第九章化学键与分子结构教学课件

第九章第九章 化学键与分子结构化学键与分子结构9.2 价键理论价键理论9.4 分子间力和氢键分子间力和氢键9.3 杂化轨道理论杂化轨道理论9.1 键理论键理论2020/10/161 9.1.1 离子键理论的内容离子键理论的内容9.1 离子键理论离子键理论 9.1.3 离子的特征离子的特征 9.1.2 离子键的特点离子键的特点2020/10/162离子键理论:化学键：分子或晶体中相邻原子(或离子)之间强烈的吸引作用。化学键理论：金属键理论共价键理论2020/10/163化化学学键键共价键共价键金属键金属键离子键离子键双原子双原子共价键共价键多原子多原子共价键共价键极性共价键极性共价键非极性键非极性键2020/10/1649.1.1 离子键理论的内容最外层电子结构原子之间发生电子的转移而生成正负离子。正负离子一般达到稀有气体的稳定结构。2020/10/165 所谓稳定结构，对于主族元素索生成的离子，多数都具有稀有气体结构，即p轨道为全充满状态。如 对于副族元素所生成的离子，d轨道一般为半充满状态，如 但过渡元素的s轨道和d轨道能量相近，所以常出现例外情况。2020/10/166 正、负离子之间通过静电作用而形成的化学键叫离子键。由离子键形成的化合物叫离子型化合物。离子型化合物形成的结晶状固体叫离子晶体。离子键的本质：库仑力。离子所带电荷越大、离子之间的距离越小，则离子键越强。2020/10/1679.1.2 离子键的特点 本质是静电引力（库仑引力）本质是静电引力（库仑引力）没有方向性和饱和性（库仑引力的性质所决定）没有方向性和饱和性（库仑引力的性质所决定）键的极性与元素的电负性有关键的极性与元素的电负性有关NaClCsCl 这个例子能够说明一个离子周围的异电荷离子数与各自所带电荷的多少(或者说由引而产生的作用力的强弱)无关.2020/10/168离子键的本质是静电引力（库仑引力）离子型化合物的性质决定于：组成化合物的离子的电荷 离子的半径 离子的电子构型 离子所带的电荷越高、离子核间的距离越小，则正负离子之间的吸引力越强，离子键强度越大，形成的化合物越稳定。2020/10/169离子键没有方向性和饱和性 离子是带电球体，其电荷分布是球形对称的，它可以在空间任何方向上吸引带有相反电荷的离子。Na+2020/10/1610离子键的极性与元素的电负性有关 离子键形成的重要条件是相互作用的原子的电负性差值越大，元素原子间的电负性相差越大，二者之间键的离子性越大。2020/10/1611单键的离子性百分数与电负性之间的关系若两个原子电负性差值大于1.7时，可以判定二者之间形成离子键，若小于1.7则可以判定二者之间形成共价键。电负性差值XA-XB离子性百分比%电负性差值XA-XB离子性百分比%0.211.8550.442.0630.692.2700.8152.4761.0222.6821.2302.8861.4393.0891.6473.2922020/10/16129.1.3 离子的特征 一般离子具有三个重要的特征：离子的电荷、离子的半径和离子的电子构型。离子的电荷 离子的电荷对离子的性质和所组成的离子型化合物的性质都有很大的影响。如Fe3+Fe2+氧化性还原性2020/10/1613Fe3+Fe2+无水FeCl3棕黄色无水FeCl2白色含水FeCl3棕黄色含水FeCl2浅蓝色与SCN-反应血红色化合物不反应 离子电荷上的差异是离子性质差异的最直接因素。2020/10/1614离子的电子构型（1）2电子构型：最外层是2个电子的离子。（2）8电子构型：最外层是8个电子的离子。2020/10/1615（3）18电子构型：最外层是18个电子的离子。（4）18+2电子构型：此外层是18个电子，最外层是2个电子的离子。2020/10/1616（3）818电子构型：最外层是818个电子之间的不饱和结构的离子。Fe Ne3s23p63d64s2Fe2+Ne3s23p63d6最外层14个电子Cr Ne3s23p63d54s1Cr3+Ne3s23p63d3最外层11个电子Mn Ne3s23p63d64s2Mn2+Ne3s23p63d5最外层13个电子2020/10/1617离子的半径 当正负离子间的吸引力和核外电子与电子之间以及原子核之间的排斥力达到平衡时，正负离子之间保持着一定的平衡距离，这个距离叫核间距，常用符号d表示。正负离子半径与核间距的关系2020/10/1618离子半径大致有如下变化规律：（1）周期表中个主族元素中，自上而下电子层数依次增多，具有相同电荷数的同族离子半径依次增大；（2）同一周期中自左而右，主族元素正离子的电荷数依次增大，离子半径依次减小；Na+Mg2+Al3+Li+Na+K+Rb+Cs+F-Cl-Br-双键单键（2）形成共价键时，共用电子对时绕着两个原子核运动的，但在两核间出现的几率最大。（3）共价键具有饱和性+共价键饱和性H ClH O HN N2020/10/1628（4）共价键的方向性2020/10/16291.键：原子轨道沿核间联线方向进行同号重叠(头碰头)。9.2.2 共价键的键型共价键的键型2020/10/16302.键：两原子轨道垂直核间联线并相互平行进行同号重叠(肩并肩)。2020/10/16313.配位键形成条件：成键原子一方有孤对电子，另一方有空轨道。例：OC2020/10/1632基本要点：成键时能级相近的价电子轨道混合杂 化，形成新的价电子轨道杂化轨道。杂化前后轨道数目不变。杂化后轨道伸展方向，形状发生改变。9.2.3 杂化轨道杂化轨道杂化是指在形成分子时，若干不同类型、能量相近的原子轨道混合起来重新组成一组新的轨道，即杂化轨道。2020/10/1633 根据价键理论，C原子只有两个成单电子，所以与H只能形成两个共价键，但是实际C可以与4个H结合，这用原来的理论无法解释。2020/10/1634CH4的空间构型为正四面体C：2s22p21.sp3杂化2020/10/1635sp32020/10/1636四个sp3杂化轨道2020/10/1637sp3杂化轨道是由一个ns轨道和三个np轨道组合而成的，每个sp3杂化轨道都含有1/4s和3/4p的成分，sp3杂化轨道间夹角是10928，空间构型为正四面体。2020/10/1638B：2s22p12.sp2杂化BF3的空间构型为平面三角形2020/10/1639sp2sp2杂化2020/10/1640三个sp2杂化轨道2020/10/1641sp2杂化轨道是由一个ns轨道和两个np轨道组合而成的，每个sp3杂化轨道都含有1/3s和2/3p的成分，sp2杂化轨道间夹角是120，空间构型为平面三角形。2020/10/1642Be：2s23.sp杂化BH2的空间构型为直线形 HHBespsp杂化Be采用sp杂化生成BeH22020/10/1643两个sp杂化轨道2020/10/1644sp杂化轨道是由一个ns轨道和一个np轨道组合而成的，每个sp杂化轨道都含有1/2s和1/2p的成分，sp杂化轨道间夹角是180，空间构型为直线型。2020/10/1645BeCl2分子的结构轨道重叠2020/10/16464.不等性sp3杂化2020/10/1647 2020/10/16482020/10/1649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杂化轨道类型不等性2020/10/1650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：C=CHHHH2020/10/1651sp2-sp2sp-sp2020/10/16529.2.1 分子的极性分子的极性9.2 分子的极性、分子间力和氢键分子的极性、分子间力和氢键9.2.3 氢键氢键9.2.2 分子间作用力分子间作用力2020/10/16539.2.1分子的极性 共价键按化学键中正、负电荷中心是否重合分为非极性共价键和极性共价键。非极性共价键：由同种原子形成的共价键，原子双方吸引电子的能力（电负性）相同，电子对在键的中央出现的几率最大，两个原子核正负电荷中心恰好重合。2020/10/1654按分子中正、负电荷中心是否重合，将共价分子分为极性分子和非极性分子。分子极性的大小用“偶极矩”表示。极性共价键：由不同原子之间形成的共价键，不同原子吸引电子的能力不同，共用电子对发生偏向，电荷分布不对称，正负电荷中心不重合，在键的两端出现电的正极和负极。键的极性大小用“键矩”表示。键矩是矢量，其方向由正到负，单位是Cm.2020/10/1655对于复杂多原子分子来说，如果组成原子相同，则原子间的化学键一定是非极性共价键，所以多原子分子一定是非极性分子。S8P4O3H2HCl2020/10/1656如果组成原子不相同，分子有无极性，取决于元素的电负性和分子的空间构型。2020/10/1657分子的偶极矩()：用于定量地表示极性 分子的极性大小式中 q 为极上所带电量，l 为偶极长度(正负电荷重心之间的距离）。极性分子 0非极性分子=0双原子分子：多原子分子：异核：HXO3（V字形）同核：2020/10/1658分子的偶极矩与键矩的关系：极性键构成的双原子分子：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。2020/10/1659分子的偶极矩(1030 Cm)2020/10/1660永久偶极：由于极性分子的正负电荷重心不重合，因此在极性分子中始终存在着一个正极和一个负极，极性分子的这种固有的偶极叫永久偶极。瞬间偶极：非极性分子的正负电荷重心在某一瞬间发生不重合现象，这时所产生的偶极叫瞬间偶极。瞬间偶极的大小与分子的变形性有关，分子越大，变形性越大，瞬间偶极也越大。2020/10/1661诱导偶极：非极性分子在外加电场的影响下，可以变成具有一定偶极的极性分子，而极性分子在外加电场的影响下其偶极增大，这种在外加电场影响下所产生的偶极叫诱导偶极。分子越容易变形，其在外加电场的影响下产生的诱导偶极也越大。2020/10/1662对双原子分子，键有极性，分子就有极性；键无极性，分子也无极性。对多原子分子，若键无极性，则分子亦无极性；若键有极性，则分子可能有极性，也可能没有极性。如正、负电荷中心重合，则无极性，否则就有极性。根据分子的几何构型可以判断分子的极性，反之，也可根据分子的极性来判断分子中原子的排布是否对称。2020/10/1663 分子间具有吸引作用的根本原因：任何分子都有正、负电中心；任何分子都有变形的性能。9.2.2 分子间的吸引作用分子间的吸引作用 分子之间的作用力叫范德华力，它是决定物质的熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一个重要因素。范德华力按其产生的原因和特性分为：取向力、诱导力和色散力。2020/10/1664 色散力和相互作用分子的变形性有关，变形性越大，色散力越大；色散力和分子间的7次方成反比；色散力还和分子的电离势有关。非极性分子的瞬时偶极之间的相互作用由于瞬时偶极而产生的分子间相互作用称为色散作用。1.色散作用(色散力)：一大段时间内的大体情况每一瞬间色散力色散力存在于所有分子之间。存在于所有分子之间。2020/10/16652.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。非极性分子的变形性：变形性愈大，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+-+-2020/10/1666 极性分子和非极性分子之间、极性分子和极性分子之间都存在诱导力。诱导力的本质是静电引力，诱导力与极性分子的偶极矩的平方成正比。诱导力与与被诱导分子的变形性成正比，中各组成原子的半径越大，它在外来静电力作用下月容易变形，随距离增大，诱导力迅速递减。诱导力与温度无关。2020/10/1667 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)：两个永久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。分子离得较远取向分子靠近2020/10/1668 取向力的本质是静电引力，取向力与分子的偶极矩的平方成正比，也就是分子的极性越大，取向力越大。取向力与绝对温度成反比，温度越高，取向力越弱。取向力与分子间距离的7次方成反比，随分子间距离变大，取向力迅速递减。取向力发生在极性分子和极性分子之间。取向力发生在极性分子和极性分子之间。2020/10/1669思考：极性分子之间除了有取向作用以外，还有什么作用？2020/10/1670 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。分子间的吸引作用(1022 J)2020/10/1671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；极性分子和非极性分子之间存在色散力和诱导力；极性分子之间有三种力，并以色散力为主。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。2020/10/1672分子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、气化热、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：2020/10/16739.2.3 氢键氢键2020/10/1674 HF HCl HBr HI沸点/0C 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。2020/10/1675 氢键可用XH Y。X和Y分别代表F、O、N等电负性大，原子半径较小的（有孤电子对）的原子，X和Y可以是两种相同的元素，如水中的氢键OH O，HF中的氢键FH F，也可以是两种不同元素，如NH4F中的氢键NH F，CH3CONH2中的NH O。如水中的氢键2020/10/1676氢键的形成条件：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。氢键的特点：键长特殊：FH F 270pm 键能小 E(FH F)28kJmol1 具有饱和性和方向性2020/10/1677 氢键的方向是指Y原子与XH形成氢键时，在尽可能的范围内要使氢键的方向与XH键轴在同一个方向上，就是使XH Y在同一条直线上，这样成键可以使X与Y的距离最远，两原子电子云之间的斥力最小，因而形成的氢键愈强，体系越稳定。2020/10/1678 氢键的饱和性是指每一个XH只能与一个Y原子形成氢键。由于氢原子的半径比X和Y的原子半径小很多，当XH与一个Y原子形成氢键XH Y后，此时再有Y原子靠近它们。则其受氢键XH Y上的X、Y原子电子云的排斥力远大于H的吸引力，所以XH Y上的H原子不可能与第二个原子再形成第二个氢键。2020/10/1679氢键的强弱与元素的电负性有关X、Y的电负性越大，则氢键越强。氢键的强弱也与X、Y原子半径有关。电负性相差不大时，原子半径越大，形成的氢键越弱。如F的电负性大，半径小，形成的氢键强；Cl的电负性大，但半径大，所以形成的氢键弱；C的电负性小，不能形成氢键。2020/10/1680 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。2020/10/1681晶体结构简介晶体的基本特征晶体内部的微粒（分子、原子、离子）有规则的排列在空间的一定点上，所构成的空间格子叫晶格，在晶格中排有微粒的那些点为结点。不同的晶体具有不同的晶格结构。晶体中最小的重复单元叫晶胞。晶体的性质是由晶胞的大小、性质和质点的种类以及它们之间的作用力所决定的。晶体的基本类型及物性比较2020/10/1682晶体的分类2020/10/1683THANKSFOR 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