中国农业大学赵士铎版普通化学课件5.pptx

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1、 5 化学键和分子结构 5.1 离子键 5.1.1 离子键的形成和特征 5.1.2 离子的特征 5.2 共价键的价键理论 5.2.1 共价键的本质和特征 5.2.2 共价键的类型 5.2.3 键参数5.3 杂化轨道理论5.3.1 基本要点5.3.2 杂化轨道的类型 5.4 分子轨道理论简介5.4.1基本要点5.4.2类型和能级5.4.3实例 5.5 分子间作用力 5.5.1 分子的极性 5.5.2 分子间力 5.5.3 氢键 5.5.3 离子的极化5 化学键和分子结构第1页/共49页化学键和分子结构在19世纪初，建立了原子分子论，但不能解释化学键的本质。20世纪初，德国化学家科塞尔根据稀有气体

2、具有稳定结构的事实，提出了离子键理论。较好地解释了离子型化合物的形成和性质。1916年路易斯提出了共价键理论，以原子间共享电子对的形式，形成分子，成功地解释了同核双原子分子的形成和性质。1927年海特勒和伦敦将量子力学概念应用到氢分子的结构计算上，从理论上定量地解决了化学键的一系列问题。从而发展成为现代化学键理论。5 化学键和分子结构第2页/共49页 离子键的形成和特征 离子键的形成条件：电负性小的元素和电负性大的元素的原子互相靠近；前者失去电子形成正离子，后者得到电子形成负离子；正负离子以静电引力结合形成离子化合物。离子键的特征离子键的本质是静电引力：没有方向性：离子带电体是球型对称没有饱和

3、性：正负离子通过静电引力作用结合5 化学键和分子结构 5.1 离子键第3页/共49页离子键的形成和特征键的离子性与元素电负性的关系 离子键形成的重要条件是相互作用的原子的电负性差值较大。一般电负性差值越大，形成键的离子性越强。以电负性差值为1.7作标准。XA-XB=1.7；具有50%的离子键属性 在CsF中离子性约占92%。晶格能U由气态离子生成一摩尔稳定的固态晶体所放出的能量反映离子键的强弱。U值越大，晶体越稳定，其熔点越高，硬度也越大。5 化学键和分子结构 5.1 离子键第4页/共49页离子键的形成和特征晶格能可应用波恩-哈伯循环计算得到：Na(s)+1/2F2(g)Q NaF(s)S 1

4、/2D Na(g)F(g)U0 I E Na+(g)+F(g)S升华能、D解理能、I电离能、E电子亲合能、U0晶格能、Q生成热 Q=S+1/2D+I+E+U0 通过晶格能的计算可说明离子键理论的正确性。5 化学键和分子结构 5.1 离子键第5页/共49页 离子的特征 离子具有三个重要特征：离子电荷、离子的电子层构型和离子半径。他们决定了离子和离子化合物的性质。离子电荷 原子得、失的电子数，离子电荷的多少直接影响离子键的强度，从而影响离子化合物的性质。如：熔点、硬度、稳定性以及氧化还原能力等。离子的电子构型8(2)电子构型：主族元素（s 区的正离子、p 区的 负离子）3Li+1s22s0 ；35

5、Br-Ar3d10 4s2 4p6、Na+、Ca2+、Cl-、Al3+、O2-等5 化学键和分子结构 5.1 离子键第6页/共49页离子的特征18电子构型：B、B及A30Zn2+Ne3s23p63d104s0Hg2+、Cu+、Sn4+、Ag+、Pb4+等18+2电子构型：第5、6周期中A、A、A 金属离子(P区的低价态金属离子)83Bi3+Kr5s25p65d106s26p0、Pb2+、Sn2+等9 17电子构型(不规则构型):过渡区低价态离子22Ti2+Ne3s23p63d24s0、Fe2+、Fe3+、Cr3+、Mn2+离子的电子层构型直接影响化合物的化学性质。如：A和B两者的性质相差极大，

6、NaCl和AgCl另外，Pb4+具有强氧化性，Pb2+具有弱还原性。这些性质都是由不同的电子层构型引起的。5 化学键和分子结构 5.1 离子键第7页/共49页 离子的特征 离子半径离子在晶体中的接触半径vr+r原r-5 化学键和分子结构 5.1 离子键第8页/共49页离子的特征根据结构理论推算出正负离子的半径，其变化规律如下：阳离子半径小于相应的原子半径；简单阴离子半径大于相应的原子半径。同一元素的原子能形成不同价态的阳离子时，高价离子半径小于低价离子半径。Fe3+Fe2+同族中从上至下离子半径依次增大。Li+Na+K+Rb+Cs+；F-Cl-Br-Mg2+Al3+;N3-O2-F-离子半径的

7、大小是影响离子化合物性质的重要因素之一，半径越小，正负离子间的引力越强，晶体的晶格能越大，离子化合物的熔点越高。5 化学键和分子结构 5.1 离子键第9页/共49页共价键的本质和特征对于同核双原子分子为什么能够形成，是什么作用使相同原子结合成分子。1916年路易斯提出了共价学说，建立了经典共价理论：两原子以共用电子对吸引两个相同的原子核。电子对的共用使每个原子都达到稳定的稀有气体的电子构型。初步揭示了共价键不同与离子键的本质。1927年海特勒和伦敦将量子力学应用于分子结构，又经鲍林发展形成了现代价键理论(电子配对法)。继续发展提出了杂化轨道理论。1932年密立根和洪特通过将分子整体考虑，提出了

8、完全不同于价键理论的分子轨道理论。价键理论简单明了；分子轨道理论可定量计算。5 化学键和分子结构 5.2 共价键的价键理论第10页/共49页 共价键的本质和特征 氢分子的形成1927年，海特勒和伦敦解H2分子的薛定谔方程发现：两个氢原子靠近时，未成对电子自旋平行，出现斥态，系统能量高；自旋相反，出现基态，能量降低。5 化学键和分子结构 5.2 共价键的价键理论v基态H2分子Es=-436kJmol-1。d=74pm HCH=115.8 电负性ABn型AsCl3、AsBr3、AsI3;H2O、H2S、H2Se、H2Te 98.4 100.5 101104.592.291 89.55 化学键和分子

9、结构 5.2 共价键的价键理论第17页/共49页 键参数 键矩(键的极性)非极性共价键：正、负电荷中心重合同种元素极性共价键：正、负电荷中心不重合不同种元素键矩是矢量：方向 正负；大小 电负性之差 +-极性共价键是分子具有极性的必要条件。HCl 但分子是否具有极性，需考虑分子构型。非极性共价键 极性键 离子键 成键元素HHHCl Na+Cl-Cs+F-电负性差值 0 0.9 2.1 3.3 共价性增强 离子性增强共价键 离子键1.75 化学键和分子结构 5.2 共价键的价键理论第18页/共49页杂化轨道理论杂化轨道理论的提出 1931年鲍林为了更好地解释多原子分子的空间构型，在价键理论的基础上

10、，提出了杂化轨道理论。并且很好地解释了甲烷分子的空间构型和其稳定性。鲍林从电子运动具有波动性的这一特征出发，认为不同形状的波可以相互叠加，而得到新的波形(新的波函数形式)。杂化：在形成分子时，由于原子间的相互影响，同一原子的若干不同类型、能量相近的原子轨道相互混合组成一组新轨道。这种轨道的重新组合过程称为杂化，所形成的一组新轨道(能量相同、简并)为杂化轨道。5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第19页/共49页 杂化轨道理论基本要点 基本要点成键时同一原子中原来能量不同，但相近的价电子轨道混合平均化，组成一组新轨道杂化轨道。杂化前后轨道数目不变；杂化后轨道伸展方向,形状发生改变。成键能力

11、增强例：sp杂化轨道的形成过程5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论-第20页/共49页 杂化轨道的类型 sp杂化BeH24Be 2s22p0激发杂化成键2s2pspsps5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第21页/共49页 杂化轨道的类型 sp2 杂化激发杂化成键2s2psp2sp2pBF35B 2s22p15 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第22页/共49页 杂化轨道的类型 sp3 杂化激发 杂化 成键2s2pCH46C 2s22p2sp3sp3s5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第23页/共49页 杂化轨道的类型 不等性sp3 杂化杂化 成键H2O8O 2s2

12、2p42s2p基态O不等性sp3激发态O杂化成键sp3ssp3sNH37N 2s22p32s2p基态N不等性sp3激发态N5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第24页/共49页小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型 杂化轨道类型参加杂化的轨道杂化轨道数成键轨道夹角分子空间构型 实例 杂化轨道的类型 sps+p2 180直线形BeCl2 HgCl2 C2H2sp2s+(2)p 3 120平面正 三角形BeF3 SO3 C2H4sp3s+(3)p 4 10928正四 面体CH4 SiF4 NH4+不等性sp3s+(3)p 490 10928三角 锥形NH3 PH3 H3O+角形H2O H2S

13、OF25 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第25页/共49页杂化轨道的类型以上是最常见的由外层s轨道和p轨道组成的杂化轨道。而在过渡元素中，外层价电子轨道还包括次外层的d轨道，因此，在过渡元素形成的化合物中，中心元素存在有以下几种杂化类型：sp3d2和d2sp3杂化，轨道夹角90构型为八面体，典型例子有：SF6、Fe(H2O)63+、FeF63-等。dsp2杂化，轨道夹角90构型为平面四边形。典型例子有：Ni(CO)4、Co(NH3)42+等。由于杂化轨道的类型不同，杂化轨道夹角不同，中心元素成键的键角也就不同。所以杂化轨道的类型与分子的空间构型有关。5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨

14、道理论第26页/共49页 杂化轨道的类型 例：多重键碳的杂化烯烃碳(CC)平面三角形，sp2杂化炔烃碳(C C)直线形，sp杂化5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第27页/共49页杂化轨道的类型5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第28页/共49页杂化轨道的类型5 化学键和分子结构 5.3 杂化轨道理论第29页/共49页分子轨道理论简介价键理论提出的化学键是定域的，共享电子对只限于在两个相邻的成键原子间的小区域内运动，缺乏对分子整体的考虑，存在较大的局限性。例如：对氢分子离子H2+和乙硼烷B2H6的形成；O2和B2分子的磁性得不到合理的解释。分子轨道理论(MO法)着重于分子的整体

15、性。对多原子分子的结构能较好地解释。分子轨道理论认为：原子组成分子后，每个电子不再属于任何一个特定的原子，而都从属于整个分子。在属于分子整体的分子轨道上运动。这就是分子的整体性。因此在分子轨道中的化学键是非定域键。5 化学键和分子结构 5.4 分子轨道理论简介第30页/共49页分子轨道理论简介基本要点分子中的电子运动状态以分子轨道MO来描述，分子轨道由原子轨道线性组合而成，且其轨道数等于组成的原子轨道数。MO=12每个分子轨道都具有一定的能量。分子总能量E总等于分子中电子能量的总和。根据分子轨道能量的大小，可以排出分子轨道能级图。分子轨道可分为成键轨道、反键轨道和非键轨道。又根据分子轨道的对称

16、性可分为、轨道。分子轨道中的电子排布同样遵循原子轨道的电子排布三原则。键级=(成键电子数-反键电子数)/25 化学键和分子结构 5.4 分子轨道理论简介第31页/共49页分子轨道理论简介分子轨道成键三原则能量相近原则：能量相近的两个原子轨道才能有效地组成分子轨道。进行线性组合可得到两个分子轨道，一个为成键轨道，一个为反键轨道。最大重叠原则：原子轨道的重叠程度越大，形成的分子轨道能量越低，化学键越牢固，分子也就越稳定。对称性匹配原则：由于原子轨道具有一定的对称性，且除s轨道外有正负波相之分。因此当原子轨道组合形成分子轨道时，其轨道的对称性条件必须相互匹配。5 化学键和分子结构 5.4 分子轨道理

17、论简介第32页/共49页分子轨道理论简介分子轨道类型p-p组合：b.得np；np。a.得np；*np。s-s组合：得到ns；*ns。5 化学键和分子结构 5.4 分子轨道理论简介第33页/共49页分子轨道理论简介实例：H2+氢分子离子 (1s)15 化学键和分子结构 5.4 分子轨道理论简介&实例：O2分子KK(2s)2(*2s)2(2px)2(2py)2(2pz)2(*2py)1(*2pz)1 氧分子键级=(6-2)/2=2双键 分子中存在三电子键(有单电子)，因此在磁场中显示顺磁性第34页/共49页分子轨道理论简介实例：N2分子：N原子电子排布式：1s22s22p3N2：KK(2s)2(*

18、2s)2(2py)2(2pz)2(2px)25 化学键和分子结构 5.4 分子轨道理论简介第35页/共49页 分子的极性分子的极性 极性分子和非极性分子非极性分子：分子内正、负电荷中心重合极性分子：分子内正、负电荷中心不重合偶极矩（=q d）q 偶极所带电量,d 偶极长度偶极矩是分子内各键矩的矢量和+非极性分子 0极性分子 0 单位D“德拜”分子结构与极性的关系双原子分子：分子的极性与键的极性一致多原子分子：分子空间结构对称，0；分子空间结构不对称，0。5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第36页/共49页 分子间力 多原子分子极性 CH4、CCl4、CH3Cl、NH3、+-+-+HF

19、、O、O=C=O、S、分子间力的特征实质是分子之间的电性引力，源于分子的极性；几几十kJmol-1；大小与分子间距离的6次方成反比，作用范围300500pm；无饱和性和方向性。统称为范德华力包括：色散力、取向力、诱导力5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 HHOO-+第37页/共49页 分子间力 色散力正、负电荷中心不断发生瞬间相对位移，产生瞬时偶极；v瞬时偶极总处于异极相邻的状态；v每个瞬时偶极存在时间极短，但不断发生；v瞬时偶极间的相互作用力称为色散力。5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第38页/共49页 分子间力 极性分子的固有偶极间因取向而产生的作用力叫取向力诱导力极性

20、分子的固有偶极产生的电场使相邻分子的电子云发生变形，产生诱导偶极。&取向力v固有偶极和诱导偶极间的相互作用称为诱导力。5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第39页/共49页 分子间力 分子间力(范德华力)一般以色散力为主；同类型物质,分子量,分子的变形性,色散力;分子量相近，极性，取向力；分子间力主要影响物质的熔点、沸点、溶解度等物理性质。如：分子间力小 大沸点熔点低 高水中溶解度 小 大&小结分子极性分子极性 色散力色散力诱导力诱导力取向力取向力非非-非非 非非-极极 极极-极极 5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第40页/共49页 氢 键 5 化学键和分子结构 5.5 分

21、子间作用力 第41页/共49页 氢 键 氢键的形成强极性共价键（XH）中的氢，与另一原子（Y）的孤对电子，相互间产生静电吸引作用形成（XH Y）氢键条件：X、Y的电负性大，半径小，并且Y原子要有孤对电子F、O、N氢键的特点键能小于 40kJ.mol-1；具有饱和性和方向性；既可在分子间形成，也可在分子内形成；对熔点、沸点、溶解度、表面张力、黏度、分子缔合等有明显影响。5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第42页/共49页 氢键 冰的结构氨水中的氢键5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力第43页/共49页离子的极化离子的极化离子极化理论是以离子键理论为基础，通过诱导力的影响，来解释一

22、些理论上应该形成离子键，但实际上具有较强极性的共价键性质的化合物，其形成过程和价键变化情况。离子的极化作用：在外电场或阴阳离子自身电场的作用下，离子中的正、负电荷中心发生相对位移，离子变形，产生诱导偶极的过程。可分为：离子极化作用、离子变形性、正负离子的相互极化。阳离子具有较小的离子半径，核对核外电子的控制能力较强，阴离子半径较大，核外电子受核的控制较弱。因此阴阳离子在电场中的表现有所不同。5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力第44页/共49页 离子的极化离子的极化 正、负离子互为电场 极化力（极化作用）一种离子使另一种离子发生变形的能力变形性一种离子受另一种离子的极化而发生变形的程度&

23、极化在外电场作用下，电子云变形，产生诱导偶极的现象5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第45页/共49页 离子的极化离子的极化 离子的极化的一般规律电荷越大 极化力越大，变形性越小；半径越小 极化力越大，变形性越小；正离子极化力大，负离子变形性大；离子的电子构型89-171818+2分区 s d ds p 极化力 小 大变形性 小 大5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第46页/共49页 离子的极化离子的极化 离子间的极化作用示例：极化 键型 溶解度 颜色 熔点()AgF 作 离子键 白 700 AgCl 用 减 白 457 AgBr 增 小 淡黄 434 AgI 大 共价键 黄 558 5 化学键和分子结构 5.5 分子间作用力 第47页/共49页 第五章小结 基本要求离子和离子键的特征；共价键的本质、特征和类型；s 轨道和p 轨道的杂化类型；分子间力和氢键。基本概念 离子键的本质和特征、离子的特征、共价键的本质和特征、共价键的类型、键参数、杂化轨道基本要点、杂化轨道的类型（s和p）、键的极性、分子的极性、分子间力、氢键、离子的极化5 化学键和分子结构第48页/共49页感谢您的观看！第49页/共49页