《化学键与分子结构》PPT课件.ppt

第五章化学键与分子结构 5 1共价键 5 3共价键参数与分子的性质 5 2分子轨道理论 无机化学 5 4离子键 5 5 金属键 自学 5 1 1共价键的本质与特点 5 1共价键 5 1 3杂化轨道 5 1 2共价键的键型 无机化学 离子键理论 5 1 1共价键的本质与特点 化学键 分子或晶体中相邻原子 或离子 之间强烈的吸引作用 化学键理论 金属键理论 共价键理论 无机化学 两个氢原子电子自旋方式相反 靠近 重叠 核间形成一个电子概率密度较大的区域 系统能量降低 形成氢分子 核间距R0为74pm 共价键的本质 原子轨道重叠 核间电子概率密度大吸引原子核而成健 无机化学 1 量子力学处理H2分子的结果 2 价键理论基本要点与共价键的特点 价键理论基本要点 未成对价电子自旋方式相反 原子轨道最大程度地重叠 共价键的特点 方向性 饱和性 无机化学 1 键 原子轨道沿核间联线方向进行同号重叠 头碰头 5 1 2共价键的键型 无机化学 2 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 无机化学 3 配位键形成条件 成键原子一方有孤对电子 另一方有空轨道 例 无机化学 成键时能级相近的价电子轨道混合杂化 形成新的价电子轨道 杂化轨道 杂化前后轨道数目不变 杂化后轨道伸展方向 形状发生改变 5 1 3杂化轨道 无机化学 基本要点 无机化学 1 轨道经杂化后角度分布及形状均发生了变化 形成的杂化轨道形状一头大 一头小 大的一头与另一原子成键时 原子轨道可以得到更大程度的重叠 所以杂化轨道的成键能力比未杂化前更强 见图 使系统能量降低得更多 生成的分子也更加稳定 因此杂化轨道理论认为原子轨道在成键时会采取杂化方式 无机化学 杂化轨道理论认为 在形成分子时 通常存在激发 杂化 轨道重叠等过程 但应注意 原子轨道的杂化 只有在形成分子的过程才会发生 而孤立的原于是不可能发生杂化的 同时只有能量相近的原子轨道 如2s 2p等 才能发生杂化 而1s轨道与2p轨道由于能量相差较大 它是不能发生杂化的 电子激发和轨道杂化虽都可使成键系统的能量降低 但前者是由于多成了键 多成键后释放出的能量远比激发电子所需的能量多 故系统的总能量是降低的 后者是因为成的键更强 二者并不相同 原子在成键时 既可以同时发生电子激发和轨道杂化 也可以只进行杂化 无机化学 2 杂化轨道的数目与组成杂化轨道的各原子轨道的数目相等 例如在CH4分子形成时 碳原子的一个2s原子轨道和三个2p原子轨道进行杂化 形成四个sp3杂化轨道 3 杂化轨道成键时 要满足原子轨道最大重叠原理 即原子轨道重叠越多 形成的化学键越稳定 同时杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理 键与键间排斥力的大小决定于键的方向 即决定于杂化轨道间的夹角 由于键与键之间的夹角越大的化学键之间的排斥能越小 CH4的空间构型为正四面体 C 2s22p2 1 sp3杂化 无机化学 无机化学 四个sp3杂化轨道 无机化学 B 2s22p1 2 sp2杂化 BF3的空间构型为平面三角形 无机化学 无机化学 三个sp2杂化轨道 无机化学 Be 2s2 3 sp杂化 无机化学 Be采用sp杂化生成BeH2 无机化学 4 不等性sp3杂化 无机化学 无机化学 小结 杂化轨道的类型与分子的空间构型 中心原子 直线形三角形四面体三角锥V型 杂化轨道类型 参加杂化的轨道 杂化轨道数 成键轨道夹角 分子空间构型 实例 无机化学 思考题 解释C2H4 C2H2 CO2的分子构型 已知 C2H2 CO2均为直线型 的构型为 无机化学 5 2 1分子轨道 5 2分子轨道理论 5 2 2同核双原子分子 无机化学 5 2 1分子轨道 无机化学 分子轨道波函数也是Schrodinger方程的解 分子轨道是原子轨道的线性组合 组合前后轨道数目不变 分子轨道电子排布遵循原子轨道相同原则 基本要点 例如 A B AB 无机化学 节面 原子轨道与分子轨道的形状 原子轨道与分子轨道的能量 无机化学 原子轨道与分子轨道的形状 无机化学 无机化学 成键三原则 能量相近 对称性匹配 最大重叠 无机化学 O2 O F 5 2 2同核双原子分子 第二周期同核双原子分子 无机化学 N2 B C N 第二周期同核双原子分子 无机化学 分子轨道电子排布式 或 键级 B O 1 2 10 4 3 无机化学 或 有两个三电子 键 具有顺磁性 B O 1 2 8 4 2 无机化学 5 3 1键级 5 3键参数 5 3 5键矩与部分电荷 5 3 4键角 5 3 3键长 5 3 2键能 无机化学 B O 1 2 8 4 2 B O 1 2 10 4 3 5 3 1键级 无机化学 在双原子分子中 于100kPa下将气态分子断裂成气态原子所需要的能量 D H Cl 432kJ mol 1 D Cl Cl 243kJ mol 1 在多原子分子中 断裂气态分子中的某一个键 形成两个 碎片 时所需要的能量叫做此键的解离能 5 3 2键能 键解离能 D 无机化学 H2O g 2H g O g 原子化能Eatm 气态的多原子分子的键全部断裂形成各组成元素的气态原子时所需要的能量 例如 无机化学 双原子分子 键能 键解离能E H D H 多原子分子 原子化能 全部键能之和 atm H2O 2 O H 键焓与键能近似相等 实验测定中 常常得到的是键焓数据 无机化学 键能 键解离能与原子化能的关系 分子中两原子核间的平衡距离称为键长 例如 H2分子 l 74pm 5 3 3键长 无机化学 由表数据可见 H F H Cl H Br H I键长依次递增 而键能依次递减 单键 双键及叁键的键长依次缩短 键能依次增大 但与单键并非两倍 叁倍的关系 无机化学 键角和键长是反映分子空间构型的重要参数 它们均可通过实验测知 5 3 4键角 无机化学 键矩是表示键的极性的物理量 记作 q l式中q为电量 l为核间距 为矢量 例如 实验测得H Cl 5 3 5键矩与部分电荷 无机化学 键参数小结 键的极性 键矩 无机化学 无机化学 5 4离子键 5 4 1离子键的形成 5 4 2离子键的本质与晶格能 5 4 3离子键特征和性质 无机化学 5 4 1离子键的形成 当电离能很小的金属原子与电子亲和能很大的非金属原子 亦即电负性相差较大的原子在一定条件下相遇时它们容易通过电子转移形成带相反电荷的离子来实现外层电子的稳定结构 并且正负离子由于静电引力而结合形成离子键 形成条件 电负性差值 1 7 Na s 1 2Cl2 g NaCl s rHm NaCl 411 12kJ mol 1 e 无机化学 5 4 2离子键的本质与晶格能 离子化合物中的正负离子电荷分布可视为球形对称的 根据库仑定律 离子电荷 q 越多 核间距 d 离子半径 r 越小 离子键的本质就是正负电荷间的静电作用力 离子键强度越大 无机化学 在离子晶体中 离子键的强度常以晶格能 U 来定量描述 晶格能 298K 100kPa条件下 1mol离子晶体分解为相互远离的气态离子所需的能量 常用单位为kJ mol 1 晶格能都是正值 其值越大 表明正负离子结合越牢固 整个晶体能量越低 因而稳定性越好 无机化学 Born Haber的计算方法可示意如下 H1 H3 气态原子 始态 稳定单质 终态 晶体 根据Hess定律 fHm H1 H2 H3 subH 1 2D I E U H1包括M s 的升华热 subH和气体分子X2的离解能D 即 H1 subH 1 2D H2包括M g 的电离能I和X g 的电子亲和能E 即 H2 I E H3为MX s 的晶格能U的负值 即 H3 U 气态离子 无机化学 对于氯化钠晶体的形成反应 subH Na s 106 0kJ mol 1D Cl2 242 6kJ mol 1I Na 459 8kJ mol 1E Cl 348 7kJ mol 1 fHm 411 12kJ mol 1 故 U 106 0 1 2 242 6 495 8 348 7 411 12 kJ mol 1 785 4kJ mol 1 411 12kJ mol 1 106 0 1 2 242 6 495 8 348 7 U kJ mol 1 无机化学 离子晶体的性能比较 规律 正负离子的电荷 q 越多 离子半径 r