第7章-分子结构和晶体课件

无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉第第7 7章章 分子结构和晶体分子结构和晶体7.1 离子键离子键7.2 共价键共价键7.3 价层电子对互斥理论简介价层电子对互斥理论简介7.4 杂化轨道理论杂化轨道理论7.5 分子轨道理论分子轨道理论7.6 金属键和键性过渡金属键和键性过渡7.7 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键7.8 晶体结构晶体结构无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉化学键分子或晶体中相邻原子（或离子）之间的强烈吸引作用。7.1 离子键离子键离子键理论化学键理论：金属键理论共价键理论现代价键理论分子轨道理论价电子对互斥理论杂化轨道理论 价键理论(VB 法)无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.1.1 离子键的形成活泼金属与活泼非金属原子间发生电子转移，形成正负离子。离子键形成条件：原子间电负性差1.7阴、阳离子间的相互作用力是静电吸引力离子键既可存在于晶体中，亦可存在于气态分子中。7.1.2 离子键的特点 离子键的强度：与离子电荷的乘积成正比，与离子间核间距离的平方成反比。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉离子键无方向性。离子周围所有异荷离子都能与此形成离子键。离子键无饱和性。离子将尽可能多地吸引异荷离子以形成更多的离子键。7.1.3 离子键的特征离子的电荷：离子均带有一定数目的正或负电荷。且同一元素原子带有的电荷不同，离子的物理和化学性质都有可能不相同。离子的半径：离子的真实半径难以确定。阴离子的半径通常比较大(130250pm)，阳离子半径较小(IP-BP BP-BP价层电子对=键电子对+孤对电子对 (VP)=(BP)+(IP)7.3 价层电子对互斥理论简介价层电子对互斥理论简介无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉推断分子或离子的空间构型的具体步骤：确定中心原子的价层电子对数以AXm为例(A中心原子,X配位原子)：计算原则：A的价电子数=主族序数；配体X：H和卤素每个原子各提供一个价 电子,氧与硫不提供价电子；正离子应减去电荷数,负离子应加上电荷数。例：VP()=(6+40+2)=4VP=A的价电子数+X提供的价电子数 离子电荷数()2负 正无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉确定电子对的空间构型：VP=2 直线形VP=3 平面三角形VP=4 正四面体VP=5 三角双锥VP=6 正八面体无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉确定中心原子的孤对电子对数，推断分子的空间构型。(AXm)IP=0:分子的空间构型=电子对的空间构型VP=(2+2)=2 直线形VP=(3+3)=3 平面三角形VP=(4+4)=4 四面体VP=(5+5)=5 三角双锥VP=(6+6)=6 八面体孤电子对数(IP)=价电子对数(VP)-配体数(m)无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉IP0：分子的空间构型不同于电子对的空间构型。34611 21 2SnCl2平面三角形 V形NH3四面体 三角锥H2O四面体 V形IF5八面体 四方锥XeF4八面体 平面正方形VPIP电子对的空间构型分子的空间构型例无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉VP=5，电子对空间构型为三角双锥，IP占据轴向还是水平方向三角形的某个顶点？原则：斥力最小。例如：SF4 VP=5 IP=1IPBP(90o)2 3结论：IP占据水平方向斥力较小,稳定分子构型为变形四面体(跷跷板形)。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉515253VP IP电子对的空间构型分子的空间构型例三角双锥 变形四 SF4 方体三角双锥 T形 ClF3三角双锥 直线形 XeF2无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉进一步讨论影响键角的因素：键的存在，相当于孤对电子排斥成键电子，使键角变小。例如：中心原子和配位原子的电负性大小也影响键角。例如：N:FFF 中心原子电负性大者，键角较大；配位原子电负性大者，键角较小。C=CHHHHN:HHHP:HHHH无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉思考题：解释NO2+,O3,SnCl3-,OF2,ICl3,I3-,XeF5+,ICl4-等离子或分子的空间构型,并指出其中心原子的轨道杂化方式。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉1931 年由Pauling提出（1）杂化轨道的形成 成键时同一原子中能级相近的若干不同类型的原子轨道可以“混合”起来(即杂)，重新组合形成成键能力更强的一组新的原子轨道（即化）。这个过程称为原子轨道的杂化，所组成的新的原子轨道称为杂化轨道。7.4 杂化轨道理论杂化轨道理论7.4.1 价键理论的局限性7.4.2 杂化轨道理论的基本要点：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉（2）杂化轨道的特点杂化前后轨道数目不变。杂化轨道的成键能力比原来轨道增强 a.杂化后轨道形状发生改变。b.杂化轨道的伸展方向发生改变。能级发生改变。杂化轨道一般均和其他原子的原子轨道形成较强的键或由孤对电子占据。而不会以空的杂化轨道的形式存在。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉CH4的空间构型为正四面体C：2s22p21.sp3杂化7.4.3 杂化类型与分子几何构型无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉sp3无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉四个sp3杂化轨道无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉B：2s22p12.sp2杂化BF3的空间构型为平面三角形无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉sp2sp2杂化无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉三个sp2杂化轨道无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉Be：2s23.sp杂化BeH2的空间构型为直线形HHBespsp杂化Be采用sp杂化生成BeH2无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉两个sp杂化轨道无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉s轨道p轨道sp杂化轨道sp杂化轨道在空间取向 BeCl2分子用杂化轨道成键。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉4.spd型杂化 sp3d杂化 PCl5(g)的几何构型为三角双锥。sp3d杂化P：3s23p3sp3d无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉sp3d杂化无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 sp3d2杂化 SF6的几何构型为八面体。sp3d2杂化S：3s23p4sp3d2无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉sp3d2杂化无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉杂化轨道与分子空间构型杂化轨道杂化轨道数目键角分子几何构型实例spsp2sp3sp3dsp3d223456直线形平面三角形四面体三角双锥八面体BeCl2,CO2BF3,AlCl3CH4,CCl4PCl5SF6,SiF6180120109.59090,1202-无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉5.不等性杂化 在有些分子中，s和p轨道杂化后形成的杂化轨道中，各杂化轨道的s,p成分不相等，形成的杂化轨道是一组能量彼此不相等的轨道。这种杂化称不等性杂化轨道。sp3不等性杂化实例：NH3,H2O。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉sp3不等性杂化分子构型为三角锥形一对孤对电子占据的杂化轨道含更多的s成分，能量较低。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 其中两个杂化轨道能量较低，含有较多的s成份，被两对孤对电子占据。分子构型为V锥形无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型中心原子Be(A)B(A)C,Si(A)N,P(A)O,S(A)Hg(B)直线形 三角形 四面体 三角锥 V型杂化轨道类型s+ps+(3)ps+(2)ps+(3)p参加杂化的轨道2443杂化轨道数成键轨道夹角分子空间构型实例sp sp2 sp3 不等性sp3无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉思考题：解释C2H4，C2H2，CO2的分子构型。已知：C2H2，CO2均为直线型；的构型为：C=CHHHH无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.5 分子轨道理论分子轨道理论 分子轨道：是以多个原子核为中心构成的多中心轨道，分子轨道波函数也是 Schrdinger 方程的解。也可以近似地采取原子轨道线性组合的方法求得分子轨道的波函数。7.5.1 分子轨道理论基本要点分子轨道理论基本要点单核体系变为多核体系：在原子中，电子的运动只受一个原子核的作用，是单核体系。而在分子中，电子则在所有原子核势场作用下运动，是多核体系。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉例如：A+BAB轨道总数不变：与原子轨道杂化一样，由原子轨道线性组合成分子轨道时，组合而成的分子轨道的数目与参与组合的原子轨道数目相等。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉两个原子轨道能有效地组合形成分子轨道时，必须满足：对称性匹配对称性匹配 能量相近能量相近 最大重叠最大重叠 原子轨道通过线性组合成分子轨道时，组合成的分子轨道，能级低于原子轨道的称为成键轨道，高于原子轨道的称为反键轨道。等于原子轨道的称为非键轨道。原子轨道线性组合成分子轨道三原则：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉对称性匹配对称性匹配 只有对称性相同的原子轨只有对称性相同的原子轨道才能组合成分子轨道。道才能组合成分子轨道。最大重叠最大重叠 在满足能量相近原则，对称在满足能量相近原则，对称性匹配原则的前提下，原子轨道重叠程性匹配原则的前提下，原子轨道重叠程度愈大，形成的共价键愈稳定。度愈大，形成的共价键愈稳定。能量相近能量相近 只有能量相近的原子轨道只有能量相近的原子轨道才能有效地组合成分子轨道才能有效地组合成分子轨道。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉原子轨道对称性匹配的重叠+x+px zy+z无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉原子轨道对称性不匹配的重叠+pzzpzzp+s+无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉反键分子轨道成键分子轨道 原子轨道 原子轨道 1s 1s*1s1s节面AO与MO的形状H2的AO与MO的能量无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉AO与MO的形状。2pZ,A2pZ,A2pZ,B2pZ,B AO MO反键成键无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉2px,A2px,B AO MO反键成键AO与MO的形状。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉O2(O2,F2)7.5.3 分子轨道的能级分子轨道的能级第二周期同核双原子分子OO无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉第二周期同核双原子分子N2（B2,C2,N2)无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.5.4 分子轨道中电子填充的原理分子轨道中电子填充的原理电子填充分子轨道时，仍然遵守电子填充原子轨道的三个规则：能量最低原理；Pauli不相容原理；Hund 规则。分子轨道理论中，用键级来衡量二个原子间化学键的强弱。键级无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉分子轨道电子排布式写法：键级=0.5；分子存在。键级=0.5；分子存在。键级=0；分子不存在。7.5.5 分子轨道理论的应用实例分子轨道理论的应用实例B.O=1思考：He2是否存在？无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉或或分子中有两个成单电子（价键理论称三电子键），故分子具有顺磁性。分子中没有成单电子，分子具有抗磁性。:O O:可表示为：键级B.O=？无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 1.改性共价键理论（电子海模型）金属键的实质：金属中的自由电子把金属正离子吸引并约束在一起，形成金属晶体。7.6 金属键和键性过渡金属键和键性过渡7.6.1 金属键理论金属键理论无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 2.能带理论 金属键的量子力学模型称为能带理论，它是在分子轨道理论的基础上发展起来的。Li2分子轨道能级图无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉l能带理论把金属晶体看成为一个大分子，这个分子由晶体中所有原子按照分子轨道理论组合而成。l能带：形成金属晶体的各个原子，其能量相近的原子轨道组合成一系列的分子轨道，称为能带能带。l能带可以看作是延伸到整个晶体中的分分子轨道子轨道。2Li,2S1nLi,2S1Li2分子轨道图Li金属晶格的分子轨道图无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 金属锂的能带(1s带）(2s带）无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 金属镁能带的重叠3s满带3p空带无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 导体 绝缘体 E5eV 半导体 E3eV无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.6.2 键型过渡键型过渡三种典型的化学键：离子键、共价键和金属键但大多数物质内粒子间的作用并非纯粹的键型而是为三种键型的过渡。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.7 分子间作用力分子间作用力 氢键氢键7.7.1 分子的和变形性分子的和变形性1.分子的偶极矩()：用于定量地表示极性 分子的极性大小。极性分子0非极性分子=0双原子分子：多原子分子：同核：O3（V字形）式中 q 为极上所带电量，l 为偶极长度。异核：HX无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉分子的极性与键的极性的关系：分子的极性既与键的极性有关，又与分子的几何构型有关。非极性键构成的双原子分子：非极性分子。极性键构成的双原子分子：极性分子。分子偶极矩=键矩多原子分子的偶极矩=键矩的矢量和例如：(SF6)=0，键矩互相抵消，(H2O)0，键矩未能抵消。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉分子的变形性与极化率 用于定量地表示分子的变形性大小。分子的变形性大小指的是正电中心与负电中心发生位移(由重合变不重合，由偶极长度小变偶极长度大)。影响分子变形性大小的因素：外因：外加电场愈强，分子变形愈厉害；内因：分子愈大，分子变形愈厉害。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉分子的极化率(1040Cm2 V1)无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉非极性分子的瞬时偶极之间的相互作用分子间具有作用力的根本原因：任何分子都有正、负电中心；任何分子都有变形的性能。由于瞬时偶极而产生的分子间相互作用。7.7.2 分子间作用力1.色散作用(色散力)：一大段时间内的大体情况色散力与分子极化率有关。大,色散力大。每一瞬间无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉2.诱导作用(诱导力)：决定诱导作用强弱的因素：极性分子的偶极矩：愈大，诱导作用愈强。非极性分子的极化率：愈大，诱导作用愈强。由于诱导偶极而产生的分子间相互作用。分子离得较远分子靠近时无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 两个极性分子相互靠近时，由于同极相斥、异极相吸，分子发生转动，并按异极相邻状态取向，分子进一步相互靠近。3.取向作用(取向力)：两个固有偶极间存在的同极相斥、异极相吸的定向作用称为取向作用。分子离得较远 取向诱导无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉思考：1.取向作用的大小取决于什么因素？2.极性分子之间除了有取向作用以外，还有什么作用？分子间力是三种吸引力的总称，其大小一般为几 kJmol1，比化学键小 12 个数量级。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉分子间的吸引作用(1022 J)无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉分子间力的特点：不同情况下，分子间力的组成不同。例如，非极性分子之间只有色散力；极性分子之间有三种力，并以色散力为主，仅仅极性很大的H2O 分子例外。分子间力作用的范围很小(一般是300500pm)。分子间作用力较弱，既无方向性又无饱和性。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉相对分子质量色散作用分子间力沸点熔点水中溶解度HeNeAr Kr Xe小大小大小大小大低高小大 决定物质的熔、沸点、汽化热、熔化热、蒸气压、溶解度及表面张力等物理性质的重要因素。分子间力的意义：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.7.3 氢键无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 HF HCl HBr HI沸点/85.0 66.7 35.419.9极化率 小 大色散作用 弱 强沸点 低 高HF为何反常的高？原因存在氢键。HF 分子中，共用电子对强烈偏向电负性大的 F 原子一侧。在几乎裸露的 H 原子核与另一个 HF 分子中 F 原子的某一孤对电子之间产生的吸引作用称为氢键。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉氢键的形成条件和特征：分子中有H和电负性大、半径小且有孤对电子的元素(F，O，N)形成氢键。键长特殊：FH F 270pm 键能小 E(FH F)28kJmol1 具有饱和性和方向性氢键的特点：氢键键长无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 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。HCOOHHOOHC 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。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉氢键的存在解释了水的特殊物理性质：水的物理性质十分特异。水的物理性质十分特异。与同周期氢化物相比，冰的密度小、4时水的密度最大、水的熔沸点高、水的比热大、水的蒸气压小、等等。水的密度随温度变化的现象是所有氢化物中的惟一特例；液态水是分子量相近的所有液态中溶沸点最高、比热容最大、蒸气压最小的。水的这些特异物理性质对于生命的存在水的这些特异物理性质对于生命的存在有着决定性的意义。有着决定性的意义。氢键的形成对物质性质的影响：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.8 晶体结构晶体结构7.8.1 晶体的概念晶体的概念1.晶体的特性 晶体是由原子、离子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体。特性：(1)晶体具有规则的多面体外形；(2)晶体呈各向异性；(3)晶体具有固定的熔点。晶体的这些宏观的外表特征是由于其微观的内在结构特征所决定的。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉2.晶格和晶胞 晶格(点阵)是晶体的数学抽象。在研究晶体内部粒子的排列时，将这些粒子抽象成几何的点，于是整个晶体可看作这些点在空间按一定规律整齐排列的总和，称为晶格。晶胞：晶体的最小重复单元。整块晶体是由完全等同的晶胞在空间无隙并置地堆积而成晶胞的内容：晶胞的内容包括粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。完全等同：化学上等同；几何上等同。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉3.晶格类型按晶胞参数的差异将晶体分成七大晶系。按带心型式分类，又将七大晶系分为14种晶格类型。无机物中常见的三种立方晶格无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.8.2 晶体的基本类型晶体的基本类型晶体的分类及特性无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉石墨具有层状结构,称为层状晶体.具有熔点高;导电;导热和润滑性。7.8.7 层状晶体层间为分子间力晶体中，质点并非一种，质点间作用力也不是一种。其结构较为复杂，性质也多样。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉7.8.8 离子极化对物质性质的影响 离子晶体中，阴、阳离子间除了相互吸引，彼此还能使对方的电子云发生变形，从而发生离子间的极化，使得离子晶体的水溶性，颜色，熔点等性质产生重大影响。1.离子的极化作用离子极化电荷分布球形对称，没有极性的简单离子在外电场的作用下发生变形，从而出现正负电荷中心不重合而产生诱导偶极的过程。离子的极化作用的大小与离子的电荷、半径及电子构型有关。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉描述一个离子对其他离子变形的影响能力。离子的极化力(f)：描述离子本身变形性的物理量。离子的极化率()：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉离子的极化率()离子半径 r：r 愈大，愈大。如：Li+Na+K+Rb+Cs+；FClBr(Mg2+)离子电荷：负离子电荷多的极化率大。如：(S2)(Cl)离子的电子层构型:(18+2)e-,18e-917e-8e-如：(Cd2+)(Ca2+)；(Cu+)(Na+)r/pm 97 99 96 95 一般规律：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉离子极化力(f)离子半径 r：r 小者，极化力大。离子电荷：电荷多者，极化力大。离子的外层电子构型：f：(18+2)e-,18e-917e-8e-当正负离子混合在一起时，着重考虑正离子的极化力，负离子的极化率，但是18e构型的正离子(Ag+,Cd2+等)也要考虑其变形性附加极化作用。一般规律：无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉2.离子极化作用对物质结构及性质的影响 键型过渡(离子键向共价键过渡离子键向共价键过渡)Ag+Ir/pm126+216(=342)R0/pm 299如：AgF AgCl AgBr AgI核间距缩短。离子键共价键无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉 晶型改变 AgCl AgBr AgIr+/r-0.695 0.63 0.58 理论上晶型 NaCl NaCl NaCl实际上晶型 NaCl NaCl ZnS配位数 6 6 4 性质改变例如；溶解度 AgCl AgBr AgINaCl 易溶于水，CuCl 难溶于水。无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉思考题：解释碱土金属氯化物的熔点变化规律：熔点/415 714 775 874 962无无 机机 化化 学学 电电 子子 教教 案案 黄 玉本章习题：教材P190：T1；6；8；10；12；19