第五章 分子结构.ppt

第五章分子结构 化学键 分子中直接相邻原子间强烈的相互作用 离子键 共价键 金属键 AB电负性差 1 7 单键含50 的离子性AB电负性差 1 7 离子化合物AB电负性差 1 7 共价化合物 分子空间构型 几何形状 范德华力 分子间弱相互作用 HF例外 电负性差1 78 共价化合物 5 1离子键 5 2共价键 5 3轨道杂化理论 5 4金属键 5 5分子的极性和分子间力 5 6氢键 5 7晶体结构 内容概要 离子键 原子间发生电子转移 生成正 负离子 靠正 负离子之间静电库伦引力而形成的化学键 以离子键结合的化合物都是以离子晶体的形式存在 所以NaCl KCl均为化学式 1 离子键理论的基本要点 5 1离子键 Ionicbond 离子键的本质 没有方向性 正负离子可近似地看成一个弥漫着电子云的圆球体 电荷分布球形对称 离子能从任何方向吸引带相反电荷的离子 没有饱和性 只要空间许可 一个离子周围可同时和几个电荷相反的离子相互吸引 离子键的离子性大小取决于电负性差值的大小 电负性差值越大 电子的偏向越明显 相互作用越强 但仍存在一定的共价键成分 原子轨道重叠 例如CsF 离子性 92 共价性 8 离子键的特征 NaCl晶体示意图 含义 根据离子晶体中正 负离子的核间距测出或推算的 并假定正 负离子的平衡核间距为阴 阳离子的半径之和 2 离子的特征 1 离子半径 规律 1 同一周期 电子层结构相同的正离子 半径随离子电荷增加而减小 而负离子的半径随离子电荷增加而增大 电子结构相同时 负离子半径一般大约正离子半径 2 同主族的元素电荷相同的离子 半径随电子层数增加而增大 O2 F Na Mg2 Al3 Cs Rb K Na Li F Cl Br I 3 同一种元素的负离子半径大于原子半径 而正离子半径小于原子半径 且正电荷越多 半径越小 一般说来 当离子所带电荷相同时 离子的半径越小 正 负离子之间的吸引力就越大 相应化合物的熔点也越高 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 S2 S Fe Fe2 Fe3 3 离子的电子构型 1 2电子构型 最外层电子构型1s2 如Li Be2 等 2 8电子构型 最外层电子构型ns2np6 如Na Ca Br 等 一般简单的负离子均为此类构型 3 18电子构型 最外层电子构型ns2np6nd10 如Cu Hg2 等 4 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Pb2 Tl Sn2 等 5 9 17电子型构 最外层有9 17个电子 电子构型为ns2np6nd1 9 如Sc3 Fe2 Cu2 等 电荷相同 半径相近的不同电子构型离子对相反电荷离子的作用力不同 会导致化合物性质不同 如NaCl和CuCl 见离子极化 1916年 Lewis提出经典共价学说 共价键 由共用电子对形成的化学键 通过共用电子对 分子中每一个原子达到稳定的稀有气体电子结构 又称 八隅体规则 1 价键理论 理论缺陷 为什么两个互斥的电子能结合在一起 不能说明共价键形成的本质 5 2共价键 1 两个原子的自旋方式相反的未成对电子 通过原子轨道重叠 可以配对形成稳定的共价键 电子配对原理 2 单电子数 价键数 饱和性 3 成键过程中放出能量越多 化学键越稳定 能量最低原理 4 成键的原子轨道重叠 原子轨道相同符号部分的有效重叠 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 原子轨道最大重叠原理 方向性 1927年 海特勒 伦敦提出价键理论 电子配对理论 其要点包括 2 共价键的特性 饱和性 每个原子成键的总数或以单键连接的原子数是一定的 即含有几个未成对电子就只能与几个自旋相反的电子配对成键 单电子数 价键数 例 H 一个未成对电子 H2一个共价键 零重叠 无效重叠 正重叠 有效重叠 负重叠 无效重叠 方向性 轨道必须满足最大重叠 总是沿着原子轨道最大重叠的方向成键 3 共价键的类型 按原子轨道重叠方式分 和 键 键 原子轨道沿核间联线方向进行同号重叠 头碰头 p d d d p d 及d d 键的形成 键 两原子轨道垂直核间联线并相互平行进行同号重叠 肩并肩 键沿着键轴 核间联线 方向重叠 头碰头 重叠 轨道重叠程度大 键较稳定AB两原子成键 必须有且只有一个 键 键沿着键轴 核间联线 垂直方向重叠 肩碰肩 重叠 轨道重叠程度小于 键 键稳定性小于 键AB两原子成键 可以有0个 1个 2个 键 键和 键的特征比较 N2分子的结构 2px 2px 2py 2py 2pz 2pz三重键 配位共价键 共用电子对由一方原子提供 正常共价键 共用电子对由成键原子双方各提供一个 形成条件 成键原子一方有孤对电子 另一方有空轨道 按电子对提供方式分类 正常共价键和配位共价键 例 用价键理论画出下列分子的电子结构式 PH3H2ON2H4CH4 CH4结构 1931年Pauling和Slater提出杂化轨道理论 补充和发展了现代价键理论 杂化 多个原子形成分子时 中心原子中能量相近的不同类型的原子轨道在成键过程中相互混杂叠加 重新组成一组相同数量的新原子轨道 即杂化轨道 其空间伸展方向发生变化 具有更强的方向性 成键能力更强 1 杂化轨道理论 5 3杂化轨道理论 杂化轨道理论认为 在形成多原子分子时 通常存在中心原子的价电子激发 原子轨道杂化 不同原子间的轨道重叠等过程 同时只有能量相近的原子轨道才能发生杂化 如ns np ns np nd n 1 d ns np 注意 原子轨道的杂化 只有在形成分子的过程才会发生 而孤立的原子是不可能发生杂化的 2 杂化轨道的类型 1 sp杂化 气态BeCl2分子 同一原子ns np杂化 一个s轨道和一个p轨道杂化组合成两个新的sp杂化轨道 夹角180o 直线型分子 2 sp2杂化 同一原子ns轨道与两个np轨道杂化组合 sp2杂化轨道夹角是120 分子的几何构型为平面正三角形 BF3 同一个原子一个ns轨道与三个np轨道杂化组合为sp3轨道 sp3杂化轨道间夹角是109 28 分子的几何构型为正四面体形 3 sp3杂化 CH4 4 sp3d sp3d2杂化 sp3d 同一个原子的1个ns轨道与3个np 1个nd轨道杂化组合为sp3d杂化轨道 sp3d杂化轨道分子的几何构型为三角双锥 sp3d2 同一个原子的1个ns轨道与3个np 2个nd轨道杂化组合为sp3d2杂化轨道 sp3d2杂化轨道分子的几何构型为正八面体 5 等性杂化与不等性杂化 等性杂化 参加杂化的原子轨道中都含有一个未成对的电子 每个杂化轨道中含有的s p d成份的比例都相同 不等性杂化 在杂化中如果有孤电子对的轨道或空轨道参与杂化 则生成不完全等同的杂化轨道 一对孤电子对参加杂化 NH3 轨道成键的键角为1070 分子构型为三角锥形 孤对电子较 肥大 对成键电子的排斥力使键角减小 两对孤电子对参加杂化 H2O 轨道成键的键角为104030 分子构型为角形 V形 杂化轨道理论要点 在形成多原子分子时 中心原子中能量相近的不同类型的原子轨道在成键过程中混杂叠加 重新组成一组新的原子轨道 即杂化轨道 杂化轨道的数目 参加杂化的原子轨道数目 杂化轨道分为等性杂化和不等性杂化两种 前者得到的杂化轨道完全等同 成分 能量相同 而由于不参与成键的孤对电子或空轨道的存在 造成不等性杂化得到的杂化轨道不完全等同 杂化轨道成键时应满足原子轨道最大重叠原理 通常杂化轨道比原子轨道成键能力变强 杂化轨道成键时应满足化学键间最小排斥原理 因而不同类型的杂化轨道具有不同的空间取向 例 运用杂化轨道理论判断下列分子采取的杂化轨道类型和分子构型 BCl3 CHCl3 NF3 sp2平面三角型 sp3四面体 sp3三角锥型 s p型杂化轨道和分子的空间构型 要求 熟悉几种常见简单共价化合物的杂化方式 思考题 解释C2H4 CO2 直线型 的分子构型 的构型为 CO2 含有大 键 大 键形成条件 参与成键的原子都必须在同一平面上 有相互平行的p轨道 或d轨道或p d轨道 这样才有肩并肩成 键的可能性 参与成键电子数应小于参与成键原子轨道数的两倍 因为当前者等于后者两倍时 每个原子轨道中已有两个电子 不可能再成键 形成大 键的原子轨道能量相近 此类分 离 子 BF3 CO32 NO3 sp2 C6H6 5 4金属键 金属晶体 有金属原子按一定方式排列形成 金属键理论认为 金属晶格是由金属原子和金属离子构成的 其间存在的电子可以在整个晶格内自由运动 金属的一些共有性质 导电性 金属光泽等 可以由金属键理论解释 1 分子的极性 电负性相同 非极性键 非极性分子 电负性不同 极性键 5 5分子的极性和分子间力 分子几何构型 对称性 偶极矩 q 正电 或负电 重心上的电荷的电量d 正负电重心之间的距离 偶极矩长 qd 的单位为库 米 越大 分子极性越强 矢量 正 负 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 1 定向力 产生于极性分子之间 是由永久偶极而产生的相互作用力 当两个极性分子充分接近时 同极相斥 异级相吸 使分子发生取向 取向后的分子由于静电引力作用接近到一定距离后达到平衡 体系能量达到最小值 2 分子间力 范德华力 越大定向力越大 只存在极性分子之间 2 诱导力 诱导偶极与永久偶极间的作用力 当极性分子与非极性分子充分接近时 极性分子可使非极性分子变形而产生偶极称为诱导偶极 越大 变形性越大 诱导力越大 存在于极性分子与极性分子 极性分子与非极性分子之间 3 色散力 分子间由于瞬时偶极和瞬时诱导偶极而产生的作用力 瞬时偶极 分子变形性越大 色散力越大 所有分子间均存在色散力 kJ mol取向力诱导力色散力Ar008 49HCl3 3051 10416 82 4 分子间力的特点 一种存在于分子或原子间的短程吸引力 能量比化学键小一至两个数量级 没有方向性和饱和性 包括定向力 诱导力和色散力 一般色散力是分子间的主要作用力 三种力相对大小为 色散力 定向力 诱导力 分子间力对物质物理性质的影响 HeNeArKeXe 分子量极化率色散作用分子间力沸点熔点水中溶解度 例题 室温下F2和Cl2为气体 Br2为液体 而I2为固体 为什么 因为F2 Cl2 Br2和I2都是非极性分子 存在色散力的作用 色散力随分子量增大而增强 所以F2 Cl2 Br2 I2分子间色散力逐渐增大 溶沸点随分子量增大而依次升高 因此室温下F2和Cl2为气体 Br2为液体 而I2为固体 定义 与电负性很大 半径很小的原子X F O N 共价键结合的H原子 可与另一个电负性大 半径小的Y原子 F O N 产生定向吸引作用 形成X H Y结构 其中H原子与Y原子间的作用力称为氢键 1 氢键的概念 5 6氢键 强正电性 有孤对电子电负性大原子半径小 2 氢键的种类 1 饱和性和方向性H的体积小 1个H只能形成一个氢键 H的两侧电负性极大的原子的负电排斥 使两个原子在H两侧呈直线排列 3 氢键的特点 2 氢键的强度介于化学键和分子间作用力之间 氢键的强弱与X和Y元素原子原子半径和电负性有关 4 氢键对于物质性质的影响 分子间存在氢键时 大大地影响了分子间的结合力 故物质的熔点 沸点将升高 例1 同一主族元素氢化物的沸点