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第七章 化学键和分子结构7.1 简介17.2 离子键17.3 价键理论107.4 杂化轨道理论177.5 价层电子对互斥理论247.6 分子轨道理论287.7 金属键理论347.8 分子间作用力和氢键357.9 晶体结构447.1 简介化学键和分子结构简介分子是物质能独立存在并保持其化学特性的最小微粒，而分子又是由原子组成的。组成分子的原子数可以少至只含一个原子，如稀有气体和蒸气状态，金属的单原子分子；也可以多达千千万万，例如一块金刚石晶体在一般情况下，分子是指由数目确定的原子组成的，具有一定稳定性的物质。迄今，人们发现112种元素。正是由这些元素的原子构成分子，从而构成了整个物质世界。那么原子与原子如何结合成分子；分子和分子又如何结合成宏观物体？前者是化学键问题，后者是分子间力的问题。通常把分子中直接相邻的两个（或多个）原子之间强的相互作用力称为化学键。化学键可分为；离子键、共价键和金属键。在分子之间还存在一种较弱的分子间吸引力，称范德华尔力，还有氢键是属于一种较强、有方向性的分子间力。化学键理论是当代化学的一个中心问题。研究分子内部的结构对探索物质的性质和功能都具有重要的意义。本章将在原子结构的基础上，着重讨论分子形成过程以及有关化学键理论。如：离子键理论、共价键理论（包括：电子配对法、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论、分子轨道理论）以及金属能带理论等。同时对分子间作用力、氢键、分子的结构与物质性质之间的关系以及四种晶体结构等也做初步讨论。7.2 离子键7.2.1 离子键理论的基本要点离子键由电正性很大的元素（如碱金属）与电负性很大的元素（如卤素）所形成的化合物中组成的质点是离子，连接异号电荷离子的作用力主要是静电引力，这种化学键称为离子键。为了说明这类化合物的原子相互结合的本质，人们提出了离子键理论。一、离子键理论的基本要点1916年德国化学家科塞尔（Kossel）根据稀有气体具有稳定结构的事实提出了离子键理论。离子键的本质是正、负离子间的引力。其基本要点如下：1、当活泼金属原子和活泼非金属原子在一定反应条件下互相接近时，它们都有达到稳定的稀有气体结构的倾向，由于原子间电负性相差较大，活泼金属原子易失去最外层电子而成为带正电荷的正离子（又称阳离子），而活泼非金属原子易得电子，使最外层电子充满而带负电荷成为负离子（又称阴离子）。例如：2、正离子和负离子由于静电引力相互吸引而形成离子晶体。在离子晶体中，正、负离子相互吸引形成离子键。在离子键模型中，可近似地将离子视为球体。根据库伦定律，两个距离为，带有相反电荷，Z1e+和Z2e-的离子间的吸引力V吸引为：相反电荷的离子之间，除静电引力外，还存在外层电子之间以及原子核之间的相互排斥作用。排斥势能与的关系为式中，B和为常数，这时正负离子间的势能为根据此式，可得V的示意图7-1当吸引作用和排斥作用平衡时，正离子和负离子在平衡位置附近振动，系统能量最低，形成稳定的化学键，这种化学键称为离子键。对于晶体来说，一个正离子周围并非只有一个负离子，（反之亦然），因此需要考虑每个离子与周围所有其它离子间势能的总和（包括排斥能和吸引能）。另外，离子晶体中的离子在空间排斥方式很多，显然这是一个十分复杂的问题。其近似公式他如下：式中，Z+和Z-分别为正、负离子电荷数，0是晶体中正、负离子间的最短距离，NA为阿伏加德罗常数，A为马德隆（Madelung）常数，它与晶格的类型（包括原子配位数）有关，不同的晶体类型，A值相差并不大，n是与原子电子构型有关的因子。以NaF为例，0231pm，n=7， A=1.747，Z+=Z-=1，由7-2式可计算得V0为902.1KJ.mol-1。7.2.2 离子键的特征二、离子键的特征（1）离子键的本质是静电作用力。它是由原子得失电子后形成的正、负离子之间通过静电引力作用而形成化学键。由此可见，当离子电荷越大，离子间的距离越小，离子间的引力越强，离子键越稳定。（2）离子键没有方向性。正因为离子键是由正、负离子通过静电吸引力作用结合而成的，且离子都是常电体，它的电荷分布是球形对称的，只要条件许可，它在空间各方向施展的电性作用相同，在吸引带异电荷的离子时，并不存在某一方向更有利的事。例如在氯化钠晶体中，每个Na+离子周围等距离地排列着6个Cl-离子，每个Cl-离子也同样排列着6个Na+离子。见图7-2（a）。在氯化铯晶格中，Cs+离子被8个Cl-离子所包围，同样每个Cl-离子也被8个Cs+离子所包围。见图7-2（b）。（3）离子键没有饱和性。它是指只要空间位置许可，每个离子可以吸引尽可能多的带相反电荷的离子，当然，离子吸引带相反电荷的离子数目不是任意的，是有一定数目的。例如在氯化钠晶体中，一个钠离子的周围在距离0处有6个相反电荷的氯离子，这是由于正、负离子半径的相对大小，电荷多少等因素所决定的。这并不意味着每个钠离子周围吸引了6个氯离子后它的电场就饱和了。事实上，除了0处有6个异性电荷外，在稍远的距离（约为20）外，又有12个氯离子，再远些（30），又有8个氯离子等等。只不过静电引力随距离的增大而减弱。这就是离子键没有饱和性的含意。基于离子键的特点，所以无法在离子晶体中辨认出独立的“分子”，只能认为整个晶体是个大分子。例如，在NaCl晶体中，不存在独立的氯化钠分子，NaCl只是氯化钠的化学式，表示晶体中Na+与Cl-数目比例为1:1，而不是分子式。（4）键的离子性与电负性有关。元素的电负性差别愈大，它们之间形成的化学键的离子性愈大。一般用离子性百分数来表示键的离子性相对共价键的大小。实验表明，即使电负性最小的铯（Cs）与电负性最大的氟（F）形成最典型的离子型化合物氟化铯中，铯的离子性也只有92，它告诉我们，离子间不是纯粹的静电作用。仍有部分原子轨道重叠，且有一定的共价性。现以电负性差值为横坐标，以离子性百分数为纵坐标可得图7-3，从图中可以看出，电负性差值为1.7时，单键约具有50的离子性。若；两个原子电负性差值大于1.7时，可判断它们之间形成离子键，该化合物为离子型化合物。例如氯和钠的电负性差值为2.23，所以NaCl晶体中键的离子性为71，是典型的离子型化合物。差值小于1.7，则可判断它们之间主要形成共价键，该物质为共价化合物。当然，电负性差值1.7并不是离子型化合物和共价型化合物的截然界线，仅是一个有用的参考数据。如氟与氢的电负性差值为1.78，单HF键仍是共价键。虽然有例外，但是表7-1和图7-3仍不失其有用的参考价值。表7-1 单键的离子性百分数与电负性差值之间的关系XA-XB离子性百分数(%)XA-XB离子性百分数(%)0.211.8550.442.0630.692.2700.8152.4761.0222.6821.2302.8861.4393.0891.6473.292数据引自 L.Pauling.P.Pauling,Chemistry.Freemanand Company,San Francisco,(1975)7.2.3 晶格能三、晶格能离子键的强度可用晶格能U0的大小来衡量。晶格能是指相互远离的气态正离子和负离子结合成1mol离子晶体时所释放的能量，或1mol离子晶体解离成自由气态离子时所吸收的能量。晶格能（lattice energy）U0可用玻恩哈伯循环（BornHaber Cycle）计算得到。以NaF为例来说明热化学循环。下式中S为钠的升华热（Sublimation energy），表示1mol固态物质转变为气态时所吸收的能量：D为氟（F2）的解离能（dissociation energy）,表示1mol气态的双原子分子解离为2mol气态原子时所吸收的能量；I是电离能（ionization energy）;E是电子亲合能（election affinity）；U0为晶格能；Q为生成热，即NaF(s)的生成焓。根据能量守恒定律，生产热Q应等于各步能量变化总和：该式除了晶格能之外，其余均可从实验测得。NaF 相应数据如下：Q为-596.3KJ.mol-1；S为108.8KJ.mol-1；D为76.62 KJ.mol-1；I为502.3 KJ.mol-1；E为-349.5 KJ.mol-1。代入（7-3）式，求得NaF的晶格能U为-907.5 KJ.mol-1。晶格能也可以根据离子键理论进行计算获得，其结果与实验值相当接近，这也表明离子键理论的正确性。在晶体类型相同时，晶格能与正、负离子电荷数成正比，与它们之间的距离0成反比。离子化合物的晶格能越大，正、负离子的结合力越强，相应晶体的熔点越高，硬度越大，压缩系数和热膨胀系数越小。表7-2列出常见NaCl型离子化合物的熔点、硬度随离子电荷及r0的变化情况，其中离子电荷的变化影响最突出。表7-2 离子电荷、r0对晶格能和晶体熔点、硬度的影响NaCl型离子化合物Zr0/pm晶格能/kJmol-1熔点/Mohs硬度NaF12319239933.2NaCl12827868012.5NaBr12987477472.5NaI1323704661 F- Na+ Al3+（5）相同电荷的过渡元素和内过渡元素正离子的半径均随原子序数的增加而减小。离子半径的大小是决定离子型化合物中正、负离子静电引力的重要因素之一，也就是决定离子型化合物的离子键强弱的重要因素之一。离子半径愈小，离子间的引力就愈大，离子化合物的熔点、沸点也愈高。例如，NaF和LiF，钠和锂都是+1价，因为Na+ Li+，故NaF的熔点（870）比LiF的熔点（1040）低。同样，离子半径的大小对离子化合物的其它性质也有影响。又如，在NaI、NaBr、NaCl中，I-、Br-、Cl-的还原性依次降低，而AgI、AgBr、AgCl的溶解度依次增大，颜色依次变浅，这都与离子半径的大小有着密切联系。3、离子的电子构型原子究竟能形成何种电子构型的离子，除决定于原子本身的性质和电子层构型本身的稳定外，还与其相作用的其它电子有关。一般简单的负离子，如F-、Cl-、O2-等的最外层都为稳定的稀有气体结构，即8电子构型。然而，对正离子来说，情况比较复杂，除了8电子结构外，还有其它多种构型。正离子的电子层构型大致有以下几种：（1）2电子构型：最外层为2个电子的离子。如Li+、Be2+等。（2）8电子构型：最外层为8个电子的离子。如K+等。（3）18电子构型：最外层为18个电子的离子。如Zn2+、Cd2+、Ag+等。（4）(18+2) 电子构型：次外层为18个电子，最外层为2个电子的离子。如Pb2+、Sn2+等。（5）不饱和电子构型：最外层为917个电子的离子，如Fe2+、Mn2+等。离子的电子层构型对化合物的性质有一定的影响，例如碱金属和铜分族，它们最外层只有1个ns电子，都能形成+1价离子，如Na+、K+、Cu+、Ag+，但由于它们的电子层构型不同。Na+、K+为8电子构型，Cu+、Ag+为18电子构型。因此它们的化合物（如氯化物）的性质就有明显的差别。如：NaCl易溶于水，CuCl、AgCl难溶于水。7.3 价键理论7.3.1 路易斯的经典共价学说价键理论离子键理论能很好地说明离子化合物的形成和性质，但不能说明由相同原子组成的单质分子（如H2、Cl2、N2等），也不能说明不同非金属元素结合生成的分子，如HCl、CO2、NH3等和大量的有机化合物分子形成的化学键本质。1916年美国化学家路易斯（Lewis）为了说明分子的形成，提出了共价键理论，初步揭示了共价键与离子键的区别，随后的50年里共价键理论迅速发展。1927年海特勒（Heitler）和伦敦(Londen)用量子力学的成就，阐明了共价键的本质，后来鲍林等人发展这一成果，建立了现代价键理论（Valencebond theory，缩写为VB）也称电子配对法和杂化轨道理论以及价层电子互斥理论。1932年美国化学家密立根（Millilcan）和德国化学家洪特提出分子轨道理论（molecular-orbota， theory,缩写MO）。价键法是从处理氢分子结构推广得来的；分子轨道法是用薛定谔方程处理氢分子离子H2+的结果为基础发展起来的。它们在解释分子结构方面各有所长。一、路易斯的经典共价学说路易斯认为分子中原子之间可以通过共享电子对而使每一个原子具有稳定的稀有气体结构。原子通过共用电子对而形成的化学键称为共价键。两个原子间共用一对电子的共价键称为单键，共用二对电子的称为双键，共用三对电子的称为叁键。分子中两原子间共享电子对的数目叫键级，原子单独拥有的未成键的电子对称为孤对电子。共价分子中两个成键原子的核间距称键长。化学键结合的强弱用键能表示。下面所表达的电子结构统称为Lewis结构。路易斯结构式的写法规则又称八隅体规则（即8电子结构）。至今简单分子的Lewis结构式仍为化学家采用。其写法规则归纳如下：、根据分子式或离子式计算出总的价电子数目。多原子阴离子的价电子总数为各原子的价电子数之和再加上负电荷数；多原子阳离子则必须从各原子的价电子数之和减去阳离子电荷数；、画出分子或离子的骨架，用单键将原子连接起来。每一个单键扣两个电子。然后将其余电子当作未共用电子（孤对电子）分配在原子周围，以便尽可能使每个原子具有8个电子。如缺2个电子，以形成双键补之。如缺4个电子，则用叁键补之。但结构式中每个原子提供的电子数要与它的价电子数相符。例如要写出甲醛（CH2O）的Lewis结构式，必须先算CH2O总电子数为4 +（12）+ 612，骨架结构为，扣除3个单键用去6个电子后，余下6个电子，可以有下面三种排法：（a）式O不成八隅体，(b)式C不成八隅体，只有(c)式在C、O之间形成双键，C、O均具八隅体结构。路易斯的共价概念能解释一些非金属原子形成共价分子的过程以及与离子键的区别。但还存在着许多不足：、Lewis结构不能说明为什么共用电子对就能使得两个原子牢固结合这一共价键本质。、八隅体规则的例外很多，如PCl5、SF6等。、不能解释某些分子的一些性质，如O2分子的磁性等。这些问题可用现代价键理论和分子轨道理论给予回答。7.3.2 共价键的形成和本质二、共价键的形成和本质海特勒和伦敦用量子力学处理氢原子形成氢分子时，得到了H2分子的位能曲线，便反映出氢分子的能量与核间距之间的关系以及电子状态对成键的影响。假定A、B两原子中的电子自旋是相反的，当两个氢原子相互接近时，A原子的电子不仅受A核吸引，也受B核吸引。同理，B原子的电子不仅受B核吸引，也受A核吸引。整个系统的能量低于两个H原子单独存在的能量。当系统的能量达到最低点时，核间距如图7-5所示。R0=87 pm（实验值为74 pm）。如果两原子继续接近，核之间的排斥力逐渐增大，系统的能量升高。在R0处两个氢原子形成化学键，它的能量最低，这种状态称为氢分子的基态。当体系的吸引与排斥达到平衡时，两核之间的距离为R0。如果两个氢原子的电子自旋平行，当它们相互接近时，量子力学可以证明，它们产生的相互排斥作用越是接近，能量就越高。结果是系统的能量始终高于两个单独存在的氢原子的能量，于是不能成键。这种不稳定状态称为H2分子的排斥态。如图7-6所示。应用量子力原理，可以计算基态分子和排斥态电子云分布。计算结果表明，基态分子中两个核间的电子几率密度2远远大于排斥态分子中核间的电子云几率密度2。图7-6（a）（b）所示：由图7-6可见，自旋相反的两个电子的电子云密集在2个原子核之间，使系统的能量降低，从而能形成稳定的共价键。而排斥态2个电子的电子云在核间稀疏，几率密度几乎为零，系统的能量增大，所以不能成键。从以上讨论可见，两个氢原子的1s轨道1s都是正值，叠加后使两核间电子云浓密，并将两个原子核强烈地吸引在一起，同时，由于两核间的高电子云密度区域的存在，对两个原子核产生屏蔽作用，降低了两核间的正电排斥力，系统的势能降低，因而能够成键。由此也能看出共价键的本质仍是一种电性作用，但绝对不是正、负离子间的静电作用。三、电子配对法的基本要点电子配对法，简称VB法，它是用量子力学处理H2分子所得的结果的推广，其要点归纳如下：1、自旋相反的两个单电子相互接近时，由于它们的波函数符号相同，则原子轨道的对称性匹配，核间的电子云密集，体系的能量最低，能够形成稳定的化学键。若它们的波函数 符号不同，则原子轨道对称性不匹配的重叠相当于上述的排斥态，不能形成化学键。图7-7（a）为原子轨道对称性匹配的情况；（b）为对称性不匹配情况。2、如果A 、B两原子各有一个未成对电子，且自旋相反，则可相互配对，共用电子形成稳定的共价单键。如果A 、B各有2个或3个未成对电子，则自旋吸相反也可以两两配对，形成共价双键或共价叁键。如：氧分子双键 ，氮分子叁键 。3、原子轨道重叠时，轨道重叠愈多，电子在两核出现的机会愈大，体系的能量越低，形成的共价键也越稳定。因此，共价键应尽可能的沿着原子轨道最大重叠的方向形成，称为最大重叠原理。7.3.4 共价键的类型五、共价键的类型、正常共价键与配位共价键按共用电子对由成键原子提供的方式不同，可将共价键分为正常共价键和配位共价键。如果共价键的共用电子对是由两个成键的原子各提供1个电子，称为正常的共价键。如果共价键的共用电子对由一个原子提供的称为配位共价键或称配位键。提供电子对的原子称为电子对给予体，接受电子对的原子称为电子对接受体。如F3BNH3的形成。通常用“”表示配位键。必须注意正常共价键和配位键的差别仅仅表现在成键过程中，虽然共用电子对的来源不同，但成键后，二者并无任何差别。、键、键和离域大键根据原子轨道重叠的对称性不同，共价键可分为键和键。1、键如果原子轨道按“头碰头”的方式发生轨道重叠，轨道重叠的部分沿着键轴呈圆柱形对称，这种共价键称为键。键轴是指两原子核间的联线。如图7-9所示，可以对键轴呈圆柱形对称的轨道重叠形式有SS轨道重叠（H2分子），SP轨道重叠（HCl分子），PxPx轨道重叠（Cl2分子）。它们都形成键。7.3.6 键2、键如果原子轨道按“肩并肩”的方式发生轨道重叠，轨道重叠部分对通过键轴的一个平面具有镜面反对称，这种共价键称为键。（图7-10）除pp轨道可以重叠形成键外，pd，dd轨道重叠也可以形成键。由于键对键轴呈圆柱形对称，所以电子云在两核之间密集，键对键轴平面呈镜面反对称，电子云在键轴上下密集（见图7-11）。键是两个成键原子轨道沿值最大的方向重叠而成，满足轨道最大重叠原理，两核间浓密的电子云将两个成键原子核强烈地吸引在一起，所以键的键能大，稳定性高。形成 键时轨道不可能满足最大重叠原理，只采用“肩并肩”的方式重叠，使得在键轴平面上的电子云密度为零，只有通过键轴平面上、下两块电子云将两核吸在一起，这二块键电子云离核较远，一般情况是键的稳定性小，电子活泼，容易参与化学反应。如果两个原子可以形成多重键，其中必定先形成一个键，其余为键。例如N2分子有三个键，一个键，两个键，.示意如图7-12。键由2px2px轨道形成；键分别2py2py；2pz2pz由轨道形成。p轨道的方向决定了N2分子中三个键互相垂直。7.3.7 离域大键3、离域键由两个以上的 轨道以“肩并肩”的方式重叠形成的键，称为离域键或大键。一般键是由2个原子的p轨道叠加而成，电子只能在两个原子之间运动。而大键是由多个原子提供多条同时垂直形成键所在平面的P轨道,所有的P轨道都符合“肩并肩”的条件，这些P轨道就叠加而成一个大键，电子就能在这个广泛区域中运动。例如苯分子中的大键。实验证明，苯分子中六个碳原子之间的情况是等同的（指键长、键角、键能皆相同），价键理论认为苯分子中的6个碳原子皆采取sp2杂化，形成三条杂化轨道，其中一条杂化轨道与H原子结合形成键，另外两条杂化轨道和相邻的两个碳原子结合形成两个键，组成了一个平面正六角形的骨架。（图7-13）此外，每个C原子还剩下一条垂直与该平面的P轨道，并且相互平行，每个P轨道上有一个单电子，这六条相互平行的P轨道以“肩并肩”的方式重叠后形成大键，6个P电子就在六个碳原子之间活动，形成了一个6 原子中心，6电子的大键，用66表示。通常大键用符号nm表示，n表示P轨道数，也是成键的原子数，m表示电子数。综上所述，形成离域键必须具备下面三个条件：第一是参与形成大键的原子必须共平面；第二是每个原子必须提供一条相互平行的p轨道；第三是形成大键所提供p电子数目必须小于p轨道数目的2倍（m 孤对键对 键对键对另外，电子对间的斥力还与其夹角有关，斥力大小顺序是90 120 1804、键对只包括形成键的电子对，不包括形成键的电子对，即分子中的多重键皆按单键处理。键虽然不改变分子的基本构型，但对键角有一定影响，一般是单键间的键角小，单一双键间及双双键间键角较大。7.5.2 判断分子的几何构型二、判断电子的几何构型根据VSEPR理论，会按以下步骤判断分子或复杂离子的几何构型。1、确定中心原子价层电子数。它可由下式计算得到：价层电子对数（中心原子价电子数 + 配位原子提供电子数 - 离子代数值）/2式中配位原子提供电子数的计算方法是：氢和卤素原子均提供1个价电子；氧和硫原子提供电子为零。因为氧和硫价电子数为6，它与中心原子成键时，往往从中心原子接受2个电子而达到稳定的八隅体结构。2、根据中心原子的价电子对数，找出电子对间斥力最小的电子排布方式。见图7-22，或从表7-4找出相应的电子对排布。表7-4 静电斥力最小的电子对排布电子对23456电子对的排布直线平面三角四面体三角双锥八面体3、把配位原子按相应的几何构型排布在中心原子周围，每一对电子连接一个配位原子，剩下的未与配位原子结合的电子对便是孤对电子。含有孤电子对的分子几何构型不同于价电子的排布，孤电子对所处的位置不同，分子空间构型也不同，但孤电子对总是处于斥力最小的位置，除去孤电子对占据的位置后，便是分子的几何构型。以IF2-为例，用上述步骤预测其空间构型。（1）中心原子I的价电子数为7，2个配位原子F各提供1个电子。（2）查7-4表知，5对电子是以三角双锥方式排布。（3）因配位原子F只有2个，所以5对电子中，只有2对为成键电子对，3对为孤对电子。由此可得如图7-23的三种可能情况，选择结构中电子对斥力最小，即夹角最大的那一种结构，则 测定就是IF2-的稳定构型，得到IF2-分子为直线型结构的正确结论。图7-23（a）用上述方法可确定大多数主族元素的化合物分子和复杂离子的构型，现将常见分子构型归纳为表7-5表7-5 分子构型小结价层电子对数分子结构实际的几何构型实例2AX2直线形HgCl2,CO2BeCl23AX3平面三角形BCl3,SO3,CO32-,NO3-BF3:AX2V形(角形)SnCl2,PbCl2,O3,NO2,NO2-SO24AX4四面体CH4,CCl4,SiCl4,NH4+,PO43-,SiO44-,ClO4-SO42-:AX3三角锥PF3,AsCl3,H3O+,SO32-,ClO3-NH3V形(角形)H2S,SF2,SCl2,NH2-H2O5AX5三角双锥PF5,AsF5,SOF5PCl5:AX4变形四面体SF4TeCl4T形BrF4ClF4直线形XeF2,IF2-I3-6AX6八面体SiF62-,AlF63-SF6:AX5四方锥ClF5BrF5IF5平面正方形XeF4ICl4-7.6 分子轨道理论7.6.1 分子轨道理论的基本要点分子轨道理论价键理论、杂化轨道理论和价层电子互斥理论虽然能较好地说明共价键的形成和分子空间构型，但也有一定的局限性。它们不能解释氧分子的順磁性和氢分子离子H2+中也存在单电子键等问题。1932年美国科学家莫立根（Mulliken）洪特(Humd)等人先后提出了分子轨道理论 (Molecular Orbital Theory)，简称MO法，从而弥补了价键理论的不足。一、分子轨道理论的基本要点1、分子轨道理论的基本观点是把分子看作一个整体，其中电子不再从属于某一个原子而是在整个分子的势场范围内运动。正如在原子中每个电子的运动状态可用波函数（）来描述那样，分子中每个电子的运动状态也可用相应的波函数来描述。2、分子轨道是由分子中各原子的原子轨道线性组合而成，简称LCAO (linear combination of atomic orbitals的缩写)。组合形成的分子轨道数目与组合前的原子轨道数目相等。如两个原子轨道a和b线性组合后形成两个分子轨道1和1*1 =c1a +c2b2=c1a -c2b这种组合和杂化轨道不同，杂化轨道是同一原子内部能量相近的不同类型的轨道重新组合，而分子轨道却是由不同原子提供的原子轨道的线性组合。原子轨道用s、p、d、f表示，分子轨道则用、表示。3、原子轨道线性组合成分子轨道后，分子轨道中能量高于原来的原子轨道者称为反键轨道，能量低于原来的原子轨道者称为成键轨道。4、原子轨道要有效地线性组合成分子轨道，必须遵循下面三条原则：(1)对称性匹配原则。只有对称性匹配的原子轨道才能有效地组合成分子轨道。哪些原子轨道之间的对称性匹配呢？如图7-24（a）（c）所示。a为s轨道，b为py轨道，键轴为x。看起来a和b可以重叠，但实际上各有一半区域为同号重叠，另一半为异号重叠，两者正好抵消，净成键效应为零，因此不能组成分子轨道，亦称两个原子轨道对称性不匹配而不能组成分子轨道。再从图7-24（b）（d）（e）看，a和b同号迭加满足对称性匹配的条件，便能组合形成分子轨道。(2)能量相近原则。只有能量相近的原子轨道才能组合成有效的分子轨道。能量愈相近，组成的分子轨道越有效。若两条原子轨道相差很大，则不能组成分子轨道，只会发生电子转移而形成离子键。(3)最大重叠原则。原子轨道发生重叠时，在对称性匹配的条件下，原子轨道a和 b的重叠程度愈大，成键轨道相对于组成的原子轨道的能量降低得愈显著，成键效果强，形成的化学键愈稳定。7.6.2 原子轨道线形组合的类型二、原子轨道线性组合的类型在对称性匹配的条件下，原子轨道线性组合可得不同种类的分子轨道，其组合方式主要有如下几种：（1）ss重叠。如图7-25（a）所示，两个轨道相加而成为成键轨道，两者相减则成为反键轨道*。若是1s轨道，则分子轨道分别为1s、1s*，若是2s轨道，则写为 2s、2s*。（2）sp重叠。如图7-25（b）所示，一个原子的s轨道和另一个原子的p轨道沿两核联线重叠，若同号波瓣重叠，则增加两核之间的几率密度，形成sp成键轨道，若是异号波瓣重叠，则减小了核间的几率密度，形成一个反键轨道sp*。（3）pp重叠。两个原子的p轨道可以有两种组合方式，其一是“头碰头”，如7-25 c所示，两个原子的px轨道重叠后，形成一个成键轨道p和一个反键轨道p*。其二是两个原子的py轨道垂直于键轴，以“肩并肩”的形式发生重叠，形成的分子轨道称为分子轨道，成键轨道p，反键轨道p*。如图7-25（d），两个原子各有3个p轨道，可形成6个分子轨道，即px 、px* 、py 、py* 、pz 、pz* 。（4）pd重叠。一个原子的p轨道可以同另一个原子的d轨道发生重叠，但这两类原子轨道不是沿着键轴而重叠的，所以pd轨道重叠也可以形成分子轨道，即成键的分子轨道pd和反键的分子轨道pd*，如图7-23（e）。这种重叠出现在一些过渡金属化合物中，也出现在P、S等氧化物和含氧酸中。（5）dd重叠。两个原子的d轨道（如dxydxy）也可以按图7-25（f）所示方式重叠，形成成键分子轨道dd和反键分子轨道*dd。重叠前重叠后7.6.3 同核双原子分子的分子轨道能级图三、同核双原子分子的分子轨道能级图每个分子轨道都有相应的能量，分子轨道的能级顺序主要是从光谱实验数据来确定的。如果把分子中各分子轨道按能级高低排列起来，可得分子轨道能级图。图7-26所示。对于第二周期元素形成同核双原子分子的能级顺序有以下两种情况。当组成原子的2s和2p轨道能量差较大时，不会发2s和2p轨道之间的相互作用，能级图如7-26（a）所示(2p2p ), 但 2s与2p能量差较小时，两个相同原子互相接近时，不但会发生ss和pp重叠，而且也会发生sp重叠，其能级顺序如7-26（b）所示（2p 两个不同原子结合成分子时，用分子轨道法处理在原则上与同核双原子一样，例如CO分子结构。C原子的电子构型为1s22s22p2；O氧原子的电子构型为1s22s22p4，CO分子中共有14个电子，与N2分子的电子数相同，称为等电子体。等电子体的分子轨道结构相似，性质也非常相似。所以，CO的分子轨道式为(1s)2(*1s )2(2s)2(*2s)2 (2py)2(2pz)2(2px)2。7.7 金属键理论金属键理论周期表中五分之四的元素为金属元素。除汞在室温是液体外，所有金属在室温都是晶体，其共同特征是：具有金属光泽，优良的导电、导热性，富有延展性等。金属的特性是由金属内部特有的化学键的性质决定的。一、改性共价理论与非金属比较，金属原子的半径大，核对价电子的吸引比较小，电子容易从金属原子上脱落成为自由电子，汇成所谓的“电子海”，留下的正离子浸沉在这种电子海洋中。这些自由电子与正离子之间的作用力将金属原子粘合在一起而成为金属晶体，这种作用力称为金属键，也称改性共价键。二、能带理论金属键的量子力学模型叫做能带理论，他是在分子轨道理论的基础上发展起来的现代金属键理论。能带理论把金属晶体看成一个大分子，这个分子由晶体中所有原子组合而成。由于各原子的原子轨道之间的相互作用便组成一系列相应的分子轨道，其数目与形成它的原子轨道数目相同。根据分子轨道理论，一个气态双原子分子Li2的分子轨道是由2个Li原子轨道（1s22s1）组合而成的。6个电子在分子轨道中的分布如7-27（a）所示。2s成键轨道填2个电子，*2s反键轨道没有电子。现在若有n个原子聚积成金属晶体，则各价电子波函数将相互叠加而组成n条分子轨道，其中n/2条的分子轨道有电子占据，另外n/2条是空的。如图7-27（b）所示。由于金属晶体中原子数目n极大，所以这些分子轨道之间的能级间隔极小，几乎连成一片形成能带，由已充满电子的原子轨道所形成的低能量能带称为满带；由未充满电子的能级所组成的高能量能带称为导带；满带与导带之间的能量相差很大，电子不易逾越，故又称为禁带。金属键的能带理论可以很好地说明导体、半导体和绝缘体之间的区别。金属导体的价电子能带是半满的（如Li、Na）或价电子能带虽全满，但可与能量间隔不大的空带发生部分重叠，当外电场存在时，价电子可跃迁到相邻的空轨道，因而能导电。绝缘体中的价电子都处于满带，满带与相邻带之间存在禁带，能量间隔大（Eg5ev），故不能导电。（如金刚石）。半导体的价电子也处于满带（如Si、Ge），其与相邻的空带间距小，能量相差也小（Eg 3ev）低温时是电子的绝缘体，高温时电子能激发跃过禁带而导电，所以半导体的导电性随温度的升高而升高，而金属却因升高温度，原子振动加剧，电子运动受阻等原因，使得金属导电性下降。7.8 分子间作用力和氢键7.8.1 极性分子分子间作用力和氢键我们已讨论了三类化学键（离子键、共价键、金属键），它们都是分子内部原子间的作用力。原子通过这些化学键组合成各种分子和晶体。除此之外，分子与分子之间还存在着一种较弱的相互作用，大约只有几个到几十个KJmol-1，比化学键小一、二个数量级，这种分子间的作用力称为范德华尔力。它是决定物质熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一个重要因素。一、分子的极性双原子分子形成的共价键可分为极性
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