化学键与分子间作用力.ppt

5.3 化学键与分子间相互作用力 Chemical Bond ,电子填入分子轨道时服从以下规则：,由原子算出可用来填充这些轨道的电子数;,按一定规则将电子填入分子轨道。,像写原子的电子分布那样写出分子的电子组态.,分子轨道的数目 = 键合的原子轨道数之和,如H2中的分子轨道,两个H原子相互接近时, 由两条 1s 轨道组合得到能级不同、在空间占据的区域亦不同的两条分子轨道.,能级较低的叫成键分子轨道 (bonding molecular orbital),能级较高的叫反键分子轨道 (antibonding molecular orbital).,两个 He 原子(电子组态为1s2 )相互接近时发生类似的情况: 两个1s 原子轨道组合得到一条 和一条 轨道. 不同的是有 4 个电子而不是有 2个电子待分配; 4 个电子恰好填满 和 轨道, 分子的电子组态应为 . 成键电子数与反键电子数相等, 净结果是产生的吸引力与排斥力相抵消, 即两个 He 原子间不形成共价键. 分子轨道理论的这一判断与 He 在气态以单原子分子存在的事实相一致.,Relative energy levels of orbitals in He He “He2” reaction.,5.3.2 分子的极性与分子的空间构型 (Molecular Polarity and Geometry),非极性分子(nonpolar molecule)：,一、分子的极性与电偶极矩,极性分子(polar molecule) ：,分子的极性可以用电偶极矩()来表示。,1.分子的极性,2.(电)偶极矩 bond dipole moment (m),m = q l,m单位：C m(库 米),l,q+,q-,偶极子,偶极矩不仅可以说明分子极性的强弱，还可判断分子的空间构型。,如实测H2O分子的=6.1710-30Cm， H2S分子的=3.2410-30Cm。,由此可判断：,这两种化合物都是极性分子；,极性：H2O H2S。,空间构型肯定不是直线型；,说明： 是矢量，其方向从正指向负。其值可由实验测得。 =0的分子为非极性分子； 0的分子是极性分子，分子的极性；,一些分子的偶极矩（ 1030/Cm）和分子的空间构型,分子的极性与分子空间构型有关。,结论：,问题：,为何不同分子可呈现不同的空间构型？,分子的空间构型：,指分子中各原子在空间排列构成的几何形状。,如HCl形成的共价键。,化学键的极性：取决于原子在分子中吸引电子的能力 （电负性）。,同核双原子分子非极性共价键：,由不同元素的原子间形成的共价键极性共价键：,H-Cl,注意：分子的极性与化学键的极性不完全一致。,（1）空间结构对称的分子（如CO2、CCl4）：,分子的极性与化学键的极性的关系：,简单的双原子分子，键的极性就是分子的极性。,（2）由极性键构成的空间构型不对称的分子：,复杂的多原子分子，分子的极性不仅与键的极性 有关，而且还取决于分子的空间构型。,键有极性，分子无极性；,6.1710-30,(Cm):,4.9010-30,0,0,1931年，鲍林在价键理论基础上提出了杂化轨道理论。,三、分子的空间构型与杂化轨道（hybrid orbital ）,据价键理论：,实验结果：,O：2s22p4,N：2s22p3,H：1s1,H：1s1, 成键时能级相近的价电子轨道相混杂，形成新的价电子轨道杂化轨道,轨道成分变了,总之，杂化后的轨道,轨道的能量变了,轨道的形状变了,结果，当然是更有利于成键啰！,变了, 杂化后轨道伸展方向，形状和能量发生改变, 杂化前后轨道数目不变,1.杂化轨道理论基本要点,2. 杂化形式,等性杂化,不等性杂化,Be：2s2,(1) sp杂化,Be采用sp杂化 生成BeH2,两个sp杂化轨道,B： 2s22p1,(2) sp2杂化,BF3的空间构型为平面三角形,三个sp2杂化轨道,CH4的空间构型为正四面体,C：2s22p2,(3) sp3杂化,四个sp3杂化轨道,等性spn杂化比较：,(4) 不等性sp3杂化,判断等性sp3杂化与不等性sp3杂化的依据：,（1）若参加杂化的原子轨道中电子总数小于或等于原子轨道总数，则可形成等性杂化。,（2）若电子总数大于轨道总数，一定有 孤对电子存在，而形成不等性杂化,A族A族 A族,2,如A、A、 A族元素可分别形成等性sp、sp2、sp3杂化,Be,B,C,Si,Al,N、P,O、S,F、Cl、Br,孤电子对数,如不等性sp3杂化的元素,1,3,元素举例,氢化物分子空间构型,三角锥形,V形,直线形,sp3d杂化,sp3d2杂化,思考题：解释CH4，C2H2，CO2的分子构型。,已知： C2H2，CO2均为直线型；,的构型为：,试用杂化轨道理论解释下面问题：, NH3、H2O 的键角为什么比 CH4 小？CO2 的键角为何是180？ 乙烯为何取120 的键角？, 在 BCl3 和 NCl3 分子中，中心原子的氧化数和配体数都相同，为什么两者的空间分子结构却不同？,Question,还是杂化形式不同,杂化形式不同,（1）分子间力没有方向性和饱和性；,特点：,一、分子间力(intermolecular force),中性的原子或分子间非化学键的相互作用力。,（2）能量比化学键力小12个数量级；作用范围小（仅为几百pm之间，与分子间距离的7次方成反比）；,（3）影响重大：对物质的熔点、沸点、溶解度、表面张力以及熔化热、气化热等性质产生很大的影响。,本质：属静电引力，它与分子的极性有关。,5.3.3 分子间相互作用力 (Intermolecular Force),分子间力通常包含范德华力和氢键两种。,1、范德华力（van der Weals forces）：包括三种力,（1）色散力 (dispersion force),由于存在瞬时偶极而产生的相互作用力。,特点：普遍存在（包括稀有气体）是最主要的分子间力。,存在于一切分子之间。,瞬间偶极,相互靠近,色散力,诱导,（2）诱导力(inductive force),（3）取向力(orientation force),影响大小的因素： 固有偶极的越大， 取向力越大。,于极-非或极-极之间。,存在于极-极分子之间。,固有偶极,诱导偶极,诱导力,诱导力存在,不同分子间的各种范德华力大小是不一样的,注意：,不同分子间作用力的比较（kJmol-1）,2.氢键 (hydrogen bond),（1）氢键形成的原因,（2）形成氢键的条件：,A、分子中有H原子；,B、X-HY中的X和Y原子元素的电负性大、 半径小、有孤对电子。,X-H,Y-,电负性很大,电负性很大,X-H,Y-,氢键,是分子与分子间存在的一种较强的作用力,注：氢键不是“化学键”!,即X、Y只能为N、O、F，,且X、Y可同可不同。,例：含CHO或CO的醛、酮等有机物的分子之间 不可能形成氢键。？,（3）氢键的特点：,A. 氢键有饱和性和方向性,无氢键,但水与甲醛之间可有氢键？,氢键,B. 氢键的强弱与X和Y的电负性大小有关,图2.26 水分子间的氢键示意图,X-H,Y-,180,(4) 氢键对化合物性质的影响,A. 对熔沸点的影响：,使物质熔、沸点升高。,C. 氢键的键能：,比共价键键能小得多，而与分子间力具有相同的数 量级。,不同种类原子所形成的氢键其键能不同。,B. 对物质溶解度的影响,服从“相似相溶”原理。,I2、Br2溶于CCl4,强电解质溶于水(强极性)中， 但难溶于弱极性的有机溶液 (油、苯等)中,“极-极相溶，非极-非极相溶”。,除了HF、H2O、NH3 有分子间氢键外，在有机羧酸、醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质中也有氢键的存在。例如：甲酸靠氢键形成二聚体。,除了分子间氢键外，还有分子内氢键。例如，硝酸的分子内氢键使其熔、沸点较低。,5.4 晶体结构Crystal Structure,一、晶体的基本类型,1. 离子晶体（ionic crystal）,点 阵：面心立方 晶 系：立方晶系 配位数：6：6,点 阵：简单立方 晶 系：立方晶系 配位数：8：8,点 阵：面心立方 晶 系：立方晶系 配位数：4：4,几种常见的结构形式为：,由正、负离子以离子键按一定方式排列而成的晶态物质,特点：,晶格能（EL）大，熔点、沸点高,EL,物质微粒是原子，原子与原子之间以共 价键结合成一整体,2. 原子晶体：,金刚石原子晶体,SiO2 晶体,原子晶体特点：,熔、沸点高，硬度大,SiO2化学式仅代表原子个数比,3.分子晶体：,物质微粒是分子（分子内以共价键结合），分子与分子之间以分子间力结合在一起,CO2分子晶体,H2O分子晶体,分子晶体特点：,分子间力作用弱，晶体硬度较小，熔、沸点较低。,4. 金属晶体：,金属原子之间以金属键结合而成的晶体。显然，金属原子之间最紧密方式堆积将是最稳定的.,几种常见的结构形式为：,六方密堆积,立方密堆积,体心立方堆积,金属键：金属原子（正离子）与自由电子间的作用力。,5. 过渡型晶体,石墨的层状晶体结构,硅酸盐的链状晶体结构,二、晶体缺陷,晶体缺陷的分类,晶体的缺陷对晶体的导电性、光学、力学和机械性能以及化学反应特性等性质都有明显的影响，甚至会出现一些新的功能特性。,（1）按缺陷的组成和结构可分为本征缺陷和杂质缺陷；,本征缺陷不含有外来杂质，仅由晶体的不完善产生出的缺陷。主要有空位缺陷、间隙缺陷、错位缺陷等。例如，在氟化钠晶体中，可能的本征缺陷是弗伦克尔缺陷，即氟离子空位和间隙氟离子形成的缺陷对。在氯化钠晶体中可能存在的本征缺陷是肖特基缺陷，即钠离子和氯离子空位形成的缺陷对。,杂质缺陷杂质离子和被置换离子之间,由于离子半径及电价、电负性差异产生的缺陷。,（2）从几何角度出发可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。,晶格空位,1. 整比缺陷,整比缺陷是在整比化合物（符合定组成定律的化合物）的晶体中观察到的缺陷，这类缺陷的产生并不影响晶体的组成。,整比缺陷可以分成两种类型：,（3）从化学角度出发可分为整比缺陷和非整比缺陷。,正畸变,负畸变,线缺陷,晶体中的点缺陷,晶体中的线缺陷,1、空穴缺陷,2、间充缺陷,晶体晶格中有相等数目的正离子和负离子同时消失而出现成对的空穴，又称离子双离位缺陷。如图a。,有的正离子离开其正确的晶格位置而进入了晶格的间隙，从而形成空穴（如图b），又称正离子单离位缺陷。,晶体的整比缺陷的产生的原因：,（2）空穴的存在；,（1）粒子的热运动；,整比缺陷的晶体其导电性随温度升高而明显增强。,二、非整比缺陷,在非整比化合物（化学组成不符合定组成定律）的晶体中观察到的缺陷。如图 。,非整比晶体可以看作是已加入一种杂质的纯晶体或以纯晶体结构为基础的固溶体。,非整比化合物的化学性质变化不大，但在导电性、光学性质以及催化性能都有很大差别, N-型半导体：, P-型半导体,在电场的作用下，晶体内的自由电子会发生迁移，而具有一定的导电性。,正离子缺少而引起的非整比缺陷（有空穴），电荷平衡由邻近一个同种元素原子形成的高电荷离子补偿。高电荷离子的形成实际上是一个电子从A+离子跑到A2+离子，从而完成导电任务。相当于空穴在作定向移动。,非晶体 液晶,非晶体没有规则的外形，内部微粒的排列是无规则的，没有特定的晶面。,一、非晶体,非晶体的聚集状态不稳定，在一定条件会逐渐晶化，晶体和非晶体之间没有绝对的界限。,在不同的条件下，同一种物质既可形成晶体，也可形成非晶体。,二、液晶,在某一温度范围内兼有液体和晶体两种特性的物质。,液晶是晶体向液体过渡的中间相，内部粒子位置无序、取向有序、各相异性。,不同类型的液晶其分子排列有不同的方式，根据分子排列的有序性的不同，可将液晶分为三种类型向列型，胆甾型，近晶型。,