第3章 分子间力氢键.ppt

第3章化学键与分子结构 一 离子键理论二 共价键理论1 经典价键理论 路易斯理论 2 现代价键理论 电子配对法 3 原子轨道杂化理论4 价层电子对互斥理论5 分子轨道理论6 共价键参数与分子性质三 金属键理论四 分子间作用力和氢键 第3章化学键与分子结构 1 掌握化学键的极性与分子极性的关系 会根据偶极矩或分子的空间构型来判断分子的极性 2 了解分子间力产生的原因和特点 掌握分子间力对化合物性质的影响 3 掌握离子极化的概念及其对化合物的键型 熔沸点 溶解度 颜色等化学性质的影响 4 理解氢键形成的条件和特点 掌握氢键对化合物性质的影响 5 了解物质固体状态五大类型的结构特点与性质的关系 教学要求 第3章化学键与分子结构 四 分子间作用力和氢键1 分子的极性2 分子间作用力3 离子的极化作用4 氢键5 凝聚态物质的结构与性质 教学内容 1 分子的极性 非极性共价键非极性分子极性共价键极性分子 双原子分子 1 分子的极性 相同原子 非极性共价键 极性分子 非极性分子 1 分子的极性 不同原子 极性共价键 极性分子 非极性分子 1 分子的极性 极性分子 非极性分子 不同原子 极性共价键 34 34 1 分子的极性 d 偶极长 极性分子中 正电荷重心与负电荷重心之间的距离为偶极长 q 偶极上一端的电荷 分子极性的强弱用分子的偶极矩 来衡量 非极性分子的 等于0 越大 分子极性越强 偶极矩 q d 矢量 单位德拜 用D表示 既有数量又有方向性 其方向从正电荷重心指向负电荷重心 1 分子的极性 偶极矩 一些分子的偶极矩 1D 3 336 10 30C m 2 分子间作用力 分子偶极矩越大 取向力 定向力 越大 极性分子偶极矩越大 诱导力越大 2 分子间作用力 分子的体积越大 其变形性越大 则色散力越大 2 分子间作用力 分子间作用力及产生的原因 2 分子间作用力 分子间作用力的分配 kJ mol 1 2 分子间作用力 分子间作用力是决定物质熔点 沸点 溶解度等物理化学性质的一个重要因素 范德华力特点 1 存在于分子或离子间的一种作用力 2 吸引力 其作用能相当小 范围只有几个皮米 3 一般没有方向性和饱和性 4 色散力存在于任何分子之间 是主要的分子间作用力 3 离子的极化作用 1 离子的极化 2 离子的变形性 3 离子的相互极化作用 4 离子极化对化合物性质的影响 1 离子的极化 正离子带正电荷 半径较小 对相邻负离子起诱导作用 使负离子产生诱导偶极 这种现象称为离子的极化 离子的极化主要指正离子 1 离子的极化 离子极化作用的强弱取决于 电荷高的正离子极化力大 Si4 Al3 Mg2 Na 半径小的极化力大 Mg2 Ca2 Sr2 Ba2 离子的电子层构型 18或18 2 9 17 8Hg2 或Pb2 Mn2 Ba2 2 离子的变形性 负离子半径较大 电子较多 在被正离子诱导的过程中产生诱导偶极 而发生自身电子云变形的性质 称为离子的变形性 离子的变形性主要指负离子 2 离子的变形性 简单负离子半径大 变形性大 复杂负离子的变形性较小 离子变形性的大小主要取决于 I Br Cl CN OH NO3 F ClO4 负离子电荷越高 变形性越大 正离子电荷越高 变形性越小 极化作用越大 同族负离子 电子层数越多 离子半径越大 变形性越大 Na Mg2 Al3 Si4 I Br Cl F N3 O2 F 2 离子的变形性 18电子构型和9 17电子构型的离子 其变形性比半径相近 电荷相同的8电子构型离子大得多 最容易变形的是体积大的简单负离子 18或18 2 9 17电子构型的少电荷正离子的变形性也比较大 最不容易变形的是半径小 电荷高 外层电子少的正离子 Ag K Hg2 Ca2 离子变形性的大小主要取决于 3 离子的相互极化作用 离子间的相互作用 一般是正离子对负离子的极化作用 但当正离子也容易变形时 往往会引起两种离子之间相互的附加极化效应 称为相互极化作用 4 离子极化对化合物性质的影响 对化学键键型的影响 相互极化的结果 使正 负离子的电子云发生变形 导致原子轨道部分重叠 化学键表现出由离子键向共价键过渡 4 离子极化对化合物性质的影响 随着Cl Br I 离子半径的增大 Ag 离子和卤离子相互极化作用增大 键的共价程度增强 溶解度依次降低 对化合物溶解度的影响 4 离子极化对化合物性质的影响 相互极化作用越强 共价程度也越强 其化合物的颜色越深 对化合物颜色的影响 4 离子极化对化合物性质的影响 离子极化作用是离子键理论的补充 在基础化学多方面都有应用 但因对离子的极化和变形能力没有明确的标度 应用时会有许多例外和矛盾的地方 仅适用于对同系列化合物做定性的比较 极化力Al3 Mg2 Na 使离子键向共价键过渡 共价程度增强 导致晶格能降低 化合物的熔沸点降低 对化合物熔 沸点的影响 4 氢键HydrogenBond 氢键是一种最重要的 研究得最早和最多的次级键 广泛存在于从小分子直至生物大分子包括DNA的双螺旋结构中 在化学中起着重要的作用 次级键是21世纪化学键研究的主要课题 4 氢键HydrogenBond 1 氢键的形成 2 氢键的特点 3 氢键对化合物性质的影响 4 冰中的氢键 1 氢键的形成 X H Y O H O 分子中有与电负性很强的元素形成强极性键的H原子 分子中有带孤电子对 电负性大 原子半径小的原子如F O N等 1 氢键的形成 水分子的氢键 2 氢键的特点 氢键大多数是不对称的 H原子距离X较近 距离Y较远 X和Y间的距离R为氢键的键长 X H Y 角越大 X Y离得越远 两原子之间斥力才最小 体系才稳定 经典氢键在一直线上 2 氢键的特点 氢键可以为直线形 也可为弯曲形 大多数氢键不在一条直线上 氢键X H Y的角度 180 也可以 180 邻硝基苯酚 缔合的氟化氢分子 分子间氢键 分子内氢键 2 氢键的特点 硝酸分子的分子内氢键 DNA分子的氢键 氢键可以为直线形 也可为弯曲形 大多数氢键不在一条直线上 2 氢键的特点 在氢键中 1个H原子可以与多个Y原子配位 同样1个Y原子也可以接受多个H原子 尿素 NH2 2CO分子中的氢键 2 氢键的特点 氢键强弱的主要判据是X Y键长和键能 键长越短 氢键越强 非常强的氢键像共价键 非常弱的氢键接近范德华作用力 大多数氢键处于这两种极端状态之间 氢键有强 弱之分 水中 O H共价键键能为462 8kJ mol 1 H O氢键键能为18 8kJ mol 1 KHF2晶体中 H原子处于X Y的中心点 对称氢键 F H F氢键的键能为212kJ mol 1 键长226pm 是迄今观察到的最强的氢键 2 氢键的特点 对称氢键和不对称氢键 对称氢键 H原子处于X Y的中心点 KHF2晶体中的F H F 不对称氢键 H原子不处于X Y的中心点 氢键有强 弱之分 2 氢键的特点 氢键的强弱与X Y的电负性和原子半径的大小有关 X Y的电负性越大 则形成的氢键越强 Y的原子半径越小 越能接近X H 形成的氢键越强 例如F原子的电负性最大 半径又小 形成的氢键最强 Cl原子的电负性虽大 但原子半径较大 形成的氢键就很弱 氢键有强 弱之分 根据元素电负性大小 形成氢键的强弱次序如下 F H F O H O O H N N H N 2 氢键的特点 氢键有强 弱之分 一些氢键的键能和键长 乙酰胺 3 氢键对化合物性质的影响 对熔点 沸点的影响 分子间氢键使分子发生缔合 化合物熔 沸点升高 周期 3 氢键对化合物性质的影响 对熔点 沸点的影响 分子内氢键 一般会使化合物的熔 沸点降低 汽化热 升华热减小 邻硝基苯酚 分子内氢键 熔点为45 间硝基苯酚 分子间氢键 熔点为96 对硝基苯酚 分子间氢键 熔点为114 硫酸 磷酸都是高沸点的无机强酸 中强酸 而硝酸由于生成分子内氢键 是挥发性的无机强酸 3 氢键对化合物性质的影响 对溶解度的影响 氨 醇类和羧酸分子通过生成分子间氢键而缔合 可以以任意比例溶于水 分子间氢键 极性溶剂中 溶质的溶解度增大 如NH3 醇类和羧酸在H2O中的溶解 相似者相溶原理 3 氢键对化合物性质的影响 对溶解度的影响 低温下将CO2气体通入用NH3饱和的NaCl饱和溶液中 一步直接析出NaHCO3 分子间氢键 侯德榜制碱法 NH3 NaCl CO2 H2O NaHCO3 NH4Cl 3 氢键对化合物性质的影响 对溶解度的影响 如邻硝基苯酚 分子内氢键 和对硝基苯酚 分子间氢键 二者在水 极性溶剂 中的溶解度之比为0 39 而在苯 非极性溶剂 中其比例为1 93 分子内氢键 极性溶剂中 溶质的溶解度降低 非极性溶剂中 溶质的溶解度增大 3 氢键对化合物性质的影响 对酸性的影响 分子间氢键 酸性降低 如在HF HCl HBr和HI中 HF的酸性最弱 3 氢键对化合物性质的影响 对酸性的影响 分子内氢键 酸性增加 3 氢键对化合物性质的影响 对酸性的影响 分子内氢键 酸性增加 苯甲酸邻羟基苯甲酸邻羟基苯甲酸的分子内氢键 邻位上的羟基与羧基氧形成分子内氢键 减弱了羧基氧对氢的吸引力 故酸性增加 H 3 氢键对化合物性质的影响 对黏度和表面张力的影响 化合物形成分子间氢键 黏度会增大 例如甘油和浓硫酸都是黏度较大的液体 水的表面张力很高 根源也在于水分子间的氢键 甘油 3 氢键对化合物性质的影响 氢键在生命物质中的作用 因为有了氢键 使得生命在地球上成为可能 4 冰中的氢键 在冰中每个水分子都按四面体方式形成2个O H O氢键和2个O H O氢键 在冰 Ih中组成六方晶系晶体 4 冰中的氢键 高压 低温下的冰 水分子彼此间通过氢键形成笼 可以将外来中性分子或离子 Cl2 Ar CH4 Xe等 包于笼内形成水合分子晶体 1m3的甲烷水合物晶体8CH4 46H2O 可以得到180m3的甲烷气体 4 冰中的氢键 2009年9月17日 我国在青海省祁连山南缘冻土带成功钻获可燃冰实物样品 从232m深的井下钻头取出了一截冒着气泡的岩芯 我国国土资源部9月25日宣布 这是我国首次在陆域发现可燃冰 使我国成为继加拿大 美国之后 在陆域通过钻探获得可燃冰样品的第三个国家 这是我国继2007年5月在南海北部钻获可燃冰之后的又一重大突破 可燃冰的发现让陷入能源危机的人类看到了希望 2009 9 17 在青海省天峻县钻探现场钻出可燃冰的岩芯 燃烧中的可燃冰 4 冰中的氢键 百慕大魔鬼三角 5 凝聚态物质的结构与性质 晶格 5 凝聚态物质的结构与性质 1 离子型晶体 2 非极性分子型晶体 3 极性分子型晶体 4 原子型晶体 5 金属型晶体 1 离子型晶体 占据在晶格结点位置上的是正 负离子 离子只能在原位上振动 不能自由移动 所以离子型晶体不导电 导热性也较差 晶体中异号离子间有强大的静电引力 所以离子型晶体的熔 沸点相对较高 晶体有一定硬度 受到外力易变形错位 使晶体崩溃 这类晶体机械加工性能不好 离子型晶体易溶解在极性溶剂中 溶液可以导电 难溶于非极性溶剂中 离子型晶体具有低的挥发性 2 非极性分子型晶体 占据晶格结点的是非极性分子 结点间的作用力是很弱的分子间作用力 色散力 所以这类晶体都很软 熔 沸点低 易挥发 升华 干冰 CO2 非极性分子型晶体不导电 熔化时也不导电 机械加工性能不好 易溶于非极性溶剂中 相似者相溶 3 极性分子型晶体 极性分子型晶体易溶于极性溶剂中 由于发生解离而导电 占据晶格结点的是极性分子 结点间的作用力有色散力 取向力和诱导力 极性分子偶极间的相互作用力以及氢键 与非极性分子型晶体相比 极性分子型晶体有较低的挥发性 较高的熔 沸点 以及较高的硬度 4 原子型晶体 占据晶格结点的是原子 无限 数目的原子间通过共价键结合在一起 由于这种共价键在各个方向上是相同的 因此在这类晶体中 不存在独立的小分子 晶体有多大 分子就有多大 没有确定的相对分子质量 由于原子之间的共价键比较牢固 键的强度较高 所以原子型晶体一般具有高硬度 高熔 沸点 没有挥发性 不导电 熔化时也不导电 导热难 在极性或非极性溶剂中基本都不溶解 碳化硅SiC和石英SiO2也是原子型晶体 与金刚石不同的是 它们是化合物 金刚石 4 原子型晶体 石墨是一种介于分子型晶体和原子型晶体之间的一种晶体结构 它包含有共价结合的碳原子六元稠环片层结构 片层内的结合力是非极性共价键 层与层之间通过范德华力互相结合成石墨的多层结构 这种结构可以使石墨解离成可相对滑动的碎片 与矿油调和用作机械润滑剂 石墨烯和石墨缺都应该是原子型晶体