第一章-1.2-分子结构

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,124,125,研究生课程,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,大学化学,/,College Chemistry,邱燕璇,本科生课程,主要内容,单质、无机化合物及材料,氧化还原反应与电化学基础,溶液中的化学平衡,化学反应热力学基础与化学平衡,物质结构基础,绪论,氢和氢能源,有机化合物,第二讲,物质结构基础,主要内容,1.1,1.2,1.3,第二讲,原子结构理论,分子结构,晶体结构与晶体材料,第二讲,1.2,分子结构,分子中的共价键,杂化轨道理论,分子间作用力,第二讲,1.2,分子结构,自然界里，通常所遇到的物质，除稀有气体以外，其他原子都不是稳定的结构，物质,不可能以孤立的原子存在,，而是以原子间相互作用结合成,分子,或,晶体,的状态存在。,如：,O,2,(g),双原子分子,金属铜 金属晶体,NaCl (s),离子晶体,分子,是参与化学反应的基本单元，物质的性质主要决定于,分子的性质,，而分子的性质又是由,分子的内部结构,决定的。因此，探索分子的内部结构对于了解物质的性质和化学反应规律具有重要的意义。,分子,(molecule),第二讲,1.2,分子结构,分子结构,化学键 分子的几何构型,分子在空间呈,一定的几何形状,(,即几何构型,),即分子或晶体内相,邻原子,(,或离子,),间强,烈的相互吸引作用,第二讲,1.2,分子结构,1.2.1,分子中的共价键,(Covalent Bonds of Molecules),第二讲,1.2,分子结构,共价键,是原子间通过,共用电子对,所形成的相互作用。共价键一般形成于,两个电负性较大的原子,即非金属之间。,H,H,+,H,H,H H,H,F,+,H,H F,F,共价键,第二讲,1.2,分子结构,分子可以以固态、液态和气态形式存在。,分子常常具有,较低的熔沸点,大多数,不导电,在水中的溶解性与其极性有关,共价键,具有方向性和饱和性,共价键,(,分子,),的特征,第二讲,1.2,分子结构,共价键理论,现代价键理论是建立在量子力学基础上的，主要有：,价键理论：,认为成键电子只能在以化学键相连的两原子间的区,域内运动,分子轨道理论：,认为成键电子可以在整个分子区域内运动,第二讲,1.2,分子结构,价键理论又叫,电子配对法,，,G. N,.,Lewis,在,1916,年假定化学键所涉及的每一对电子处于两个相邻原子之间为其共享，用,AB,表示。双键和叁键相应于两对或三对共享电子。分子的稳定性是因为共享电子对服从“八隅律”,(,octet rule,),。,共享电子对共价键,共价单键,single covalent bond,共价双键,double covalent bond,共价叁价,triple covalent bond,价键理论,第二讲,1.2,分子结构,路易斯结构式用,元素符号,加,横线,和,小黑点,来表示分子，其中横线表示化学键，小黑点表示孤对电子，即未成键电子对。,孤对电子,孤对电子,共价键,第二讲,1.2,分子结构,共价键的形成,A,B,两原子各有一个,成单电子,，当,A,B,相互接近时，两电子以,自旋相反,的方式结成电子对，即两个电子所在的原子轨道能相互重叠，则体系能量降低，形成化学键，亦即,一对电子则形成一个共价键,。,形成的,共价键越多,，则体系,能量越低,，形成的,分子越稳定,。因此，各原子中的未成对电子尽可能多地形成共价键。,第二讲,1.2,分子结构,共价键的形成,以,H,2,为例,当两个,H,原子的电子自旋方向相反时，随着两个原子核互相靠近，,1s,轨道开始重叠，能量开始降低。,当靠近到一定距离时，原子核与电子之间的吸引力和原子核,-,原子核以及电子,-,电子之间排斥作用刚好平衡，能量达到最低值，该距离对应,H-H,键的键长,，而能量的最低值对应,H-H,键的键能,。这时，,H,原子核间的电子概率密达最大，核对电子的吸引力最强，因而形成了稳定的,H,2,分子。这种状态称为,吸引态,（基态）。,两个原子核继续靠近，则原子核,-,原子核之间的排斥作用占上风，能量又开始升高。,吸引力占上风，轨道开始重叠。能量降低,原子核距离非常远，能量趋近于,0.,原子距离太近开始排斥,H-H,键能,能量最低，形成稳定的,H,2,分子。,H-H,键长,第二讲,1.2,分子结构,共价键的形成,以,H,2,为例,当两个,H,原子的电子自旋方向相同时，随着两个原子核互相靠近，排斥力占主要，两个,H,原子核间的电子概率密度减少，系统的能量升高，不能形成稳定,H,2,分子。这种状态称为,排斥态,（激发态）。,第二讲,1.2,分子结构,H,2,形成过程中的能量变化,基态,激发态,第二讲,1.2,分子结构,共价键的形成,以,H,2,为例,实验测知,:,H,2,核间距,74pm,H,玻尔半径,53pm,说明,H,2,分子形成时：,成键电子的轨道发生了重叠，使核间形成了电子概率密度较大的区域，削弱了两核间的正电排斥，增强了核间电子云对核的吸引，使体系能量降低，形成共价键,共价键：原子间由于成键电子的原子轨道,重叠而形成的化学键,74pm,d,第二讲,1.2,分子结构,价键理论,(,电子配对法,),要点,成键两原子相互靠近时，只有,自旋相反,的电子可以配对形成共价键,电子配对原理,。,遵循最大重叠原则，共价键沿着原子轨道重叠最大的方向成键，这就是共价键的,方向性,。,两个电子相互配对后，不能再与第三个电子配对，这就是共价键的,饱和性,。,共价键的本质就是两成键原子的轨道重叠，核间电子概率密度大，其重叠区域越大，共价键越稳定。,第二讲,1.2,分子结构,方向性,:,为满足最大重叠原理，成键时原子轨道只能沿着轨道伸展的方向重叠,+,+,+,+,+,+,_,_,_,不能成键,能成键,第二讲,1.2,分子结构,饱和性,:,原子有几个未成对的价电子,一般只能和几个自旋方向相反的电子配对成键,例,2p,N,N,2p,N,2,:NN:,在特定的条件下，有的成对的价电子能被拆开为单电子参与成键,例,S,3s 3p 3d 3s 3p 3d,S + 6F: F S F, , ,F F, /,/ ,F F,第二讲,1.2,分子结构,共价键的成键三原则：,1.,参与重叠的原子轨道,能量相近,2.,参与重叠的原子轨道的,对称性应匹配,。,即只有同号的原子轨道重叠。,（,+,+,，,-,-,）,3.,原子轨道在可能的范围内进行,最大限度的重叠,。,第二讲,1.2,分子结构,只有当原子轨道对称性相同的部分重叠，原子间的概率密度才会增大,形成化学键,原子轨道重叠的对称性原则,当两原子轨道以对称性相同的部分,(,即“,+”,与“,+”,、“”与“”,),重叠,d,xy,-p,y,p,y,-p,y,+,+,+,+,+,p,x,-s,s-s,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,第二讲,1.2,分子结构,只有当原子轨道对称性相同的部分重叠，原子间的概率密度才会增大,形成化学键,原子轨道重叠的对称性原则,当两原子轨道以对称性不同的部分,(,即“,-”,与“,+”),重叠，原子间的概率密度几乎等于零，难以成键,+,+,+,+,+,_,_,_,_,+,+,+,+,_,_,_,_,d,x,-,y,p,x,-,s,p,x,-,p,x,p,y,-,p,y,d,xy,-,p,y,第二讲,1.2,分子结构,+,+,ss,p,x,s,+,+,_,p,x,p,x,+,+,_,_,1.,键,原子轨道沿着键轴方向以“,头碰头,”的方式进行重叠而形成的共价键称为,键。形成,键时，原子轨道的重叠部分对于键轴呈,圆柱形对称,，沿键轴方向旋转任意角度，轨道的形状和符号均不改变。,共价键的类型,H,2,HF,F,2,第二讲,1.2,分子结构,共价键的类型,原子轨道以,“,肩并肩,”(,或平行,),的方式发生轨道重叠形成的共价键称为,键。形成,键时，原子轨道的重叠部分对等地分布在包括键轴在内的平面上、下两侧，形状相同，符号相反，呈,镜面反对称,。,2.,键,+,+,_,_,p,z,p,z,第二讲,1.2,分子结构,例,N,2,N,N,x,y,z,:,NN,:, , ,价键结构式,NN,分子结构式,化学键示意图,或,:NN:,注意：只有处于同一平面的轨道才能够形成,键。由于重叠较少，,键往往比,键弱。,第二讲,1.2,分子结构,共价键的类型,从原子轨道重叠程度来看，,键的重叠程度比,键的重叠程度小，,键的键能小于,键的键能，所以,键的稳定性低于,键，它是化学反应的积极参与者,。,在共价分子中，,键是普遍存在的。,任何两个原子间首选形成,键，且两个原子之间只能形成唯一的一个,键,。当满足,键的形成条件时，原子间还可形成,键。如,N,2,分子中就存在一个,键和两个,键。单键都是,键；形成共价双键时，有一个,键和一个,键；形成共价三键时，有一个,键和两个,键 。,第二讲,1.2,分子结构,共价键的类型,一种原子提供,孤对电子,，而另一原子提供可与对电子所在轨道相互重叠的,空轨道,。配位键用箭号“” 表示，箭头方向由,提供电子对的原子,指向,接受电子对的原子,。,3.,配位,键,第二讲,1.2,分子结构,CO,分子中的配位键,2s,C,原子,O,原子,键,配位键,C = O,键,2s,2p,x,2p,y,2p,z,2p,z,2p,x,2p,y,第二讲,1.2,分子结构,共价键的类型,很多无机化合物的分子或离子都有,配位键,。在配位化合物中更是广泛存在配位键。,第二讲,1.2,分子结构,共价键参数,（一）键能,在标准状态下，使单位物质的量的气态分子,AB,解离成气态原子,A,和原子,B,所需要的能量称为键解离能。,HCl (g),H(g) + Cl(g),298,15K,标准态,E,(H,Cl) =,H,= 431kJ,mol,-1,键能可衡量化学键的牢固程度，键能越大，化学键越牢固,第二讲,1.2,分子结构,对双原子分子，键能,=,键的解离能,(,D,),H,2,(g),2H(g),298,15K,标准态,E,(H,H) =,D,= 436 kJ,mol,-1,对多原子分子,键能,=,逐级解离能的平均值,H,2,O(g),H(g) + OH(g),D,(H,OH) = 498 kJmol,-1,OH(g) H(g) + O(g),D,(O,H) = 428 kJmol,-1,E,(O,H)=,D,(H,OH)+,D,(O,H)/2 = 463kJmol,-1,第二讲,1.2,分子结构,（二）键长,分子中两个成键原子核间的平衡距离称为键长。相同键在不同分子中的键长略有不同。,A B,两原子的键长越短，键能越大。,键长顺序：单键 双键 三键,C,C,C,C,键长,= 120 pm,键长,= 134 pm,C,C,键长,= 154 pm,共价键参数,第二讲,1.2,分子结构,一些共价键的键长和键能,第二讲,1.2,分子结构,共价键参数,（,三）键角,在多原子分子中，键与键之间的夹角称为键角。,o,o,o,o,第二讲,1.2,分子结构,共价键参数,（,四）键的极性,按共用电子对是否发生偏移，共价键可分为,非极性共价键和极性共价键,。,两个相同原子之间形成的共价键称为非极性共价键。,两个不同元素的原子形成共价键时，共用电子对偏向于电负性较大的原子。正、负电荷中心不重合。这种共价键称为极性共价键。,共价键的极性与成键两原子的电负性差值有关，电负性差值越大，共价键的极性就越大。,第二讲,1.2,分子结构,价键理论,价键理论中认为只有原子的能量最高的,价轨道才能参与成键,，非价轨道是不成键的。,在形成共价键时要求成键原子的单电子配对，所以原子的单电子的数目决定了形成共价键的数目，不能无限的成键。共价键具有,饱和性,。,因为成键时要求轨道最大重叠，而原子轨道是有方向性的，所以轨道的最大重叠也必须沿一定的方向重叠。共价键具有,方向性,。,该理论的最大缺点是,不能说明分子的空间构型,而仅仅说明了成键方式和键的数目。,第二讲,1.2,分子结构,根据价键理论 ：,CH,4,：,413.4 KJ.mol,-1,，,10928,CH,4,C,:,1s,2,2s,2,2p,2,2p,x,2p,y,2p,z,2s,为什么是,CH,4,而不是,CH,2,?,H,2,O,：,104.5,O,:,1s,2,2s,2,2p,4,2p,y,2p,z,2p,x,2s,键角为什么不是,90?,H,2,O,第二讲,1.2,分子结构,1.2.2,杂化轨道理论,(H,ybrid,O,rbital,T,heory,),第二讲,1.2,分子结构,杂化轨道理论,新理论必须解决如下问题：,原子轨道为什么可以杂化？,原子轨道为什么需要杂化？,如何求得杂化轨道的对称轴间的夹角？,1931,年,，,Pauling,提出杂化轨道理论来,解释,分子的几何形状。,第二讲,1.2,分子结构,杂化轨道理论,在形成多原子分子的过程中，,中心原子,的若干,能量相近,的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫作,杂化,(hybridization),，,产生的新轨道叫做,杂化轨道,(hybrid orbitals),。,第二讲,1.2,分子结构,杂化轨道的特性,1.,发生轨道杂化的原子一定是,中心原子,；,2.,参加杂化的各原子轨道,能量要相近,（同一能级组或相近能级组的轨道）；,3.,杂化轨道电子云的,能量、形状及方向,均发生了改变，轨道,数目不发生变化,；,4.,杂化轨道在,空间构型上,是互相之间,尽可能相距最远,，以使相互间的斥力最小，因此都具有一定的,对称性,；,5.,原子轨道杂化后，使一头大，,电子云分布更集中,，在成键时则有利于电子云最大限度的重叠，,成键能力更强,。,6.,杂化轨道一般能与其它原子形成更强的,键或容纳孤对电子，而,不会以空轨道形式存在,。,第二讲,1.2,分子结构,杂化轨道的特性,有几个原子轨道参与杂化，就形成几个杂化轨道,杂化轨道理论的要点,x,x,x,x,y,y,y,y y y y,x,x,x,x x x x,+ = =,+,+ = =,=,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,_,第二讲,1.2,分子结构,x,y,z,x,y,z,z,x,y,z,x,y,z,10928,sp,3,杂化轨道的形成,第二讲,1.2,分子结构,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,！,变了,第二讲,1.2,分子结构,杂化的类型,等性杂化,CH,4,(sp,3,), BCl,3,(sp,2,), BeCl,2,(sp), ,不等性杂化,H,2,O (sp,3,), NH,3,(sp,3,),只有,s,轨道和,p,轨道参与的杂化：,sp, sp,2, sp,3,有,s,轨道，,p,轨道和,d,轨道参与的杂化：,dsp,2, sp,3,d, sp,3,d,2, d,2,sp,3,第二讲,1.2,分子结构,（,1,）,sp,杂化,同一原子内，由一个,ns,轨道和一个,np,轨道杂化，形成两个,sp,杂化轨道,第二讲,1.2,分子结构,sp,杂化,以,BeH,2,为例：,2s,轨道中的一个价电子被,激发,到一个空的,2p,轨道中,各含有一个单电子的,2s,和,2p,轨道发生,杂化,，形成,两个,能量相同的,sp,杂化轨道。,两个,sp,杂化轨道都是一头大一头小，呈,直线型,分布，较大的一头指向外侧，分别和两个,H,原子的,1s,轨道,重叠成键,。,尚有两个空的,p,轨道剩余可以用来形成其它键。,2,s,2,p,2,s,2,p,sp,2,p,两个,sp,杂化轨道,激发,杂化,HBeH,基态铍原子的结构,BeH,2,中共,价键的形成,杂化轨道,BeH,2,直线型分子，键角为,180,第二讲,1.2,分子结构,sp,杂化,杂化轨道数目,杂化轨道含量,轨道夹角,杂化轨道构型,成键类型,分子,构型,实例,1/2 s,、,1/2 p,180,直线形,键,直线形,BeCl,2,、,BeF,2,、,CO,2,、,CS,2,、乙炔等,Be,Cl,Cl,ClBeCl,直线形,第二讲,1.2,分子结构,（,2,）,sp,2,杂化,由同一原子的一个,ns,轨道和两个,np,轨道杂化，形成三个,sp,2,杂化轨道,+,_,_,_,+,+,120,第二讲,1.2,分子结构,sp,2,杂化,以,BF,3,为,例：,2s,轨道中的一个价电子被,激发,到一个空的,2,p,轨道中,各含有一个单电子的,2s,和两个,2p,轨道发生,杂化,，形成,三个,能量相同的,sp,2,杂化轨道。,三个,sp,2,杂化轨道都是一头大一头小，,呈正三角形,分布，较大的一头指向外侧，原子核处于三角形的正中心。三个杂化轨道分别和三个,F,原子的,2p,轨道,重叠成键,。,尚有一个空的,p,轨道剩余可以用来形成其它键。,第二讲,1.2,分子结构,BF,3,分子的形成,第二讲,1.2,分子结构,sp,2,杂化,三个杂化轨道处于参与杂化的两个,p,轨道所在的平面上。如由,2,s, 2,p,x, 2,p,y,三个轨道发生杂化所形成的杂化轨道处于,xy,平面上，与,z,轴垂直。,第二讲,1.2,分子结构,sp,2,杂化,杂化轨道数目,杂化轨道含量,轨道夹角,杂化轨道构型,成键类型,分子,构型,3,1/3 s,、,2/3 p,120,正三角形,键,正三角形,常见的采用,sp,2,杂化的分子：,BF,3, BCl,3,C,2,H,4, CO,3,2-,NO,3,-,SO,3,等。,第二讲,1.2,分子结构,(3) sp,3,杂化,个,ns,轨道,+3,个,np,轨道,杂化轨道数目,杂化轨道含量,轨道夹角,杂化轨道构型,成键类型,分子,构型,4,1/4 s,、,3/4 p,109,28,正四面体,键,正四面体,常见的采用,sp,3,杂化的分子：,CH,4, CCl,4, SO,4,2-,P,O,4,3,-, CHCl,3, CH,2,Cl,2, NH,3,，,PH,3, H,2,O, H,2,S,等。,第二讲,1.2,分子结构,sp,3,杂化,以,CH,4,为例：,2s,轨道中的一个价电子被,激发,到一个空的,2,p,轨道中,各含有一个单电子的,2s,和三个,2p,轨道发生,杂化,，形成,四个,能量相同的,sp,3,杂化轨道。,四个,sp,3,杂化轨道都是一头大一头小，,呈正四面体,分布，较大的一头指向外侧，原子核处于正四面体的中心。四个杂化轨道分别和四个,H,原子的,1s,轨道,重叠成键,。,第二讲,1.2,分子结构,2,p,2,s,2,s,2,p,sp,3,四个,sp,3,杂化轨道,激发,杂化,CH,4,中共价,键形成,基态碳原子的结构,杂化轨道,正四面体结构，键角为,10928,，,四个,CH,键等同,第二讲,1.2,分子结构,sp,3,杂化,现在我们可以回答以下问题：,为什么形成,CH,4,而不是,CH,2,?,为什么四个,C-H,键的键长和键能都相等？,为什么分子构型是正四面体，夹角是,109.5,?,第二讲,1.2,分子结构,sp,3,d,杂化,PCl,5,P,原子的价层电子构型为,3s,2,3p,3,，,一个,3s,电子激发到,3d,轨道，形成,5,个,sp,3,d,杂化轨道，分子的空间构型为三角双锥,第二讲,1.2,分子结构,sp,3,d,2,杂化,SF,6,S,原子的价层电子构型为,3s,2,3p,4,，一个,3s,电子和一个,3p,电子激发到,3d,轨道，形成,6,个,sp,3,d,2,杂化轨道，分子的空间构型为正八面体,第二讲,1.2,分子结构,形成的几条杂化轨道中含有的,s,、,p,、,d,等,成分完全相同,，即其,能量和轨道体积大小都相同,的杂化称为等性杂化。如,CH,4,、,BF,3,等属于等性杂化。,等性杂化,Equivalent Hybridization,CH,4,分子中,C,原子采取,sp,3,杂化,每个,sp,3,杂化轨道是相同的,它们都含有,1/4s,和,3/4p,成分,这种杂化叫做等性杂化,第二讲,1.2,分子结构,由于有,孤电子对占据杂化轨道,而产生不完全等同的杂化轨道的过程称为不等性杂化。例如,NH,3,、,H,2,O,、,PCl,3,等为不等性杂化。,不等性杂化,Nonequivalent Hybridization,第二讲,1.2,分子结构,不等性杂化,-NH,3,107 18,三角锥形,NH,3,分子中，一对孤对电子占据了其中一条,sp,3,杂化轨道，因此其分子形状是三,角锥,。孤对电子的排斥作用比成键电子大，因此，键角小于,109.5,。,第二讲,1.2,分子结构,不等性杂化,-H,2,O,104 45,折线,(V),形,H,2,O,分子中，两对孤对电子分别占据了其中两条,sp,3,杂化轨道，因此其分子形状是,角型或,V,型,。孤对电子的排斥作用比成键电子大，因此，键角小于,109.5,；由于,H,2,O,分子含有两对孤对电子，因此其键角小于,NH,3,分子的键角。,第二讲,1.2,分子结构,等性,sp,3,杂化,vs,不等性,sp,3,杂化,形状,109.5 107.3 104.5,举例,CH,4,NH,3,H,2,O,四面体,三角锥,V,型,键角,第二讲,1.2,分子结构,杂化类型,sp,sp,2,sp,3,杂化轨道构型,直线形,三角形,四面体形,杂化轨道中孤电子对数,分子几何构型,直线形,三角形,正四面体,三角锥,V,形,实例,BeCl,2,CO,2,BF,3,SO,3,CH,4,、,CCl,4,SiH,4,NH,3,H,2,O,键角,180,120,109 28,107 18,104 45,分子极性,无,无,无,有,有,第二讲,1.2,分子结构,第二讲,1.2,分子结构,第二讲,1.2,分子结构,请问,C,60,和,C,70,中的,C,原子是什么杂化？,第二讲,1.2,分子结构,请用杂化轨道理论解释,H,2,O,分子的形状及键角。,问题,答：,H,2,O,中氧原子采用,不等性,sp,3,杂化,，形成,4,个杂化轨道。但是,O,有,6,个价层电子，因此，,2,个杂化轨道被孤对电子占据，不参与成键。,O,原子只能与两个,H,原子形成两个共价键，其形状为角形。孤对电子的排斥作用比成键电子要大，所以键角被压缩得小于,109.5,。其键角为,104.5,。,第二讲,1.2,分子结构,问题,关于原子轨道的说法正确的是,( ),A.,凡中心原子采取,sp,3,杂化轨道成键的分子其几何构型都是正四面体,.,B. CH,4,分子中的,sp,3,杂化轨道是由,4,个,H,原子的,1s,轨道和,C,原子的,2p,轨道混合起来而形成的,;,C. sp,3,杂化轨道是由同一原子中能量相近的,s,轨道和,p,轨道混合起来形成的一组能量相等的新轨道,;,D.,凡,AB,3,型的共价化合物，其中心原子,A,均采用,sp,3,杂化轨道成键,.,C,第二讲,1.2,分子结构,问题,下列分子中心原子是,sp,2,杂化的是,( ),A. PBr,3,B. CH,4,C. BF,3,D. H,2,O,下列各物质分子其中心原子以,sp,2,杂化的是,(,),A. H,2,O B.,S,O,3,C. SCl,2,D. CS,2,C,B,第二讲,1.2,分子结构,问题,乙炔分子中的碳原子采取的杂化轨道是（）,A. sp,杂化,B. sp,2,杂化,C. sp,3,杂化,D. dsp,2,杂化,A,第二讲,1.2,分子结构,杂化轨道理论是在价键理论的基础上提出的。虽然它,实质上仍属于现代价键理论,，但是它在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了现代价键理论。,然而，杂化轨道理论一般只考虑中心原子的杂化情况和,/,键成键情况,未考虑到配体,的空间位置对其的影响。该理论只能用来解释一些分子的几何形状，但我们无法根据该理论判断分子的形状，也无法根据化学式直观判断中心原子的杂化类型。,总结,第二讲,1.2,分子结构,1.2.3,分子间作用力,(Intermolecular Forces),第二讲,1.2,分子结构,分子的极性,（,polarity,）,产生：,每个分子都由带正电的原子核和带负电的电子组成，由于正负电荷数量相等。所以整个分子是电中性的。,电荷中心,正电荷或负电荷的集中点,.,如果分子的正电中心和负电中心不重合在同一点上，那么分子就具有极性。,第二讲,1.2,分子结构,双原子分子,两个相同原子组成的分子，正、负电荷中心重合，不具有极性，为非极性分子。,例,H,2,+,_,H,H,HCl,H,Cl,+,_,不同原子组成的分子，负电荷中心比正电荷中心更偏向电负性大的原子，使正、负电荷中心不重合，为极性分子。,即对 双原子分子：,分子的极性取决于键的极性；,有极性键的分子一定是极性分子；,反之,极性分子一定含有极性键。,第二讲,1.2,分子结构,多原子分子,分子的极性,键的极性,例,H,2,O,+,+,_,_,+,_,H,H,O,极性分子,CO,2,非极性分子,+,_,+,_,+,_,O,O,C,分子的几何构型,第二讲,1.2,分子结构,键的极性,取决于成键原子间共用电子对是否偏离,.,分子的极性,取决于分子正、负电荷中心是否重合,.,分子,Br,2,NO,H,2,S,CS,2,BF,3,CHCl,3,键的极性,非极性,极性,极性,极性,极性,极性,几何构型,直线,直线,V,形,直线,正三角形,四面体,分子极性,非极性,极性,极性,非极性,非极性,极性,分子类型,离子型 极性 非极性,+,+,_,_,_,+,小结,:,第二讲,1.2,分子结构,偶极矩,(,) ,描述分子极性大小,分子中电荷中心的电荷量,(,q,),与正、负电荷中心距离,(,l,),的乘积。,=,q,l,l,偶极长度,;,库,米,(Cm),l,+,q,_,q,=0,非极性分子, 极性分子,越大,分子极性越强。,HX,HF,HCl,HBr,HI,/(10,-30,Cm),6.40,3.61,2.63,1.27,分子极性,依次减弱,根据,可以推断某些分子的几何构型,如,CS,2,=0,则为直线形分子,SO,2,=5.33,则为,V,形分子,第二讲,1.2,分子结构,键的极性与分子的极性的关系,:,如果分子中所有键都是无极性的，则分子就无极性。而对于键有极性的分子，如果分子的结构对称，键的极性被抵消，则分子是非极性的。反之，分子是有极性的。,第二讲,1.2,分子结构,说明了物质的分子间存在着作用力,气态,液态,固态,降温加压,降温,分子距离缩短,分子距离缩短,分子无规则运动,分子有规则排列,分子间力,第二讲,1.2,分子结构,分子与分子之间存在着一种能把分子聚集在一起的作用力，这种作用力就叫,分子间作用力。,实质：,是一种静电作用，它比化学键弱很多。,范德华力,和,氢键,是两种最常见的分子间作用力。,分子,范德华力,（,kJmol,-1,）,键能,（,kJmol,-1,）,HCl,21.14,432,HBr,23.11,366,HI,26.00,298,分子间作用力,第二讲,1.2,分子结构,范德华力，一般包括一下三个部分,1,、,取向力,分子在空间取向形成的作用力。只存在于,极性分子,之间。,分子的极性越大，即偶极矩,越大，取向力越大,范德华力,永久偶极和永久偶极之间的作用力。,第二讲,1.2,分子结构,范德华力,2,、,诱导力,极性分子与非极性分子之间的作用力。非极性分子在极性分子固有偶极作用下，发生变形，产生诱导偶极，,诱导偶极与固有偶极之间的作用力称为诱导力。,分子的偶极矩,越大，变形性越大，诱导力越大。存在极性,分子与极性分子，极性分子与非极性分子之间。,第二讲,1.2,分子结构,范德华力,3,、,色散力,非极性分子,正负电荷中心重合，分子没有极性。但电子在运动，原子核也在不停地振动。使原子核与电子云之间发生瞬时的相对位移。正、负电荷中心暂时不重合，产生,瞬时偶极,。这种瞬时偶极尽管存在时间极短,但电子和原子核总在不停地运动,瞬时偶极不断地出现。,+,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,_,_,_,_,_,第二讲,1.2,分子结构,随分子体积的增大而增大, 导致沸点同样升高,CH,3,CH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,b.p. -44.5 b.p. -0.5 b.p. 36,随分子结构密实程度的增大而减小,导致沸点同样下降,CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,CH,3,CH,3,CH,2,CHCH,3,CH,3,CCH,3, ,CH,3,CH,3,b.p. 36 b.p. 28 b.p. 9.5,第二讲,1.2,分子结构,范德华力,瞬时偶极,分子变形性越大，,色散力越大。,所有分子间均存在,色散力。,第二讲,1.2,分子结构,范德华力,色散力,取向力,诱导力,kJ/mol,取向力 诱导力 色散力,Ar,0,0,8.49 HCl,3.305,1.104,16.82,1,、,范德华力的特征：,a.,本质是静电作用,b.,作用范围小,c.,能量小,d.,没有方向性和饱和性,e,.,一般来说，色散力占主要。,只要分子周围空间允许，当气体分子凝聚时，它总是尽可能吸引更多的其它分子。,第二讲,1.2,分子结构,2,、,影响范德华力的因素,主要有：,分子的大小,分子的空间构型,分子的极性,分子的组成和结构相似时，相对分子质量越大，范德华力越大。,范德华力,第二讲,1.2,分子结构,3,、,范德华力对分子构成的物质性质的影响,分子构成的物质，其相对分子质量越大，则范德华力越大，物质的,熔沸点,越高；相对分子质量相近，分子极性越大，物质的熔沸点越高。,若溶质分子能与溶剂分子形成较强的范德华力，则溶质在该溶剂中的,溶解度,较大。,例：氧气在水中的溶解度比氮气大，原因是氧分子与水分子之间的范德华力大。,范德华力,第二讲,1.2,分子结构,卤素单质熔沸点与相对分子质量的关系,第二讲,1.2,分子结构,分子,分子间力种类,非极性分子,-,非极性分子,色散力,非极性分子,-,极性分子,色散力、诱导力,极性分子,-,极性分子,色散力、诱导力、取向力,第二讲,1.2,分子结构,奇怪的图像,请观察右边的图表，你发现了什么有趣的事情？,为什么水，氟化氢，氨气的沸点出现了反常？,第二讲,1.2,分子结构,氢键,一、氢键的形成,氢原子与电负性大的非金属原子,（,O,、,F,、,N,等）形成共价键时，电子对被强烈吸引到非金属原子，使,H,几乎为质子状态，这样另一共价键中电负性大的原子就会与,H,原子之间产生静电引力，这种静电引力叫做氢键。,通式：,XH,Y,X, Y,代表电负性大而原子半径小的非金属原子,第二讲,1.2,分子结构,氢键,F F,H H H H,F F F,163pm,140,255pm,F,的电负性大,其共用电子对强烈偏向,F,H,只有一个电子，其电子云偏向,F,后,几乎呈质子,对附近另一个,HF,分子中的,F,产生静电吸引作用,该静电吸引作用力为氢键。,同种分子内的氢键,第二讲,1.2,分子结构,氢键,H H,HN HO,H,或,H H,HNH OH,不同种分子间的氢键,第二讲,1.2,分子结构,水分子中的,OH,键是一种极性很强的共价键，氧原子与氢原子共用的电子对（电子云）强烈的偏向氧原子，于是,H,原子变成了一个几乎没有电子云的、半径极小的带正电的核,(,裸露的质子,),，这样，一个水分子中相对显正电性的氢原子，就能与另一个水分子中相对显负电性的氧原子的孤电子对接近并产生相互作用，这种相互作用叫做氢键，记作,XHY,第二讲,1.2,分子结构,水分子间形成的氢键,第二讲,1.2,分子结构,水分子三态与氢键的关系,第二讲,1.2,分子结构,氢键,O, N, F,等电负性强的原子之间通过,H,原子连接而成；,氢键是最强的分子间力。,第二讲,1.2,分子结构,氢键,二、氢键的特点,1,、,具有,方向性,和,饱和性,：由于,H,的体积小，,1,个,H,只能形成一个氢键；由于,H,的两侧电负性极大的原子的负电排斥，使两个原子在,H,两侧呈直线排列,.,2,、,是一种弱键，略小于化学键，但稍大于范德华力,FHF OHO NHF NHO NHN,H,X,Y,R,r,d,第二讲,1.2,分子结构,氢键,三,.,氢键对物质性质的影响,（,1,）对物质熔、沸点的影响。,一般情况下，分子间氢键可使物质的熔沸点升高；而分子内氢键可使熔沸点降低。,不同类型氢键对沸点的影响,第二讲,1.2,分子结构,氢键,分子内氢键的存在，由于削弱了分子间作用力，使物质的熔沸点降低。,NH,3,、,H,2,O,和,HF,的熔沸点比同族其它氢化物高就是由于分子间形成了氢键。,第二讲,1.2,分子结构,氢键,溶解度,在极性溶剂中，若溶质和溶剂间存在氢键,则会使溶质的溶解度增大,如,HF,、,NH,3,在,H,2,O,的溶解度较大,粘度增大,如甘油、磷酸、浓硫酸均因分子间,氢键的存在，为粘稠状液体,密度：液体分子间的氢键存在，使分子,发生缔合现象,第二讲,1.2,分子结构,一个非常令人感兴趣的问题！,指水分子彼此间通过氢键形成笼，将外来中性分子或离子,(,Cl,2, CH,4, Ar, Xe,等),包于笼内的水合物(分子晶体),第二讲,1.2,分子结构,氢键,（,3,）,对物质酸性的影响。,如果分子内形成氢键，往往使物质的酸性增强。这是由于羟基,（,OH,）,上的氢与羧基,（,COOH,）,上的氧形成了分子内氢键，从而促进了氢的解离。,（,4,）,对水和冰密度的影响。,水在,4,时密度最大，因为在,4,以上时，分子的热运动是主要的，使水的体积膨胀，密度减小；而当水结成冰后，由于冰分子间氢键的作用，使分子发生定向有序排列，分子间的空隙增大，导致冰的密度反而低于,4,的水。,第二讲,1.2,分子结构,小结,分子间氢键的形成会增大分子间作用力，使物质的熔沸点升高，硬度增大，黏度增大，且分子间氢键数量越多，熔沸点越高。,分子内氢键的形成则会削弱分子间作用力，使物质的熔沸点降低，硬度减小，黏度减小。,物质若能与水形成分子间氢键，则一般在水中具有较大的溶解度。,第二讲,1.2,分子结构,1,、,下列现象中，不能用氢键知识解释的是,（ ）,A,、,水的汽化热大于其他液体,B,、,冰的密度比水小,C,、,水的热稳定性比,H,2,S,大,D,、,水在,4,的密度最大,2,、,下列物质中，分子间不能形成氢键的是,（ ）,A,、,NH,3,B,、,N,2,H,4,C,、,CH,3,COOH D,、,CH,3,COCH,3,C,D,第二讲,1.2,分子结构,小结：化学键，分子间作用力，氢键的比较,相互作用,化学键,分子间作用力,氢键,存在范围,作用力大小,影响范围,相邻原子,(,离子,),之间,分子之间,某些氢化物分子之间,(NH,3,H,2,O,HF),强,弱,比化学键弱，比分子间作用力强,物质的物理性质和化学性质,物质的物理性质,物质的物理性质,第二讲,1.,下列各组物质沸点高低顺序中正确的是,( ),A. HIHBrHClHF,B. H,2,TeH,2,SeH,2,SH,2,O,C. NH,3,AsH,3,PH,3,D. CH,4,GeH,4,SiH,4,C,选择题,第二讲,选择题,2. I,2,的,CCl,4,溶液中分子间存在的作用力是,( ),A.,色散力,B.,取向力,C.,取向力,诱导力,色散力,D.,氢键,诱导力,色散力,A,第二讲,选择题,3.,在酒精的水溶液中，分子间存在的作用力为,( ),A.,取向力,B.,诱导力,C.,色散力和诱导力,.,取向力,D.,取向力,诱导力,色散力,氢键,D,第二讲,选择题,4.,下列分子中有最大偶极矩的是,( ),A. HI B. HCl C. HBr D. HF,5.,下列分子中偶极矩为零的是,( ),A. NF,3,B. NO,2,C. PCl,3,D. BCl,3,6.,加热熔化时需要打开共价键的物质是,( ),A. MgCl,2,B. CO,2,(s) C. SiO,2,D. H,2,O,D,D,C,第二讲,选择题,7.,下列说法正确的是,( ),A.,极性分子间仅存在取向力,;,B.,取向力只存在于极性分子之间,;,C. HF, HCl, HBr, HI,熔沸点依次升高,;,D.,色散力仅存在于非极性分子间,.,B,第二讲,选择题,8.,实验测得,BeCl,2,为共价化合物，两个,BeCl,键间的夹角为,180,。,由此可见，,BeCl,2,属于,（ ）,由极性键构成的极性分子,由极性键构成的非极性分子,由非极性键构成的极性分子,由非极性键构成的非极性分子,B,第二讲,填空题,1.,由极性键组成的多原子分子的极性是由,_,决定的,.,2.,氢键键能和分子间力的数量级相近，它与一般分子间力的不同点是具有_ 和_.,分子的几何构型,饱和性,方向性,第二讲,填空题,3. 共价键的强度一般用_和_表示.,4.,下列物质的变化各主要需打破或克服什么结合力,?,.,冰熔化,_,.,单质硅熔化,_,5.,共价键形成的主要条件是,:,._,._,键能,分子间力,键级,共价键,成键两原子中有自旋相反的单电子,成键的两原子的原子轨道能最大程度重叠,第二讲,简答题,为什么,NH,3,易溶于水，而,CH,4,难溶于水？,HBr,的沸点比,HCl,高，但又比,HF,的低？,NH,3,和水同为极性分子，且它们之间能形成氢键，而CH,4,则不然。,HBr的分子量比HCl大，变形性大，所以HBr的沸点比HCl高，但HF的分子间能形成氢键，所以HBr的沸点又比HF的低。,Thank You !,本科生课程,