普通化学课程PPT讲稿.ppt

普通化学课程1第1页，共47页，编辑于2022年，星期日n6-1 共价键理论共价键理论 Covalent band theoryn6-2 杂化轨道理论和杂化轨道理论和分子的空间构型分子的空间构型 Hybrid orbital theory and molecular structure n6-3 极化作用与分子的极性极化作用与分子的极性Ionic polarization and molecular polarity n6-4 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键Intermolecular forces and hydrogen banding 第2页，共47页，编辑于2022年，星期日什么是化学键？Pauling L 在中提出了用得最广泛的化学键定义：如果两个原子（或原子团）之间的作用力强的足以形成足够稳定的、可被化学家看作独立分子物种的聚集体，它们之间就存在化学键。简单地说，化学键是指分子内部原子之间的强相互作用力。不同的外在性质反应了不同的内部结构各自内部的结合力不同第3页，共47页，编辑于2022年，星期日6-1 共价键理论共价键理论 G.N.Lewis 在在1916年假定化学键所涉及的每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子的稳定性是因为共享电子对服从“八隅律八隅律”(octet rule)。共享电子对共享电子对共价键共价键共价单键共价单键single covalent bond共价双键共价双键double covalent bond共价叁价共价叁价triple covalent bond（一）（一）共价键理论共价键理论 （Covalent band theory）第4页，共47页，编辑于2022年，星期日nSO2Cl2、HNO3、H2SO3、CO32和和SO42的路易斯结构的路易斯结构式式:第5页，共47页，编辑于2022年，星期日电子对的享用与提供电子的原子轨道间存在什么关系？怎样解释形成双键和叁键的原子间共享2对、3对电子？能否用原子轨道在空间的取向解释分子的几何形状？有关共价键的疑问：解决了这些问题才能解决了这些问题才能揭示揭示成键本质成键本质价键理论价键理论(valence bond theory)第6页，共47页，编辑于2022年，星期日（二）（二）共价键的本质共价键的本质1.1.价键理论价键理论价键理论价键理论中共价键的本质中共价键的本质中共价键的本质中共价键的本质 显显然然，图图形形反反映映了了两两个个中中性性原原子子间间通通过过共共用用电电子子对对相相连连形形成成分分子子，是是基基于于电电子子定定域域于于两两原原子子之之间间，形形成成了了一一个个密密度度相相对对大大的的电电子子云云（负负电电性性），这就是价键理论的基础。这就是价键理论的基础。Heitler和London在用量子力学处理H2分子形成过程中，得到H2分子能量E和核间距R的关系曲线。如图所示:第7页，共47页，编辑于2022年，星期日 共价键的形成本质上是一种量子力学效应。共价键的形成本质上是一种量子力学效应。共价键的形成本质上是一种量子力学效应。共价键的形成本质上是一种量子力学效应。当原子互相接近时，它们的原子轨道同号叠加，发生加强性干涉效应，当原子互相接近时，它们的原子轨道同号叠加，发生加强性干涉效应，当原子互相接近时，它们的原子轨道同号叠加，发生加强性干涉效应，当原子互相接近时，它们的原子轨道同号叠加，发生加强性干涉效应，破坏了原来存在于原子中的平衡，导致体系能量降低，从而达到原子破坏了原来存在于原子中的平衡，导致体系能量降低，从而达到原子破坏了原来存在于原子中的平衡，导致体系能量降低，从而达到原子破坏了原来存在于原子中的平衡，导致体系能量降低，从而达到原子内新的平衡，这就是内新的平衡，这就是内新的平衡，这就是内新的平衡，这就是共价键的本质共价键的本质共价键的本质共价键的本质。通俗地说：共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠通俗地说：共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠通俗地说：共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠通俗地说：共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。而成键。而成键。而成键。对对对对HH2 2来说，共价键的形成，使得两核间的电子云密度变大，而来说，共价键的形成，使得两核间的电子云密度变大，而来说，共价键的形成，使得两核间的电子云密度变大，而来说，共价键的形成，使得两核间的电子云密度变大，而核两侧的电子云密度减小，处于核间的电子云受到两核的共同吸引，核两侧的电子云密度减小，处于核间的电子云受到两核的共同吸引，核两侧的电子云密度减小，处于核间的电子云受到两核的共同吸引，核两侧的电子云密度减小，处于核间的电子云受到两核的共同吸引，而把两个原子核结合在一起，这是而把两个原子核结合在一起，这是而把两个原子核结合在一起，这是而把两个原子核结合在一起，这是HH2 2得以形成的原因得以形成的原因得以形成的原因得以形成的原因。第8页，共47页，编辑于2022年，星期日2.共价键的特征共价键的特征饱和性 每个原子能提供用于形成共价键的轨道数是一定的。一个原子一个原子能有几个未成对的电子，便可与其他原子的几个自旋相反的未成能有几个未成对的电子，便可与其他原子的几个自旋相反的未成对电子配对成键。对电子配对成键。方向性 每个原子能提供用于形成共价键的轨道是具有一定的方向。HCl例如：例如：HOHN N+yxy-+-yxy-+yxy+-yx+-yx+-第9页，共47页，编辑于2022年，星期日成键三原则成键三原则对称性匹配原理对称性匹配原理能量相近原理能量相近原理原子轨道最大重叠原理原子轨道最大重叠原理第10页，共47页，编辑于2022年，星期日3.共价键的类型共价键的类型 键键 “头碰头”由于共价键在形成时各个原子提供的轨道类型不同，所以形成的共价键的键型也有不同。第11页，共47页，编辑于2022年，星期日第12页，共47页，编辑于2022年，星期日第13页，共47页，编辑于2022年，星期日键键 p轨道“肩并肩”第14页，共47页，编辑于2022年，星期日4.键参数键参数（Bond parameters）键长(bond length)：分子中两个原子核间的平均距离 键角(bond angle)：分子中键与键之间的夹角这两个参数可以通过X-射线单晶衍射等实验手段测量得到。二甲基嘧啶胺与二甲基嘧啶胺与ZnCl2 在无水乙醇中形成的配在无水乙醇中形成的配合物合物三斜晶系三斜晶系a=0.73280 nm b=0.97584 nm c=1.41329 nm 第15页，共47页，编辑于2022年，星期日 键能键能 (bond energy):表示在通常外界条件下物质原子间相互作用的强弱。这里定义为：在298K和100 kPa下将1mol气态双原子分子断裂成2mol气态原子所需要的能量。对双原子分子：离解能=键能对多原子分子：键能指平均键能利用利用Hess定律，可以计算键能；也可以利用键能计算定律，可以计算键能；也可以利用键能计算反应热。反应热。D(H Cl)=431 kJmol-1 D(Cl Cl)=244 kJ mol-1例如例如 NH3第16页，共47页，编辑于2022年，星期日第17页，共47页，编辑于2022年，星期日6-2 杂化轨道理论和分子的空间构型杂化轨道理论和分子的空间构型（一）（一）杂化轨道理论杂化轨道理论 (Hybrid orbital theory)对于象甲烷这样的分子如何使用共价键理论来解释它的正四面体空间构型呢？结果是不理想的！在众多科学家的追求中，Pauling 求助“杂化”概念建立了新的化学键理论杂化轨道理论杂化轨道理论第18页，共47页，编辑于2022年，星期日 基本要点成键时能级相近的价电子轨道相混杂，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，形状和能量发生改变轨道成分变了轨道成分变了轨道的能量变了轨道的能量变了轨道的形状变了轨道的形状变了更有利于成键更有利于成键第19页，共47页，编辑于2022年，星期日（二）杂化形式与分子空间构型（二）杂化形式与分子空间构型第20页，共47页，编辑于2022年，星期日sp杂化杂化第21页，共47页，编辑于2022年，星期日BeF2 的立体结构为线性的立体结构为线性激激发发杂杂化化第22页，共47页，编辑于2022年，星期日第23页，共47页，编辑于2022年，星期日sp2杂化杂化 第24页，共47页，编辑于2022年，星期日第25页，共47页，编辑于2022年，星期日sp3杂化杂化第26页，共47页，编辑于2022年，星期日CH4、CCl4、NH4+、CH3Cl 等都采取等都采取sp3杂化杂化第27页，共47页，编辑于2022年，星期日第28页，共47页，编辑于2022年，星期日不等性不等性不等性不等性spsp3 3杂化杂化杂化杂化 第29页，共47页，编辑于2022年，星期日第30页，共47页，编辑于2022年，星期日习题：习题：5，6(4)，8第31页，共47页，编辑于2022年，星期日6-3 极化作用与分子的极性极化作用与分子的极性（Polarization and Molecular Polarity）（一）（一）分子的偶极矩分子的偶极矩()l+q-qHCl分子HCl偶极矩 =ql Debye(10-30 Cm)由键的偶极矩可知分子中电荷的分布会有不同的情况：由键的偶极矩可知分子中电荷的分布会有不同的情况：OHHNHHHOCOCClClClCl+H2ONH3CO2CCl4+(=6.1710-30Cm)(=4.9010-30Cm)(=0)(=0)第32页，共47页，编辑于2022年，星期日（二）（二）分子的极化分子的极化若若一一个个分分子子的的正正电电荷荷中中心心和和它它的的负负电电荷荷中中心心重重合合时时，它它是是非非极极性性分分子子。当当非非极极性性分分子子在在外外加加电电场场的的诱诱导导作作用用影影响响下下，正正、负负电电荷荷中中心心发发生生相相对对位位移移而而成成为为极极性性分分子子，分分子子中中原原子子的的核核外外电电子子受受电电场的作用，电子云发生变形，产生场的作用，电子云发生变形，产生诱导偶极诱导偶极,这种现象称为极化。这种现象称为极化。=0+-+-0第33页，共47页，编辑于2022年，星期日极化作用的强弱极化作用的强弱影响极化作用的强弱因素决定于离子的半径、电荷和电子构影响极化作用的强弱因素决定于离子的半径、电荷和电子构型。离子电荷愈高，半径愈大，极化作用愈强。型。离子电荷愈高，半径愈大，极化作用愈强。固有偶极：极性固有偶极：极性分子本身的偶极，称为分子本身的偶极，称为固有偶极固有偶极 固有固有诱导偶极：外电场诱导产生的偶极，称为诱导偶极：外电场诱导产生的偶极，称为诱导偶极诱导偶极 诱导诱导偶极矩偶极矩 的大小体现出了的大小体现出了分子极性分子极性的大小。的大小。第34页，共47页，编辑于2022年，星期日6-4 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键(Intermolecular Forces and Hydrogen Bonding)（一）（一）分子间作用力（分子间作用力（范德华力）范德华力）Van der Waals第35页，共47页，编辑于2022年，星期日 通常情况下非极性分子的正电荷重心与负电荷重心重合,但原子核和电子的运动可导致电荷重心瞬间分离，从而产生瞬间偶极。瞬间偶极又使邻近的另一非极性分子产生瞬间诱导偶极。分子的瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间的作用力被称为色散力。第36页，共47页，编辑于2022年，星期日分子间作用力的分配分子间作用力的分配(kJmol-1)分子分子取向力取向力诱导力诱导力色散力色散力总和总和Ar 0.000 0.000 8.5 8.5CO 0.003 0.008 8.75 8.75HI 0.025 0.113 25.87 26.00HBr 0.69 0.502 21.94 23.11HCl 3.31 1.00 16.83 21.14NH3 13.31 1.55 14.95 29.60H2O 36.39 1.93 9.00 47.31范德华力的本质 永远存在于分子或原子间的吸引力，没有方向性和饱和性 作用能比化学键小12个数量级，作用范围只有几个pm 三种力中主要是色散力第37页，共47页，编辑于2022年，星期日范德华力对物质性质的影响相对分子质量相对分子质量t(m.p.)/t(b.p.)/10-30 Cm32.092185.0111.2033.998133.8187.781.8334.076 85.6060.753.67性质性质SiH4PH3H2S 三三种种物物质质的的熔熔点点和和沸沸点点按按列列出出的的顺顺序序依依次次升升高高，被被认认为为是范德华力按同一顺序增大而引起的。是范德华力按同一顺序增大而引起的。第38页，共47页，编辑于2022年，星期日（二）（二）氢键氢键 （Hydrogen Band）形成氢键一般要具备两个条件：1、分子中必须有一个电负性很强的元素与H形成强极性键。2、H附近还必须有另一原子半径小且带有孤对电子的电负性大的元素（如F，O，N等）。第39页，共47页，编辑于2022年，星期日氢键的结构特点HXYRrd第40页，共47页，编辑于2022年，星期日氢键对化合物性质的影响 m.p.，b.p.粘度 酸性 化学反应性与同系物性质的不同就是由氢键引起的第41页，共47页，编辑于2022年，星期日一个令人感兴趣的问题！指指水水分分子子彼彼此此间间通通过过氢氢键键形形成成笼笼，将将外外来来中中性性分分子子或或离离子子 (Cl2,CH4,Ar,Xe等等)包包于于笼笼内内的的水水合物合物(分子晶体分子晶体)第42页，共47页，编辑于2022年，星期日已知已知 1 m3 可燃可燃“冰冰”能释放能释放164 m3 的的CH4 气体，试估算晶气体，试估算晶体中水与甲烷的分子比。体中水与甲烷的分子比。推算可燃冰的组成可能是推算可燃冰的组成可能是8CH4 46H2O。164m322.4m3/kJmol-1=7.32 kJmol-1若水合物的密度与冰的相同，即若水合物的密度与冰的相同，即1g cm-3,110007.32 1618:7.32=6.7:1n(H2O):n(CH4)=则则Solution第43页，共47页，编辑于2022年，星期日第44页，共47页，编辑于2022年，星期日第45页，共47页，编辑于2022年，星期日第46页，共47页，编辑于2022年，星期日习题：习题：16，20第47页，共47页，编辑于2022年，星期日