分子结构ppt课件.ppt

1 第一节离子键第二节共价键的价键理论第三节价层电子对互斥理论第四节轨道杂化理论第五节分子轨道理论简介第六节离域 键第七节分子间作用力和氢键 第九章分子结构 2 教学基本要求 1 掌握现代价健理论的基本要点和 键 键的特征 2 掌握杂化轨道理论的基本要点和杂化类型 利用杂化轨道理论解释简单分子或多原子离子的空间构型 3 掌握氢键的形成条件和特点 4 熟悉分子轨道理论的基本要点 并能用于处理第一 第二周期同核双原子分子的形成及稳定性 5 熟悉氢键的类型及氢键对物质性质的影响 6 了解vanderWaals力产生的原因 分类 3 外语词汇 价键理论valencebondtheory共价键covalentbond轨道杂化理论hybridorbitaltheory等性杂化equivalenthybridization不等性杂化nonequivalenthybridization分子轨道理论molecularorbitaltheory键级bondorder分子间作用力intermolecularforce氢键hydrogenbond 4 1 IonicBondsNaCl ChemicalBonds 2 covalentbondsCH4 3 MetalbondsNa Thevalence bondmethod 5 第二节共价键的价键理论 一 共价键的本质二 价键理论的基本要点三 共价键的特征四 共价键的类型五 配位共价键六 共价键参数 6 1916 Lewisstructure Valenceelectrons H He Cl K Mg Ne K Cl K Cl Lossorgainelectrons octetrule Theclassicalvalence bondtheory Lewis H H H H 7 sharingpairsofelectrons Nonmetalsformcovalentbondstooneanotherbysharingpairsofelectrons 8 Themodernvalence bondtheory ExplainhowtomakeHydrogenmolecular Molecularorbital 9 a Twoelectronshaveoppositespin groundstate 74 3pm 1 Theformationofthehydrogenmolecule electroncloud 一 共价键的本质 海特勒和伦敦用量子力学处理氢分子的形成 得到氢分子的能量与核间距的关系曲线 10 Repellentstate b Twoelectronshavesamespin electroncloud 11 Thenatureofthecovalentbond Twoelectronshaveoppositespincanbemakegroundstatemolecular Twoelectronshavesamespincan tbemakemolecular 12 二 价键理论的基本要点价键理论的基本要点为 1 两个原子接近时 自旋相反的未成对电子可以配对形成共价键 2 一个原子含有几个未成对电子 通常就能与其他原子的几个自旋相反的未成对电子配对形成共价键 一个原子所形成的共价键的数目受未成对电子数目的限制 这就是共价键的饱和性 13 3 成键的原子轨道重叠越多 两核间电子出现的概率密度就越大 形成的共价键就越牢固 在可能情况下 共价键的形成将沿着原子轨道最大重叠的方向进行 这就是原子轨道最大重叠原理 共价键的方向性 H的1s轨道与Cl的3px轨道重叠示意图 14 三 共价键的特征 一 共价键的饱和性受原子所含未成对电子数目的限制 二 共价键的方向性最大重叠的方向 15 s s s p p p 1 键 原子轨道沿键轴方向以 头碰头 的形式重叠形成的共价键 四 共价键的类型 16 键的电子云界面图 键的特点 电子云离核较近 能量低 故 键比较牢固 可旋转不断 是首选成键方式 17 2 键 原子轨道沿键轴方向 肩并肩 式重叠形成的共价键称为 键 18 键特点 电子云离核较远 较活泼 易断 不能任意旋转 且 键一般不能单独存在 叁键 键 2个 键 成键规律 单键 键 双键 键 键 电子云界面图 19 N2中的共价三键示意图 20 小结 头碰头 肩并肩 沿键轴呈圆柱形对称 沿键轴呈镜面反对称 大 小 稳定 不易断裂 稳定性小 易断裂 可单独存在 分子的骨架 不能单独存在 只能与 键共存于双键或叁键中 s s s p px px py py pz pz H H H Cl Cl Cl N2中两个 键 键 键 21 五 配位共价键按共用电子对提供的方式不同 共价键又可分为正常共价键和配位共价键两种类型 由一个原子单独提供共用电子对而形成的共价键称为配位共价键 简称配位键 配位键用箭号 表示 箭头方向由提供电子对的原子指向接受电子对的原子 例如 22 形成配位键的条件是 1 提供共用电子对的原子的最外层有孤对电子 2 接受共用电子对的原子的最外层有可接受孤对电子的空轨道 23 六 共价键参数 一 键能标准状态下 使单位物质的量的气态A B分子解离成气态原子A和B所需要的能量称为键解离能 对多原子分子来说 键能等于键解离能的平均值 二 键长分子中两个成键原子核间的平衡距离称为键长 24 三 键角多原子分子中 键与键之间的夹角称为键角 键角和键长是表征分子的空间构型的重要参数 如果已知分子中共价键的键长和键角 分子的空间构型就确定了 25 四 键的极性两个相同原子以共价键结合时 共用电子对不偏向于任何一个原子 这种共价键称为非极性共价键 简称为非极性键 当两个不同元素的原子以共价键结合时 共用电子对偏向于电负性较大的原子 正 负电荷中心不重合 这种共价键称为极性共价键 简称为极性键 26 第四节杂化轨道理论 一 杂化轨道理论的基本要点二 杂化轨道的类型与分子的空间构型 27 Thetheoryofthehybridizationofatomicorbitals 28 一 杂化轨道理论的基本要点 原子在形成分子时 为了增强成键能力 同一原子中能量相近的不同类型的原子轨道重新组合 形成能量 形状和方向与原轨道不同的新的原子轨道 这种原子轨道重新组合的过程称为原子轨道的杂化 所形成的新的原子轨道称为杂化轨道 29 轨道杂化理论的基本要点 1 只有在形成分子的过程中 能量相近的原子轨道才能进行杂化 常见杂化方式有ns np杂化 ns np nd杂化和 n 1 d ns np杂化 2 杂化时原子轨道的数目不变 但原子轨道在空间的伸展方向发生了改变 3 杂化轨道的成键能力比杂化前原子轨道的成键能力强 形成的化学键的键能大 4 中心原子的杂化轨道用于形成 键或排布孤对电子 不会以空的杂化轨道的形式存在 5 中心原子的杂化轨道的类型决定了多原子分子的空间构型 30 二 杂化轨道的类型和分子的空间构型 一 sp杂化与分子的空间构型由一个ns轨道和一个np轨道参与的杂化称为sp杂化 形成的轨道称为sp杂化轨道 每一个sp杂化轨道中含1 2的s轨道成分1 2的p轨道成分 杂化轨道间的夹角为180 31 Be excited 2s 2p Sphybrid sp 2p BeCl2 Berylliumdichloride 2s 2p 32 二 sp2杂化与分子的空间构型 由一个ns轨道和两个np轨道参与的杂化称为sp2杂化 所形成的三个杂化轨道称为sp2杂化轨道 每个sp2杂化轨道中含有1 3的s轨道成分和2 3的p轨道成分 杂化轨道间的夹角为120 呈平面正三角形 33 BF3 planartriangle B 2s 2p excited 2s 2p sp2 sp2 2p 34 三 sp3等性杂化与分子的空间构型 由一个ns轨道和三个np轨道参与的杂化称为sp3杂化 所形成的四个杂化轨道称为sp3杂化轨道 sp3杂化轨道的特点是每个杂化轨道中含有1 4的s轨道成分和3 4的p轨道成分 杂化轨道间的夹角为 35 C 2s 2p excited 2s 2p sp3 sp3 MethaneCH4 36 四 sp3不等性杂化与分子的空间构型 由原子轨道组合成一组简并杂化轨道的杂化过程称为等性杂化 完全由一组具有未成对电子的原子轨道或空轨道参与的杂化都是等性杂化 如果杂化后所得到的一组杂化轨道的能量不完全相同 则称为不等性杂化 有孤对电子参与的杂化都是不等性杂化 37 NH3 N HNH 107 18 tetrahedtal 38 NH3的空间构型 39 H2O O HOH 104 30 Vshape sp3Nonequi 40 的空间构型 41 s p型杂化轨道和分子的空间构型 00012 42 第五节分子轨道理论简介 一 分子轨道理论的基本要点二 分子轨道的形成三 同核双原子分子的分子轨道能级图四 分子轨道理论的应用实例 43 分子轨道理论在化学键理论中的位置分子轨道理论是现代共价键理论的一个分支 其与现代共价键理论的重要区别在于 分子轨道理论认为原子轨道组合成分子轨道 电子在分子轨道中填充 运动 而现代共价键理论则讨论原子轨道 认为电子在原子轨道中运动 44 一 分子轨道理论的基本要点 1 在分子中 电子在整个分子空间区域内运动 分子中每个电子的空间运动状态用分子轨道来描述 每一个分子轨道有相对应的能量和形状 为分子中的电子在空间出现的概率密度 2 分子轨道是由原子轨道线性组合而成的 组合成分子轨道的数目等于参与组合的原子轨道的数目 两个原子轨道线性组合得到两个分子轨道 一个是成键分子轨道 另一个是反键分子轨道 45 能量不同的两个原子轨道组合成分子轨道 46 3 为了有效地组合成分子轨道 参与组合的原子轨道必须满足以下三条原则 对称性匹配原则 只有对称性相同的原子轨道才能组合成分子轨道 原子轨道对称性示意图 47 能量相近原则 能量相近的对称性匹配的原子轨道能有效地组合成分子轨道 轨道最大重叠原则 能量相近 对称性匹配的两个原子轨道组合分子轨道时 原子轨道重叠程度越大 成键分子轨道的能量越低 4 电子在分子轨道上的排布 遵循能量最低原理 泡利不相容原理和洪德规则 48 Weusebondorderstopredictthestabilityofmolecules Ifthebondorderforamoleculeisequaltozero themoleculeisunstable Abondorderofgreaterthanzerosuggestsastablemolecule Thehigherthebondorderis themorestablethebond 5 分子中共价键的强度用键级来度量 键级 成键电子数 反键电子数 2一般来说 键级越大 形成的共价键就越牢固 49 二 分子轨道的形成 根据分子轨道的对称性不同 可以将分子轨道分为 分子轨道和 分子轨道 两个原子轨道沿连接两个原子核的轴线以 头碰头 方式组合成的分子轨道称为 分子轨道 两个原子轨道垂直于轴线以 肩并肩 方式组合成的分子轨道称为 分子轨道 50 分布在 分子轨道上的电子称为 电子 分布在成键 分子轨道上的电子称为成键 电子 分布在反键 分子轨道上的电子称为反键 电子 由成键 电子形成的共价键称为 键 由一个 成键电子形成的共价键称为单电子 键 由一对 成键电子形成的共价键称为双电子 键 由一对 成键电子和一个 反键电子形成的共价键称为三电子 键 一对 成键电子和一对 反键电子不能形成共价键 51 分布在 分子轨道上的电子称为 电子 由成键 电子形成的共价键称为 键 由一个成键 电子形成的共价键称为单电子 键 由一对成键 电子形成的共价键称为双电子 键 由一对成键 电子和一个反键 电子形成的共价键称为三电子 键 一个成键 电子和一对反键 电子不能形成共价键 52 一 s原子轨道的组合 两个原子的ns轨道沿连接两个原子核的轴线进行线性组合 可得到两个 分子轨道 节面 53 二 p原子轨道的组合 两个原子的npx轨道沿连接两个原子核的轴线 x轴 以 头碰头 方式进行线性组合 可以得两个 分子轨道 54 当选定键轴为x轴时 两个原子的npy轨道或npz轨道垂直于键轴以 肩并肩 方式组合成两个 分子轨道 55 三 同核双原子分子的分子轨道能级图 O2 F2 Li2 Be2 B2 C2 N2 56 当两个原子的2s轨道和2px轨道的能量相近时 还要考虑到2s轨道与2px轨道的组合 两个2s轨道与两个2px轨道的组合 分子轨道的能量高低顺序为 57 四 分子轨道理论的应用实例 58 Hydrogen H2Thebondorderis1 BondOrder 1 2 2 0 1ThebondorderabovezerosuggeststhatH2isstable Becausetherearenounpairedelectrons H2isdiamagnetic 四 分子轨道理论的应用实例 59 Helium He2Thebondorderis0forHe2 BondOrder 1 2 2 2 0ThezerobondorderforHe2suggeststhatHe2isunstable IfHe2didform itwouldbediamagnetic 60 的电子排布为 形成一个单电子 键 键级为0 5 所形成的单电子 键的键能较小 故易解离 由于中有1个未成对电子 因此具有顺磁性 一 的结构 四 分子轨道理论的应用实例 61 的电子排布为 形成了一个三电子 键 的键级为 2 1 2 0 5 所形成的三电子 键的键能较小 故易解离 由于中有1个未成对电子 因此具有顺磁性 二 的结构 62 Oxygen O2O2hasabondorderof2 BondOrder 1 2 10 6 2Thebondorderoftwosuggeststhattheoxygenmoleculeisstable ThetwounpairedelectronsshowthatO2isparamagnetic 63 1 写出O22 O2 O2 O2 和O22 的键级 磁性及键长次序 O22 O2 O2O2 O22 键级磁性键长 2 5 2 1 5 1 顺磁 顺磁 顺磁 反磁 O22 O2 O2 O2 O22 3 反磁 2 O2 的键级是2 5 O2的键级是2 说明O2 比O2稳定 64 键级 1 2 10 4 3 三 N2的结构 65 8 用分子轨道理论写出 的电子组态 键级 并预测能否稳定存在 它们的键长与其中性分子相对大小如何 解 键级 2 5 能稳定存在 键级 2 5 能稳定存在 键级 1 5 能稳定存在 66 第六节离域 键由三个或三个以上原子轨道形成的 键称为离域 键 也称大 键 用符号表示 形成离域 键的条件是 1 这些原子都在同一个平面上 每一个原子有一个p轨道互相平行 2 电子的数目小于p轨道数目的2倍 67 离域 键的类型 1 正常离域 键 电子数与成键原子数相等的离域 键称为正常离域 键 例如 2 多电子离域 键 电子数大于成键原子数的离域 键称为多电子离域 键 例如 68 3 缺电子离域 键 电子数小于成键原子数的离域 键称为缺电子离域 键 例如 69 第七节分子间作用力和氢键 一 分子的极性二 分子间作用力三 氢键 70 一 分子的极性 分子的正 负电荷中心重合 则为非极性分子 如果正 负电荷的中心不重合 则为极性分子 双原子分子的极性与化学键的极性一致 如果化学键有极性 分子为极性分子 如果化学键没有极性 则分子为非极性分子 71 在多原子分子中 分子的极性与化学键的极性和分子的空间构型有关 如果分子中化学键是极性键 但分子的空间构型是完全对称的 则为非极性分子 如果分子中的化学键为极性键 但分子的空间构型不对称 则为极性分子 分子的极性常用分子电偶极矩 dipolemoment 来衡量 分子电偶极矩越大 分子的极性就越大 分子电偶极矩越小 分子的极性就越小 分子电偶极矩为零的分子是非极性分子 72 73 双原子分子极性分子 HCl HF 极性共价键空间构型对称 非极性分子 CO2 BeCl2 BO3 CH4 多原子分子空间构型不对称 极性分子 H2O NH3 非极性共价键非极性分子 74 一些分子的分子电偶极矩与分子空间构型 分子 分子 分子空 间构型 分子空 间构型 三角形 75 二 分子间作用力 一 取向力 极性分子的正 负电荷中心不重合 分子中存在永久偶极 当极性分子充分接近时 极性分子的永久偶极间同极相斥 异极相吸 在空间取向处于异极相邻的状态而产生静电作用 这种由于极性分子的永久偶极定向排列而产生的静电作用力称为取向力 取向力的本质是静电作用 极性分子的分子电偶极矩越大 取向力就越大 76 二 诱导力 当极性分子与非极性分子充分接近时 在极性分子永久偶极的影响下 非极性分子产生诱导偶极 在极性分子的永久偶极与非极性分子的诱导偶极之间产生静电作用力 这种极性分子永久偶极与非极性分子的诱导偶极之间产生的作用力称为诱导力 当极性分子充分接近时 在永久偶极的相互影响下 每个极性分子也产生诱导偶极 因此诱导力也存在于极性分子之间 77 非极性分子中 在一瞬间分子的正 负电荷中心不重合 产生瞬间偶极 瞬间偶极诱导相邻分子产生相应瞬间诱导偶极而互相吸引 这种瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间产生的作用力称为色散力 虽然瞬间偶极和瞬间诱导偶极存在时间极短 但是这种情况不断重复出现 因此色散力始终存在着 三 色散力 由于在极性分子中也会产生瞬间偶极 因此非极性分子与极性分子之间及极性分子之间也存在色散力 78 非极性分子相互作用示意图 79 在非极性分子之间 只存在色散力 在极性分子与非极性分子之间 存在色散力和诱导力 在极性分子之间存在色散力 诱导力和取向力 对于大多数分子来说 色散力是主要的 只有当分子的极性很大时 取向力才比较显著 而诱导力通常很小 分子间作用力是决定分子晶体的熔点 沸点等物理性质的主要因素 80 总结 综上所述 分子间作用力本质是静电引力 无饱和性和方向性 作用距离短 0 3 0 5nm 作用力小 10kJ mol 1 以色散力为主 分子间作用力是决定物质物理性质的主要因素 如F2 Cl2为气体 Br2为液体 I2为固体 81 1 Aretheredipole dipoleinteractionspresentinthefollowingmolecules H2SNH3H2OCH4CH3Cl2 Howdoyouknow 82 HydrogenbondinginDNA HydrogenbondingiswhatholdsthetwosidesoftheDNAdoublehelixtogether 83 三 氢键HydrogenBonding 水分子间的氢键 1 定义 产生在