化学键与分子间作用力精选ppt

5 3化学键与分子间相互作用力ChemicalBond IntermolecularForce 5 3 1化学键 ChemicalBond 5 3 2分子的极性与分子的空间构型 MolecularPolarityandGeometry 5 3 3分子间相互作用力 IntermolecularForce 5 3 1化学键 ChemicalBond 一 化学键的定义 definitionofchemicalbond 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 125 900kJ mol 二 化学键的类型 金属键 离子键 共价键 存在于金属内部的化学键 1 离子键 由正 负离子之间的静电引力形成的化学键 称为离子键 离子键的特点 本质是静电引力 库仑引力 没有方向性和饱和性 库仑引力的性质所决定 即 正负离子近似看作点电荷 所以其作用不存在方向问题 在空间条件许可的情况下 每个离子可吸引尽可能多的相反离子 NaCl CsCl ArrangementofionsincrystallinesodiumchlorideandCesiumchloride 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 典型的正 负离子外层电子构型 ns2np6称8电子构型 如K Cl 3s23p6 F Na 2s22p6 不典型的正离子外层电子构型还有 9 17电子构型 如Fe3 3s23p63d5 Cu2 3s23p63d9 18电子构型 如Cu 3s23p63d5 Zn2 3s23p63d10 2 共价键 两原子间通过共用电子对而形成的化学键 电负性相同或相差不很大 共价键的本质 怎样解释形成双键和叁键的原子间共享2对 3对电子 电子对的享用与提供电子的原子轨道间存在什么关系 能否用原子轨道在空间的取向解释分子的几何形状 1 原子轨道的重叠 价键理论 superpositionofatomicorbital valencebondtheory 量子力学处理H2分子的结果 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 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 原子轨道对称性匹配 且最大程度地重叠 1与 2符号相同 重叠 不能重叠 匹配 最大重叠 共价键的特点 方向性 饱和性 每个原子的未成对电子数是一定的 所以形成共用电子对的数目也就一定 指原子间总是尽可能的沿着原子轨道最大重叠的方向成键 键 原子轨道沿核间联线方向进行同号重叠 头碰头 共价键的键型 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 键与 键形成示意图 头碰头 肩并肩 键型的稳定性 键 键 为什么 问题 相邻两原子间只能形成个 键 但可形成个或个以上的 键 1 2 2 为什么 图2 8N2分子轨道重叠图 分子中两个原子核间的平均距离 分子中键与键之间的夹角 这两个参数可以通过X 射线单晶衍射等实验手段测量得到 键长 bondlength 键角 bondangle 二甲基嘧啶胺与ZnCl2在无水乙醇中形成的配合物 P 1空间群 共价键参数 Covalentbondparameters 这两个参数决定了分子的空间构型 意义 表示在一定条件下物质原子间相互作用的强弱 对双原子分子 离解能D 键能E 键能 bondenergy D1 H OH 498kJ mol 1 又称键解离能 D 单位 kJ mol 1 使1molA B g A g B g 所需吸收的能量 E表示 D E H Cl E Cl Cl H2O g H g OH g D2 H O 428kJ mol 1 OH g H g O g D H Cl 432kJ mol 1 D Cl Cl 242kJ mol 1 E O H D1 D2 2 463kJ mol 1 再如NH3 分子轨道 能量相近原理 最大重叠原理 对称性匹配 成键三原则 决定成键的效率 决定是否能成键 A B AB 2 分子轨道理论 molecularorbitaltheory 描述分子中电子运动的波函数 分子轨道的特点 多电子 多中心 电子属于整个分子 由原子轨道线性组合而成 分子轨道的形成 例如 处理分子轨道的方法 能量最低原理 泡利不相容原理 洪特规则 弄清分子轨道的数目和能级 电子填入分子轨道时服从以下规则 由原子算出可用来填充这些轨道的电子数 按一定规则将电子填入分子轨道 像写原子的电子分布那样写出分子的电子组态 分子轨道的数目 键合的原子轨道数之和 如H2中的分子轨道 两个H原子相互接近时 由两条1s轨道组合得到能级不同 在空间占据的区域亦不同的两条分子轨道 能级较低的 叫成键分子轨道 bondingmolecularorbital 能级较高的 叫反键分子轨道 antibondingmolecularorbital 两个He原子 电子组态为1s2 相互接近时发生类似的情况 两个1s原子轨道组合得到一条和一条轨道 不同的是有4个电子而不是有2个电子待分配 4个电子恰好填满和轨道 分子的电子组态应为 成键电子数与反键电子数相等 净结果是产生的吸引力与排斥力相抵消 即两个He原子间不形成共价键 分子轨道理论的这一判断与He在气态以单原子分子存在的事实相一致 RelativeenergylevelsoforbitalsinHe He He2 reaction 5 3 2分子的极性与分子的空间构型 MolecularPolarityandGeometry 非极性分子 nonpolarmolecule 一 分子的极性与电偶极矩 极性分子 polarmolecule 分子的极性可以用电偶极矩 来表示 1 分子的极性 2 电 偶极矩bonddipolemoment m m q l m单位 C m 库 米 l q q 偶极子 偶极矩不仅可以说明分子极性的强弱 还可判断分子的空间构型 如实测H2O分子的 6 17 10 30C m H2S分子的 3 24 10 30C m 由此可判断 这两种化合物都是极性分子 极性 H2O H2S 空间构型肯定不是直线型 说明 是矢量 其方向从正指向负 其值可由实验测得 0的分子为非极性分子 0的分子是极性分子 分子的极性 一些分子的偶极矩 1030 C m 和分子的空间构型 分子的极性与分子空间构型有关 结论 问题 为何不同分子可呈现不同的空间构型 分子的空间构型 指分子中各原子在空间排列构成的几何形状 如HCl形成的共价键 化学键的极性 取决于原子在分子中吸引电子的能力 电负性 同核双原子分子 非极性共价键 由不同元素的原子间形成的共价键 极性共价键 H Cl 注意 分子的极性与化学键的极性不完全一致 1 空间结构对称的分子 如CO2 CCl4 分子的极性与化学键的极性的关系 简单的双原子分子 键的极性就是分子的极性 2 由极性键构成的空间构型不对称的分子 复杂的多原子分子 分子的极性不仅与键的极性有关 而且还取决于分子的空间构型 键有极性 分子无极性 6 17 10 30 C m 4 90 10 30 0 0 1931年 鲍林在价键理论基础上提出了杂化轨道理论 三 分子的空间构型与杂化轨道 hybridorbital 据价键理论 实验结果 O 2s22p4 N 2s22p3 H 1s1 H 1s1 成键时能级相近的价电子轨道相混杂 形成新的价电子轨道 杂化轨道 轨道成分变了 总之 杂化后的轨道 轨道的能量变了 轨道的形状变了 结果 当然是更有利于成键啰 变了 杂化后轨道伸展方向 形状和能量发生改变 杂化前后轨道数目不变 1 杂化轨道理论基本要点 2 杂化形式 等性杂化 不等性杂化 Be 2s2 1 sp杂化 Be采用sp杂化生成BeH2 两个sp杂化轨道 B 2s22p1 2 sp2杂化 BF3的空间构型为平面三角形 三个sp2杂化轨道 CH4的空间构型为正四面体 C 2s22p2 3 sp3杂化 四个sp3杂化轨道 等性spn杂化比较 4 不等性sp3杂化 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 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 如 A A A族元素可分别形成等性sp sp2 sp3杂化 Be B C Si Al 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 sp3d杂化 sp3d2杂化 思考题 解释CH4 C2H2 CO2的分子构型 已知 C2H2 CO2均为直线型 的构型为 试用杂化轨道理论解释下面问题 NH3 H2O的键角为什么比CH4小 CO2的键角为何是180 乙烯为何取120 的键角 在BCl3和NCl3分子中 中心原子的氧化数和配体数都相同 为什么两者的空间分子结构却不同 Question 还是杂化形式不同 杂化形式不同 1 分子间力没有方向性和饱和性 特点 一 分子间力 intermolecularforce 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 5 3 3分子间相互作用力 IntermolecularForce 分子间力通常包含范德华力和氢键两种 1 范德华力 vanderWealsforces 包括三种力 1 色散力 dispersionforce 由于存在瞬时偶极而产生的相互作用力 特点 普遍存在 包括稀有气体 是最主要的分子间力 存在于一切分子之间 瞬间偶极 相互靠近 色散力 诱导 2 诱导力 inductiveforce 3 取向力 orientationforce 影响大小的因素 固有偶极的 越大 取向力越大 于极 非或极 极之间 存在于极 极分子之间 固有偶极 诱导偶极 诱导力 诱导力存在 不同分子间的各种范德华力大小是不一样的 注意 不同分子间作用力的比较 kJ mol 1 2 氢键 hydrogenbond 1 氢键形成的原因 2 形成氢键的条件 A 分子中有H原子 B X H Y中的X和Y原子元素的电负性大 半径小 有孤对电子 X H Y 电负性很大 电负性很大 X H Y 氢键 是分子与分子间存在的一种较强的作用力 注 氢键不是 化学键 即X Y只能为N O F 且X Y可同可不同 例 含 CHO或 CO 的醛 酮等有机物的分子之间不可能形成氢键 3 氢键的特点 A 氢键有饱和性和方向性 无氢键 但水与甲醛之间可有氢键 氢键 B 氢键的强弱与X和Y的电负性大小有关 图2 26水分子间的氢键示意图 X H Y 180 4 氢键对化合物性质的影响 A 对熔沸点的影响 使物质熔 沸点升高 C 氢键的键能 比共价键键能小得多 而与分子间力具有相同的数量级 不同种类原子所形成的氢键其键能不同 B 对物质溶解度的影响 服从 相似相溶 原理 I2 Br2溶于CCl4 强电解质溶于水 强极性 中 但难溶于弱极性的有机溶液 油 苯等 中 极 极相溶 非极 非极相溶 除了HF H2O NH3有分子间氢键外 在有机羧酸 醇 酚 胺 氨基酸和蛋白质中也有氢键的存在 例如 甲酸靠氢键形成二聚体 除了分子间氢键外 还有分子内氢键 例如 硝酸的分子内氢键使其熔 沸点较低 5 4晶体结构CrystalStructure 一 晶体的基本类型 1 离子晶体 ioniccrystal 点阵 面心立方晶系 立方晶系配位数 6 6 点阵 简单立方晶系 立方晶系配位数 8 8 点阵 面心立方晶系 立方晶系配位数 4 4 几种常见的结构形式为 由正 负离子以离子键按一定方式排列而成的晶态物质 特点 晶格能 EL 大 熔点 沸点高 EL 物质微粒是原子 原子与原子之间以共价键结合成一整体 2 原子晶体 金刚石原子晶体 SiO2晶体 原子晶体特点 熔 沸点高 硬度大 SiO2化学式仅代表原子个数比 3 分子晶体 物质微粒是分子 分子内以共价键结合 分子与分子之间以分子间力结合在一起 CO2分子晶体 H2O分子晶体 分子晶体特点 分子间力作用弱 晶体硬度较小 熔 沸点较低 4 金属晶体 金属原子之间以金属键结合而成的晶体 显然 金属原子之间最紧密方式堆积将是最稳定的 几种常见的结构形式为 六方密堆积 立方密堆积 体心立方堆积 金属键 金属原子 正离子 与自由电子间的作用力 5 过渡型晶体 石墨的层状晶体结构 硅酸盐的链状晶体结构 二 晶体缺陷 晶体缺陷的分类 晶体的缺陷对晶体的导电性 光学 力学和机械性能以及化学反应特性等性质都有明显的影响 甚至会出现一些新的功能特性 1 按缺陷的组成和结构可分为本征缺陷和杂质缺陷 本征缺陷 不含有外来杂质 仅由晶体的不完善产生出的缺陷 主要有空位缺陷 间隙缺陷 错位缺陷等 例如 在氟化钠晶体中 可能的本征缺陷是弗伦克尔缺陷 即氟离子空位和间隙氟离子形成的缺陷对 在氯化钠晶体中可能存在的本征缺陷是肖特基缺陷 即钠离子和氯离子空位形成的缺陷对 杂质缺陷 杂质离子和被置换离子之间 由于离子半径及电价 电负性差异产生的缺陷 2 从几何角度出发可分为点缺陷 线缺陷 面缺陷和体缺陷 晶格空位 1 整比缺陷 整比缺陷是在整比化合物 符合定组成定律的化合物 的晶体中观察到的缺陷 这类缺陷的产生并不影响晶体的组成 整比缺陷可以分成两种类型 3 从化学角度出发可分为整比缺陷和非整比缺陷 正畸变 负畸变 线缺陷 晶体中的点缺陷 晶体中的线缺陷 1 空穴缺陷 2 间充缺陷 晶体晶格中有相等数目的正离子和负离子同时消失而出现成对的空穴 又