化学键与分子结构ppt课件.ppt

第二节共价键理论 2 1现代价键理论 2 2杂化轨道理论 2 3价层电子对互斥理论 2 4分子轨道理论 2 5键参数 1 电子配对后 为什么不互相排斥 路易斯 经典 共价键理论不能解释 共价键的方向性和饱和性 许多化合物中 中心原子最外层电子数 8如 PCl5 SF6 IF7 有的 8 如 BF3 离子键理论 IBT 虽能很好地说明离子化合物的形成和特征 但对大部分化合物比如O2 N2 F2等 H2O HF CH4 NH3等难以作出合理的说明 1916年 美国化学家路易斯 Lewis 提出了经典的共价键理论 八隅律 分子中原子间靠共用电子对形成稳定的8电子结构 1927年 Heitler和London用量子力学处理H2 才使共价键的本质获得初步解答 1930年 著名的美国化学家Pauling建立了现代价键理论1931年又提出了杂化轨道理论 价层电子对互斥理论 1932年 美国的另一个化学家Meilgen和德国化学家Hund提出分子轨道理论 2 2 1现代价键理论 VBT 电子配对法 从图中可以看出 r r0时 E值最小 表明此时两个H原子之间形成了化学键 H2分子中的化学键 结论 形成H2关键在于电子自旋方向相反 基态分子 排斥态分子 现代价键理论 一 共价键的本质 3 基态氢分子 核间电子概率密度大 形成负电区 两核吸引核间负电区 形成共价键 排斥态氢分子 核间电子概率密度几乎为零 不能成键 在电子云分布上的差别 现代价键理论 共价键的本质 由于原子相互接近时原子轨道重叠 即波函数叠加 自旋相反的电子配对 在两原子间共用 使能量降低而成键 4 1 电子配对原理 共价单键 2 能量最低原理 3 原子轨道 AO 最大重叠原理 AO最大重叠有两个条件 AO对称性匹配 AO重叠方向要适当 二 成键的原理 自旋相反 配对放出能量 共价双键 共价三键 现代价键理论 5 AO对称性匹配 AO重叠方向要适当 两个 的正或负必须相同 与 与 电子云密度才增加 体系能量才降低 分子才能稳定 只有按一定的重叠方向 AO方能达到最大程度的重叠 现代价键理论 6 三 共价键的特点 共价键的结合力 本质是电性吸引力 共价键的饱和性 一个原子有几个未成对的电子 便与几个自旋相反的成单电子配对成键 如 H H2 原子轨道重叠多少 共用电子对的数目和重叠方式 现代价键理论 7 共价键的方向性 各原子轨道在空间分布方向是固定的 为了满足轨道的最大程度重叠 原子间形成的共价键 当然有方向性 共价键的方向性决定了分子的空间构型 进而影响分子的性质 以HCl为例 现代价键理论 8 四 共价键的键型 按原子轨道的重叠方式不同可分为 1 键 键 键 配位键 两个原子轨道沿键轴 核间联线 方向 以 头碰头 方式发生轨道最大重叠 成键轨道重叠部分围绕键轴呈圆柱形对称分布 原子轨道重叠的程度非常大 所以 键很牢固 现代价键理论 9 2 键 成键AO沿垂直于键轴的方向 以 肩并肩 方式重叠 现代价键理论 键不会单独存在 它总是和 键相伴形成 键不如 键键能大 10 例如 讨论氮气分子中化学键的类型 N2分子的3个键 即1个 键 px px 2个 键 pz pz py py 现代价键理论 11 两个原子靠2个e 形成的 键 称之为小 键 又称之为正常 键 两个原子靠1个e 形成的 键 两个原子靠3个e 形成的 键 3个或3个以上原子形成的 键 称之单电子 键 称之为3e 小 键 称之为大 键 又叫离域大 键 现代价键理论 12 形成条件 成键原子一方提供孤对电子 另一方提供空轨道 3 配位键 共价键里的一种特殊形式 现代价键理论 13 所以CO的结构式可写为 CO中含有一个 键 一个 键 一个配位键 现代价键理论 14 现代价键理论的先进性 阐明了共价键的形成过程和本质 成功的解释了共价键的方向性和饱和性 局限性 难以解释一些化合物分子的空间构型 无法解释CH4的结构 为什么H2O的键角是104 18 而不是90 现代价键理论 15 1 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 杂化轨道 一 基本要点 3 杂化后轨道伸展方向 形状和能量发生改变 2 杂化前后轨道数目不变 2 2杂化轨道理论 HOT 在形成分子时 由于原子的相互影响 若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来 重新组合成一组新轨道 这种轨道重新组合的过程叫做杂化 所形成的新轨道称为杂化轨道 如 一个s三个p轨道可组合为四个sp3杂化轨道 4 杂化轨道成键时要满足AO最大重叠原理即杂化轨道与其他AO进行重叠形成的键 往往是 键 5 杂化轨道与其他AO成键 要满足排斥作用最小原理 即杂化轨道与其他AO成键时有一定的方向和夹角 注意 原子轨道的杂化 只有在形成分子时才可能发生 孤立的原子是不可能杂化的 16 杂化轨道理论 HOT解释分子形成过程的步骤 四步曲 基态 激发态 杂化态 成键态 17 Be 2s22p0 1 sp杂化 Be采用两个sp杂化轨道与两个氢原子的1s轨道重叠生成BeH2 二 杂化方式 以BeH2为例 杂化轨道理论 18 BeH2的空间构型为直线形 杂化轨道理论 19 中心原子的一个ns和一个np轨道进行杂化 形成两个sp杂化轨道 其特点是每个杂化轨道中s成分占1 2 p成分占1 2 sp轨道间的夹角为180 两个杂化轨道的空间构型为直线型 形成直线型结构的分子 例子 BeH2 g CH CH Ag NH3 2 HgCl2 sp杂化 杂化轨道理论 20 2 sp2杂化 B 2s22p1 以BF3为例 杂化轨道理论 21 基态B原子的结构 杂化轨道 sp2杂化 杂化轨道理论 22 BF3的空间构型为平面三角形 杂化轨道理论 23 中心原子的一个ns轨道和2个np轨道进行杂化形成3个sp2杂化轨道 其特点是 每个sp2杂化轨道中的s成分占1 3 p轨道的成分占2 3 这样杂化形成的杂化轨道夹角为120 三个杂化轨道的空间构型为平面三角形 形成分子的构型为平面三角形结构 例子 BF3NO3 CO32 SO3 sp2杂化 杂化轨道理论 24 3 sp3杂化 C 2s22p2 以CH4为例 杂化轨道理论 25 sp3杂化 CH4中共价键形成 基态C原子的结构 杂化轨道 杂化轨道理论 26 CH4的空间构型为正四面体 杂化轨道理论 27 中心原子的一个ns轨道和3个np轨道进行杂化形成4个sp3杂化轨道 其特点是 每个sp3杂化轨道中的s成分占1 4 p轨道的成分占3 4 采用这种杂化形成的杂化轨道其夹角为109 28 四个杂化轨道的构型为正四面体结构 但形成分子的构型既可能为正四面体结构 也可能为三角锥结构 还可能为V型结构 例子 CH4 NH4 SO42 PO43 四面体结构 NH3 NF3 PCl3 SO32 三角锥结构 H2O H2S OF2 V型结构 sp3杂化 杂化轨道理论 28 以PCl5为例 P 4 sp3d杂化 sp3d 杂化轨道理论 29 sp3d杂化 杂化轨道理论 30 中心原子的一个ns轨道 3个np和1个nd轨道进行杂化形成5个sp3d杂化轨道 其特点是 每个sp3d杂化轨道中的s成分占1 5 p轨道的成分占3 5 d轨道的成分占1 5 采用这种杂化形成的杂化轨道其夹角为90 120 和180 五个杂化轨道的构型为三角双锥结构 但形成分子的构型既可能为三角双锥结构 也可能为T型结构 还可能为直线结构等 例子 PCl5 SF4 TeCl4 XeF2 sp3d杂化 杂化轨道理论 31 以SF6为例 S 5 sp3d2杂化 杂化轨道理论 32 sp3d2杂化 杂化轨道理论 33 F F s F F F F SF6为正八面体结构 杂化轨道理论 34 中心原子的一个ns轨道 3个np和2个nd轨道进行杂化形成6个sp3d2杂化轨道 其特点是 每个sp3d2杂化轨道中的s成分占1 6 p轨道的成分占1 2 d轨道的成分占1 3 采用这种杂化形成的杂化轨道其夹角为90 和180 六个杂化轨道的构型为正八面体结构 但形成分子的构型既可能为正八面体结构 也可能为四角锥结构 还可能为平面正方形结构 例子 sp3d2杂化 SF6 SiF62 八面体结构 BrF5 IF5 四角锥结构 XeF4 ICl4 平面正方形结构 杂化轨道理论 35 三 等性杂化与不等性杂化 1 等性杂化 所形成的杂化轨道成分相同 能量相同 特点 参与杂化的原子轨道均是含有成单电子的轨道 如 CCl4CH4NH4 等性sp3杂化 SO3NO3 BF3 等性sp2杂化 2 不等性杂化 杂化轨道的成分不完全相同 NH3H2OOF2 不等性sp3杂化 NO2SO2 不等性sp2杂化 特点 参与杂化的原子轨道有的含有成对电子 即孤对电子 杂化轨道理论 36 不等性sp3杂化 杂化轨道理论 37 H2O 杂化轨道理论 38 3 等性杂化与不等性杂化对分子性质的影响 结构的影响 键角的影响 CH4NH3H2O 键角109 28 107 18 104 30 原因 中心原子的孤电子对越多 彼此间的排斥作用大 对成键电子对排斥作用大