浙江省高中化学夏令营：分子结构课件苏教版苏教版.pptVIP

第四章分子结构 一 离子键 二 共价键的价键理论 三 轨道杂化理论 四 价层电子对互斥理论 五 分子作用力和氢键 七 分子对称性 六 分子的性质 不同的外在性质反映了物质不同的内部结构 各自内部的结合力不同 不同的物质具有不同的外在性质 化学键是指分子内部原子之间的强相互作用力 化学键的类型 离子键 共价键 金属键 存在于金属内部的化学键 一离子键 1 离子键理论的基本要点2 晶格能3 影响离子型化合物性质的主要因素 1 离子键理论的基本要点 当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较大的活泼非金属元素的原子在一定条件下相互接近时 它们都有达到稳定的稀有气体结构的倾向 活泼金属原子失去最外层电子 形成具有稳定电子层结构的带正电荷的阳离子 而活泼非金属原子得到电子 形成具有稳定电子层结构的带负电荷的阴离子 阴 阳离子之间由于静电引力相互吸引 当它们充分接近时 原子核之间及电子之间的排斥作用增大 当阴 阳离子之间吸引作用和排斥作用达到平衡时 系统的能量降到最低 阴 阳离子间形成稳定的化学键 这种通过阴 阳离子间的静电作用而形成的化学键称为离子键 由于离子的电荷分布是球形对称的 它在空间各个方向与带相反电荷的离子的静电作用是相同的 并不存在某一方向吸引力更大的问题 因此离子键没有方向性 离子键主要特征是没有方向性和饱和性 nacl晶体示意图 键的极性与元素的电负性有关 电负性小 活泼金属 如k na 电负性大 活泼非金属 如f cl 2 晶格能 离子键的强度通常用晶格能来度量 在标准状态下使单位物质的量离子晶体变为气态阳离子和气态阴离子时所吸收的能量称为晶格能 用符号e1a表示 晶格能可利用born haber循环计算得到 根据hess定律 nacl的晶格能为 晶格能是衡量离子键强度的标志 晶格能越大 离子键强度就越大 3 影响离子型化合物性质的主要因素 由离子键形成的化合物称为离子型化合物 离子化合物的性质在很大程度上决定于离子键的强度 而离子键的强度又与离子的半径 离子的电荷和电子的构型密切相关 所谓离子半径 是根据离子晶体中阴 阳离子的核间距测出的 并假定阴 阳离子的平衡核间距为阴 阳离子的半径之和 离子半径具有如下规律 a 同一种元素的阴离子半径大于原子半径 而阳离子半径小于原子半径 且正电荷越多 半径越小 例如 1 离子半径 b 同一周期电子层结构相同的阳离子的半径 随离子电荷增加而减小 而阴离子的半径随离子电荷增加而增大 例如 c 同一主族元素的电荷相同的离子的半径 随电子层数增加而增大 例如 离子所带的电荷也是影响离子键强度的重要因素 当离子的半径相近时 离子的电荷越高 对带相反电荷的离子的吸引力越强 离子键的强度就越大 形成的离子型化合物的熔点也越高 2 离子的电荷 a 2电子构型 最外层电子构型为1s2 如li be2 等 b 8电子构型 最外层电子构型为ns2np6 如na ca al3 等 c 18电子构型 最外层电子构型为ns2np6nd10 如ag zn2 等 3 离子的电子层构型 d 18 2电子构型 次外层有18个电子最外层有2个电子 电子构型为 n 1 s2 n 1 p6 n 1 d10ns2 如sn2 pb2 bi3 等 e 9 17电子型构 最外层有9 17个电子 电子构型为ns2np6nd1 9 如fe3 cr3 等 离子的电子构型对离子键的强度有一定的影响 因此对离子化合物的性质也有一定的影响 9 17电子构型 如fe 3 3s23p63d5 cu 2 3s23p63d9 18电子构型 如cu 3s23p63d10 zn 2 3s23p63d10 这些非8电子构型的正离子与一些易变形负离子 如cl i 等 形成的化学键不是典型的离子键 而是由离子健向共价键过渡的过渡性化学键 二共价键的价键理论 1 共价键的本质2 价键理论的基本要点3 共价键的类型 分子中的每个原子都有达到稳定的稀有气体结构的倾向 在非金属原子组成的分子中 原子达到稀有气体稳定结构不是通过电子的得失 而是通过共用一对或几对电子来实现的 这种由共用电子对所形成的化学键称为共价键 1 共价键的本质 1 两个原子接近时 自旋方式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 也就是说 一个原子所形成的共价键的数目不是任意的 一般受未成对电子数目的限制 这就是共价键的饱和性 2 价键理论的基本要点 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 因此 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 3 共价键的类型 1 键原子轨道沿键轴 两原子核间联线 方向以 头碰头 方式重叠所形成的共价键称为 键 形成 键时 原子轨道的重叠部分对于键轴呈圆柱形对称 沿键轴方向旋转任意角度 轨道的形状和符号均不改变 2 键 原子轨道垂直于键轴以 肩并肩 方式重叠所形成的共价化学键称为 键 形成 键时 原子轨道的重叠部分对等地分布在包括键轴在内的平面上 下两侧 形状相同 符号相反 呈镜面反对称 键与 键形成示意图 n2分子轨道重叠图 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 3 配位键 形成配位键的条件是 a 提供共用电子对的原子的最外层有孤对电子 b 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 三轨道杂化理论 1931年 鲍林在价键理论基础上提出了杂化轨道理论 据价键理论 实验结果 o 2s22p4 n 2s22p3 h 1s1 h 1s1 1 轨道杂化理论的基本要点2 轨道杂化的类型与分子的空间构型 1 轨道杂化理论的基本要点 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 杂化的目的 更有利于成键 杂化的动力 受周围原子的影响 a 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 孤立的原子不可能发生杂化 常见杂化方式的有ns np杂化 ns np nd杂化和 n 1 d ns np杂化 b 杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道的成键能力强 形成的化学键的键能大 这是由于杂化后轨道的形状发生了变化 电子云分布集中在某一方向上 成键时轨道重叠程度增大 成键能力增强 轨道杂化理论的基本要点 c 杂化所形成的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道的数目 d 杂化轨道的空间构型取决于中心原子的杂化类型 2 轨道杂化的类型和分子空间构型 1 sp杂化由一个ns轨道和一个np轨道参与的杂化称为sp杂化 所形成的轨道称为sp杂化轨道 每一个sp杂化轨道中含有1 2的p轨道成分 杂化轨道间的夹角为180 be 2s2 be采用sp杂化生成beh2 2 sp2杂化 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 以sp2杂化轨道构建s 轨道的中心原子必有一个垂直于sp2s 骨架的未参与杂化的p轨道 如果这个轨道跟邻近原子上的平行p轨道重叠 并填入电子 就会形成p键 3 sp3杂化 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轨道和3 4的p轨道成分 杂化轨道间的夹角为109 28 c 2s22p2 4 不等性杂化 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并不完全简并 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 nh3的空间构型 的空间构型 判断等性sp3杂化与不等性sp3杂化的依据 1 若参加杂化的原子轨道中电子总数小于或等于原子轨道总数 则可形成等性杂化 如 a a a族元素可分别形成等性sp sp2 sp3杂化 be b c si al 2 若电子总数大于轨道总数 一定有孤对电子存在 而形成不等性杂化 a族 a族 a族 2 n p o s f cl br 孤电子对数 如不等性sp3杂化的元素 1 3 元素举例 氢化物分子空间构型 三角锥形 v形 直线形 s p型杂化轨道和分子的空间构型 00012 四价层电子对互斥理论 vsepr 1 价层电子对互斥理论的基本要点2 价层电子对互斥理论的应用实例 vsepr valenceshellelectronicpairrepelling 1 价层电子对互斥理论的基本要点 a 分子或离子的空间构型取决于中心原子的价层电子对数 中心原子的价层电子对是指 键电子对 bp 和未参与成键的孤对电子 lp b 中心原子的价层电子对之间尽可能远离 以使斥力最小 并由此决定了分子的空间构型 静电斥力最小的价层电子对的排布方式 判断分子几何构型考虑的因素 中心原子周围存在m个配位体l及n个孤对电子对e时 根据斥力效应应考虑 1 多重键中多对电子集中在同一键区可作一个键处理 2 孤对电子空间分布的肥大性 3 电负性大小 中心原子a与m个配位体l之间所形成的键可能是单键 双键或三键等多重键 双键和三键可按一个键区计算原子间的斥力 但电子多空间大 斥力也大 定性顺序为 三键 三键 三键 双键 双键 双键 双键 单键 单键 单键 价层电子对之间的斥力与价层电子对的类型有关 价层电子对之间静电斥力大小顺序为 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 利用价层电子对互斥理论预测分子或离子的空间构型的步骤如下 a 确定中心原子的价层电子对数 价层电子对数 中心原子的价电子数 配位原子提供的电子数 带电荷数 2b 根据中心原子的价层电子对数 找出相应的电子对排布 这种排布方式可使电子对之间静电斥力最小 c 根据中心原子的价层电子对的排布方式 把配位原子排布在中心原子周围 每一对电子连接一个配位原子 未结合配位原子的电子对就是孤对电子 若中心原子的价电子对全部是成键电子对 则分子或离子的空间构型与中心原子的价层电子对的排布方式相同 若价层电子对中有孤对电子 应根据成键电子对 孤对电子之间的静电斥力的大小 选择静电斥力最小的结构 即为分子或离子的空间构型 2 价层电子对互斥理论的应用实例 在ch4中 c有4个电子 4个h提供4个电子 c的价层电子总数为8个 价层电子对为4对 c的价层电子对的排布为正四面体 由于价层电子对全部是成键电子对 因此ch4的空间构型为正四面体 1 ch4的空间构型 2 的空间构型 在中 cl有7个价电子 o不提供电子 再加上得到的1个电子 价层电子总数为8个 价层电子对为4对 cl的价层电子对的排布为四面体 四面体的3个顶角被3个o占据 余下的一个顶角被孤对电子占据 因此为三角锥形 2 pcl5的空间构型 在pcl5中 p有5个价电子 5个cl分别提供1个电子 中心原子共有5对价层电子对 价层电子对的空间排布方式为三角双锥 由于中心原子的价层电子对全部是成键电子对 因此pcl5的空间构型为三角双锥形 利用价层电子对互斥理论 可以预测大多数主族元素的原子所形成的共价化合物分子或离子的空间构型 确定clf3的几何构型 并简要说明步骤 解答 1 clf3中cl的价层电子对数 vp 7 3 2 5对 2 确定出电子对的空间构型并画出 5对三角双锥构型 3 排布配位原子画出可能的结构图 4 据孤电子对 成键电子对排斥作用 确定排斥作用最小的分子的稳定几何构型 90 孤电子对 孤电子对排斥作用数 90 孤电子对 成键电子对排斥作用数 90 成键电子对 成键电子对排斥作用数 abc 001 463 202 最稳定的几何构型为a clf3的结构 t 型 这与实验完全相符 clf3 想一想 caf2 srf2 baf2是什么构型 根据vsepr规则 毫无疑问应当是直线型 实际上却是v型 这说明vsepr规则在某些情况汇报下会有例外 其中主要是碱土金属二卤化物 vsepr规则的例外 价电子对互斥理论对少数化合物判断不准 价电子对互斥理论不能应用的化合物 过渡金属化合物 具有全充满 半充满或全空的d轨道除外 4 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 离域 键用符号 nm表示 n表示参与形成离域 键的原子数目 m表示形成离域 键的电子数 大 键的表示方法 电子数 平行p轨道数 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 键称之单电子 键 两个原子靠3个e 形成的 键 称之为3e 小 键 3个或3个以上原子形成的 键称之为大 键 又叫离域大 键 形成离域 键的条件是 1 这些原子都在同一个平面上 2 每一个原子有一个p轨道互相平行 3 p电子的数目小于p轨道数目的2倍 离域 键存在于大多数有机共轭分子和某些无机分子中 例如 氯乙烯和二氧化碳分子中存在三原子四电子的离域 键 co2的碳原子取sp杂化轨道 它的两个未参加杂化的p轨道在空间的取向是跟sp杂化轨道的轴相互垂直 co2分子里有两套3原子4电子符号为 34的p p大 键 i路易斯结构式ii分子中有2套iii大 键平行p轨道的结构式 计算大 键里电子数的简单方法 计算大 键里的电子数简单方法的步骤是 1 确定分子中总价电子数 2 画出分子中的s键以及不与p键p轨道平行的孤对电子轨道 3 总电子数减去这些s键电子和孤对电子 剩余的就是填入大p键的电子 如co2分子 1 确定分子中总价电子数 co2分子有16个价电子 2 确定分子中孤对电子轨道和成键电子轨道 c的孤电子对个数m 1 2 4 2 2 0中心原子的价电子数 0 2 2判断co2的构型 直线形 分析 中心原子c有两个sp杂化轨道成键有两个p轨道未参加成键 并分别具有一个电子 氧原子 有1个容纳孤对电子的轨道不与p键p轨道平行有1个轨道与c原子形成s键 剩余2个p轨道并3个电子与c原子p轨道形成p34键2套平行p轨道里总共有8个电子 平均每套p轨道里有4个电子 co32 离子中的大 键碳酸根离子 属ay3型分子 中心碳原子取sp2杂化形式离子总价电子数有24个价电子 分析 碳原子上有一个垂直于分子平面的p轨道 端位的3个氧原子也各有1个垂直于分子平面的p轨道 3个c os键有6个电子 每个氧原子上有2个不与分子平面垂直的孤对电子对 因此 4个平行p轨道中共有 24 6 3 2 2 6个电子所以 co32 离子中有1个4轨道6电子p p大 键 符号为 46 等电子体原理 具有相同的通式 axm 价电子总数相等的分子或离子具有相同的结构特征 这个原理称为 等电子体原理 相同的结构特征 包括 分子的立体结构 化学键的类型 但键角并不一定相等 除非键角为180 或90 等特定的角度 例 co2 cns no2 n3 具有相同的通式 ax2 价电子总数16 具有相同的结构 直线型分子 中心原子上没有孤对电子而取sp杂化轨道 形成直线形s 骨架 键角为180 分子里有两套 34p p大 键 例 co32 no3 so3等离子或分子相同的通式 ax3 总价电子数24 有相同的结构 平面三角形分子 中心原子上没有孤对电子而取sp2杂化轨道形成分子的s 骨架 有一套 46p p大 键 例 o2 o3 no2 等离子或分子 ax2 18e 中心原子取sp2杂化形式 平面三角形 中心原子上有1对孤对电子 处于分子平面上 分子立体结构为v型 或角型 折线型 有一套符号为 34的p p大 键 五分子间作用力和氢键 1 分子的极性2 分子间作用力3 氢键 1 分子间力没有方向性和饱和性 特点 中性的原子或分子间非化学键的相互作用力 2 能量比化学键力小1 2个数量级 作用范围小 仅为几百pm之间 与分子间距离的7次方成反比 3 影响重大 对物质的熔点 沸点 溶解度 表面张力以及熔化热 气化热等性质产生很大的影响 本质 属静电引力 它与分子的极性有关 分子间力通常包含范德华力和氢键两种 1 分子的极性 分子中都含有带正电荷的原子核和带负电荷的电子 由于原子核所带正电荷与电子所带负电荷相等 因此分子是电中性的 设想分子中有一个 正电荷中心 和一个 负电荷中心 如果分子的正 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是一致的 如果化学键有极性 分子为极性分子 反之 如果化学键没有极性 则分子为非极性分子 但在多原子分子中 分子的极性不仅与化学键的极性有关 还与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 则正 负电荷中心重合 为非极性分子 如果分子的中化学键为极性键 但分子的空间构型不对称 则正 负电荷中心不重合 为极性分子 分子的极性的大小常用分子电偶极矩来衡量 分子电偶极矩 等于正电荷中心 或负电荷中心 的电量q与正 负电荷中心间的距离d的乘积 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 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 2 分子间作用力 分子中的电子和原子核都在不停运动着 在运动过程中它们之间会发生瞬时的相对位移 在一瞬间分子的正 负电荷中心不重合 产生瞬时偶极 当两个非极性分子充分接近时 两个分子的正 负电荷中心同时处于异极相邻的状态而产生吸引作用 这种由非极性分子的瞬时偶极产生的吸引作用称为色散力 虽然瞬时偶极存在时间极短 但是这种情况不断重复 因此色散力始终存在着 1 色散力 由于在极性分子中也会产生瞬时偶极 因此不仅非极性分子之间存在色散力 而且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 瞬间偶极 相互靠近 色散力 2 诱导力 当极性分子与非极性分子充分接近时 在极性分子固有偶极的影响下 非极性分子原来重合的正 负电荷中心发生相对的位移而产生诱导偶极 在极性分子的固有偶极与非极性分子的诱导偶极之间产生静电作用力 这种极性分子固有偶极与非极性分子的诱导偶极产生的作用力称为诱导力 当极性分子充分接近时 在固有偶极的相互影响下 每个极性分子的正 负电荷中心的距离被拉大 也产生诱导偶极 因此诱导力也存在于极性分子之间 诱导 固有偶极 诱导偶极 诱导力 na 和i 的诱导作用 3 取向力 极性分子的正 负电荷中心不重合 分子中存在固有偶极 当极性分子充分接近时 极性分子的固有偶极间同极相斥 异极相吸 在空间的运动循着一定的方向 而处于异极相邻的状态 这种由于极性分子的偶极定向排列产生的静电作用力称为取向力 取向力的本质是静电作用 显然 极性分子的分子电偶极矩越大 取向力就越大 综上所述 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 3 氢键 当氢原子与电负性大 半径小的x原子 x f o n 以共价键结合后 共用电子对偏向于x原子 氢原子几乎变成了 裸核 裸核 的体积很小 又没有内层电子 不被其他原子的电子所排斥 还能与另一个电负性大 半径小的y原子 y f o n 中的孤对电子产生静电吸引作用 这种产生在氢原子与电负性大的元素原子的孤对电子之间的静电吸引称为氢键 氢键具有方向性和饱和性 氢键的方向性是指形成氢键x h y时 x h y原子尽可能在同一直线上 这样可使x原子与y原子之间距离最远 两原子间的斥力最小 但形成分子内氢键时 由于结构的限制 x h y往往不能在同一直线上 氢键的饱和性是指一个x y分子只能与一个y原子形成氢键 当x h分子与一个y原子形成氢键x h y后 如果再有一个y原子接近时 则这个原子受到x h y上的x y原子的排斥力远大于h原子对它的吸引力 使x h y中的h原子不可能再与第二个y原子形成第二个氢键 水分子间的氢键 氢键通常用x h y 表示 其中x和y代表f o n等电负性大 半径小的非金属元素的原子 代表氢键 氢键可分为分子间氢键和分子内氢键两种类型 一个分子的键与另一个分子中的原子形成的氢键称为分子间氢键 一个分子的键与该分子内的y原子形成的氢键称为分子内氢键 y 形成分子间氢键时 使分子之间产生了较大的吸引力 因此化合物的熔点 沸点升高 如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键 将使溶质与溶剂分子之间的结合力增强 导致溶质的溶解度增大 而形成分子内氢键时 常会使化合物的熔点 沸点降低 若溶质分子生成分子内氢键 则在极性溶剂中的溶解度减小 而在非极性溶剂中的溶解度增大 例 含 cho或 co 的醛 酮等有机物的分子之间不可能形成氢键 无氢键 但水与甲醛之间可有氢键 氢键 六 分子的性质 1 键长分子内的核间距称为键长 键长可用实验方法测定 也可进行量子化学理论计算 但复杂分子中键长的计算很困难 主要由实验测定 同一种键长 例如羰基c o的键长 随分子不同而异 通常的数据是一种统计平均值 键长的大小与原子的大小 原子核电荷以及化学键的性质 单键 双键 三键 键级 共轭 等因素有关 例如 d c c d c c d c c d h f d h cl d h br d h i co分子中的c o键介乎碳 碳双键和碳 碳三键之间 o2 o2 o2 o22 中的氧 氧键依次增长 等等 2 共价半径共价键的键长可以分解成键合原子的共价半径之和 用同核共价键之半可以求出许多元素的共价半径 已知ra求rb还可以借差减法由d a b 的测定值估算 共价半径的通用数据总是经过经验或理论校正的平均值 不同方法得到的数据并不一定相等 为比较不同原子的共价半径 共价键的性质必须相同 为此建立了单键共价半径的概念 经常呈重键而不呈单键的元素的单键共价半径需经理论计算获得 主族元素共价半径显示很好的周期性 从上到下半径增大 从左到右半径减小 图表中he ne ar无数据 因尚未合成其共价化合物 3 键能键能的概念是为对比键的强度提出来的 键能 在常温 298k 下基态化学键分解成气态基态原子所需要的能量 双原子分子 键能就是键解离能 多原子分子 断开其中一个键并不得到气态自由原子 如h2o 断开第一个键得到的是h和oh 它断开第一个h o键和断开第二个h o键 能量不会相等 同是c c单键 在不同的化学环境下 如在c c c c c c和c c c中 邻键不同 键能也不相同 所以 对于多原子分子 所谓键能 只是一种统计平均值 某些共价键的键能数据 键能的大小体现了共价键的强弱 单键 双键 叁键 如c c c c c c 对比 键能越来越大 同周期元素的同类键 如h f h cl h br h i 的键能从上到下减小 但f f键能明显反常 竟然比cl cl甚至br b