基础化学课件:化学键及分子结构.ppt
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1、第第4章章-1 化学键及分子结构化学键及分子结构1 共价键共价键2 杂化轨道理论杂化轨道理论3 价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论4 分子间力和氢键分子间力和氢键5 离子极化离子极化本章作业:本章作业:P322:2,4,5,12,13,16.P324:2,8.1 共价键共价键1.化学键化学键 分子或晶体中相邻原子间分子或晶体中相邻原子间 强烈的相互作用强烈的相互作用 共价键共价键 分类分类 金属键金属键 离子键离子键2 价键理论(价键理论(valence band,VB法)法)2.1 键的形成与特点键的形成与特点2.2 键型键型价键价键(Valence Bond,VB)理论基本观点:理论基本
2、观点:两原子间通过共用电子对相连形成分子两原子间通过共用电子对相连形成分子。是基于电子定域于两原子之间的成键理论。是基于电子定域于两原子之间的成键理论。共价键的形成与本质共价键的形成与本质:(1)成键两原子靠近时)成键两原子靠近时,键合双方各提供自旋键合双方各提供自旋方向相反的未成对电子。方向相反的未成对电子。(2)键合双方原子轨道应尽可能最大程度地)键合双方原子轨道应尽可能最大程度地重叠。重叠。(对称性相同对称性相同,能量相近的轨道发生重叠能量相近的轨道发生重叠)2.1 键的形成与特点共价键的本质:原子相互接近时,由于原子轨道的重叠,原子间通过共用自旋方向相反的电子对使体系能量降低,由此形成
3、共价键共价键。共价键的特征共价键的特征H Cl H O H N N 2.2 键型(1)键:头碰头(2)键:肩并肩 键能较低N2 2s22p3 NN(原子轨道角度分布以同号重叠)键能较高 键键:头碰头方式重叠:头碰头方式重叠Cl:3s2 3p5 3px1 3py2 3pz2 键:键:肩并肩方式重叠肩并肩方式重叠p-p 键键 N:2s2 2p32px1 2py1 2pz1 键:键:肩并肩方式重叠肩并肩方式重叠p-d 键 d-d 键(3)配位键)配位键形成条件:成键原子一方有孤对电子,形成条件:成键原子一方有孤对电子,另一方有空轨道。另一方有空轨道。例:例:CO的价键结构式:(与N2为等电子分子)C
4、:O:O C :O=C2s2p1s1syxH2S 中:中:S 的的 3px,3py H 的的 1sC和和H形成的形成的C-H化合物中,应该形成化合物中,应该形成CH2,但实际上是形成了但实际上是形成了CH4,怎样解释?怎样解释?2 杂化轨道理论杂化轨道理论基本要点:基本要点:1 成键时能级相近的价电子轨道相混杂,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形成新的价电子轨道杂化轨道。杂化轨道。2 杂化前后轨道数目不变。杂化前后轨道数目不变。3 杂化后轨道伸展方向,形状发生改变杂化后轨道伸展方向,形状发生改变,成键时轨道可以更大程度的重叠成键时轨道可以更大程度的重叠,使成使成 键能力增强
5、。键能力增强。可以把它看作可以把它看作VB法的发展与补充法的发展与补充CH4的空间构型的空间构型为正四面体为正四面体C:2s22p21.sp3杂化杂化sp3B:2s22p12.sp2杂化杂化BF3的空间构型的空间构型为平面三角形为平面三角形sp2sp2杂化2S22p1Be:2s23.sp杂化杂化BH2的空间构型为直线形的空间构型为直线形HHBespsp杂化杂化Be采用采用sp杂化杂化生成生成BeH2两个两个sp杂化轨道杂化轨道 2 杂化类型与分子空间构型的关系杂化类型与分子空间构型的关系 sp杂化轨道杂化轨道 1个个ns 轨道与轨道与1个个 np 轨道杂化形成轨道杂化形成2个个sp杂化轨道杂化
6、轨道:xx+pxs+-1800-spspBeCl2的成键过程:铍原子杂化的成键过程:铍原子杂化 2s 2p 铍原子基态铍原子基态2s 2p 激发态激发态 sp 2p 杂化状态杂化状态BeCl2 的成键过程:的成键过程:4.不等性不等性sp3杂化杂化104o30小结小结:杂化轨道的类型与分子的空间构型杂化轨道的类型与分子的空间构型杂化轨道类型杂化轨道类型参加杂化的轨道参加杂化的轨道 杂化轨道数杂化轨道数成键轨道夹角成键轨道夹角分子空间构型分子空间构型 实例实例 中心原子中心原子s+ps+(3)ps+(2)ps+(3)p2443Be(A)B(A)C,Si(A)N,P(A)O,S(A)Hg(B)不等
7、性不等性3 价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论基本要点基本要点1.分子或离子的空间构型与中心原子的分子或离子的空间构型与中心原子的 价层电子对数目有关价层电子对数目有关VP =BP+LP(价层价层)(成键成键)(孤对孤对)2.价层电子对尽可能远离价层电子对尽可能远离,以使斥力最小以使斥力最小LP-LP LP-BP BP-BP3.根据根据VP和和LP,推测分子的空间构型推测分子的空间构型推测方法推测方法 (AXm)(1)确定中心原子确定中心原子A的价层电子对数的价层电子对数VPVP=1/2A的价电子数的价电子数+X提供的价电子数提供的价电子数 -离子电荷代数值离子电荷代数值原则原则:A的价电子
8、数的价电子数=主族序数主族序数;配体配体X:H和卤素每个原子各提供一和卤素每个原子各提供一 个价电子个价电子,氧与硫不提供价氧与硫不提供价 电子电子;例例:VP()=(6+40-(-2)=4注:注:卤素原子作中心原子时,提供所有的卤素原子作中心原子时,提供所有的7个个 价电子,作配位原子时只提供价电子,作配位原子时只提供1 1个价电子;个价电子;氧族元素的原子作中心原子时,提供所有氧族元素的原子作中心原子时,提供所有 的的6个价电子,作配位原子时不提供价电子;个价电子,作配位原子时不提供价电子;惰性气体元素的原子作中心原子时,最外惰性气体元素的原子作中心原子时,最外 层电子均看作价层电子层电子
9、均看作价层电子例:计算例:计算 NH4+、IF2的价层电子对的价层电子对 的数目。的数目。VP(NH4+)=(5+41 1)/2=4VP(IF2)=7+21 (1)/2=5(2)确定确定电子对电子对的空间排布方式的空间排布方式VP=2 直线形直线形VP=3 平面三角形平面三角形VP=4 正四面体正四面体VP=5 三角双锥三角双锥VP=6 正八面体正八面体AAAAA:(3)确定孤对电子数和分子空间构型确定孤对电子数和分子空间构型 LP=0 分子的空间构型分子的空间构型=电子对的空间构型电子对的空间构型VP=(2+2)=2 LP=0VP=(6+6)=6 LP=0VP=(4+4)=4 LP=0VP=
10、(5+5)=5 LP=0VP=(3+3)=3 LP=0LP0 分子的空间构型分子的空间构型电子对的空间构型电子对的空间构型使价层电子对斥力最小使价层电子对斥力最小VPLP电子对的电子对的空间构型空间构型分子的分子的空间构型空间构型34611212VP=5 LP=1LP=2变形四面体T字形LP-BP()LP-LP()04106F ClF:F ClF:F:FCl FFF3中心原子的价层电子对中有孤对电子存在中心原子的价层电子对中有孤对电子存在VPLP=VP-n分子或离子分子或离子的几何构型的几何构型实例实例31V形形SO241三角锥三角锥NH32V形形H2O51变形四面体变形四面体TeCl42T形
11、形ClF33直线形直线形XeF2、I361四方锥四方锥IF52平面正方形平面正方形ICl4VP23456A的杂的杂化类型化类型spsp2sp3sp3dsp3d2价层电价层电子对空子对空间构型间构型直线形直线形平面三平面三角形角形正四面正四面体体三角双三角双锥锥正八面正八面体体 中心原子的价层电子对的空间构型中心原子的价层电子对的空间构型 与其杂化轨道之间的对应关系与其杂化轨道之间的对应关系 可以看出可以看出,杂化轨道理论是从原子轨道的杂化杂化轨道理论是从原子轨道的杂化来探讨分子的几何构型来探讨分子的几何构型;价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论则是从价层电子对的互斥作用来探讨分子的几则是从价层
12、电子对的互斥作用来探讨分子的几何构型何构型,二者角度不同二者角度不同,而所得的结果大致相同而所得的结果大致相同思考题思考题:解释解释NO2-,I3-,AlF63-,BrF3,BrF5等等离子或分子的空间构型。离子或分子的空间构型。价层电子对互斥理论的局限性价层电子对互斥理论的局限性 只适用于中心原子为主族元素或只适用于中心原子为主族元素或 d0、d5、d10的过渡元素的原子的过渡元素的原子 只适用于孤立的分子或离子,不只适用于孤立的分子或离子,不 适用于固体的空间结构适用于固体的空间结构4 分子间力和氢键分子间力和氢键4.1 键参数键参数4.2 分子间力分子间力4.3 氢键氢键1.键能键能 指
13、气态分子在一定温度和标准压力下指气态分子在一定温度和标准压力下每断裂每断裂1mol的键时的焓变。的键时的焓变。E(H-Cl)=431kJmol-1 E(Cl-Cl)=244kJ mol-1键能越大键能越大,键越牢固键越牢固 4.1 键参数键参数分子内成键两原子核间的平衡距离分子内成键两原子核间的平衡距离在两个确定的原子之间在两个确定的原子之间,如果形成不同如果形成不同的化学键的化学键,其键长越短其键长越短,键能就越大键能就越大,键键就越牢固就越牢固.2.键长键长:3.键角键角:在分子中两个相邻化学键之间的夹在分子中两个相邻化学键之间的夹角称为键角角称为键角.4.2 分子间力和氢键分子间力和氢键
14、 指分子和分子之间弱的相互作用力指分子和分子之间弱的相互作用力分子极性的量度分子极性的量度 偶极矩偶极矩=q dq:正(负)电荷重心:正(负)电荷重心(电荷集中点电荷集中点)的电量的电量d:正(负)电荷重心的距离:正(负)电荷重心的距离 偶极矩是一个矢量,其方向是从正极到偶极矩是一个矢量,其方向是从正极到负极。电子的电荷等于负极。电子的电荷等于1.610-19-19C C,两个中,两个中心的距离和分子的直径有相同的数量级,即心的距离和分子的直径有相同的数量级,即10-10m,故偶极矩大小的数量级为,故偶极矩大小的数量级为10-30Cm。1.分子的极性:分子的极性:分子没有极性,非极性分子分子没
15、有极性,非极性分子正、负电荷正、负电荷重心重心不重合者不重合者 分子有极性,极性分子分子有极性,极性分子 正、负电荷中重心重合者正、负电荷中重心重合者 分子是否有极性,关键要看分子中电荷分子是否有极性,关键要看分子中电荷重心是否重合。重心是否重合。对于双原子分子:对于双原子分子:键有极性、分子就有极性键有极性、分子就有极性(键的极性与分子的极性一致,而且键越强、键的极性与分子的极性一致,而且键越强、分子的极性也越强分子的极性也越强)。HFHClHBrHI 对于多原子分子:对于多原子分子:极性键多原子分子不一定极性键多原子分子不一定是极性分子,还与分子的空间构型有关系是极性分子,还与分子的空间构
16、型有关系如:如:CH4 CCl4 无极性,无极性,CHCl3 有极性有极性 分子偶极矩的测定,可得到分子结分子偶极矩的测定,可得到分子结构的参考资料。构的参考资料。CO2:C-O 键有极性,但分子无极键有极性,但分子无极性,得性,得CO2为线性分子。为线性分子。BF3分子无极性,为平面结构,分子无极性,为平面结构,而而NH3分子有极性,为三角锥结构分子有极性,为三角锥结构分子的偶极矩分子的偶极矩(1030 Cm)D3.3310-30Cm分子式分子式偶极矩偶极矩分子式分子式偶极矩偶极矩H2N2CO2CS2CH4COCHCl3H2S000000.403.503.67SO2H2ONH3HCNHFHC
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