第八章分子结构一课件.ppt
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1、1基本要求1. 熟悉离子键的形成与特征。熟悉离子键的形成与特征。2. 熟悉现代价键熟悉现代价键理论理论。掌握共价键的特征、键型、键的。掌握共价键的特征、键型、键的极性和分子的极性。极性和分子的极性。3. 熟悉杂化原子轨道,了解其应用。掌握熟悉杂化原子轨道,了解其应用。掌握sp型杂化轨道型杂化轨道的类型及空间分布图形。的类型及空间分布图形。4. 熟悉分子轨道理论,了解与现代价键理论的区别。掌熟悉分子轨道理论,了解与现代价键理论的区别。掌握第二周期同核双原子分子的分子轨道能级和电子排握第二周期同核双原子分子的分子轨道能级和电子排布。了解异核双原子分子的分子轨道组成及大布。了解异核双原子分子的分子轨
2、道组成及大 键。键。5. 掌握价层电子对互斥模型。能够利用该模型推测主族掌握价层电子对互斥模型。能够利用该模型推测主族元元ABm型分子或离子的空间构型。型分子或离子的空间构型。26. 熟悉范德华力的产生及氢键的形成。掌握分熟悉范德华力的产生及氢键的形成。掌握分子间力对物质物理性能的影响。子间力对物质物理性能的影响。7. 了解离子极化及其对键型和物质某些性质的了解离子极化及其对键型和物质某些性质的影响。影响。8. 熟悉金属晶体、离子晶体、原子晶体、分子熟悉金属晶体、离子晶体、原子晶体、分子晶体四种晶体类型和相关的物理性质。晶体四种晶体类型和相关的物理性质。9. 了解金属晶体的紧密堆积方式。了解金
3、属晶体的紧密堆积方式。3原子与原子如何结合成分子?原子与原子如何结合成分子? 化学键问题化学键问题分子和分子又如何结合成宏观物体?分子和分子又如何结合成宏观物体? 分子间力问题分子间力问题。 分子分子是物质能独立存在并保持其化学特性的最是物质能独立存在并保持其化学特性的最小微粒。物质的化学性质主要决定于分子的性质,小微粒。物质的化学性质主要决定于分子的性质,而分子的性质又由分子的内部结构决定。而分子的性质又由分子的内部结构决定。4化学键化学键(chemical bond):分子内部直接相邻的两个分子内部直接相邻的两个(或多个或多个)原子之间强的相互作用力。原子之间强的相互作用力。化学键可分为:
4、化学键可分为:离子键离子键、共价键共价键和和金属键金属键。 在分子之间还存在一种较弱的分子间吸引力,在分子之间还存在一种较弱的分子间吸引力,称称范德华力范德华力;还有;还有氢键氢键是属于一种较强、有方向性是属于一种较强、有方向性的分子间力。的分子间力。5化学键理论化学键理论离子键理论离子键理论共价键理论共价键理论路易斯理论路易斯理论现代共价键理论现代共价键理论(量子力学量子力学1926年年)现代共价键理论现代共价键理论分子轨道理论分子轨道理论 杂化杂化 价键价键理论理论(V.B)61 1 离子键离子键一、一、 离子键的形成与特点离子键的形成与特点 1916 年德国科学家柯塞尔年德国科学家柯塞尔
5、 (W. Kossel)提出提出离子键理论:离子键理论:(一一) 离子键的形成离子键的形成 两种不同原子靠近时,有可能得、失电子形成两种不同原子靠近时,有可能得、失电子形成稳定的稀有气体结构的阴、阳离子,两者靠稳定的稀有气体结构的阴、阳离子,两者靠静电引静电引力力相互吸引,形成化合物相互吸引,形成化合物。离子键离子键(ionic bond): 阴、阳离子通过静电作用而形成的化学键。阴、阳离子通过静电作用而形成的化学键。7形成过程:形成过程: 以以 NaCl 为例为例1) 电子转移形成离子,分别达到电子转移形成离子,分别达到 Ne 和和 Ar 的稀有气体的稀有气体原子的结构,形成稳定离子。原子的
6、结构,形成稳定离子。 Na e Na+ Cl + e Cl-相应电子构型变化相应电子构型变化 2s22p63s1 2s22p6, 3s23p5 3s23p6 82)靠静电吸引,靠静电吸引, 吸引力和排斥力达到平衡时形成化学键,体吸引力和排斥力达到平衡时形成化学键,体 系的势能与核间距之间的关系如图所示:系的势能与核间距之间的关系如图所示: r r0, 当当 r 减小时减小时, 正负离子正负离子 靠静电相互吸引靠静电相互吸引, V减减 小小, 体系稳定。体系稳定。 r = r0, V有极小值有极小值, 此时体系此时体系 最稳定,表明形成了离最稳定,表明形成了离 子键。子键。 r 1.7, 发生电
7、子转移发生电子转移, 形成离子键;形成离子键; 1.7, 实际上是指离子键的成分实际上是指离子键的成分(百分数百分数)大于大于50%。102)易形成稳定离子易形成稳定离子:Na+:2s22p6;Cl-:3s23p6;达到稀有气体稳定结构。达到稀有气体稳定结构。Ag+:4d10 的的 d 轨道全充满的稳定结构。轨道全充满的稳定结构。(Ag: 4d105s1) 而而 C 和和 Si 原子的电子结构为原子的电子结构为 s2p2,要失去全部的要失去全部的4e, 才能形成稳定离子才能形成稳定离子, 比较困难。比较困难。 所以一般不形成离子所以一般不形成离子键。如键。如 CCl4, SiF4 等等, 均为
8、共价化合物。均为共价化合物。3)形成离子键形成离子键, 释放能量大释放能量大: )()(21)(2sNaClgClsNa19 .410molkJH11(二二) 离子键的本质和特点离子键的本质和特点无方向性无方向性:离子是带电体,电荷分布是球形对称,:离子是带电体,电荷分布是球形对称, 对各个方向的吸引力是一样的。对各个方向的吸引力是一样的。无饱和性无饱和性:空间许可的话,一个离子可以同时和几:空间许可的话,一个离子可以同时和几 个电荷相反的离子相吸引。个电荷相反的离子相吸引。 离子周围排列电荷相反离子的数目,主离子周围排列电荷相反离子的数目,主 要要取决于正负离子的半径比取决于正负离子的半径比
9、 (r+/r-):比比 值越大,周围排列的相反离子的数目越多。值越大,周围排列的相反离子的数目越多。 作用力实际是作用力实际是静电吸引力静电吸引力。NaClNa+Cl-12 离子键的离子键的本质本质是正负离子间的静电吸引力,其是正负离子间的静电吸引力,其强度与离子的电荷成正比,与离子间的距离的成反强度与离子的电荷成正比,与离子间的距离的成反比。比。 可见,当离子的电荷越大,离子间的距离越小可见,当离子的电荷越大,离子间的距离越小(在一定范围内在一定范围内),则离子间的引力越强。,则离子间的引力越强。Z ZUrr二、晶格能二、晶格能-离子键的强度离子键的强度 13晶格能晶格能:在标准状态下:在标
10、准状态下(298K)将将1mol离子晶体转化离子晶体转化为气态离子所为气态离子所吸收吸收的能量,以符号的能量,以符号U表示。表示。如:如:( )( )( )NaCl sNagClg1788UkJ mol 晶格能晶格能的大小常用来比较离子键的强度和晶体的大小常用来比较离子键的强度和晶体的牢固程度。的牢固程度。U 越大越大,则形成离子键时放出的能量则形成离子键时放出的能量越多越多,正负离子间结合力越强,晶体越牢固,因而,正负离子间结合力越强,晶体越牢固,因而稳定性越好,熔点越高,硬度越大。稳定性越好,熔点越高,硬度越大。14Born和和Haber设计了一个热力学循环过程设计了一个热力学循环过程,
11、从已知的从已知的热力学数据出发热力学数据出发, 计算晶格能。计算晶格能。 21( )( )2M sXg( )MX s( )( )M gX g( )( )MgXg12SDfmHU()IA S:固态金属固态金属M的升华热的升华热D:气体气体X2的解离能的解离能I: 气态金属气态金属M的电离能的电离能A:气态气态X原子的电子亲合能原子的电子亲合能 fHm :固态金属固态金属M和气体和气体X2生成固态生成固态MX的标准生成焓。的标准生成焓。151()()212fmfmHSDIAUUHDSIA 16三、三、离子的电荷、电子构型和半径离子的电荷、电子构型和半径 (一一) 离子的电荷离子的电荷(ionic
12、charge) 指原子在形成离子化合物过程中失去或获得的电指原子在形成离子化合物过程中失去或获得的电子数。得失电子数等于原子在化合物中的氧化数。子数。得失电子数等于原子在化合物中的氧化数。 离子电荷越高,对相反电荷的离子的静电引力就离子电荷越高,对相反电荷的离子的静电引力就越强,因而化合物的熔点也越高。越强,因而化合物的熔点也越高。 如如:NaCl 正负离子的电荷数均为正负离子的电荷数均为 1,熔点,熔点 801oC ; 而而 MgO 熔点为熔点为 2800oC 。17离子的电子构型就是指离子的电子构型就是指离子的电子层结构离子的电子层结构。 简单负离子的外电子层都是稳定的稀有气体结构的简单负
13、离子的外电子层都是稳定的稀有气体结构的8电子构型,电子构型,而正离子电子构型包括:而正离子电子构型包括:2电子构型电子构型离子最外层电子是离子最外层电子是s2,如如 Li+, Be2+ 等等8电子构型电子构型离子最外层电子是离子最外层电子是s2p6, 如如 Na+, Al3+ 等等18电子构型电子构型离子最外层电子是离子最外层电子是s2p6d10,如如 Ag+, Hg2+ 等等18+2电子构型电子构型离子次外层与最外层电子是离子次外层与最外层电子是s2p6d10s2 如如 Sn2+,Pb2+ 等等(次外层次外层18个电子,最外层个电子,最外层2个电子个电子) 不规则构型不规则构型(917电子构
14、型电子构型)离子最外层电子是离子最外层电子是s2p6d19 如如 Fe2+,Mn2+ 等等(称为不饱和电子构型称为不饱和电子构型) (二二) 离子的电子构型离子的电子构型(electronic configuration of ions)18离子半径离子半径:根据晶体中相邻正负离子的核间距:根据晶体中相邻正负离子的核间距 d 测出,并假设测出,并假设 d = r+ + r- 1926年年, 哥德希密特哥德希密特(Goldschmidt)用光学折射方法测用光学折射方法测定定, 得到了得到了F- (133pm)和和 O2-(132pm) 的半径的半径, 并以此并以此为基准,结合为基准,结合X射线衍
15、射数据射线衍射数据, 得到一系列离子半径。得到一系列离子半径。 (三三) 离子半径(离子半径(ionic radius)19Mg2+的半径的半径 rMg2+ = 210 - 132 = 78pm 1960年年, Pauling 以最外层电子到核的距离定义为离以最外层电子到核的距离定义为离子半径,并利用有效核电荷等关系,用其它方法推算子半径,并利用有效核电荷等关系,用其它方法推算出出rO2-=140pm,以此为基础得到其它离子的半径,求以此为基础得到其它离子的半径,求出一套离子半径数据,称为出一套离子半径数据,称为 Pauling半径。半径。(表表8-2)20离子半径变化的规律:离子半径变化的规
16、律:1) 同周期同周期: 主族元素主族元素:从左至右正离子电荷数升高,最高价:从左至右正离子电荷数升高,最高价 离子半径最小,如离子半径最小,如 Na+ Mg2+ Al3+ ; 而负离子半径随电荷增加而增大,如而负离子半径随电荷增加而增大,如 F- (133pm) O2-(140pm)。 过渡元素过渡元素:离子半径变化规律不明显。:离子半径变化规律不明显。2) 同主族同主族:从上到下电子层增加,具有相同电荷数从上到下电子层增加,具有相同电荷数 的离子半径增加。的离子半径增加。 Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ ; F- - Cl- - Br- - S; Fe3+ Fe2+ Na+ K+ R
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