子,杂化类型,空间构型,BeCl2,sp,直线形,.CHCH,.CO2,BF3,sp2,平面三角形,、CH2=CH2,CH4,sp3,正四面体形,CHCl3,sp3,四面体形,NH3,sp3不等性,三角锥形,H2O,sp3不等性,V形,29,一、杂化轨道理论的基本要点,杂化：,同一原子中不同原子轨道的组合,杂化轨道：,杂化后得到的原子轨

10、道,(1)条件：,形成分子的过程中,E相近,ns、np、nd、(n-1)d,s-p s-p-d,(2)杂化轨道的成键能力 原轨,图10-6 sp杂化示意图,形状一端,肥大，,杂化轨道伸展方向尽量,远离,30,(3)数目：,杂化轨道数=,参与杂化的原子轨道数,1个ns与1个np 个杂化轨道,2,1个ns与3个np 个杂化轨道,4,(4)杂化轨道可与其他原子形成键或排布孤对电子，而不能以空轨道的形式存在,(5)中心原子采取的杂化类型决定了杂化轨道分布形状及所形成的分子的空间构型,二、s p杂化轨道及有关分子的空间构型,等性杂化：,由原子轨道组合成的一组杂化轨道中,s,p,d轨道成分相等,31,不等

11、性杂化：,组合构成的一组杂化轨道中,s,p,d轨道成分不相等,s p杂化类型：,sp，sp2，sp3,(一)sp杂化轨道及有关分子的空间构型,个ns与 个np杂化，,1 1,形成 个 杂化轨道,2,sp,个ns+个np,1 1,2个,sp,特点：,1/2s，1/2p，180，直线形,32,BeCl2,直线形,4Be,1s22s2,17Cl,Ne3s23p5,直线形,图10-7 BeCl2分子的空间构型,33,CHCH,直线形,6C 1H,1s22s22p2 1s1,C C,H,H,sp-sp,sp-s sp-s,p-p,p-p,直线形,34,CO2,直线形,8O,1s22s22p4,O C O

12、,sp-p sp-p,p-p p-p,直线形,(二)sp2杂化轨道及有关分子的空间构型,个ns+个np 个,1 2,3,sp2,s，p，夹角，,1/3 2/3,120,平面三角形,35,BF3,平面三角形,5B 9F,1s22s22p1 1s22s22p5,平面三角形,36,CH2=CH2,sp2-sp2,sp2-s,p-p,CCl2=CCl2,sp2-sp2,sp2-s,p-p,37,(三)sp3等性杂化轨道及有关分子的空间构型,个ns+个np 个,1 3,4,sp3,s，p，夹角，,1/4 3/4,10928,正四面体形,图10-9 sp3杂化轨道和CH4分子的空间构型,38,CH4,正四

13、面体,6C 1H,1s22s22p2,1s1,正四面体,图10-9 sp3杂化轨道和CH4分子的空间构型,39,(四)sp3不等性杂化轨道及有关分子的空间构型,NH3,三角锥形,7N,1s22s22p3,三角锥形,10718,10928,(a)NH3的空间构型,40,H2O,V形,8O,1s22s22p4,V形,10445,10928,(b)H2O的空间构型,41,42,SiF4、CCl4、CH4 CHCl3、CH2Cl2、CH3OH,正四面体形,四面体形,NH4+,H3O+,H,H,配键,习86.在等性杂化中，中心原子杂化轨道的空间构型与所形成分子的空间构型相同。(),43,习87.下列分子

14、中，中心原子有sp2杂化的是()键角最小的是()键角最大的是()A、NH3 B、H2O C、CH4 D、BF3 E、CH3-CH=CH-CCH F、C6H6 G、BeCl2 H、CO2,D,、E,、F,B,G,、H,习88.SiF4分子的空间构型为()A、平面正方形 B、正四面体形 C、三角锥形 D、平面三角形 E、V形 F、直线形,B,44,三、d-s-p杂化轨道及有关分子的空间构型,d区元素：,p区元素：,ns、np、(n-1)d或nd,ns、np、nd,1.(n-1)d、ns、np杂化类型,dsp2、dsp3、d2sp3,2.ns、np、nd杂化类型,sp3d、sp3d2,(一)dsp2

15、杂化轨道及有关分子或离子的空间构型,1个(n-1)d+1个ns+2个np4个dsp2,d成分、s成分、p成分,四个dsp2杂化轨道在一个平面上，夹角为90,Ni(CN)42-配离子,平面正方形,45,Ni(CN)42-配离子,平面正方形,28Ni2+,Ar,3d8,平面正方形,46,(二)sp3d(dsp3)不等性杂化及有关分子的空间构型,个ns+个np+nd或(n-1)d 个,1 3 1,5,sp3d,(dsp3),三角双锥形,夹角,120,90,180,PF5,15P,Ne,3s23p3,9F,He,2s22p5,3d,三角双锥形,47,(三)sp3d2 杂化轨道及有关分子的空间构型,个n

16、s+个np+nd 个,1 3 2,6,sp3d2,正八面体,s成分、p成分和 d成分,夹角为,90或180,SF6,16S,Ne,3s23p4,9F,He,2s22p5,3d,sp3d2,sp3d2-p,正八面体,d2sp3,48,第四节 分子轨道理论,一、分子轨道理论的基本要点,O2,O2实验测定有两个自旋相同成单电子,8O,1s22s22px22py12pz1,1个py-py 1个pz-pz,无单电子,方法磁性测定,磁性,单电子,磁性物质,顺,反,有,无,磁矩,=,N=单电子数,N=的整数,=,N=,1,=5.9,N=,5,(1)分子中电子运动状态的描述,波函数,分子轨道,2,概率密度,4

17、9,(2)分子=1 2,n分=,n原,成键,反键*,E E原子,E*E原子,E+E*=E原子,(3)分子轨道组成三原则,对称性匹配原则,(a),(b),(c),(d),(e),下列几组原子轨道沿x轴靠近时，由于对称性不匹配，而不能有效地形成分子轨道的是()A.py-px B.py-py C.s-px D.pz-pz,A,50,能量相近原则,ns与ns、np与np、ns与np均可,轨道最大重叠原则,“头碰头”、“肩并肩”,(4)电子在分子轨道上的分布三原则,泡利不相容原理、能量最低原理、洪德规则,(5)键级：,共价键的强度,键级=,键级 键稳定性 分子稳定性,键级=0，分子不存在,二、分子轨道的

18、形成,分子轨道名称,（s、p、d）,51,1个ns,+1个ns,1个(ns),+1个(ns),图10-16,E(ns)E*(ns),(ns-np),*(ns-np),ns 轨道和npx轨道的线性组合,(npx),(npx),npx 轨道和npx轨道重叠形成的分子轨道,52,(npy)*(npy),(npz)*(npz),npy 轨道和npy（npz-npz）轨道重叠形成的分子轨道,电子；成键电子，反键*电子,单电子键、键、三电子键,电子；成键电子，反键*电子,单电子键、键、三电子键,53,三、同核双原子分子的结构,(1s),(1s),(2s),*(2s),(2px),(2py),=(2pz),

19、*(2py),=*(2pz),*(2px),1g,1u,2g,2u,1u,3g,1g,3u,O,F,Ne,B,C,N,54,(1)H2+,(1s)1,键级=,1/2=0.5,顺磁性,(2)He2+,(1s)2,(1s)1,键级=,(2-1)/2=0.5,顺磁性,(3)N2,(1g)2,(1u)2,(2g)2,(2u)2,(1u)4,(3g)2,键级=,(10-4)/2=3,反磁性,(4)O2,(1s)2,(1s)2,(2s)2,*(2s)2,(2px)2,(2py)2,(2pz)2,*(2py)1,*(2pz)1,键级=,(10-6)/2=2,顺磁性,第五节 离域键,一、离域键的形成条件,1.

20、定义：,由三个或三个以上原子所形成的键（或大键）,2.形成离域键的条件,55,(1)原子,(2)电子数小于,一个平面,p轨道,相互平行,p轨道数的2倍,二、离域键的类型,离域键,=,(1)正常离域键（Ne Na）,=,C6H6,NO2分子,(2)多电子离域键(Ne Na),CO2，CH2CHCl（氯乙烯）,56,(3)缺电子离域键（Ne Na),第六节 分子间作用力和氢键,一、分子的极性,键的极性和分子的空间构型决定,正、负电荷中心,57,度量-电偶极矩（）（偶极矩）,=qd,极性,=0,非极性分子,ABn（=0）,对称结构,BF3,=0,平面正三角形,三角锥,习89.由不同元素形成的双原子分

21、子一定是极性分子。(),习90.若多原子化合物分子的偶极矩为零,则其空间构型一定是对称的。(),分子在外电场中的极化,极性分子,非极性分子,;极性,产生：,外电场,、分子间,58,二、分子间作用力,(一)取向力,永久偶极间的静电作用力,存在：,极性-极性分子间,(二)诱导力,图10-22 极性分子与非极性分子相互作用示意图,永久偶极与诱导偶极间的作用力,存在：,极性-非极性分子间,极性-极性分子间,59,(三)色散力,图10-23 非极性分子相互作用示意图,瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间的相互作用力,存在：,非极性-非极性分子间,极性-非极性分子间,极性-极性分子间,分子 非-非 非-极 极-极,

22、力,色散力,色散力,色散力,诱导力,诱导力,取向力,习91.下列分子之间只存在色散力的是()A.CCl4-HCl(g)B.H3P-CO2 C.CO2-BF3 D.CO-H2S E.CH3OH-H2O F.HgCl2-Cl2,C,、F,60,应用(判bp、mp),主要,色散力,M 色散力,习95.下列物质中沸点最低的是()A.HF B.HCl C.HBr D.HI,B,沸点最高的是(),A,三、氢键,X-HY,产生在氢原子与电负性大的元素原子的孤对电子之间的静电吸引力,条件：,X、Y 电负性大、半径小,F、O、N,特征：,1）饱和性,和方向性,2）分子间作用力,61,习92.甲醇和水之间存在的分

23、子间作用力是 A.取向力 B.诱导力 C.色散力 D.氢键,A.,B.,C.,D,氢键的类型,氢键,X、Y 分子,(一)分子间氢键,二聚结构,链状结构,62,层状结构,立体结构,冰中氢键的四面体立体结构,63,(二)分子内氢键,苯酚羟基的邻位上有:,COOH、NO2,CONH2、COCH3、OH等基团,(三)氢键对化合物性质的影响,1.氢键对化合物沸点和熔点的影响,间氢键mp bp,内氢键mp bp,mp邻硝基苯酚 间、对硝基苯酚,mp、bp,H2O、NH3、HF,同族其他元素氢化物,2.氢键对化合物溶解度的影响,剂与质间氢键s（溶解度）,极性,64,蛋白质和核酸的空间结构,习94,内,大,习

24、93.下列说法错误的是()A、NH4Cl分子中含有离子键，共价键和配位键 B、NaCl晶体中既不含范德华力又不含氢键和共价键 C、HNO3分子中存在分子内氢键 D、离子键和分子间力无饱和性和方向性 E、分子间力中最重要的是色散力 F、任何分子间都存在色散力 G、氢键、共价键和配位键具有方向性和饱和性 H、氢键是化学键 I、离子键、分子间力和氢键的实质都是静电作用力,H,65,第七节 原子晶体和分子晶体,一、原子晶体,晶格结点上排列的微粒是，,原子,共价键结合,金刚石,C原子以 杂化轨道成键,sp3,共价键 键,键角,10928,空间构型,四面体,配位数,4,原子晶体的特点：,熔点、硬度。,导电

25、,很高,很大,不,应用：耐火材料、磨料,存在：,原子晶体主要由C、Si与其邻近的元素形成,66,二、分子晶体,晶格结点上排列的微粒是，,分子,分子间力和氢键,干冰,二氧化碳晶体,特点：,熔点、沸点,较低,硬度,较小,导电,不,存在：,稀有气体、大多数非金属单质、非金属化合物、大部分有机化合物,作业 p249 4;习87;p249 5;6;10;习94,67,第十章 共价键与分子结构小结,1.共价键的本质、条件、特征、类型,两原子轨道的重叠,成单、自旋方向相反,饱和性、方向性,键和 键,2.价层电子对互斥理论-,判断中心原子电子对和分子和离子的空间构型,价层电子对数=,2,直线形,3,平面三角形

26、,4,正四面体,5,三角双锥,6,正八面体,3.杂化轨道理论-,判断杂化类型及分子空间构型,2,-sp,直线形,3,-sp2,平面三角形,4,-sp3,正四面体,-dsp2,平面正方形,68,5,-dsp3,三角双锥形,-sp3d,6,-d2sp3,正八面体,-sp3d2,H2O,NH3,-sp3不等性,V形,三角锥,4.分子轨道理论-分子轨道组成原则、分子轨道能级次序(氧、氮图)、键级、磁性,对称性匹配原则,能量相近原则,轨道最大重叠原则,(1s),(1s),(2s),*(2s),(2px),(2py),=(2pz),*(2py),=*(2pz),*(2px),1g,1u,2g,2u,1u,

27、3g,1g,3u,键级=,单电子,磁性,顺,反,有,无,69,5.离域键、形成条件、表示方法和类型,Na,3,原子,一个平面,p轨道,相互平行,2Np Ne,正常(Ne Na),=,多电子(Ne Na),缺电子(Ne Na),6.分子间力、类型、存在、判断分子极性、应用(判bp、mp),分子 非-非 非-极 极-极,力,色散力,色散力,色散力,诱导力,诱导力,取向力,键的极性和分子的空间构型决定,主要,色散力,M 色散力,70,氢键、类型、存在、特点、应用(判bp、mp、s),X-HY,分子间,分子内,N、O、F,1）饱和性,和方向性,2）分子间作用力,mp、bp,H2O、NH3、HF,同族其

28、他元素氢化物,极性,71,4、利用价层电子对互斥理论判断下列分子或离子的空间构型：BeF2，BF3，H2O，NH3，CO2，SO2，CO32-，ClO4-，BrO3-，ClO2-，NO2-,答：BeF2,直线形,BF3,平面三角形,H2O,V形,NH3,三角锥形,CO2,直线形,SO2,V形,CO32-,平面三角形,ClO4-,正四面体形,BrO3-,三角锥形,ClO2-,V形,NO2-,V形,习87.下列分子中，中心原子有sp2杂化的是()键角最小的是()键角最大的是()A、NH3 B、H2O C、CH4 D、BF3 E、CH3-CH=CH-CCH F、C6H6 G、BeCl2 H、CO2,

29、D,、E,、F,B,G,、H,72,5、当键轴为x轴时，下列各组的两个原子轨道是否属于对称性匹配？(1)s-s(2)s-px(3)s-py(4)s-pz(5)px-px(6)px-py(7)py-pz(8)py-py,答:对称性匹配的为,(1),(2),(5),(8),6.写出O2,O2+,O2-,O22-的分子轨道表示式,并指出它们的键能的相对大小。,O2,(1s)2,*(1s)2,(2s)2,*(2s)2,(2px)2,(2py)2,=(2pz)2,*(2py)1,=*(2py)1,键级=,O2+,(1s)2,*(1s)2,(2s)2,*(2s)2,(2px)2,(2py)2,=(2pz)

30、2,*(2py)1,键级=,73,O2-,(1s)2,*(1s)2,(2s)2,*(2s)2,(2px)2,(2py)2,=(2pz)2,*(2py)2,=*(2py)1,键级=,O22-,(1s)2,*(1s)2,(2s)2,*(2s)2,(2px)2,(2py)2,=(2pz)2,*(2py)2,=*(2py)2,键级=,键能,O2+,O2,O2-,O22-,10.判断下列各组分子之间存在什么形式的作用力。,(1)C6H6和CCl4(2)He和H2O(3)CO2气体,(4)HBr气体(2)CH3OH和H2O,(1)色散力,(2)色散力、诱导力,(3)色散力,(4)色散力、诱导力、取向力,(5)色散力、诱导力、取向力、氢键,74,习94,内,大,