共价键和分子间作用力无机.pptx
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1、第九章共价键和分子间作用力分子中相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用力。化学键(chemicalbond):离子键(ionicbond)共价键(covalentbond)金属键(metallicbond)分子间作用力:范德华力(vanderWaalsforce)氢键(hydrogenbond)等。分子之间弱的相互作用力。原子分子宏观物质化学键分子间作用力第1页/共77页第一节 共价键和共价化合物共价键电子理论:如H+HH H或HH要点:认为两个或多个原子可以相互“共有”一对或多对电子,以达到稀有气体原子最外层2或8电子层结构(或称Lewis结构)而形成稳定的分子。1916年美国化学家Lewi
2、s提出分子中的通过共用电子对连接的化学键称为共价键。第2页/共77页第一节 共价键和共价化合物一、现代价键理论(Valencebondtheory,VB法)(一)氢分子的形成和共价键的本质 本质 两个自旋相反的单电子所处原子轨道有效的、最大程度的重叠,使电子云密集于两核之间,增强了核对电子的吸引力,降低了核之间的斥力,使系统能量降低,形成共价键。第3页/共77页(二)VB法要点1 1、电子配对原理:两原子接近时,自旋相反的未成对价电子 可以两两配对形成共价键。2、共价键的饱和性:一个原子有几个未成对电子便可与几个 自旋相反的单电子配对成键。一、现代价键理论(Valence bond theor
3、y,VB法)可以形成N2、NH3分子。(1)He原子没有单电子,不能形成He2分子;(2)O原子有2个单电子,可以形成H2O、O2分子;(3)N原子有3个单电子,第4页/共77页 共价键的形成将尽可能沿着原子轨道最大程度重叠的方向进行。成键两原子轨道重叠愈多,形成的共价键愈牢固。举例:HCl分子的形成3、共价键的方向性一、现代价键理论(Valence bond theory,VB法)(c)无效重叠无效重叠(b)无效重叠无效重叠(a)有效重叠有效重叠第5页/共77页 键(pi bond):键(sigma bond):是两个原子的原子轨道(py-py、pz-pz)沿键轴方向以“肩并肩”的方式重叠形
4、成的共价键。(1)(1)按原子轨道重叠方式不同共价键分为两个原子的原子轨道(s-s、px-s、px-px)沿着键轴方向以“头碰头”的方式重叠形成的共价键。(三)共价键的类型:一、现代价键理论(Valence bond theory,VB法)第6页/共77页 键(s-s)、(s-px)s-ss-px头碰头重叠第7页/共77页 键键(px-px)头碰头重叠第8页/共77页 键py-py或pz-pz肩并肩重叠第9页/共77页N2分子形成示意图在具有双键或叁键的两个原子之间,有且仅有一个 键。第10页/共77页 键和 键的比较共价键类型共价键类型键键键键成键轨道成键轨道s-s、px-s、px-pxpy
5、-py、pz-pz轨道重叠方式轨道重叠方式“头碰头头碰头”“肩并肩肩并肩”轨道重叠部分轨道重叠部分分布分布沿键轴呈沿键轴呈圆柱型圆柱型对对称分布称分布垂直于键轴呈垂直于键轴呈镜面反对称镜面反对称分布分布存在情况存在情况可单独存在可单独存在不可单独存在不可单独存在,只,只与与键共存于键共存于共价双键和叁键中共价双键和叁键中稳定性稳定性牢固牢固不牢固,易断裂不牢固,易断裂第11页/共77页课堂练习(四)共价键的类型试指出下列共价键中各有几个键和键?A.CC,B.CC,C.CC解:1、碳碳单键为键;2、碳碳双键中1个为键,另外1个为键;3、碳碳叁键中1个为键,另外2个为键。第12页/共77页正常共价
6、键与配位键(2)按共用电子对来源不同可分为:特殊共价键:配位键(coordinate bond)正常共价键:成键两原子各提供1 1个单电子形成共价键。成键原子一方有孤对电子;另一方有空轨道。形成条件 记为B A记为H+NH3第13页/共77页非极性共价键与极性共价键(3)按共用电子对是否偏移可分为:非极性共价键(nonpolar covalent bond)极性共价键(polar covalent bond)同种原子形成的共价键。同种原子形成的共价键。例如例如H2、O2、N2等分子形成非极性共价键。等分子形成非极性共价键。不同种的原子形成的共价键。不同种的原子形成的共价键。例如例如NH3分子中
7、分子中NH键,键,H2O分子的分子的OH键等。键等。第14页/共77页二、键参数(bondparameter)(键能、键长、键角)在一定温度和标准压力下断裂1mol共价键所需能量1、键能(bond energy,E):离解能(D):在一定温度和标准压下将1mol理想气态分子离解成理想气态原子所需要的能量。H2(g)=H(g)+H(g)DH-H=436kJmol-1=EH-HH2O(g)=OH(g)+H(g)DH-OH=502kJmol-1OH(g)=O(g)+H(g)DH-O=423.7kJmol-1第一节 共价键和共价化合物一般地,键能越大,化学键越牢固,分子也就越稳定。第15页/共77页2
8、、键长(bondlength)分子内成键两原子核间的平均距离一些共价键键能和键长在两个确定的原子之间,若形成不同的化学键,其键长越短,键能就越大,分子就越稳定。二、键参数第16页/共77页3、键角(bondangle)分子中两个相邻化学键之间的夹角键长和键角是描述分子几何构型的两要素例如:CO2,键长116.2pm,键角180,直线型。NH3:键长101.9pm,键角10718,三角锥型。二、键参数第17页/共77页三、杂化轨道理论(hybridizationorbitaltheory)第一节 共价键和共价化合物基本要点:1 1 杂化与杂化轨道的概念2 2 杂化类型与分子的几何构型3 3 等性
9、杂化与不等性杂化第18页/共77页1、杂化(hybridization)与杂化轨道(hybridorbital)的概念同一原子中能量相近的n个原子轨道,在成键过程中重新分配能量和确定空间方向,组合成n个新的轨道,这一过程称为“杂化”。所形成的新轨道叫“杂化轨道”。三、杂化轨道理论(orbital hybridization theory)说明:原子轨道只有在形成分子的过程中才会发生杂化。同一原子内有几个原子轨道参与杂化,就可得到几个杂化轨道。杂化轨道比原来轨道的成键能力强,,形成的分子更稳定。(4)杂化轨道之间尽可能在空间取最大夹角分布。第19页/共77页2、杂化类型与分子的几何构型三、杂化轨
10、道理论(orbital hybridization theory)常见的杂化类型有:s+p:sp、sp2、sp3s+p+d:d2sp3、sp3d2、dsp2、dsp3、sp3d(1)sp 杂化:+1个ns1个npsp杂化2个sp杂化轨道第20页/共77页sp杂化轨道形成示意图特点:a、每个sp杂化轨道中含有1/2s成分和1/2的p成分。b、两个sp杂化轨道间夹角为180,几何构型为直线形。第21页/共77页sp杂化实例:试说明BeCl2分子的空间构型。Be:BeClCl2s2p激发激发2s2psp杂化杂化sp2p ClBeCl=180(直线形)(直线形)BeBe的基态的基态BeBe的激发态的激
11、发态BeBe的杂化态的杂化态第22页/共77页(2)sp2杂化特点:a、每个sp2杂化轨道中含有1/3s成分和2/3的p成分。b、两个sp2杂化轨道间的夹角为120,几何构型为平面三角形。三、杂化轨道理论(orbital hybridization theory)+1个ns2个npsp2杂化3个sp2杂化轨道第23页/共77页例:例:BF3分子的形成分子的形成B的基态的基态B的激发态的激发态B的杂化态:的杂化态:sp22s2p2s2psp22pBFFF FBF=120(平面三角形平面三角形)第24页/共77页(3)sp3杂化特点:a、每个sp杂化轨道中含有 1/4s 成分和 3/4 的p成分。
12、b、每两个sp3杂化轨道间的夹角为10928,杂化轨道的几何构型为四面体。三、杂化轨道理论(orbital hybridization theory)+1个ns3个npsp3杂化4个sp3杂化轨道第25页/共77页例:例:CH4的形成过程及构型的形成过程及构型激发杂化第26页/共77页思考题:1、分析乙炔、乙烯和乙烷碳原子的成键方式第27页/共77页2、指出分子中各、指出分子中各C原子是什么杂化类型?原子是什么杂化类型?CH3CH2OH、CH3CH=CHCOHOsp3sp3sp3sp2sp2sp2CH3CCHsp3spsp第28页/共77页按杂化后所形成的几个杂化轨道所含成分比例及能量是否相同
13、按杂化后所形成的几个杂化轨道所含成分比例及能量是否相同等性杂化等性杂化(equivalenthybridization):完全相同完全相同参与杂化的轨道均含有单电子或均是空轨道。参与杂化的轨道均含有单电子或均是空轨道。例如例如CH4是是sp3等性杂化。等性杂化。有孤对电子占据的原子轨道与单电子轨道或单电子轨有孤对电子占据的原子轨道与单电子轨道或单电子轨道与空轨道与空轨道参与杂化。道参与杂化。例如例如NH3、H2O是是sp3不等性杂化。不等性杂化。不等性杂化不等性杂化(nonequivalenthybridization)不完全相同不完全相同3、等性杂化与不等性杂化第29页/共77页例:例:NH
14、3的不等性的不等性sp3杂化过程及结构杂化过程及结构sp3杂化杂化 HNH=107182s2psp3第30页/共77页例:例:H2O的不等性的不等性sp3杂化过程及结构杂化过程及结构H2O2p2ssp3杂化杂化sp33、等性杂化与不等性杂化三、杂化轨道理论(orbital hybridization theory)第31页/共77页小结:杂化类型杂化类型spsp2sp3(等性等性)sp3(不等性不等性)杂化原子轨道杂化原子轨道1个个s+1个个p1个个s+2个个p1个个s+3个个p1个个s+3个个p杂化轨道数杂化轨道数2个个sp3个个sp24个个sp34个个sp3(含含1或或2对孤对电子对孤对电
15、子)杂化轨道夹角杂化轨道夹角180120109.590109.5分子构型分子构型直线形直线形平面三角形平面三角形正四面体正四面体三角锥,三角锥,V形形实例实例BeCl2,C2H2,HgCl2BF3,C2H4,SO3,NO3-CH4,CCl4NH3,H2O三、杂化轨道理论(orbital hybridization theory)第32页/共77页课堂练习:因为O原子采用sp3不等性杂化,形成的4个sp3杂化轨道指向变形四面体的4个顶角;其中2个含单电子的sp3杂化轨道分别与1个H原子的1s轨道重叠成键;另2个含孤对电子的sp3杂化轨道,1个与H1s轨道形成配键,1个未成键,属O原子独有。由于这
16、个含有孤对电子的电子云对其他3个成键电子对的排斥作用,使键角小于109.5,H3O+是三角锥形。试用杂化轨道理论解释H3O+离子是三角锥形。2s2psp3杂杂化化不等性不等性sp3三、杂化轨道理论(orbital hybridization theory)第33页/共77页四、价层电子互斥理论(VSEPR法)1940年Sidgwick提出价层电子对互斥理论,用以判断分子的几何构型。分子ABn(非过渡元素)中,A为中心,B为配体,B均与A有键联关系。本节讨论的ABn型分子中,A为主族元素的原子。1.1.理论要点理论要点 ABn型分子的几何构型取决于中心A的价层中电子对的排斥作用,分子的构型总是采
17、取电子对排斥力平衡的形式。第34页/共77页2、An型中心原子价层电子对与孤电子对的计算:(1)价层电子对数目(A价电子数B提供的形成 键的电子总数离子所带电荷)/当B由氧族元素充当时不提供电子四、价层电子互斥理论(VSEPR法)、基本观点:价层电子对数包括成键的 电子和孤对电子BABBABBABBBBABBBBBABBBBBB直线型直线型平面三角型平面三角型四面体四面体三角双锥三角双锥正八面体正八面体(2)孤对电子数=价层电子对数-n(3)确定空间构型p177表9-5主族数n第35页/共77页SO3CCl4SO42-NO2-H2ONH4+SbF52-BrF3价层价层电子电子对数对数孤对孤对电
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