第二章第二节分子结构与分子间力.ppt

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1、 当电负性当电负性很小的金属原子很小的金属原子与电负性与电负性很大的活泼非金属很大的活泼非金属原子原子相遇时，活泼的金属原子会失去电子形成阳离子，活相遇时，活泼的金属原子会失去电子形成阳离子，活泼的非金属原子会得到电子形成阴离子，这种阴、阳离子泼的非金属原子会得到电子形成阴离子，这种阴、阳离子间通过间通过静电引力静电引力作用形成的化学键叫作用形成的化学键叫离子键离子键。由离子键形。由离子键形成的化合物叫成的化合物叫离子化合物离子化合物。第第2章第二节章第二节 分子结构和分子间作用力分子结构和分子间作用力一、离子键一、离子键化学上把分子或晶体中直接相邻的原子（或化学上把分子或晶体中直接相邻的原子

2、（或离子）间的强烈相互作用称为化学键。离子）间的强烈相互作用称为化学键。化学键分为离子键、化学键分为离子键、共价键共价键和金属键和金属键3种。种。化学键：化学键：NaCl的晶胞的晶胞 CsCl的晶胞的晶胞 离子键的特征：离子键的特征：（1）离子键的本质是阴、阳离子间的静电引力；）离子键的本质是阴、阳离子间的静电引力；（2）离子键没有饱和性；）离子键没有饱和性；（3）离子键没有方向性）离子键没有方向性。1916 年，美国科学家年，美国科学家 Lewis 最早提最早提出共价键理论。出共价键理论。共价键是由成键原子双方各自提供最共价键是由成键原子双方各自提供最外层单电子组成共用电子对所形成的，外层单

3、电子组成共用电子对所形成的，形成共价键后，成键原子达到稀有气体形成共价键后，成键原子达到稀有气体原子的最外层电子结构，因此比较稳定。原子的最外层电子结构，因此比较稳定。例如例如 H +H =H H 通过共用一对电子，每个通过共用一对电子，每个 H 均成为均成为 He 的电子构型，形成一个共价键。的电子构型，形成一个共价键。二、二、共价键共价键Lewis 如：如：ClClHH:NH3H2OLewis理论理论的贡献的贡献，在于提出了一种不同于离子键的新，在于提出了一种不同于离子键的新的键型，解释的键型，解释了了 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。Lewis理论理论的的

4、局限：局限：Lewis 没有说明这种键的实质，适没有说明这种键的实质，适应性不强应性不强。在解释在解释 BCl3、PCl5 等等原子原子未未全部全部达到稀达到稀有气体结构的分子时，遇到困难。有气体结构的分子时，遇到困难。怎么怎么解释？解释？1.现代价键理论现代价键理论的要点的要点(1)电子配对原理：电子配对原理：两个原子接近时，只有自旋相反两个原子接近时，只有自旋相反的两个单电子可以互相配对，使原子核间电子云密度的两个单电子可以互相配对，使原子核间电子云密度增大，系统的能量降低，形成稳定的共价键。增大，系统的能量降低，形成稳定的共价键。(2)最大重叠原理：最大重叠原理：成键电子的原子轨道发生重

5、叠时，成键电子的原子轨道发生重叠时，总是按照重叠最多的方向进行，重叠越多，两核间电总是按照重叠最多的方向进行，重叠越多，两核间电子的概率密度越大，这样形成的共价键越牢固。子的概率密度越大，这样形成的共价键越牢固。1927年，由美国化学家海勒、伦敦应用量子力学的方法计算得出。2.共价键的特征共价键的特征+(1)饱和性：两原子自旋相反的成单电子配对后，不能再和第三饱和性：两原子自旋相反的成单电子配对后，不能再和第三个原子的成单电子配对成键。个原子的成单电子配对成键。一个原子有几个未成对的电子，一个原子有几个未成对的电子，便可和几个自旋相反的电子配对成键。便可和几个自旋相反的电子配对成键。(2)未成

6、对电子数原子的化合价未成对电子数原子的化合价 H2、F2：共价单键；：共价单键；O2：共价双键；：共价双键；N2：共价三键：共价三键(2)方向性方向性：除：除S-S轨道在空间任何方向都能达到最大重叠外，轨道在空间任何方向都能达到最大重叠外，其他原子轨道的重叠必须沿一定方向可能达到最大程度的重其他原子轨道的重叠必须沿一定方向可能达到最大程度的重叠，形成的键最稳定。叠，形成的键最稳定。“肩并肩肩并肩”重叠重叠“头碰头头碰头”重重叠叠 3.共价键的类型共价键的类型 键和键和键键键和键和键的特征比较键的特征比较键的类型键的类型键键键键存在方式存在方式可以单独存在可以单独存在必须与必须与 键共存键共存原

7、子轨道重叠方式原子轨道重叠方式沿键轴方向在直线沿键轴方向在直线方向相互重叠方向相互重叠沿键轴方向平行，从沿键轴方向平行，从侧面重叠侧面重叠原子轨道重叠部分原子轨道重叠部分两原子核之间，在两原子核之间，在键轴处键轴处在键轴的上方和下在键轴的上方和下 方，方，键轴处为键轴处为0原子轨道重叠程度原子轨道重叠程度大大小小键的强度键的强度较牢固较牢固较差较差化学活泼性化学活泼性不活泼不活泼活泼活泼4.键参数键参数 经常用几个物理量简单地描述化学键的状况，经常用几个物理量简单地描述化学键的状况，这些物理量称为键参数，包括这些物理量称为键参数，包括键能键能、键长键长、键角键角等。等。（1）键能键能 AB(g

8、)A(g)+B(g )H =EAB 在在101.325kPa和和298.15K下，将下，将1mol气态的气态的AB分子变分子变成气态的成气态的A、B原子时所需要的热量，键能是表示化学键原子时所需要的热量，键能是表示化学键强度的物理量。一般键能越大，键越稳定。强度的物理量。一般键能越大，键越稳定。键能大小顺序为：键能大小顺序为：叁键叁键 双键双键 单键单键（2）键长键长 分子中成键两原子核之间的距离叫键长。分子中成键两原子核之间的距离叫键长。单位为：单位为：pm。一般键长越小，键越强。一般键长越小，键越强。键长键长/pm 键能键能/（kJ/molkJ/mol）C C 154 345.6 C C

9、133 602.0 C C 120 835.1 化学键键长顺序：化学键键长顺序：单键单键 双键双键 叁键叁键在不同化合物中，相同的键，键长和键能并不相等。在不同化合物中，相同的键，键长和键能并不相等。例如，例如，CH3OH 和和 C2H6 均有均有 C H 键，而它们的键长和键能不同。键，而它们的键长和键能不同。（3）键角键角 键角是分子中键与键之间的夹角键角是分子中键与键之间的夹角，在，在多原子分子中才涉及键角。多原子分子中才涉及键角。C2H2C2H4 键角是决定分子几何构型的重要因素。键角是决定分子几何构型的重要因素。116.6o121.7o180oCH4109.5o分子式分子式键角键角/

10、键长键长/pm分子几何构型分子几何构型H2O104.598V形形CO2180121直线形直线形NH3107.3107三角锥形三角锥形CH4109.5109正四面体正四面体常用分子的键角和几何构型的关系 如如果果 H2O 分分子子中中的的 OH 键键是是由由 H 原原子子的的 1s 轨轨道道与与 O 原原子子中中单单电电子子占占据据的的2p 轨轨道道重重叠叠形形成成的的，那那么么HOH 的的键键角角应应为为 90；但但事实上事实上,键角为键角为10445，远大于，远大于90。三、杂化轨道理论三、杂化轨道理论为什么？为什么？成键时，原子中能量相近的原子轨道可以相互混合，重成键时，原子中能量相近的原

11、子轨道可以相互混合，重新组成新的原子轨道（新组成新的原子轨道（杂化轨道）；杂化轨道）；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；杂化轨道形状不同于原纯原子轨道形状，杂化轨道形状不同于原纯原子轨道形状，轨道有更强的轨道有更强的方向性和更强的成键能力；方向性和更强的成键能力；杂化轨道互相排斥，各轨道之间尽可能取最大键角，形杂化轨道互相排斥，各轨道之间尽可能取最大键角，形成排斥能最小的杂化轨道构型，成排斥能最小的杂化轨道构型，由此决定了分子的空间几由此决定了分子的空间几何构型。何构型。1.杂化轨道理论的要点杂化轨道理论的要点（1）SP杂化（如杂化

12、（如BeCl2分子、炔烃）分子、炔烃）（2）SP2杂化（如杂化（如BCl3分子、烯烃）分子、烯烃）（3）SP3杂化（如杂化（如 CH4分子、烷烃）分子、烷烃）u（4）SP3不等性杂化不等性杂化（如（如NH3分子）分子）2.杂化轨道的类型杂化轨道的类型 2 条条 sp杂化轨道间夹角杂化轨道间夹角180，呈呈直线形直线形分布，分别与分布，分别与 2 个个 Cl 的的 3p 轨道成键，故轨道成键，故分子为直线形分子为直线形。BeCl2分子杂化轨道角度分布图分子杂化轨道角度分布图（1）sp杂化杂化（以（以BeCl2分子为例）分子为例）重组重组 2s 2px 2py 2pz 2s 2px 2py 2pz

13、跃迁跃迁基态基态激发态激发态杂化态杂化态（2）sp2杂化杂化（以（以BCl3为例）为例）2s 2px 2py 2pz基态基态重组重组 sp2 sp2 sp2 2pz 2s 2px 2py 2pz跃迁跃迁激发态激发态杂化态杂化态激发激发以烯烃为例以烯烃为例 2s 2px 2py 2pz能量基态基态 2s 2px 2py 2pz跃迁跃迁重重组组4个个sp3轨道轨道激发态激发态杂化态杂化态（3）sp3杂化杂化（以（以CH4为例）为例）杂化109.28 常见的杂化轨道常见的杂化轨道类型类型轨道轨道数目数目轨道键角轨道键角轨道形状轨道形状分子几何形状分子几何形状实例实例sp2180直线形直线形直线形直线

14、形BeCl2、CO2，HgCl2sp23120 平面三角平面三角形形平面三角形平面三角形BF3、C2H4410928正四面体正四面体正四面体正四面体CH4，NH4+10928四面体四面体三角锥三角锥NH3、PCl3 ，H3O+10928四面体四面体折线形折线形H2O等性杂化等性杂化不等性不等性杂化杂化sp3，由相同原子组成的双原子分子由相同原子组成的双原子分子，分子中正、负，分子中正、负电荷中心互相重合，这些分子都是非极性分子，如电荷中心互相重合，这些分子都是非极性分子，如H2、O2、Cl2等。等。（一）非极性分子（一）非极性分子正负电荷中心重合的分子。正负电荷中心重合的分子。由不同原子组成的

15、多原子分子由不同原子组成的多原子分子，分子的极性不，分子的极性不仅与键的极性（电负性）有关，也与分子构型有关，仅与键的极性（电负性）有关，也与分子构型有关，若分子的空间构型对称，虽然分子由极性键组成，键若分子的空间构型对称，虽然分子由极性键组成，键的极性相互抵消，整个分子的正、负电荷中心重合，的极性相互抵消，整个分子的正、负电荷中心重合，也是非极性分子。例如也是非极性分子。例如CO2、CH4。四、分子的极性和分子间力四、分子的极性和分子间力（二）极性分子（二）极性分子正负电荷中心不重合的分子。正负电荷中心不重合的分子。由不同原子组成的双原子分子由不同原子组成的双原子分子，由于电负性不同，由于电

16、负性不同，共用电子对偏向电负性较大的原子一方。两原子之间共用电子对偏向电负性较大的原子一方。两原子之间的化学键是极性键，这种分子就是极性分子，如的化学键是极性键，这种分子就是极性分子，如HCl、HF、HBr、CO等。等。对于不同原子组成的多原子分子对于不同原子组成的多原子分子，化学键是极，化学键是极性键，当分子的空间构型不对称时，键的极性不能性键，当分子的空间构型不对称时，键的极性不能抵消，分子正、负电荷中心不重合，这样的分子是抵消，分子正、负电荷中心不重合，这样的分子是极性分子。如极性分子。如SO2、NH3、H2O、CH3Cl等分子都是等分子都是极性分子。极性分子。（三）偶极矩（三）偶极矩（

17、Dipole Moment）若分子中正、负电荷中心所带的电量为若分子中正、负电荷中心所带的电量为q，正、，正、负电荷中心距离（称偶极长）为负电荷中心距离（称偶极长）为l，分子的偶极矩，分子的偶极矩用用两者的乘积表示，即两者的乘积表示，即 ql 用偶极矩判断分子的空间构型：用偶极矩判断分子的空间构型：0的分子为极性分子，的分子为极性分子，越大，分子极性越大。越大，分子极性越大。=0的分子为非极性分子。的分子为非极性分子。分子式分子式(10-30 C.m)分子式分子式(10-30 C.m)分子式分子式(10-30 C.m)H20CS20AsH30.67O20CO0.4CH40N20H2O6.17C

18、H3Cl6.23HF6.37H2S3.67CH2Cl5.13HCl3.57SO25.33CHCl23.40HBr2.67HCN7.00H2O27.33HI1.4NH34.90CO20PH31.93一些常见分子的偶极矩（四）分子的极化（四）分子的极化分分子子的的极极化化：由由于于外外电电场场作作用用，使使分分子子的的正正、负负电电荷荷中中心心相相对对位位移移，从从而而产产生生偶偶极极或或增增大大偶偶极极的的过过程程称称为为分子的极化。分子的极化。非极性分子非极性分子，在外电场作用下，电子云与原子核发生相对，在外电场作用下，电子云与原子核发生相对位移，正、负电荷中心位移，从而产生偶极，这样形成的偶

19、位移，正、负电荷中心位移，从而产生偶极，这样形成的偶极称为诱导偶极。外电场消失时，诱导偶极也随之消失，分极称为诱导偶极。外电场消失时，诱导偶极也随之消失，分子恢复为原来的非极性分子。子恢复为原来的非极性分子。极性分子极性分子本身具有固有偶极，若在外电场作用下，正、负本身具有固有偶极，若在外电场作用下，正、负电荷中心距离会增大，分子偶极矩增大，极性增加，产生诱电荷中心距离会增大，分子偶极矩增大，极性增加，产生诱导偶极。外电场消失时，诱导偶极会消失，但永久偶极不变。导偶极。外电场消失时，诱导偶极会消失，但永久偶极不变。三种偶极三种偶极永久偶极永久偶极：极性分子本身所具有的偶极，又称：极性分子本身所

20、具有的偶极，又称固有固有偶极；偶极；诱导偶极诱导偶极：在外电场作用下或者在极性分子影响下产生：在外电场作用下或者在极性分子影响下产生的偶极；的偶极；瞬间偶极瞬间偶极：某一瞬间，分子的正、负电荷中心发生不重：某一瞬间，分子的正、负电荷中心发生不重合现象，这时所产生的偶极（原子核和电子都在不停地合现象，这时所产生的偶极（原子核和电子都在不停地运动）。运动）。（1）色散力色散力 由于各种分子均有由于各种分子均有瞬间偶极瞬间偶极，故色散力存在于，故色散力存在于极性分极性分子和子和极性分子极性分子、极性分子极性分子和和非极性分子及非非极性分子及非极性分子极性分子和和非极性分子之间非极性分子之间(即任何分

21、子间）即任何分子间）。色散力的影响因素：色散力的影响因素：分子的变形性越大，色散力越大；分子的变形性越大，色散力越大；分子的相对分子质量越大，色散力越大；分子的相对分子质量越大，色散力越大；分子间距离越大，色散力越小。分子间距离越大，色散力越小。分子间的三种力分子间的三种力二、分子间力二、分子间力（2）诱导力诱导力 当极性分子与非极性分子相互靠近时，除了色散力当极性分子与非极性分子相互靠近时，除了色散力的作用外，还存在着诱导力。的作用外，还存在着诱导力。极性分子作为电场，使非极性分子产生极性分子作为电场，使非极性分子产生诱导偶极诱导偶极或或使极性分子的偶极增大（也产生诱导偶极），这时诱导使极性

22、分子的偶极增大（也产生诱导偶极），这时诱导偶极与永久偶极之间产生诱导力。因此偶极与永久偶极之间产生诱导力。因此，诱导力存在于诱导力存在于极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子与极性极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子与极性分子之间。分子之间。极性分子和非极性分子之间的相互作用极性分子和非极性分子之间的相互作用（3）取向力取向力 由由极性分子极性分子固有偶极的取向而产生的力固有偶极的取向而产生的力称为取称为取向力向力，它仅存，它仅存在于极性分子之间。在于极性分子之间。极性分子的相互作用分子间力有以下特点：分子间力有以下特点：（1）分子间力较弱，一般小于）分子间力较弱，一般小于40 kJ

23、/mol，比化学键小，比化学键小10100 倍。但倍。但分子间力永远存在于分子或原子之间。分子间力永远存在于分子或原子之间。（2）分子间力的作用距离在数百皮米（）分子间力的作用距离在数百皮米（pm），比化学键作用距离长，），比化学键作用距离长，且无饱和性和方向性。且无饱和性和方向性。（3）分子间作用力对物质的熔点、沸点、溶解度、表面吸附等起作用。）分子间作用力对物质的熔点、沸点、溶解度、表面吸附等起作用。固有偶极的固有偶极的取向取向色散力、诱导力和色散力、诱导力和取向力取向力极性分子之间极性分子之间 诱导偶极、诱导偶极、固有偶极固有偶极色散力、诱导力色散力、诱导力极性分子和非极性分子和非极性分

24、子和非极性分子和非极性分子间极性分子间极性分子间极性分子间瞬时偶极瞬时偶极非极性分子非极性分子之间之间如何产生如何产生分子间力名称分子间力名称 分子分子色散力色散力 研究氢化物的熔沸点变研究氢化物的熔沸点变化规律发现：化规律发现：氢化物中氢化物中NH3、H2O、HF具有反常的性质（特别具有反常的性质（特别高的熔沸点）高的熔沸点）五、氢键五、氢键 进一步的研究表明，进一步的研究表明，HF、H2O、NH3 分子间除分子间除了正常的分子间力外，还存在另外一种作用力，这了正常的分子间力外，还存在另外一种作用力，这就是就是氢键。氢键。为什么？为什么？当当H原子和电负性大，原子半径小的原子和电负性大，原子

25、半径小的X原子（如原子（如F、O、N）以极性共价键结合成）以极性共价键结合成HX共价键时，共用电子对强烈的共价键时，共用电子对强烈的偏向偏向X原子，原子，使使H原子几乎变为原子几乎变为“裸露裸露”的氢核的氢核“质子质子”，这个氢核体积很小，且不带任何内层电子，不易被其他原子这个氢核体积很小，且不带任何内层电子，不易被其他原子的电子云排斥，因此，可以吸引另一个电负性较大的的电子云排斥，因此，可以吸引另一个电负性较大的Y原子原子（如（如F、O、N）中的孤对电子而形成氢键，）中的孤对电子而形成氢键，表示方法：表示方法：XHY氢键的形成过程氢键的形成过程（一）形成条件（一）形成条件含有氢原子的分子含有

26、氢原子的分子 氢氢必必须须与与电电负负性性很很大大的的元元素素成成键键，通通常常是是F、O、N三种元素的电子三种元素的电子。与氢成键的原子必须要有孤对电子，且半径很小。与氢成键的原子必须要有孤对电子，且半径很小。本质本质 氢键基本上是静电性的氢键基本上是静电性的（二）（二）氢键的强氢键的强弱弱 氢键的强度氢键的强度介于化学键和分子间作用力之间，其介于化学键和分子间作用力之间，其大小和大小和 H 两侧的原子的两侧的原子的电负性有关。电负性有关。F H F O HO N H N E/（kJ/mol）28.0 18.8 5.4氢键氢键：由于半径小又带正电性的氢原子充分靠近时所：由于半径小又带正电性的

27、氢原子充分靠近时所产生的吸引力产生的吸引力）（三）氢键的特征（三）氢键的特征：氢键具有氢键具有方向性方向性和和饱和性饱和性 方向性方向性:Y与与XH键成键时，键成键时，Y的孤电子对的对称轴总的孤电子对的对称轴总是尽可能保持和是尽可能保持和XH键轴的方向一致，即使键轴的方向一致，即使XHY在在同一直线上，这样使同一直线上，这样使Y的电子云密度最大限度地接近氢原的电子云密度最大限度地接近氢原子，子，X与与Y的距离最远，两原子的电子的距离最远，两原子的电子云之间的排斥力最云之间的排斥力最 小，形成的氢键最牢固，体系最稳定。小，形成的氢键最牢固，体系最稳定。饱和性饱和性 :因因“裸露裸露”的氢原子非常

28、小，实的氢原子非常小，实际上是镶嵌在际上是镶嵌在Y的孤电子对的电子云中，如果与另一个的孤电子对的电子云中，如果与另一个Y结合，要受到结合，要受到电子云之间的排斥，不能再形成氢键，因而有饱和性电子云之间的排斥，不能再形成氢键，因而有饱和性。邻硝基苯酚的分子内氢键邻硝基苯酚的分子内氢键 HF分分子的分子间氢键子的分子间氢键NOOOHFHHFFH（四）氢键的种类（四）氢键的种类分子内氢键和分子间氢键分子内氢键和分子间氢键分子内氢键分子间氢键分子极性下降，熔点、沸点下降范德华力增加，熔点、沸点提高氢键对于化合物性质的影响氢键对于化合物性质的影响 分子间存在氢键时，大大地影响了分子间的结分子间存在氢键时

29、，大大地影响了分子间的结合力，故物质的合力，故物质的熔点、沸点将升高熔点、沸点将升高。HF HCl HBr HI半径依次增大，色散力增加，半径依次增大，色散力增加，沸点（沸点（bp）依次增高，依次增高，但由于但由于 HF 分子间有氢键，故分子间有氢键，故 HF 的的bp在这个序列中在这个序列中最高，破坏了从左到右最高，破坏了从左到右 bp 升高的规律。升高的规律。H2O、NH3 由由于分子间氢键的存在，在同族氢化物中于分子间氢键的存在，在同族氢化物中bp亦是最高。亦是最高。蛋白质的蛋白质的-螺旋结构示意图螺旋结构示意图氢氢键键存存在在于于许许多多有有机机化化合合物物中中，如如醇醇、酚酚、羧羧酸

30、酸、胺胺、蛋蛋白白质质等等。蛋蛋白白质质是是由由许许多多氨氨基基酸酸分分子子通通过过肽肽键键缩缩合合而而成成，蛋蛋白白质质长长链链由由于于存存在在许许多多氢氢键键，使使蛋蛋白质分子呈现螺旋形构象。白质分子呈现螺旋形构象。1核外电子运动的特殊性。核外电子运动的特殊性。2核外电子运动状态的四个方面描述。核外电子运动状态的四个方面描述。3.核外电子排布的原理和洪特规则的特例。核外电子排布的原理和洪特规则的特例。4.电子层结构和周期、族的划分以及元素的分区。电子层结构和周期、族的划分以及元素的分区。4共价键和价键理论。共价键和价键理论。5杂化轨道的四种类型。杂化轨道的四种类型。6分子的极性、分子间作用力和氢键。分子的极性、分子间作用力和氢键。课后作业：P31综合练习题112