第一章(化学键).ppt

第四章化学键 化学键分子或晶体中相邻两个原子或离子间的强烈的作用力 第一节离子键 离子键理论的基本要点1 离子键的本质是库仑静电作用力f q q R2q q 为离子所带电荷 R为离子间距离 离子键强度是用晶格能来描述的 1mol离子晶体解离成自由气态离子时所吸收的能量的绝对值 符号UNaCl s Na g Cl g U 788kJ mol 1晶格能越大 晶体的熔点越高 硬度越大 热膨胀系数越小 压缩系数越小 第四章化学键 2 离子键的特点 既无方向性 也无饱和性 离子化合物是由正负离子通过离子键相互交替连结而成的晶体结构 3 离子键的离子性与元素的电负性差有关 两元素的电负性差 x 1 7 判断键的性质 第一节离子键 离子键理论的基本要点 第四章化学键 第一节离子键 离子键理论的基本要点 离子特征 1 离子的电荷 原子在形成离子化合物过程中 失去或得到的电子数2 离子的电子构型简单负离子一般最外层具有稳定的8电子构型 正离子 2电子构型离子最外层电子s2Li Be2 8电子构型离子最外层电子s2p6Na K Ca2 18电子构型离子最外层电子s2p6d10Cu Ag Zn2 Cd2 Hg2 18 2电子构型离子最外层电子s2p6d10s2Pb2 Sn2 Bi3 9 17电子构型离子最外层电子s2p6d1 9Fe2 Fe3 Cr3 Mn2 第一节离子键 离子键理论的基本要点 离子特征 3 离子半径 1 离子半径 根据晶体中相邻正负离子间的核间距 d 测出的 d r r 有效离子半径 离子半径变化规律 具有同一电子结构的正负离子中 负离子半径一般比正离子半径大 rNa 98pm rF 133pm 同一元素不同价态的正离子 电荷数越少的离子半径越大 rFe2 rFe3 第一节离子键 离子键理论的基本要点 离子特征 同一主族 从上到下 电荷数相同的离子半径依次增大 同一周期主族元素正离子半径随离子电荷数增大而依次减小 rNa rMg2 rAl3 周期表中 每个元素与其邻近的右下角或左上角元素离子半径接近 即对角线规则 rLi rMg2 rSc3 rZr4 rNa rCa2 第二节共价键理论 经典价键理论 ClassicCovalentBonds 认为H2 O2 N2中两个原子间是以共用电子对吸引两个相同的原子核 电子共用成对后每个原子都达到稳定的希有气体原子结构 缺陷 1 成对电子不相斥2 有方向性3 静电吸引只占键能的5 4 非八偶体结构PCl5 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB H2共价键的形成和本质 R0 74pmD 456kJ mol 1两原子电子自旋相反 电子云分布在核间比较密集 能量降低 形成H2 两原子电子自旋相同 电子云分布在核间比较稀疏 能量升高 不能形成H2 第二节共价键理论 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 自旋相反的成单电子相互接近时 核间电子云密度较大 原子轨道发生重叠 体系能量降低 可形成稳定的共价键 共价键形成条件自旋相反的未成对电子原子轨道最大重叠原理 1 共价键有饱和性 一个原子有几个未成对的电子 便可和几个自旋相反的电子配对成键 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 共价键的特点 2 共价键有方向性 共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向 轨道的对称轴 形成 叫着最大重叠原理 即重叠越多 电子在两核间出现的机会越大 形成的共价键也就越稳定 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 共价键的类型 键和 键 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 键 沿着轨道对称轴方向的重叠形成的共价键 键 沿着轨道对称轴平行方向的重叠形成的共价键 键电子云界面图 键电子云界面图 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 键和 键 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 配位键由成键的两原子中的一个原子单独提供电子对进入另一个原子的空轨道共用而成键 此种共价键称为配位键 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 共价键的极性非极性共价键两个相同元素的原子O2 H2极性共价键两个不同元素的原子HCl 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 键参数 AB g A g B g H EAB对于双原子分子 键能EAB等于解离能DAB 对于多原子分子 注意键能与解离能的区别与联系 如NH3 NH3 g H g NH2 g D1 435 1kJ mol 1NH2 g H g NH g D2 397 5kJ mol 1NH g H g N g D3 338 9kJ mol 1 三个D值不同 D1 D2 D3 为什么 EN H 390 5 kJ mol 1 键能 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 键参数 键长 分子中成键两原子核之间的距离叫键长 一般键长越小 键越强 键长 pm键能 kJ mol 1C C154345 6C C133602 0C C120835 1 在不同化合物中 相同的键 键长和键能并不相等 例如 CH3OH中和C2H6中均有C H键 而它们的键长和键能不同 现代的价键理论 ValenceBondTheory VB 第二节共价键理论 键参数 键角是分子中键与键之间的夹角 如H2S H S H键角为92 决定了H2S分子的构型为 V 字形 又如CO2 O C O的键角为180 则CO2分子为直线形 键角是决定分子几何构型的重要因素 键角 第二节共价键理论 杂化轨道理论 Orbitalhybridization 同一原子的若干能量相近的原子轨道重新组合 形成一组新的原子轨道 这个过程叫做杂化 产生的新轨道叫做杂化轨道理论要点同一原子的若干能量相近的原子轨道重新组合形成的杂化轨道数等于参与杂化的原子轨道数杂化轨道一头大 一头小 有利于轨道最大重叠 sp3杂化 由1个s和3个p轨道组合成4个sp3轨道的过程 形成的轨道为sp3杂化轨道 以CH4为例 E s 4 3p 4夹角 109028 杂化轨道的类型 sp3杂化 杂化轨道的类型 AY4的分子的中心原子A都采取sp3杂化类型 例如 CH4 CCl4 NH4 CH3Cl NH3 H2O等 与中心原子键合的是同一种原子 分子呈高度对称的正四面体构型 其中的4个sp3杂化轨道自然没有差别 这种杂化类型叫做等性杂化 中心原子的4个sp3杂化轨道用于构建不同的s轨道 如CH3Cl中C H键和C Cl键的键长 键能都不相同 显然有差别 4个s键的键角也有差别 又如NH3和H2O的中心原子的4个杂化轨道分别用于s键和孤对电子对 这样的4个杂化轨道显然有差别 叫做不等性杂化 杂化轨道的类型 sp2杂化 由1个s和2个p轨道组合成3个sp2轨道的过程 形成的轨道为sp2杂化轨道 以BF3为例 E s 3 2p 3夹角 1200 杂化轨道的类型 碳原子杂化轨道sp2的形成及特点 E s 3 2p 3夹角 1200 乙烯的形成 杂化轨道的类型 碳原子杂化轨道sp2 杂化轨道的类型 碳原子杂化轨道sp的形成及特点 E s 2 p 2夹角 1800 碳原子的杂化类型总结 S电子离核近 S成分比例越高 吸引电子能力越强所以 C原子电负性大小 Csp Csp2 Csp3 Csp3Csp2Csp 价层电子对互斥理论 1 要点 分子或离子的空间构型决定了中心原子周围的价层电子数 价层电子对尽可能彼此远离 使它们之间的斥力最小 通常采取对称结构 第二节共价键理论 2 推断分子或离子空间构型的步骤 1 确定中心原子价层电子对数价层电子对数 中心原子价电子数 配位原子提供的电子数 离子电荷代数值 2 H和 X 卤原子各提供一个价电子 O和S提供的电子数为0 卤素作为中心原子时 提供的价电子数为7 O S作为中心原子时 提供的价电子数为6 价层电子对互斥理论 价层电子对互斥理论 例 价电子数价电子对数PO43 N 5 3 84NH4 N 5 4 1 84CCl4N 4 44NO2N 52 5ICl2 N 7 2 15OCl2N 6 24 2 推断分子或离子空间构型的步骤 1 确定中心原子价层电子对数 价层电子对互斥理论 2 推断分子或离子空间构型的步骤 2 根据中心原子价层电子对数 找到相应电子对的排布 这种排布方式可使电子对之间的斥力最小 电子对数23456电子对排布直线平面三角四面体三角双锥八面体 3 分子的构型取决于中心原子的价层电子对数目及电子对的构型 NH3CH4 4 配位原子按相应的几何构型排布在中心原子周围 每1对电子连结1个配位原子 剩下未结合的电子便是孤对电子 孤对电子的位置会影响分子的空间构型 H2OICl2 价层电子对互斥理论 2 推断分子或离子空间构型的步骤 分子轨道理论简介 基本要点1 分子中电子在整个分子范围内运动 分子中电子的运动状态称为分子轨道 分子轨道是由原子轨道线性组合成的 2 分子轨道数目与组成的原子轨道数目相等 如 2H的1s组合成2个分子轨道 1 1s 1s成键轨道 1 1s 1s反键轨道3 分子总能量为电子所具有能量之和 4 原子按一定空间位置排列后 电子逐个填入 构成整个分子 5 电子在分子轨道中的排布遵守三原则 不相容原理 能量最低原理 洪特规则6 原子轨道线性组合应符合三原则 能量相近 电子云最大重叠原则 对称性匹配原则 分子轨道理论简介 基本要点 分子轨道理论简介 基本要点 原子轨道线性组合的类型对核间连线呈相同的对称性的轨道可以进行线性组合 s s重叠 s p重叠 p p重叠 p d重叠 d d重叠 s px沿x方向的组合 组成 分子轨道 py dxy沿x方向 组成 分子轨道 dxypy spx 对称性匹配原则 6 原子轨道线性组合应符合三原则 能量相近原则H1s 1312kJ mol 1Na3s 496kJ mol 1O2p 1314kJ mol 1Cl3p 1251kJ mol 1 左面3个轨道能量相近 彼此间均可组合 形成分子轨道 但Na3s比左面3个轨道的能量高许多 不能与之组合 最大重叠原理在对称性一致 能量相近的基础上 原子轨道重叠越大 越易形成分子轨道 或说共价键越强 分子轨道理论简介 基本要点 6 原子轨道线性组合应符合三原则 分子轨道类型 轨道原子轨道沿着连接两个核的连线方向发生重叠形成的分子轨道 对键轴成圆柱型对称 轨道原子轨道相互平行发生重叠形成的分子轨道 有一个通过键轴与纸面垂直的对称面 分子轨道理论简介 分子轨道理论简介 重叠类型 1 s s重叠 形成一个成键轨道 s s 一个反键轨道 s s 2 s p重叠 形成一个成键轨道 s p 一个反键轨道 s p 分子轨道理论简介 重叠类型 3 p p重叠 头碰头形成 轨道 p p p p 肩并肩形成 轨道 p p p p 分子轨道理论简介 键级 键的牢固程度键级 成键轨道上的电子数 反键轨道上的电子数 2键级越高 键越稳定 键级为零 分子不可能形成 1 氢原子的形成 第三节分子结构与物理性质 分子的磁性 抗磁性氢分子 氮分子中不存在单电子 所有电子均成对 在外磁场作用下 产生诱导磁场的方向与外磁场方向相反 对抗外磁场的作用顺磁性氢分子离子 氧分子中存在未成对电子 具有永久磁矩 在外磁场作用下 产生诱导磁场的方向与外磁场方向相同 第三节分子结构与物理性质 分子的极性 非极性分子 正 负电荷重心相重合的分子 极性分子 正 负电荷重心不相重合的分子 1 双原子分子H2 Cl2 O2分子中存在非极性键 为非极性分子 HF HCl HBr HI分子中存在极性键 为极性分子 2 多原子分子分子由非极性键构成 整个分子是非极性的 分子由极性键构成 分子的极性则由空间构型决定 例如 CO2O C是极性键O C O分子呈现对称构型 整个分子为非极性分子 例如 CCl4C Cl是极性键 分子的空间构型为正四面体 为对称构型 分子为非极性分子 而CHCl3是极性分子 第三节分子结构与物理性质 分子的极性 第三节分子结构与物理性质 偶极矩 等于正 负电荷间的距离 d 与正电荷重心或负电荷重心上的电量 q 的乘积 q d 是矢量 方向由正到负 单位 C m 越大 分子极性越强 0分子是非极性分子 分子极性大小的表示方法 双原子分子的偶极矩就是极性键的键矩 极性分子的偶极矩称为永久偶极 第三节分子结构与物理性质 分子极性大小的表示方法 非极性分子在外电场的作用下 可以变成具有一定偶极矩的极性分子 诱导偶极用 表示 其强度大小和电场强度成正比 也和分子的变形性成正比 所谓分子的变形性 即分子的正负电重心的可分程度 分子体积越大 电子越多 变形性越大 诱导偶极 而极性分子在外电场作用下 其偶极也可以增大 在电场的影响下产生的偶极称为诱导偶极 第三节分子结构与物理性质 分子极性大小的表示方法 第三节分子结构与物理性质 分子极性大小的表示方法 非极性分子在无外电场作用时 由于运动 碰撞 原子核和电子的相对位置变化 其正负电重心可有瞬间的不重合 极性分子也会由于上述原因改变正负电重心 这种由于分子在一瞬间正负电重心不重合而造成的偶极叫瞬间偶极 瞬间偶极和分子的变形性大小有关 瞬间偶极 第三节分子结构与物理性质 取向力永久偶极之间的静电引力 取向力只有极性分子与极性分子之间才存在 分子偶极矩越大 取向力越大 分子间作用力 范德华力 第三节分子结构与物理性质 分子间作用力 诱导力 由极性分子的永久偶极与非极性分子所产生的诱导偶极之间的相互作用力 存在于极性分子与非极性分子之间 也存在于极性分子与极性分子之间 范德华力 第三节分子结构与物理性质 色散力 由瞬间偶极而产生的分子间的相互作用力 影响因素 1 与分子的变形性有关2 分子量越大变形性越大 色散力越大 分子间吸引力随分子量增大而增大 色散力存在于极性分和极性分子 极性分子和非极性分子及非极性分子和非极性分子之间 范德华力 第三节分子结构与物理性质 分子间力的特性 特点 1 键能小 只有几个至几十个kJ mol 1 比化学键小1 2个数量级 2 静电短程力 不具有方向性和饱和性 3 非极性分子间只存在色散力 极性分子与非极性分子间存在色散力与诱导力 极性分子之间三种力都存在 色散力是主要的 取向力在极性大的分子中占有较大比重 4 取向力与温度有关 诱导力 色散力受温度影响不大 第三节分子结构与物理性质 分子间作用力与物质性质的关系 1 熔 沸点的规律 分子量越大色散力越大 同类物质的熔沸点随着分子量的增大而升高 2 相似相溶 强极性分子间存在强的定向力 所以互溶 非极性分子间的引力和极性分子间的引力都大于极性分子与非极性分子间的引力 所以极性分子与非极性分子之间互不相溶 第三节分子结构与物理性质 氢键 由电负性极强的元素 O N F 相结合的氢原子 和另一分子中电负性极强的原子间所产生的引力的作用 分为分子内氢键和分子间氢键 由于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 除非其它外力有较大影响时 才改变方向 氢键的强度氢键的强度介于化学键和分子间作用力之间 其大小和H两侧的原子的电负性有关 见下列氢键的键能数据 F H FO H ON H NE kJ mol 128 018 85 4 氢键的特点饱和性和方向性由于H的体积小 1个H只能形成一个氢键 第三节分子结构与物理性质 第三节分子结构与物理性质 氢键对于化合物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 HFHClHBrHI半径依次增大 色散力增加 b p 依次增高 HCl HBr HI但由于HF分子间有氢键 故HF的b p 最高 破坏了从左到右b p 升高的规律 H2O NH3由于分子间氢键的存在 在同族氢化物中b p 亦是最高 存在分子间氢键 而分子量相同的H3C O CH3无分子间氢键 故前者的b p 高 CH3CH2OH 氨具有反常的沸点是由于存在着 A 氢键B 色散力C 分子间力D 取向力2 共价键最可能存在于A 金属原子之间B 非金属原子之间C 非金属原子和金属原子之间D 电负性相差很大的元素原子之间3 BeCl2分子中 Be原子所采取的杂化方式是A spB sp2C sp3D s2p24 氨分子的结构A 平面型B 线型C 锥形体D 正方形5 下列分子中偶极矩 0的是 A NH3B H2OC PCl3D CO26 氯化氢分子中 形成共价键的原子轨道是A 氯原子的2p轨道和氢原子的s轨道B 氯原子的2p轨道和氢原子的p轨道C 氯原子的3Px轨道和氢原子的3px轨道D 氯原子的3px轨道和氢原子的1s轨道1 A2 B3 A4 C5 D6 D 1 sp3杂化轨道类型的共价键的方向性特征是 A 平面的B 正方形C 四面体D 三角形2 甲烷分子中 碳原子所采取的杂化方式为A spB sp2C sp3D 不等性sp33 H2O的沸点是100 H2Se的沸点是 42 这可以用下述哪种理论来解释 A 范德华力B 共价键C 离子键D 氢键4 H2O