第三单元 共价键、原子晶体.ppt

第三单元共价键、原子晶体一一、共价键共价键1 1、定义：、定义：原子间通过共用电子对所形成的的化学键。原子间通过共用电子对所形成的的化学键。2 2、特点、特点 成键微粒：成键微粒：原原 子子 成键本质：成键本质：共用电子对共用电子对 成键原因：成键原因：不稳定要趋于稳定；体系能量降低不稳定要趋于稳定；体系能量降低 成键的条件：成键的条件： （1）电负性相同或差值小电负性相同或差值小的非金属原子之间的非金属原子之间(或或金属与非金属原子之间金属与非金属原子之间)。 （2）原子最外层）原子最外层未达到饱和状态未达到饱和状态,即原子即原子有有未成未成对对电子电子。 共价键具有共价键具有 ：饱和性、方向性饱和性、方向性 存在范围：存在范围：非金属单质、共价化合物、离子化合物非金属单质、共价化合物、离子化合物(1)(1)非极性键：非极性键： 两个成键原子吸引电子的能力两个成键原子吸引电子的能力相同相同( (电负性电负性相同相同) )，共用电子对共用电子对不发生不发生偏移的共价键偏移的共价键(2)(2)极性键：极性键： 两个成键原子吸引电子的能力两个成键原子吸引电子的能力不同不同( (电负性电负性不同不同) )，共用电子对共用电子对发生发生偏移的共价键偏移的共价键3. 共价键的类型：共价键的类型：极性键和非极性键（极性键和非极性键（图片投影图片投影）(3)(3)一般情况下，同种元素的原子之间形成一般情况下，同种元素的原子之间形成非极性非极性共共价键，不同种元素的原子之间形成价键，不同种元素的原子之间形成极性极性共价键。共价键。(4)(4)在极性共价键中，成键原子吸引电子能的差别越大，在极性共价键中，成键原子吸引电子能的差别越大，共用电子对的偏移程度共用电子对的偏移程度越大越大，共价键的极性，共价键的极性越大越大。交流讨论1.下列分子中存在的共价键中，哪些是极性键，哪些下列分子中存在的共价键中，哪些是极性键，哪些是非极性键？是非极性键？2.下列共价键极性大小顺序是下列共价键极性大小顺序是 HF HCl HBr HINH键键 OH键键 HF键键N2、O2、F2、H2、H2O、HCl4、共价键、及其形成过程表示方法、共价键、及其形成过程表示方法电子式、结构式电子式、结构式（1）写出氨分子的电子式和结构式。）写出氨分子的电子式和结构式。（2）用电子式表示）用电子式表示H和和N形成形成NH3的过程。的过程。注意：离子键也可用电子式表示其形成过程注意：离子键也可用电子式表示其形成过程 交流：交流：氨气与盐酸反应的化学方程式和离子方程式。氨气与盐酸反应的化学方程式和离子方程式。 NH3 + HCl = NH4Cl NH3 + H+ = NH4+ 氨分子中各原子均达稳定结构，为什么还能与氢氨分子中各原子均达稳定结构，为什么还能与氢离子结合？离子结合？ 氮原子有孤对电子，氢离子有空轨道。氮原子有孤对电子，氢离子有空轨道。共用电子对全部由氮原子提供。共用电子对全部由氮原子提供。配配 位位 键键 由一个原子提供孤对电子，另一个原子提供空轨由一个原子提供孤对电子，另一个原子提供空轨道形成的共价键称配位键道形成的共价键称配位键（是一种特殊的共价键）（是一种特殊的共价键）。氨根离子与水合氢离子等是通过配位键形成的。氨根离子与水合氢离子等是通过配位键形成的。配位键用配位键用“”表示，箭头指向接受孤对电子的原子。表示，箭头指向接受孤对电子的原子。铵根离子中的四个氮氢键完铵根离子中的四个氮氢键完全一样全一样(键长、键能相同键长、键能相同)非极性键、极性键与配位键的比较非极性键、极性键与配位键的比较共共价价键键键键 型型特特 点点形成条件形成条件示示例例非极性键非极性键极性键极性键配位键配位键共用电子对不共用电子对不发生偏移发生偏移共用电子对共用电子对偏向一方原子偏向一方原子共用电子对共用电子对由一方提供由一方提供相同非金属元素原相同非金属元素原子的电子配对成键子的电子配对成键不同非金属元素原不同非金属元素原子的电子配对成键子的电子配对成键一方原子有孤电子对，另一方原子有孤电子对，另一方原子有价层空轨道一方原子有价层空轨道H H2 2HClHClNHNH4 4+ +5、共价键参数、共价键参数（1）键能键能 在在101kPa、298K条件下。条件下。1mol 气态气态AB分子生分子生成气态成气态A原子和原子和B原子的过程所吸收的能量，称为原子的过程所吸收的能量，称为AB键共价键得键能。键共价键得键能。 如在如在101kPa、298K条件下。条件下。1mol气态气态H2生成生成气态气态H原子的过程所吸收的能量为原子的过程所吸收的能量为436kJ，则，则HH键键的键能为的键能为436kJmol-1 共价键的键能用来衡量共价键牢固程度，共价键共价键的键能用来衡量共价键牢固程度，共价键键能越大表示该共价键越牢固，即越不容易被破坏。键能越大表示该共价键越牢固，即越不容易被破坏。（2）键长键长：两：两原子核间原子核间的平均间距的平均间距 共价键的键能越大，两原子核的平均间距共价键的键能越大，两原子核的平均间距键长越短。键长越短。（3）键角键角：相邻共价键之间的夹角，：相邻共价键之间的夹角，(共价键方向性共价键方向性)6 6、共价键强弱、共价键强弱键长（成键原子的核间距）键长（成键原子的核间距） 一般键长越一般键长越 ，键能越，键能越 ，共价键，共价键越越 ，分子就越，分子就越 。小小大大牢固牢固稳定稳定共价化合物：共价化合物：相邻的原子相邻的原子之间之间以共价键以共价键相连的化相连的化合物属于共价化合物。如二氧化碳、水、甲烷等。合物属于共价化合物。如二氧化碳、水、甲烷等。2 2键能大小与分子稳定性的关系：键能大小与分子稳定性的关系： 对结构相似的分子，键长越短，键能越对结构相似的分子，键长越短，键能越 大，大， 分子越稳定。分子越稳定。1.1.影响共价键键能的主要因素影响共价键键能的主要因素（1 1）一般情况下，成键电子数越多，键长越短）一般情况下，成键电子数越多，键长越短 ，形，形 成的共价键越牢固，键能越大成的共价键越牢固，键能越大. .（2 2）在成键电子数相同，键长相近时，键的极性越）在成键电子数相同，键长相近时，键的极性越 大，键能越大大，键能越大. .小结：小结： 1.1.影响共价键强弱的因素影响共价键强弱的因素 2.2.共价键强弱与分子稳定性的关系共价键强弱与分子稳定性的关系P49(2)H=2 436kJ/mol+498kJ/mol2(2463) kJ/mol=482kJ/mol （1）H = 946kJ/mol+3436kJ/mol 2（3393）kJ/mol= 104kJ/mol2.根据卤化氢键能的数据解释卤化氢分子的稳定性根据卤化氢键能的数据解释卤化氢分子的稳定性 HF HCl HBr HI1.根据表根据表3-53-5中的数据中的数据, ,计算下列化学反应中的能量变计算下列化学反应中的能量变化化HH。(1)N(1)N2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g)=2NH(g)=2NH3 3(g) (g) (2)2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) 金属键、金属键、离子键和共价离子键和共价键的比较键的比较化学键化学键类型类型成键本质成键本质键的方向性键的方向性和饱和性和饱和性影响键的强影响键的强弱的因素弱的因素金属键金属键离子键离子键共价键共价键静电作用静电作用共用电子对共用电子对电性作用电性作用无无无无既有方向性既有方向性又有饱和性又有饱和性金属元素的原子半金属元素的原子半径和单位体积内自径和单位体积内自由电子数目由电子数目阴、阳离子的电阴、阳离子的电荷数和核间距荷数和核间距键长、成键电子键长、成键电子数、极性数、极性 金刚石具有很高的熔、金刚石具有很高的熔、沸点和很大的硬度。你能沸点和很大的硬度。你能结合金刚石晶体的结构示结合金刚石晶体的结构示意图解释其中的原因吗？意图解释其中的原因吗？ 由于金刚石晶体中所有原子都是通过共价由于金刚石晶体中所有原子都是通过共价键结合的，而共价键的键能大，如键结合的，而共价键的键能大，如CC键的键能为键的键能为348kJmol-1。所以金刚石晶体。所以金刚石晶体熔、沸点很高，硬度很大。熔、沸点很高，硬度很大。二二. . 原子晶体原子晶体相邻相邻 间通过间通过 结合而结合而成的具有成的具有 结构的晶体结构的晶体2 2、组成微粒、组成微粒: :3 3、微粒间作用力、微粒间作用力: :知识回顾知识回顾1 1、定义：、定义：共价键共价键空间网状空间网状原子原子原子原子共价键共价键4 4、 原子晶体的特点原子晶体的特点、晶体中、晶体中 单个分子存在；化学式只单个分子存在；化学式只代表代表 。没没 有有原子个数之比原子个数之比、熔、沸点、熔、沸点 ；硬度；硬度 ； 溶溶于一般溶剂；于一般溶剂； 导电。导电。很很 高高很很 大大难难不不5 5、 影响原子晶体熔沸点、硬度大小的因素：影响原子晶体熔沸点、硬度大小的因素：共价键的强弱共价键的强弱键长的大小键长的大小 一般键长越小，键能越一般键长越小，键能越 ，原子，原子晶体的熔沸点越晶体的熔沸点越 ，硬度越，硬度越 。大大高高大大正四面体正四面体金刚石金刚石 的晶体结构模型的晶体结构模型最小环为六元环最小环为六元环在金刚石晶胞中占有在金刚石晶胞中占有的碳原子数的碳原子数: :8 81/8+61/8+61/2+4=81/2+4=81 1在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有个个2 2在金刚石晶体中每个碳原子形成在金刚石晶体中每个碳原子形成共价键共价键3.3.在金刚石晶体中最小碳环由在金刚石晶体中最小碳环由碳原子来组成碳原子来组成4.4.每个碳原子可形成每个碳原子可形成个六元环个六元环, ,每个每个C-CC-C键可以键可以形成形成个六元环。个六元环。 5 5在金刚石晶体中碳原子个数与在金刚石晶体中碳原子个数与CC共价键个数之共价键个数之比是比是.在金刚石晶胞中占有的碳原子数在金刚石晶胞中占有的碳原子数4个个1 26个个48个个12小结：小结：18010928 SiO共价键共价键二氧化硅的晶体结构二氧化硅的晶体结构1. 在在晶体中，每个硅原子与晶体中，每个硅原子与 个氧原子个氧原子结合；每个氧原子与结合；每个氧原子与 个硅原子结合；在个硅原子结合；在晶体中硅原子与氧原子个数之比是晶体中硅原子与氧原子个数之比是 。2. 在在晶体中，每个硅原子形成晶体中，每个硅原子形成 个共个共价键；每个氧原子形成价键；每个氧原子形成 个共价键；个共价键；3. 在在晶体中，最小环为晶体中，最小环为 元环。元环。21：24421：41：2124.4.每个十二元环中平均含有硅原子每个十二元环中平均含有硅原子 =6=61/12=1/21/12=1/2 硅原子个数与硅原子个数与共价键个数之是共价键个数之是 ；氧原子个数与氧原子个数与共价键个数之比是共价键个数之比是 。每个十二元环中平均含有每个十二元环中平均含有键键=12=121/6=21/6=2 小结：小结：教科书教科书 P51 晶体硅（晶体硅（SiSi） 、金刚沙（、金刚沙（SiCSiC）都是与金刚石）都是与金刚石相似的原子晶体，请根据表相似的原子晶体，请根据表3-63-6中数据分析其熔点、中数据分析其熔点、硬度的大小与其结构之间的关系硬度的大小与其结构之间的关系。键长键长: CC CSi SiSi: CC CSi CSi SiSiCC CSi SiSi所以熔点所以熔点、硬度硬度: 金刚石金刚石SiCSi 结构相似的原子晶体，成键的原子半径越小，键结构相似的原子晶体，成键的原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔点越高长越短，键能越大，晶体熔点越高,硬度越大。硬度越大。 原子晶体的物理特性原子晶体的物理特性 在原子晶体中，由于原子在原子晶体中，由于原子间以较强的共价键相结合，间以较强的共价键相结合，而且形成空间立体网状结而且形成空间立体网状结构，所以原子晶体的构，所以原子晶体的 熔点和沸点高熔点和沸点高 硬度大硬度大 一般不导电一般不导电 且难溶于一些常见的溶剂且难溶于一些常见的溶剂常见的原子晶体常见的原子晶体 某些非金属单质：某些非金属单质： 金刚石（金刚石（C）、晶体硅）、晶体硅(Si)、晶体硼（、晶体硼（B）等）等 某些非金属化合物：某些非金属化合物： 碳化硅（碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（）晶体、氮化硼（BN）晶体）晶体 某些氧化物：某些氧化物： 二氧化硅（二氧化硅（ SiO2）晶体、）晶体、Al2O3晶体晶体2. 氮化硅是一种新合成的材料，它是一种超氮化硅是一种新合成的材料，它是一种超硬、耐磨、耐高温的物质。下列各组物质熔化硬、耐磨、耐高温的物质。下列各组物质熔化时，所克服的作用力与氮化硅熔化所克服的微时，所克服的作用力与氮化硅熔化所克服的微粒间的作用力都相同的是粒间的作用力都相同的是 ( )A. 硝石和金刚石硝石和金刚石 B. 晶体硅和水晶晶体硅和水晶C. 冰和干冰冰和干冰 D. 萘和蒽萘和蒽 练练 习习3. 碳化硅（碳化硅（SiC）具有类似金刚石的结构，）具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列三种晶体三种晶体金刚石金刚石晶体硅晶体硅碳化硅中，它们碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是的熔点从高到低的顺序是 （ ） A. B. C. D. 练练 习习5.单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据金刚石金刚石晶体硅晶体硅晶体硼晶体硼熔点熔点382316832573沸点沸点510026282823硬度硬度107.09.5 晶体硼的晶体类型属于晶体硼的晶体类型属于_晶体，理由是晶体，理由是_。 已知晶体硼结构单元是由硼原子组成的正二十面体，已知晶体硼结构单元是由硼原子组成的正二十面体，其中有其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个项点上个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个项点上各有各有1个个B原子。通过视察图形及推算，此晶体体结构单元由原子。通过视察图形及推算，此晶体体结构单元由_个硼原子构成。其中个硼原子构成。其中BB键的键角为键的键角为_。共含有。共含有_个个BB 练练 习习共价键的形成交流与讨论：两个氢原子如何形成氢分子交流与讨论：两个氢原子如何形成氢分子?（1）氢原子电子排布式：）氢原子电子排布式：（2）基态氢原子轨道表示式：）基态氢原子轨道表示式：（3）原子之间形成共价键的原因：）原子之间形成共价键的原因： 原子轨道填满电子，且电子自旋相反，体系能原子轨道填满电子，且电子自旋相反，体系能量最底，最稳定。量最底，最稳定。vr0V：势能势能 r：核间距核间距两个核外电子两个核外电子自旋方向自旋方向相反相反的氢原子靠近的氢原子靠近r0vr0r0V：势能：势能r：核间距：核间距r0v vr r0r r0 0 V V：势能：势能 r r：核间距：核间距r0vr0r0V：势能：势能 r：核间距：核间距vr0V：势能：势能 r：核间距：核间距 两个核外电子两个核外电子自旋方向自旋方向相同相同的氢原子靠近的氢原子靠近氢气分子形成过程的能量变化氢气分子形成过程的能量变化 相距很远的相距很远的两个核外电子两个核外电子自旋方向自旋方向相反相反的的氢原子相氢原子相互逐渐接近互逐渐接近, ,在这一过程中体系能量将在这一过程中体系能量将先变小后变，先变小后变，成键成键后能量达到最低，形成稳定的氢气分子。后能量达到最低，形成稳定的氢气分子。两个自旋方向两个自旋方向相同的电子不能配对成键。相同的电子不能配对成键。从核间距和成键从核间距和成键电子的自旋方向电子的自旋方向来观察能量的变来观察能量的变化情况。化情况。电子配对原理电子配对原理 两原子各自提供两原子各自提供1 1个自旋方向相反的电子彼此配个自旋方向相反的电子彼此配对。对。最大重叠原理最大重叠原理 两个原子轨道发生重叠，重叠部分越大，两核两个原子轨道发生重叠，重叠部分越大，两核间电子的概率密度越大，形成的共价键越牢固，分间电子的概率密度越大，形成的共价键越牢固，分子越稳定。子越稳定。1 1、共价键的形成原理共价键的形成原理NH3分子中分子中的共价键的共价键2 2、共价键的形成、共价键的形成本质本质 成键原子相互接近时，原子轨道发生成键原子相互接近时，原子轨道发生重叠重叠，自旋，自旋方向方向相反相反的的未成对未成对电子形成电子形成共用电子对共用电子对，两原子核间，两原子核间的电子密度的电子密度增增 加加，体系的能量，体系的能量降低降低。教科书教科书 P441. 1. 根据根据H H2 2分子的形成过程，讨论分子的形成过程，讨论F F2 2分子和分子和HFHF分子是分子是怎么形成的怎么形成的？2.2.为什么为什么N N、O O、F F与与H H形成简单的化合物形成简单的化合物(NH(NH3 3、H H2 2O O、HF)HF)中中H H原子数不等？原子数不等？3 3、共价键的特征、共价键的特征（1 1）具有饱和性）具有饱和性 在成键过程中在成键过程中,每种元素的原子有几个每种元素的原子有几个未成对电未成对电子子通常就只能形成通常就只能形成几个共价键几个共价键，所以在共价分子中，所以在共价分子中每个原子形成共价键数目是一定的。每个原子形成共价键数目是一定的。形成的共价键数形成的共价键数 未成对电子数未成对电子数（2）具有方向性）具有方向性 在形成共价键时，两个参与成键的原子轨道总是在形成共价键时，两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现机会最大的方向重叠成键，而且尽可能沿着电子出现机会最大的方向重叠成键，而且原子轨道重叠越多，电子在两核间出现的机会越多，原子轨道重叠越多，电子在两核间出现的机会越多，体系的能量下降也就越多，形成的共价键越牢固。体系的能量下降也就越多，形成的共价键越牢固。 因此，一个原子与周围的原子形成的共价键就表因此，一个原子与周围的原子形成的共价键就表现出现出方向性方向性（ s s 轨道与轨道与 s s 轨道重叠形成的共价键无轨道重叠形成的共价键无方向性，例外）。方向性，例外）。4、共价键的类型、共价键的类型键和键和键键 S轨道和轨道和p轨道形成稳定共价键的几种重叠方式轨道形成稳定共价键的几种重叠方式H + H H:H相相互互靠靠拢拢s s轨道轨道s s轨道轨道（1）头碰头重叠）头碰头重叠键键p px xp px x+Cl + Cl Cl ClH + Cl H Clpx s（2 2）键：键： 原子轨道以原子轨道以“肩并肩肩并肩”方式方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键而形成的共价键键的类型键的类型键的类型键的类型ss(键键)pxpx (键键)spx (键键)pzpz (键键)pypy (键键)氮分子中原子轨道重叠方式示意图氮分子中原子轨道重叠方式示意图1、杂化轨道、杂化轨道 原子之间形成共价键时，原子轨道形状和伸展原子之间形成共价键时，原子轨道形状和伸展方向会发生改变。方向会发生改变。 为了解释甲烷、乙烯、乙炔、苯等分子的空间为了解释甲烷、乙烯、乙炔、苯等分子的空间构型，美国化学家鲍林于构型，美国化学家鲍林于1931年提出了杂化轨道年提出了杂化轨道理论，运用该理论可以解释很多分子的空间构型。理论，运用该理论可以解释很多分子的空间构型。C原子轨道原子轨道C在形成在形成甲烷甲烷分子的过程中分子的过程中： P48C在形成在形成乙烯乙烯分子的过程中分子的过程中： 乙烯分子中原子轨道重叠方式示意图乙烯分子中原子轨道重叠方式示意图C在形成在形成乙炔乙炔分子的过程中分子的过程中： 乙炔分子中轨道重叠方式示意图乙炔分子中轨道重叠方式示意图小结：小结： 键与键与键键的比较的比较 键键 键键 重叠方式重叠方式与单键、双键、与单键、双键、三键的关系三键的关系 牢固程度牢固程度“头碰头头碰头”重叠重叠肩并肩重叠肩并肩重叠单键是单键是键，双键、键，双键、三键中只有一个是三键中只有一个是键键单键不可能是单键不可能是键，键，双键中有一个、三键双键中有一个、三键中有两个是中有两个是键键重叠程度较大，重叠程度较大，比较牢固比较牢固重叠程度较小，重叠程度较小，较易断裂较易断裂乙烷：乙烷： 个个键；乙烯：键；乙烯： 个个键键 个个键；键；乙炔：乙炔： 个个键键 个个键键7 5132请指出乙烷、乙烯、乙炔分子中存在哪些类请指出乙烷、乙烯、乙炔分子中存在哪些类型的共价键，分别有几个型的共价键，分别有几个键，键，几个几个键？键？氯氯键非极性键氯氯键非极性键氢氯键极性键氢氯键极性键石墨的晶体结构模型石墨的晶体结构模型石墨的晶体结构石墨的晶体结构 石墨晶体是石墨晶体是层状结构层状结构，在每一层内，碳原，在每一层内，碳原子排成六边形，每个碳原子都与其他子排成六边形，每个碳原子都与其他3个个碳原子以共价键结合，形成平面的网状结碳原子以共价键结合，形成平面的网状结构。在层与层之间，是以分子间作用力相构。在层与层之间，是以分子间作用力相结合的。由于同一层的碳原子间以较强的结合的。由于同一层的碳原子间以较强的共价键结合，使石墨的熔点很高。但由于共价键结合，使石墨的熔点很高。但由于层与层之间的分子间作用力较弱，容易滑层与层之间的分子间作用力较弱，容易滑动，使石墨的硬度很小。像石墨这样的晶动，使石墨的硬度很小。像石墨这样的晶体一般称为体一般称为过渡型晶体或混合型晶体过渡型晶体或混合型晶体。 (1)(1)层状结构层状结构, ,最小碳环为平面正六边形最小碳环为平面正六边形, ,即为六即为六元环元环( (在同一平面上在同一平面上) )。 (2)(2)每个碳原子为每个碳原子为3 3个六元环所共有个六元环所共有, ,每个每个C-CC-C键为键为2 2个六元环所共有。个六元环所共有。 (3)(3)每个六元环中平均含有碳原子每个六元环中平均含有碳原子=6=61/3=21/3=2 每个六元环中平均含有每个六元环中平均含有C-CC-C键键 =6=61/2=31/2=3 即碳原子数即碳原子数:C-C:C-C键键数键键数 =2:3 =2:3 小结：小结：