无机化学-第二章--分子结构ppt课件.ppt
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1、第二章第二章 分子结构分子结构原子怎样结合成为分子?原子怎样结合成为分子? 化学键化学键 离子键离子键 共价键共价键 金属键金属键分子的形状?分子的形状? 分子构型分子构型分子怎样组成物质材料?分子怎样组成物质材料?分子间作用力分子间作用力 Link 离子键离子键化学键的类型化学键的类型 共价键共价键 金属键金属键ionic bondcovalent bondmetallic bond共价共价键理论键理论价键理论价键理论(VB)杂化轨道理论杂化轨道理论(HO)价电子对互斥理论价电子对互斥理论(VSEPR)分子轨道理论分子轨道理论(MO)(90%以上)以上)化学键:分子中原子间的强烈作用。离子键
2、及其特点离子键及其特点第一节第一节 离子键离子键离子键及其特点:离子键及其特点:定义:正负离子间的静电吸引力叫做离子键。定义:正负离子间的静电吸引力叫做离子键。特点:既没有特点:既没有方向性方向性, 也不具也不具饱和性饱和性。 K + :Cl K+:Cl: NaCl 晶体晶体1.2 离子离子键键的特征的特征 离子键的实质是静电引力离子键的实质是静电引力 F q1 q2 / r 2,影响,影响离子键强度离子键强度的因素有:离子的电荷的因素有:离子的电荷 q 、离子的电子、离子的电子层构型层构型和离子半径和离子半径 r (离子的三个重要特征)(离子的三个重要特征) 。第二节第二节 现代价键理论现代
3、价键理论 针对一些针对一些非金属单质或电负性相差不大的元素非金属单质或电负性相差不大的元素间形成间形成的化合物中各原子之间的化学键。的化合物中各原子之间的化学键。 这些分子中的原子都不易失去电子,不能通过电子转这些分子中的原子都不易失去电子,不能通过电子转移形成化学键。移形成化学键。1916 年,美国科学家年,美国科学家 Lewis 提出共价键理论。提出共价键理论。认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势,求得本身的稳定。的趋势,求得本身的稳定。 而达到这种结构,而达到这种结构,可以不通过电子转移形成离子和离子键来完成,可以不通过电子转移形成离子和
4、离子键来完成,而是通过共用电子对来实现。而是通过共用电子对来实现。 如如ClClHH电子配对理论电子配对理论共用电子对成键。共用电子对成键。 共用一对电子形成一个单键,共用共用一对电子形成一个单键,共用2对或对或3对对电子形成双键和三键。电子形成双键和三键。 八隅体规则在形成分子时,通过共用电子对,每一个参与成键的在形成分子时,通过共用电子对,每一个参与成键的原子都达到惰性气体原子稳定的电子层结构,即原子都达到惰性气体原子稳定的电子层结构,即8电子电子结构(结构(H原子为原子为2电子结构)。电子结构)。 Lewis结构式用小黑点代表分子中原子周围的价层电子,用小黑点代表分子中原子周围的价层电子
5、,画出分子或离子的结构式。可用一条短线代表画出分子或离子的结构式。可用一条短线代表一对成键电子。一对成键电子。一、经典的共价键理论(一、经典的共价键理论(G.N. Lewis, G.N. Lewis, 1916, 1916, 美国美国) 1.要点要点: 共价分子中的原子都有形成共价分子中的原子都有形成稀有气体电子结构稀有气体电子结构的的趋势,求得自身的稳定。趋势,求得自身的稳定。 原子通过原子通过共用电子对共用电子对形成化学键。形成化学键。共价键 “”单键单键 “=”双键双键“ ”三键三键 价键结构式价键结构式如:如:N N Lewis 的贡献,在于提出了一种不同于离子键的的贡献,在于提出了一
6、种不同于离子键的新的键型,解释新的键型,解释了电负性了电负性比较小的元素之间原子的成键比较小的元素之间原子的成键事实。事实。 共享电子对共享电子对 非金属元素通过和其它元素共用一对电非金属元素通过和其它元素共用一对电子形成共价键结合在一起。子形成共价键结合在一起。ClClHH路易斯结构式路易斯结构式N*NNN*ClClClCl* * *N周围还有不参与成键的电子对孤对电子LewisLewis学说的局限性学说的局限性: :3. 不能解释共价键的方向性及饱和性,不能阐明共价键的形不能解释共价键的方向性及饱和性,不能阐明共价键的形成本质。成本质。 BCl 3 , PCl 5 等等中的原子中的原子未未
7、全部全部达到稀有气体结构。达到稀有气体结构。 B ClClClClPClClClCl1. 无法解释两个带负电荷的电子为什么不互相排斥,无法解释两个带负电荷的电子为什么不互相排斥,反而相互配对趋于稳定;反而相互配对趋于稳定;2. 无法解释许多共价化合物分子中原子的外层电子数无法解释许多共价化合物分子中原子的外层电子数虽少于虽少于8,或多于,或多于8仍能稳定存在。仍能稳定存在。1927年,年,Heitler 和和 London 用量子力学处用量子力学处理氢气分子理氢气分子 H2 ,解决了两个氢原子之间的化,解决了两个氢原子之间的化学键的本质问题,使共价键理论从经典的学键的本质问题,使共价键理论从经
8、典的Lewis 理论发展到今天的现代共价键理论。理论发展到今天的现代共价键理论。 价键理论的基本论点包括:价键理论的基本论点包括:(1)共价键的本质)共价键的本质(2)成键原理)成键原理(3)共价键的特点)共价键的特点E0DRro图图2-4 H2形成过程中能量随核间距的变化形成过程中能量随核间距的变化共价键的形成和本质共价键的形成和本质计算表明,若两个计算表明,若两个 1s 电子以相同自旋的方式靠近,电子以相同自旋的方式靠近,则则r 越小,越小,V 越大。此时,不形成化学键。越大。此时,不形成化学键。 如图中上如图中上方红色曲线所示,能量不降低方红色曲线所示,能量不降低 。H2 中的化学键,可
9、以认为是电子自旋相反成对,结中的化学键,可以认为是电子自旋相反成对,结果使体系的能量降低果使体系的能量降低 。从电子云的观点考虑,可认为从电子云的观点考虑,可认为 H 的的1s 轨道在两核间轨道在两核间重叠,使电子在两核间出现的几率大,形成负电区。重叠,使电子在两核间出现的几率大,形成负电区。两核吸引核间负电区,使两核吸引核间负电区,使 2 个个 H结合在一起。结合在一起。从图中可以看出,从图中可以看出,r = r 0 时,时, V 值最小,为值最小,为 E= D ( D 0 , D 1.7, A and B form an ionic bond.键型与成键原子电负性差值的关系键型与成键原子电
10、负性差值的关系 物 质NaClHFHClHBrHICl2电负性差值2.11.90.90.70.40型键离子键极 性 共 价 键非极性共价键请用请用VB法解释法解释H2 O分子空间构型?分子空间构型? 按照价键理论,按照价键理论,H2O分子中分子中O原子的价电子排布为:原子的价电子排布为:2S22Px22Py12Pz1,在,在2Py和和2Pz轨道上各有轨道上各有1个成单电子,分别与个成单电子,分别与2个个H原子成键后,其键角也应该为原子成键后,其键角也应该为900 。 而实际为而实际为104.5 0 ,如何解释?如何解释?+-+-+HH 由于共价型分子中各原子在空间的排列不同,由于共价型分子中各
11、原子在空间的排列不同,因此分子具有不同的几何形状或空间构型。因此分子具有不同的几何形状或空间构型。 VB法能否解释分子的空间构型?法能否解释分子的空间构型? 因此,价键理论最大的局限性性是:因此,价键理论最大的局限性性是: 不能解释共价型化合物分子的空间结构及化合物的不能解释共价型化合物分子的空间结构及化合物的某些性质。某些性质。 又例:又例:CH4,C 的电子排布为:的电子排布为:1s22s22p2 根据价键理论,根据价键理论,C只有两个未成对的只有两个未成对的P电子,只能形成两个共价电子,只能形成两个共价键,其键角大约应为键,其键角大约应为900,而实际上,而实际上CH4分子为正四面体结构
12、,分子为正四面体结构,有四个强度相同的有四个强度相同的CH键,其键角键,其键角为为1090 28。又又O2分子具有顺磁性,用分子具有顺磁性,用VB法也无法解释。法也无法解释。 Pauling发展了价键理论,于发展了价键理论,于1931年提出杂化轨道理论,年提出杂化轨道理论,该理论是在该理论是在已知已知分子分子的的几何几何构型构型的基础上去说明为什么是的基础上去说明为什么是这样的几何构型这样的几何构型,但是不能预测分子或者离子的几何构型。但是不能预测分子或者离子的几何构型。一、一、 杂化轨道理论的要点杂化轨道理论的要点1.所谓杂化,就是原子形成分子时,所谓杂化,就是原子形成分子时,同一原子同一原
13、子中中能量能量相近相近的的不同原子轨道不同原子轨道重新组合成一组新轨道的过程;重新组合成一组新轨道的过程;所形成的新轨道称为所形成的新轨道称为杂化轨道杂化轨道。 原子轨道的杂化只能在形成分子的过程中才会原子轨道的杂化只能在形成分子的过程中才会发生,参与杂化的轨道是同一原子中的原子轨道。发生,参与杂化的轨道是同一原子中的原子轨道。杂化轨道理论杂化轨道理论 1931年鲍林(年鲍林(L.Pauling)等人提出了杂化轨道理论)等人提出了杂化轨道理论2. 形成的形成的杂化轨道的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道数目。数目等于参加杂化的原子轨道数目。CH4 分子的分子的形成中形成中中心碳原子:中心碳原
14、子: 2s 2px2py2pz不同于不同于 s 轨道,也不同于轨道,也不同于 p 轨道轨道。有自己的波函数、能量、形状和空间取向有自己的波函数、能量、形状和空间取向杂化杂化四条新杂化轨道四条新杂化轨道3. 杂化轨道有更强的方向性和更强的成键能力杂化轨道有更强的方向性和更强的成键能力原因有二:原因有二: 其一,杂化其一,杂化轨道轨道形状改变形状改变(一端肥大,有利于和其它原子轨道的重叠)。(一端肥大,有利于和其它原子轨道的重叠)。 其二,杂化轨道其二,杂化轨道方向改变。方向改变。不同的杂化方式导致杂化轨道的不同的杂化方式导致杂化轨道的空间分布不同空间分布不同,由此由此决定了分子的空间几何构型不同
15、。决定了分子的空间几何构型不同。满足化学键间最小排斥原理注意:注意:(a a)孤立原子轨道本身不会发生杂化)孤立原子轨道本身不会发生杂化; ; 例:例: (2s(2s,2p) (3s2p) (3s,3p) (4s3p) (4s,3d3d,4p)4p)等等(b b)只有能量相近的原子轨道才能发生杂化。)只有能量相近的原子轨道才能发生杂化。原子形成杂化轨道的一般过程原子形成杂化轨道的一般过程 激发激发 杂化杂化 轨道重叠轨道重叠BeCl2分子分子Be:1s22s22p0Cl:1s22s22p63s23p5 二、举例说明杂化轨道的类型二、举例说明杂化轨道的类型1、sp杂化杂化 2s2p激发激发sps
16、p杂化杂化2psp两个sp杂化轨道s轨道p轨道sp杂化轨道sp杂化轨道在空间取向 BeCl2分子用杂化轨道成键。 特点:每个特点:每个spsp杂化轨道中含有杂化轨道中含有1/2s1/2s和和1/2p1/2p成成分,杂化轨道的夹角为分,杂化轨道的夹角为180180 0 0,呈直线型。,呈直线型。sp杂化轨道杂化轨道+-BeCl2分子的空间构型情形分子的空间构型情形-直线型直线型Cl ClBeBF3分子的形成分子的形成B:1s22s22p12、sp2杂化杂化2s2pBF3分子的形成分子的形成 特点:每个特点:每个spsp2 2杂杂化轨道中会有化轨道中会有1/3s1/3s和和2/3p2/3p成分,杂
17、化成分,杂化轨道的夹角为轨道的夹角为120120. .3个个sp2杂化轨道角度分布图杂化轨道角度分布图 BFFF平面三角形结构的平面三角形结构的BF3分子分子sp2杂化:乙烯杂化:乙烯激发s2p2p2s2杂化3spsp3 CH4形成时的sp3杂化。3、sp3杂化杂化CH4分子的形成分子的形成CHHHH109 28o正四面体结构的正四面体结构的CH4分子分子 杂化轨道:杂化轨道: SP SPSP SP2 2 SP SP3 3 分子构型:分子构型: 直线直线 平面三角形平面三角形 正四面体正四面体4 4、等性与不等性杂化、等性与不等性杂化(1 1)等性杂化:所有的杂化轨道都是等同的。)等性杂化:所
18、有的杂化轨道都是等同的。(2 2)不等性杂化:)不等性杂化: 孤对电子造成的不完全等同的杂化孤对电子造成的不完全等同的杂化杂化3sp2ps2以以NH3为例为例 NHNH3 3分子的空分子的空间构型为三角锥间构型为三角锥型,其键角型,其键角HNH =107 HNH =107 。2s2s2p2pspsp3 3杂化杂化 以以H H2 2O O分子为例分子为例 H H2 2O O分子的构型为分子的构型为V V字型,其字型,其HOH =104.40HOH =104.40 在形成在形成H H2 2O O分子时,分子时, O O原子进行原子进行spsp3 3后,后,6 6个电子要排布在个电子要排布在4 4个
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