无机化学第六章-分子结构ppt课件.ppt

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1、分子结构分子的空间构型化学键离子键化学键指分子在空间呈现出一定的几何形状讨论原子或离子结合方式共价键金属键(晶体结构中讲)第六章 分子结构一、化学键1.离子键形成条件：特征无方向性离子键的本质：含有离子键的化合物 1.7无饱和性正、负离子的静电引力离子型化合物2.共价键共价键 极性共价键 非极性共价键：强极性共价键：弱极性共价键：H2O HClH2S HIH2 N2 Cl2相同相差不大 两个元素原子化学键 共用电子对3.配位键如：配位键与共价键的区别：注意注意：形成的过程不同原子(电子对)原子(空轨道)化学键HNHHH+NHHHH+二、共价键理论G.N Lewis(美国化学家，18751946

2、）ClClHClNNLewis理论8e或2e结构无法解释 共用 电子对无法解释共价键的方向性1.价键理论(VB法，电子配对理论)1)共价键的形成条件(基本要点)2)共价键的特征3)共价键的类型1)共价键的形成条件 (基本要点)推斥态基 态 d=74pmE=-436kJmol-1共价键的形成条件自旋反向的未成对价电子可以互相配对形成共价键成键电子的原子轨道发生最大重叠H(1s1)Cl(3s23p5)N(2s22p3)NNO(2s22p4)H(1s1)H2OHCl222)共价键的特征具有饱和性具有方向性1s和3px轨道的重叠方式重叠最大相互抵消重叠很少HCl：轨道重叠+XSS+-XPxS+-XPx

3、Px +-XPyPy(PzPz)沿着键轴的方 向以头碰头的方式 重叠 沿着键轴的方 向以肩并肩的方式 重叠3)共价键的类型H2HClCl2N2(2条键)键键圆柱形分布镜面反对称键和键的特征比较键类型 键 键重叠方式头碰头重叠肩并肩重叠重叠部位两核之间 在键轴处键轴上、下方 键轴处为零重叠程度大小键的强度较大(单独存在)较小(不能单独存在)化学活泼性不活泼活泼 在以共价键结合的两个原子之间只能有一条键，其余的为键注意：N2：NNN的电子排布式：C CHHHH（一条键，两条键）C2H4：1s2 2s2 2p3(2px12py12pz1)二个键互相垂直键：两个原子相匹配的d轨道以“面对面”的 方式重

4、叠所形成的键C：1s22s22p2价键理论实验发现形成4条等同的共价键(CH4)H2O2个未成对电子形成两条共价键键角90正四面体键角10928空间构型键角理论值与实验值不符(两条p轨道互相垂直)2.杂化轨道理论1）CH4和H2O的分子结构C：2s22p2(2px12py1)2s2p激发轨道图式基态2s2p激发激发态sp3杂化杂化态杂化后的轨道：成键能力增强原因一头大、一头小电子云分布更加集中大的一头与H的1s轨道发生重叠重叠部分增大化合态与4个H的 1s 轨道成 键()2s2p激发基态2s2p激发激发态sp3杂化杂化态Sp3杂化杂化：1个ns轨道和3个np轨道混合而成每个sp3杂化轨道：成分

5、和成分可形成四条键键角：电子构型：10928正四面体O：2s22p4(2px22py12pz1)轨道图式：杂 化2s2psp3接近四面 体的结构H2Osp3杂化键角104.5 不是正四面体为什么？孤电子对杂 化2s2psp3孤电子对H2O电子构型：V字形(折线形)分子构型：键角：四面体104.5NH3中的N也是sp3不等性杂化C H4等性杂化杂 化sp32s2pNH3电子构型：分子构型：键 角：H2 O杂化形式不同不等性杂化四面体三角锥体107.3电子构型分子构型电子构型与分子构型无孤电子对存在，有孤电子对存在，成键电子对+孤电子对成键电子对具有的形状二者一致二者不一致具有的形状空间构型2）B

6、F3的分子结构实验事实空间构型：2s2p杂化sp2激发2s2p2p基态激发态杂化态键 角：3条BF键等同化合态激发 与3个F的2p轨道成键()平面三角形120Sp2杂化杂化：1个ns轨道和2个np轨道混合而成每个sp2杂化轨道：成分和成分可形成3条键键角：空间构型：平面三角形1203）BeCl2的分子结构实验事实空间构型：2s2p激发杂化2s2psp2p基态激发态杂化态化合态 与2个Cl的3p轨道成键()2p激发直线形键 角：180两条BeCl键等同Sp杂化杂化：1个ns轨道和1个np轨道混合而成每个sp杂化轨道：成分和成分可形成2条键键角：空间构型：180直线形注意：注意：轨道杂化是指中心原

7、子轨道的杂化，CH2=CH2(Csp2)，对于等性杂化：杂化轨道的数目形成键的数目中心原子形成：2条键3条键中心原子轨道：sp杂化sp2杂化sp3杂化4条键形成键的p轨道不参与杂化。CHCH(Csp)CH3 CH2 CH CH C CHsp3sp3sp2sp2spsp不等性杂化：H2O(氧族元素氢化物)NH3(氮族元素氢化物)杂化状态：Sp3(不等性)Sp3(不等性)电子构型：分子构型：四面体V字形四面体三角锥体S和p轨道杂化小结杂化类型sp3sp2sp参加杂化原轨数 1个s,3个p1个s,2个p1个s,1个p杂化轨道数4个sp33个sp22个sp杂化轨道间夹角 10928120180电子构型

8、正四面体平面三角形 直线形实 例CH4 CCl4BF3 NO3-BeX2 HgCl2NH4+H2O*NH3*CH2=CH2CHCH1)基本要点：(1)分子或离子的电子构型与中心原子的价层电子 对数目有关。3.3.价层电子对互斥理论价层电子对=键电子对+孤对电子对价电子对数电子构型23456直线形平面三角形正四面体三角双锥正八面体杂化类型spsp2sp3sp3d2或d2sp3sp3d价层电子对数A的价电子数=主族序数；配体X：正离子应减去电荷数,负离子应加上电荷数。AXn中心原子配位原子原则：H、X-各提供一个价电子，O、S不提供价电子；(6+40+2)=4：负正 A的价电子数+X提供的价电子数

9、 离子电荷数()1 2(2)价层电子对尽可能远离,以使斥力最小。价层电子对间斥力大小的顺序：孤对电子孤对电子孤对电子成键电子对成键电子对成键电子对(3)共价双键或三键，按共价单键处理斥力大小顺序：三键双键单键孤电子对与成键电子对之间角度越大，成90角的越少，互成90180 互成90120 斥力越小。注意：注意：斥力越小。孤电子对占据水平方向三角形有三处，有二处，有一处。有二处。变形四面体2)影响键角的因素键孤对电子对，键角变小。C=CHHHHA、X电负性大小N:HHHN:FFFP:HHHHA电负性大者，键角较大；X电负性大者，键角较小。思考题：解释NO2+,O3,OF2,ICl3,I3-,IC

10、l4-等离子或分子的空间构型,并指出其中心原子的轨道杂化方式。按价建理论：O2的结构：实验测定：液态O2或固态O2 具有顺磁性磁矩：解 n=2有2个自旋方向相同的成单电子存在 O=OO O.:1）分子轨道理论的基本要点4.分子轨道理论(MO法)2）分子轨道的形成3）分子轨道的形状与能级图 4）分子轨道理论的应用1）分子轨道理论的基本要点(1)分子中的电子围绕整个分子运动，运动状态可用表示，分子轨道能量形状(2)分子轨道由原子轨道组合而成n个原轨n个分轨反键分子轨道(E分E原)成键分子轨道(E分E原)H2：E放(成键轨道)E吸(反键轨道)E总(分子轨道)E总(原子轨道)1s1s(3)电子在分子中

11、的排布遵守：能量最低原理泡利不相容原理洪特规则1s1sH H2 H1s1s*2)分子轨道的形成(1)能量相近原则形成条件只有能量相近的原子轨道才能有效地组成分子轨道1s1s、2s2s、2p2p2s2p可组成分子轨道相同原子：成键三原则取决于轨道之间的能量差从轨道能量角度看：H1s E1s=-1313 kJmol-1Cl3p E3p=-1259 kJmol-1O2p E2p=-1322 kJmol-1Na3s E3s=-502 kJmol-1所以：H1s+Cl3p HCl2H1s+O2p H2O共价键（E相近）Na3s+Cl3p Na+Cl-2Na3s+O2p Na2+O2-离子键（E不相近）(

12、2)最大重叠原则 两个原子轨道重叠程度在可能范围内越大 越好，以使成键分子轨道的能量最低。(3)对称性原则原子轨道正值与正值组合，对称性相符原子轨道：对称性不相符负值与负值正值与负值组合，成键分子轨道反键分子轨道3)分子轨道的形状与能级图分子轨道的形状+对称性相符 +s不相符+-s*+-+对称性相符-+-px不相符+-+-px*+-+-+对称性相符 +-不相符 +-+py (pZ)py*(pZ*)对称性相符原子轨道重叠相加对称性不相符原子轨道重叠相减 AO MO AO 1s1s2s2s2p2p1s1s*2s*2s2p*2px2py2py*2pz2pz*同核双原子分子轨道能级图能量2py和2pz

13、等价轨道分子轨道式：(1s)(1s*)(2s)(2s*)(2px)(2py)(2pz)(2py*)(2pz*)(2px*)2py*和2pz*简并轨道(互成90)O O2 O1s1s2s2s2p2p1s2py2pz2py*2pz*1s*2s2s*2px2px*4)分子轨道理论的应用(1)O2的结构O:1s22s22p4O2的分子轨道电子排布式：O2的分子轨道能级图式KK(2s)2(2s*)2(2px)2(2py)2(2pz)2(2py*)1(2pz*)1非键电子非键轨道3电子键O2的结构:1条键，2条3电子键O O.:（具有顺磁性）与实验事实相符半个键正常键同核双原子分子轨道能级图能量原子序数原

14、子序数8 AO MO AO 1s1s2s2s2p2p1s1s*2s*2s2p*2px2py2py*2pz2pz*原子序数原子序数8 1s1s2s2s2p2p1s1s*2s*2s2p*2px2pz2pz*2py2py*AO MO AO N N2 N1s1s2s2s2p2p1s2py2pz2py*2pz*1s*2s2s*2px2px*2p(2)N2的结构N：1s22s22p3N2的分子轨道能级图式N2的分子轨道电子排布式：K K(2s)2(2s*)2(2py)2(2pz)2(2px)2原子序数8键级 （成键电子数 反键电子数）分 子：O2+O22+O2-O22-键级 （82）3键级 （84）2N2

15、：O2：键 级：稳 定 性：O22+O2+O2-O22-2.5键级越大，3.01.51.0键越牢固，分子越稳定。键级=0，原子不能形成分子。练习：通过键级判断Be2和B2能否存在？键级 （22）0B：1s22s22p1B2：键级 （42）1实验结果：B2分子中有2个未成对电子解：Be：1s22s2Be2：Be2不能存在 B2能存在K K(2s)2(2s*)2(2py)1(2pz)1K K(2s)2(2s*)2三.键参数能表征、描述化学键性质的物理量键参数键能键长键角1.键能（E）指气态分子断裂单位物质量的某化学键所需要的能量。据能量守恒定律：断裂化学键所需能量键能越大，形成该键时释放的能量键级

16、越大，键越牢固，分子越稳定。双原子分子：键能=离解能AB A+B298.15K标态下所需能量 离解能(D)H2(g)2H(g)298.15K标态下E=D=436 kJmol-1多原子分子：键能 离解能的平均值298.15K标态下H2O(g)2H(g)+O(g)DHOH=495 kJmol-1DOH=429 kJmol-1EOH=(495+429)=464 kJmol-1部分原子之间形成的化学键的键能数据(单位：kJmol-1)共价键键能数值共价键键能数值共价键键能数值 HH FF ClCl BrBr II OO OO SS SeSe NN NN NN PP AsAs CC CC CC SiSi

17、 436 154.8 239.7 190.16 148.95 142 439.59 268 172 167 418 941.69 201 146 345.6 602 835.1 222 BB FH ClH BrH IH OH SH SeH TeH NH PH AsH CH SiH CF SiF BF OF 293 565 428 362.3 294.6 458.8 363.5 276 238 238 322 -247 411 318 485 318 613.1 189.5 NF PF OCl SCl NCl PCl AsCl CCl SiCl GeCl NO NO CO CO SiO C=N

18、CN CS 283 490 218 255 313 326 321.7 327.3 381 348.9 201 607 357.7 798.9 452 615 887 5732.键长（L）分子中成键原子之间的平衡距离键长越短，键长 两原子的共价半径之和L键越牢固，分子越稳定。部分化学键的键能和键长 共价键数 键能/kJmol-1 键长/pm CC 1 345.6 154 C=C 2 602 134 CC 3 835.1 120 NN 1 167 145 N=N 2 418 125 NN 3 941.69 1103.键角分子中两个相邻化学键之间的夹角()键角和键长是描述分子几何构型的两个因素 分

19、子式 键长/pm 键角 CO2 116.2 180 H2O 98 104.5 NH3 101.9 107.3 CH4 109.3 10928 某些分子的键长和键角四.分子间力和氢键1.分子的极性和变形性极性分子：非极性分子：正、负电荷中心重合正、负电荷中心不重合离子型离子型 极性极性 非极性非极性+_+1)分子的极性，键的性质和构型之间的关系双原子分子键无极性，键有极性，多原子分子键有极性，键有极性，HH，分子无极性HX，分子有极性结构对称，分子无极性如：CH4、BF3、CCl4、CO2等结构不对称，分子有极性。如：H2O、H2S、CHCl3极性大小用偶极矩描述2）分子的偶极矩q -q d q

20、d 有方向，有大小 的单位：Cm(10-30)(库仑米)=0，非极性分子0，极性分子偶极矩越大，分子的极性越强一些物质的偶极矩分子 /10-30 分子 /10-30H2 0 H2O 6.16 N2 0 HCl 3.43 CO2 0 HBr 2.63 CS2 0 HI 1.27 H2S 3.66 CO 0.40 SO2 5.33 HCN 6.993）分子的变形性ab+-外电场在电场的作用下产生的偶极产生诱导偶极的过程分子外形发生变化的性质电场越强，诱导偶极分子的变形极化分子的变形性诱导偶极越大，分子的变形越显著诱导 E电场强度诱导极化率分子在电场作用下变形性大小的标度大的分子，诱导大，分子变形性

21、大。某些分子的极化率 分子 /10-30m3 分子 /10-30m3 He 0.203 HCl 2.56 Ne 0.392 HBr 3.49 Ar 1.63 HI 5.20 Kr 2.46 H2O 1.59 Xe 4.01 H2S 3.64 H2 0.81 CO 1.93 O2 1.55 CO2 2.59 N2 1.72 NH3 2.34 Cl2 4.50 CH4 2.60 Br2 6.43 C2H6 4.50固有偶极(永久偶极)+-+-+-+-电 场取 向电 场变 形+-+-+-+-+-极性增大偶极矩加大定向极化变形极化极性分子其它分子变形的能力极化力分子极性越大，极化力越大。2.分子间力(

22、范德华力)1)取向力 -存在于极性分子与极性分子之间取向力大小与分子的2成正比定向极化取向本质：静电引力与温度成反比与分子间距离的六次方成反比由于取向而产生的吸引力2）诱导力存在于极性分子与非极性分子之间极性分子与极性分子之间 -+-+-发生变形极化诱导力大小 -+-与分子的2成正比本质：静电引力与被诱导分子的变形性成正比与分子间距离的六次方成反比产生诱导偶极，由于诱导而产生的作用力偶极矩加大3）色散力(伦敦力)存在于任何分子之间，色散力是“瞬时偶极”相互作用的结果色散力大小与分子的变形性有关，与分子间距离的六次方成反比。在分子间力的数值中占有相当大的比重。大，变形性大，色散力大。-分子的相对

23、分子质量越大，色散力越大。强 度：比化学键小12个数量级作用范围：300500pm特 征：无饱和性和方向性无饱和性和方向性注意：注意：非极性分子之间：色散力色散力非极性与极性分子之间：色散力、诱导力色散力、诱导力极性与极性分子之间：色散力、诱导力、取向力色散力、诱导力、取向力分子间作用力及其分配情况 分子 分子间作用力/kJmol-1 取向力 诱导力 色散力 总和 Ar CO HI HBr HCl NH3 H2O 0.000 0.003 0.025 0.69 3.31 13.31 36.39 0.000 0.008 0.113 0.502 1.00 1.55 1.93 8.5 8.75 25.

24、87 21.94 16.83 14.95 9.00 8.5 8.76 26.01 23.13 21.14 29.81 47.32色散力分子的极性不大 取向力 诱导力分子间力对物质物理性质的影响分子间力对物质物理性质的影响：结构相似同系列物质，相对分子质量越大，分子 间力越大，熔、沸点越高。液体物质分子间力越大，汽化热越大，沸点越高固体物质分子间力越大，熔化热越大，熔点越高分子间力小，物质的硬度小；反之物质的硬度大。F2(g)Cl2(g)Br2(l)I2(s)3.氢键HXY F O NF O N氢键XY的电负性越大，氢键越强；X相同，Y的半径越小，氢键越强。氢键的强弱顺序：F HF O HO O

25、 HN N HNNHF氢键的键长和键能氢键类型 键能/kJmol-1 键长/pm 化合物FHF 42.0 255 (HF)n NHF 20.9 266 NH4F OHO 18.8 276 (H2O)n NHO 286 CH3CONH2 NHN 5.4 358 NH3氢键的特征有饱和性有方向性氢键的强度：与分子间力相当氢键的形成：分子间氢键H2O：H OH OH O H H HHF：H H H H H F F FF F FNH3-H2O：HHHH H O HHHN H O HN 分子内氢键O NOOH(HNO3)N HO OO邻硝基苯酚氢键的形成对物质物理性质的影响：对熔沸点的影响氢化物的熔、沸点比较示意图分子间氢键的形成，使熔、沸点升高；分子内氢键的形成，使熔、沸点降低。常温下，乙醇为液体，二甲醚为气体(乙醇能形成分子间氢键，二甲醚不能)对溶解度的影响极性溶剂：溶质溶剂氢键溶解度溶质氢键极性溶剂：溶解度非极性溶剂：溶解度NH3在H2O中的溶解度大，PH3在H2O中的溶解度小？乙醇能与水混溶，而二甲醚不溶于水？