第八章 分子结构与晶体结构 精选文档.ppt
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1、第八章分子结构与晶体结构本讲稿第一页,共六十七页Questions?Whyiscalciumphosphatesorigidthatnaturehasadopteditfortheformationofbones?Canwemakebetterbones?(强离子键强离子键)Whyisitsodifficulttomakecompoundsfromthenitrogeninair?Canwefindaneasyway?(强共价强共价键键)Howcanweexplaintheabilityofhemoglobintoformalooselybondedcompoundwithoxygen,tra
2、nsferittoanotherpartofthebody,andthenreleaseitinresponsetoametabolicneed?(配位键配位键)本讲稿第二页,共六十七页序言序言: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?分子构型分子构型价电子对互斥理论价电子对互斥理论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固体材料的结构?固体材料的结构?晶体结构晶体结构无定型结构无定型结构Link本讲稿第三页,共六十七页1、离子键、离子键(IonicBonds)Lewis结构式和八隅体规则结
3、构式和八隅体规则离子键及其特点离子键及其特点离子键强度与晶格能离子键强度与晶格能离子化合物的性质离子化合物的性质 一、化学键(一、化学键(ChemicalBonds)本讲稿第四页,共六十七页本讲稿第五页,共六十七页本讲稿第六页,共六十七页Lewis结构式结构式,价电子(价电子(Valenceelectrons)HHe:NO:ClKMg:Ne:K+:ClK+:Cl:失失或或得得电子电子八隅体规则八隅体规则(主族主族)Lossorgainelectronsoctetrule为什么惰性气体稳定?为什么惰性气体稳定?ns2np6八电子层结构八电子层结构本讲稿第七页,共六十七页离子键及其特点:离子键及其
4、特点:定义定义:正负离子间的静电吸引力叫做离子键。:正负离子间的静电吸引力叫做离子键。特点特点:既没有方向性,也不具饱和性。:既没有方向性,也不具饱和性。K+:ClK+:Cl:NaCl晶体晶体本讲稿第八页,共六十七页离子键强度与晶格能:离子键强度与晶格能:定义定义:晶格能表示相互远离的:晶格能表示相互远离的气态气态正离子和负离子结合成正离子和负离子结合成1mol离子晶体离子晶体时所释放的能量,或时所释放的能量,或1mol离子晶体解离成自离子晶体解离成自由气态离子时所吸收的能量。(由气态离子时所吸收的能量。(Ameasureoftheattractionbetweenionsislatticee
5、nthalpy,theenthalpychangepermolofformulaunitswhenasolidisbrokenuptoagasofwidelyseparatedions.)(取其绝对值)如:(取其绝对值)如:Ca2+(g)+2Cl-(g)CaCl2(s)H=U=2260.kJ/mol晶格能(晶格能(U)(LatticeEnthalpies)本讲稿第九页,共六十七页离子键强度与晶格能:离子键强度与晶格能:Born-Lande公式公式U=-VeZ1Z2/r其中:其中:Ve为正负离子间吸引力和排斥力达平衡时,体系的位能;为正负离子间吸引力和排斥力达平衡时,体系的位能;Z1、Z2分别为
6、正负离子的电荷数;分别为正负离子的电荷数;r为正负离子间距。为正负离子间距。thecloserthecenterofchargeandthegreaterthecharges,thestrongerwillbetheinteraction。Born-Haber循环计算循环计算U(自学,第(自学,第11章,章,p区元素)区元素)本讲稿第十页,共六十七页生成焓生成焓晶格能晶格能晶格能晶格能生成焓生成焓离子型卤化钠的生成焓和晶格能离子型卤化钠的生成焓和晶格能电子亲核能电子亲核能解离能解离能升华热升华热+电离能电离能本讲稿第十一页,共六十七页离子化合物的性质离子化合物的性质(TheProperties
7、ofIonicCompounds)高熔点高熔点Highmeltingpoints高沸点高沸点Highboilingpoints易脆性易脆性Brittleness溶解性溶解性Somearesoluble,somenot.例例Ca3(PO4)2:骨头的主要成分骨头的主要成分ThedoublychargedsmallCa2+ions,andthetriplychargedPO43-ionsattractoneanotherverystronglyandclamptogethertoformarigid,insolublesolid.(notcompletelyinsoluble,osteoporos
8、is,骨质疏松症,骨质疏松症)本讲稿第十二页,共六十七页本讲稿第十三页,共六十七页2、共价键、共价键(CovalentBonds)从原子到分子从原子到分子(fromatomstomolecules)八隅率与八隅率与Lewis结构结构(TheoctetruleandLewisstructure)双原子分子双原子分子多原子分子多原子分子共振杂化共振杂化形式电荷形式电荷例外例外广义八隅率广义八隅率(Expendedvalenceshells)Lewis酸碱酸碱(Lewisacidsandbases)本讲稿第十四页,共六十七页共享电子对共享电子对Nonmetalsformcovalentbondsto
9、oneanotherbysharingpairsofelectrons本讲稿第十五页,共六十七页八隅率与八隅率与Lewis结构结构TheoctetruleandLewisstructureTheoctetrule:Incovalentbondformation,atomsgoasfaraspossibletowardcompletingtheiroctetbysharingelectronpairs.Thevalenceofanelementisthenumberofcovalentbondsoftheelementforms.(饱和性饱和性)Lonepairsofelectrons,pair
10、sofvalenceelectronsnotinvolvedinbondng.(双原子分子中,仅双原子分子中,仅H2无孤对无孤对)ALewisstructureshowsthearrangementofvalenceelectronsassharedpairs(line)andlonepairs(dots)本讲稿第十六页,共六十七页多原子分子片的结构多原子分子片的结构ThestructuresofpolyatomicspeciesChoosetheatomwiththelowestionizationenergy(electronegativity)tobethecentralatom.Arr
11、angetheatomssymmetricallyaroundthecentralatom.Forexample,SO2isOSO.例例1HCNValenceelectrons:1+4+5=10,fivepairs.C,lowerionizationenergythanN,CiscentralatomH:C:N:H:C:N:或或H-C N:本讲稿第十七页,共六十七页Suggested steps:a.Determinethenumberofvalenceelectrons.*Eachatomprovideallitsvalenceelectrons(onlyoutshellnsandnpele
12、ctronsareconsideredformaingroupelements)*anegativecharge*apositivecharge+b.Writethechemicalsymbolsoftheatomsinthearrangementthatshowswhichbondsareformed.Thelesselectronegativeelementisusuallythecenteratom.c.Distributetheelectroninpairstoachieveoctetrule.Elementsinperiod3andbelowcouldhavemorethan8ele
13、ctronsinthevalenceshell.本讲稿第十八页,共六十七页增增减减电离能数据电离能数据p1,失去失去p电子,易电子,易p轨道半满,轨道半满,p3,稳定稳定趋势趋势(与原子与原子半径相反半径相反)本讲稿第十九页,共六十七页Suggested procedure to distribute electrons:a.Putonepairbetweeneachpairofatom.b.Putenoughpaironthecentralatomsothatitcanachieveoctet.c.Distributetheremainingelectronpairasevenlyaspos
14、sibletothesurroundingatomstoachieveoctet.*Ifoctetisnotachievedchangetheelectronlonepairsonthecentralatomtobondingpairs.*Iftherearesomeelectronpairsleftafteroctetisachievedforeveryatom,thenputtheextraelectronpairatthecentralatom.*Elementsinperiod3orbelowmaynotfollowtheoctetrule.AdditionalLewisstructu
15、rescouldalsobedrawnbychangetheelectronlonepairsontheterminalatomstobondingpairs.本讲稿第二十页,共六十七页共振结构共振结构(Resonancestructure)Forsomemoleculesorions,morethanoneLewisstructurecanbedrawn.e.g.Theblendingofstructureswiththesamearrangementsofatomsbutdifferentarrangementsofelectrons.Itspreadsmultiplebondcharac
16、teroveramolecularandalsoloweritsenergy.Inthiscase,neitheroneofLewisstructurescanadequatelyrepresentthestructureofthemolecules.Theactualstructureistakentobeablendofallthefeasiblestructures.Theconceptofblendiscalledresonanceandisindicatedbyadouble-headedarrow.本讲稿第二十一页,共六十七页形式电荷形式电荷(formalcharge,FC)FC=
17、V(L+1/2S)=自由原子价电子数自由原子价电子数-孤对电子数孤对电子数(成键电子数成键电子数)=#ofvalenceelectron2#oflonepairs#ofbondsAnindicationoftheextenttowhichatomshavegainedorloseelectronsintheprocessofcovalentbondformation.LowestFC,lowestenergy.例例CO2N2ONCO-本讲稿第二十二页,共六十七页八隅率例外八隅率例外,Radicals例NO:N=O Itisoneofneurotransmitters.(神经传递者神经传递者)本
18、讲稿第二十三页,共六十七页广义八隅率广义八隅率(Expendedvalenceshells)空的空的d轨道轨道足够的原子尺寸足够的原子尺寸第第3周期及以后的元素周期及以后的元素Lewis酸碱酸碱(Lewisacidsandbases)ALewisacidisanelectronpairacceptor;ALewisbaseisanelectronpairdonor.TheyreacttoformaLewisacid-basecomplex.本讲稿第二十四页,共六十七页共价键的形成过程:共价键的形成过程:键(头碰头)键(头碰头)Theoverlapoforbitalstoformcovalent
19、bonds.(a)ThebondinH2resultsfromtheoverlapoftwo1sorbitalsfromtwoHatoms.(b)ThebondinHClresultsfromtheoverlapofa1sorbitalofHandoneofthelobesofa3porbitalofCl.(c)ThebondinCl2resultsfromtheoverlapoftwo3porbitalsfromtwoClatoms.本讲稿第二十五页,共六十七页HF的生成的生成本讲稿第二十六页,共六十七页本讲稿第二十七页,共六十七页 键:键:p轨道(肩并肩)轨道(肩并肩)本讲稿第二十八页,共
20、六十七页共价键的主要特点共价键的主要特点是具有是具有饱和性和方向性饱和性和方向性。共价键的本质和特点共价键的本质和特点共价键的本质共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠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(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。电子对使能量降低而成键。本讲稿第二十九页,共六十七页离子键与共价键离子键与共价键共价模型的修正共价模型的修正Electronegativity(EN)isameasureoftheelectron-pullingpowerofanatomonanelectronpairinamolecule.
21、CompoundscomposedofelementswithlargedifferenceinEN(2)tendtohavesignificantioniccharacterintheirbonding.离子模型的修正离子模型的修正Compoundscomposedofhighpolarizing(使极化使极化)cationsandhighlypolarizable(被极化被极化)anionshaveasignificantcovalentcharacterintheirbonding.本讲稿第三十页,共六十七页本讲稿第三十一页,共六十七页3、分子和离子的形状分子和离子的形状(Theshap
22、esofmoleculesandions)价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论TheVSEPRmodel(Valence-shellelectron-pairrepulsion)本讲稿第三十二页,共六十七页VSEPR(Valence-shellelectron-pairrepulsion)价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论可以定性判断和预见分子的几何构型可以定性判断和预见分子的几何构型分子的共价键中的分子的共价键中的价电子对价电子对以及以及孤对电子孤对电子由于相互排斥作用而趋由于相互排斥作用而趋向尽可能彼此远离,分子尽可能采取对称的结构。向尽可能彼此远离,分子尽可能采取对称的结构。若一个中心
23、原子和几个配位原子形成分子时,分子的几何构型取若一个中心原子和几个配位原子形成分子时,分子的几何构型取决于中心原子周围地价电子数目。价电子包括价层轨道中决于中心原子周围地价电子数目。价电子包括价层轨道中成键电成键电子对子对(bp)和孤电子对和孤电子对(lp).不同价电子对间排斥作用的顺序为:不同价电子对间排斥作用的顺序为:lplp lpbp bpbp分子中的多重键按单键处理(分子中的多重键按单键处理(忽略忽略 键!键!)。)。价层电子对数确定方法:价层电子对数确定方法:价层电子对数价层电子对数(中心原子价电子总数中心原子价电子总数配位原子提供电子数配位原子提供电子数离子电荷数离子电荷数)配位原
24、子提供电子数:配位原子提供电子数:H,Cl,1;O,S,0;N,-1.本讲稿第三十三页,共六十七页VSEPR(Valence-shellelectron-pairrepulsion)AccordingtotheVSEPRmodel,bondingpairsandlonepairs,toreducerepulsions,takeuppositionsaroundanatomthatmaximizetheirseparations.Theshapeofthemoleculeisdeterminedbythelocationsoftheatomsattachedtothecentralatom.El
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