药学专科自考-分子结构

无机化学,第八章共价键分子结构,本章要求1.掌握现代价键理论要点和键、健的特征。2.掌握杂化轨道理论基本要点，杂化类型，特征；等性、不等性杂化概念及应用。重点：价键理论要点和键、健的特征难点：杂化轨道理论,2020/5/10,2,第八章共价键与分子结构,2020年5月10日12时35分,第一节共价键理论第二节分子间作用力和氢键,第八章共价键与分子结构,2Na(s)+Cl2(g)2NaCl(s),颜色物态导电性,银灰色黄绿色无色,固体气体晶体,极强极弱极弱，熔融导电,上述三种物质性质的不同是由什么引起的？反映出什么问题？,第八章共价键与分子结构,化学键定义：化学键是指分子内部原子之间的强烈的相互作用力。,不同的外在性质反映了不同的内部结构,各自内部的结合力不同,第八章共价键与分子结构,化学键理论,金属键理论,共价键理论,离子键理论,路易斯理论,现代共价键理论,分子轨道理论,现代价键理论,电子配对理论,杂化轨道理论,价层电子对互斥理论,其中共价键最为复杂，而大部分化合物以共价键形式结合。,第八章共价键与分子结构,1916年，美国化学家G.N.Lewis提出了共价键理论(经典价键理论)。,离子键理论不能说明相同原子形成单质分子，也不能说明不同的非金属原子如何形成化合物分子。,H2，O2，H2O，CO2：,第一节共价键理论,路易斯认为：分子中每个原子应该具有稳定的稀有气体原子的电子层结构(8电子结构)，该结构可以通过原子间共享电子对(一对或若干对)的方式来实现。,分子中原子间通过共用电子对而结合成的化学键称为共价键。,第一节共价键理论,经典理论的缺陷：为何电子同性排斥而却可以配对成键？为何有方向性？为何多于或少于8电子的结构依然存在？,2020/5/10,H2,+,1927年Heitler和London应用量子力学才初步阐明共价键的本质。,1H1s1,实例：H2分子的形成,共用电子对,共价键：原子间通过原子轨道重叠所形成的化学键。,一、现代价健理论,（一）氢分子的形成和共价键的本质,第一节共价键理论,基本要点,1.具有自旋相反的成单电子的原子相互接近时，原子轨道重叠，核间电子云密度增大，形成稳定的化学键。2.一个原子含有几个未成对的电子，就能与几个自旋相反的成单电子配对成键共价键的饱和性3.形成共价键的原子轨道重叠越多、核间电子云密度越大，形成的共价键就越牢固共价键的方向性,（二）现代价键理论的要点（电子配对法）,一、现代价健理论,第一节共价键理论,2020年5月10日12时35分,一、现代价健理论,0,0,3,3,2,2,1,1,（二）现代价键理论的要点,实例：,4Be:1s22s2,7N1s22s22px12py12pz1,第一节共价键理论,2020年5月10日12时35分,共价键的特点饱和性,一、现代价健理论,两原子自旋相反的单电子配对成键之后，不能再与第三个原子的单电子配对成键,0,0,3,3,2,2,1,1,2020/5/10,原子轨道重叠时，只有同号才为有效重叠。,一、现代价健理论,共价键的特点方向性,不能成键,能成键,2020年5月10日12时35分,2.p键,原子轨道沿两核连线（键轴）方向，以“肩并肩”方式重叠形成的键叫做p键,（三）共价键的类型,一、现代价健理论,1.s键,原子轨道沿两核连线（键轴）方向，以“头碰头”的方式重叠形成的键叫做s键,“头碰头”较牢固,“肩并肩”易断裂,第一节共价键理论,H2，s-s,HCl，s-p,Cl2，p-p,实例：,一、现代价健理论,（三）共价键的类型,1H，1s1,17Cl，1s22s22p63s23p5,第一节共价键理论,2020/5/10,:NN:,N2分子7N1s22s22px12py12pz1,实例,键和键的特征比较,成键规律：单键：键,双键：键+键,叁键：键+2个键,特殊的共价键,成键原子中一个原子提供孤对电子，另一个原子提供空轨道形成。,一、现代价健理论,3.配位键,形成CO分子时,与N2相仿,同样用了三对电子,形成三个共价键。其中一对电子在形成共价键时具有特殊性:C原子提供一个2p空轨道,而O原子提供一对孤对电子，原子轨道重叠成键，这样的共价键称为共价配位键，CO可表示成:,配位键的形成条件,（三）共价键的类型,形成过程特别，但是形成后与普通共价键无区别,H+NH3NH4+,一、现代价健理论,3.配位键,（三）共价键的类型,2020年5月10日12时35分,二、杂化轨道理论,价键理论较好的阐述了共价键的形成和本质，并成功地解释了共价键的方向性和饱和性等特点，但是不能很好的说明分子的空间结构。随着近代物理实验技术的发展，如：X射线衍射、电子衍射、旋光、红外等，许多分子的几何构型已经被实验所确定。H2OV型、CO2直线型、NH3三角锥、CH4正四面体。对于这些多原子分子的价键结构和空间构型，价键理论是无法解释的。我们以CH4为例来说明。,第一节共价键理论,2020年5月10日12时35分,基态C原子的价层电子构型是2s22p2，C原子只能提供两个未成对电子与H原子形成两个CH键，因而不能解释CH4中C有四个等效的单键，对此，鲍林提出了量子状态变化的思想，即2s22p22s12p3这个跃迁只需要1.6eV的能量；这样虽然解释了碳原子的四价行为，但它的四个单键是不等效的，仍然违背化学经验。这就引导鲍林继续前进，“使L层中l=0和l=1的两个电子亚层的界限消失,”这就是sp3杂化轨道概念的雏形。,二、杂化轨道理论,第一节共价键理论,CH4正四面体结构,实例,2020年5月10日12时35分,（一）杂化轨道理论的要点,所谓杂化指在形成分子时，由于原子间的相互影响，若干不同类型的、能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新的轨道，这种原子轨道重新组合的过程称为杂化。杂化以后的新轨道成为杂化轨道。,（1）原子轨道的杂化，只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子是不会发生杂化的。,二、杂化轨道理论,第一节共价键理论,二、杂化轨道理论,4.杂化轨道的空间构型取决于中心原子的杂化类型,（一）杂化轨道理论要点,2.杂化轨道的成键能力更强，杂化轨道变得一头肥大、形成共价键时重叠程度增大。3.杂化轨道的数目等于参与杂化的原子轨道数目。,第一节共价键理论,BeCl2Be:2s2,1.sp杂化:夹角180，直线型,二、杂化轨道理论,(二）杂化轨道的类型与分子的空间构型,实例,第一节共价键理论,5B2s22p1,BF3的结构,实例,2.sp2杂化：夹角120，平面三角形,6C2s22p2,CH4的结构,实例,3.sp3杂化，夹角109.5正四面体,4.等性杂化和不等性杂化,按杂化后所形成的几个杂化轨道所含成分比例及能量是否相同。,等性杂化：成分完全相同,参与杂化的轨道均含有单电子或均是空轨道。,例如CH4是sp3等性杂化。,有孤对电子占据的原子轨道参与杂化。,例如：NH3、H2O是sp3不等性杂化。,不等性杂化:成分不完全相同,C原子sp3杂化轨道,实例,NH3：键角107sp3不等性杂化三角锥形,H2O：键角104.5sp3不等性杂化V字型,CH4：键角109.5sp3等性杂化正四面体,sp杂化轨道小结,总结,（1）分子或离子的空间构型取决于中心原子周围的价层电子对数。价层电子对是指键电子与孤对电子。（2）价层电子对间尽可能远离以使斥力最小。（3）价层电子对间的斥力与价层电子对的类型有关：孤对孤对孤对成键成键成键,三、价层电子对互斥理论,（一）价层电子对互斥理论的基本要点,第一节共价键理论,1.价层电子对互斥理论的基本要点,（二）价层电子对互斥理论预测分子或离子空间构型的步骤,1.确定中心原子的价层电子对数；中心原子价电子层中电子对的数目为：,3.根据中心原子的价电子对的排布方式，推断分子（或离子）的空间构型。,2.根据中心原子的价层电子对数，找出相应的电子对排布；,注意：,a.当氧族元素作为中心原子时，提供6个电子；但作为配位原子时，则可认不提供电子。b.卤族元素作为中心原子时，提供7个电子;但作为配位原子时，可认为提供1个电子。c.如果是判断某种离子的结构时，则应加上或减去与电荷数相应的电子数。d.价层电子对互斥理论判断共价分子结构的方法：价电子对（成键电子对+孤电子对）之间的斥力最小。,VP=2直线形,VP=3平面三角形,VP=4正四面体,VP=5三角双锥,VP=6正八面体,O3分子的结构,O3中心原子O价层电子对数：(6+02)/2=3价电子对构型平面三角形。分子构型为V型,O3为sp2不等性杂化成键，2个键，一个键,PCl3的分子结构,PCl3中心原子P的价层电子对数：(5+13)/2=4价电子对的构型为四面体，分子构型为三角锥形。,PCl3为sp3不等性杂化成键。,CO2的分子结构,CO2中心原子C的价层电子对数为：（4+02)/2=2价电子对构型和分子构型都为线形。,OF2的分子结构,OF2中心原子O的价层电子对数为：（6+12）/2=4价电子对构型为四面体，分子构型为V型,OF2以sp3不等性杂化成键。,2020年5月10日12时35分,四、键参数,（一）键能,键越短，键愈牢固。,（二）键长,键能越大，键越牢固，分子越稳定。,（三）键角,是反映分子空间构型的重要因素。,三角锥形,正四面体形,第一节共价键理论,小结,现代价键理论的要点共价键的类型及其性质杂化轨道理论要点原子轨道杂化类型及实例根据杂化轨道理论判断分子的杂化类型、分子的空间构型并用轨道式表示杂化过程,课堂练习,1.如果某一个原子没有成单电子，则就不能形成共价键()。2.根据量子力学原理，当两个氢原子形成氢分子时，它们的电子必须，这是保利不相容原理的必然结果。3.若键轴为z轴，则下列原子轨道重叠不能形成键的是（）。A.s-sB.s-pzC.px-pxD.pz-pz4.下列说法正确的是()。Ap轨道之间以“肩并肩”方式重叠可形成键Bp轨道之间以“头碰头”方式重叠可形成键Cp轨道之间以“头碰头”方式重叠可形成键Ds轨道与p轨道“头碰头”方式重叠可形成键5.原子形成分子时.原子轨道之所以要进行杂化,其原因是()。A.进行电子重排B.增加配对的电子数C.保持共价键的方向性D.增加成键能力6.已知BCl3是平面三角形分子，则中心原子B所采取的杂化类型为()。A.spB.sp2C.sp3D.dsp2,错误,自旋相反的两个成单电子,C,B,D,B,2020年5月10日12时35分,物质具有三态，如：水有三态，O2(g)O2(l),CO2(g)CO2(s),NH3(g)NH3(l)，从化学键的角度，不能说明整个物体的性质。,第二节分子间作用力和氢键,广义讲，分子间作用力是除共价键、离子键和金属键以外的分子间和基团间相互作用力的总称。,2020/5/10,根据正负两种电荷在分子内部的分布情况可把分子分为极性分子与非极性分子。,+,极性分子,非极性分子,分子,整体,电中性,局部,正电荷部分(原子核),负电荷部分(电子),一、分子的极性,第二节分子间作用力和氢键,HCl,H2,一、分子的极性,键的极性,1.非极性共价键：相同原子形成的共价键，例如H-H，Cl-Cl，成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。,第二节分子间作用力和氢键,2.极性共价键：不相同的原子形成的共价键，如H+Cl-（HCl），H3C+Cl-（CH3Cl）电子云不完全对称而呈现极性的共价键。,分子极性与键的极性：,2020/5/10,HClHCl,极性键,极性分子,H2HH,非极性键,非极性分子,CO2CO,极性键,非极性分子,直线形,H2OHO,极性键,极性分子,V字形,BF3BF,极性键,非极性分子,平面三角形,NH3NH,极性键,极性分子,三角锥形,CH4CH,极性键,非极性分子,正四面体形,第二节分子间作用力和氢键,共价分子极性的判断,双原子分子,多原子分子,极性共价键极性分子,非极性共价键非极性分子,H2、Cl2、O2,示例,HCl、HF,极性共价键,非极性共价键非极性分子,S8,对称非极性分子,(分子构型),CO2、CH4、BF3,H2O、CHCl3、NH3,不对称极性分子,第二节分子间作用力和氢键,一、分子的极性,分子极性大小的量度电偶极矩,q:分子中正电荷或负电荷中心上的电量d:分子中正或负电荷中心的距离,电偶极矩：,=qd（单位为10-30Cm）,0:极性分子，越大，分子极性越大,=0:非极性分子，如H2、CO2、CH4、BF3,HF、HCl的依次为6.4、3.62,2020年5月10日12时35分,范德华力：物质内部分子与分子之间较弱的作用力。化学键：键能100800kJmol-1分子间力：结合能几几十kJmol-1,取向力诱导力色散力,二、分子间作用力,分子间作用力分类,第二节分子间作用力和氢键,在外电场作用下，无论是极性分子还是非极性分子都会发生变形，变形分子中电子云与原子核出现相对位移，使极性分子的增大、使非极性分子产生诱导偶极，这种现象称为分子的极化,诱导偶极,第二节分子间作用力和氢键,取向力：当极性分子互相接近时，分子的固有偶极之间同极相斥、异极相吸，使分子在空间按一定取向排列吸引，而处于较稳定的状态。这种固有偶极间的吸引力称为取向力。,（一）取向力,第二节分子间作用力和氢键,存在于极性分子之间,二、分子间作用力,当非极性分子与极性分子接近时，极性分子的固有偶极产生的电场使非极性分子极化产生诱导偶极。固有偶极与诱导偶极间的吸引力称为诱导力。,（二）诱导力,第二节分子间作用力和氢键,存在于极性分子与非极性分子之间存在于极性分子之间,对极性分子来说，诱导力是一种附加的作用力,二、分子间作用力,非极性分子中电子不断运动和原子核的振动，使某一瞬间分子的正负电荷中心不重合，形成瞬时偶极，瞬时偶极可使相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极。瞬时偶极间相互作用产生的引力叫色散力。瞬间偶极诱使邻近分子极化。,（三）色散力,第二节分子间作用力和氢键,非极性分子之间只存在色散力,任何分子都在不断产生瞬间偶极,色散力存在于所有的分子之间,二、分子间作用力,小结,第二节分子间作用力和氢键,例：判断下列各组分子之间存在何种范德华力？(1)H2和CO2(2)乙醇和苯(3)水和甲醇,色散力,诱导力，色散力,取向力、诱导力，色散力,分子间作用力的作用,决定物质的熔点、沸点等物理性质的主要因素,F2Cl2Br2I2,摩尔质量范德华力沸点熔点,同族元素的氢化物的沸点,同族元素的氢化物的沸点和熔点一般随相对分子质量的增大而增高，但HF的沸点和熔点却比HCl的沸点和熔点高，H2O和NH3也类似。这些现象如何解释？,第二节分子间作用力和氢键,思考讨论：,三、氢键,当H原子与电负性高、半径小的X原子以共价键结合后，由于X原子吸引电子能力大，使H原子显示较强正电荷，在与另一个电负性较强且有孤对电子的Y原子接触时，又能产生静电吸引力，该吸引力称为氢键，用“”表示。,XHY,第二节分子间作用力和氢键,（一）氢键的形成,X,Y(F,O,N),+,-,XHY,第二节分子间作用力和氢键,三、氢键,（一）氢键的形成,X,Y(F,O,N),讨论,形成：XHY本质：静电作用强弱：与原子X，Y的电负性及原子半径有关。原子X、Y的电负性越大，半径越小，氢键越强。FHFOHOOHNNHN,氢键具有饱和性和方向性,同种分子间氢键,不同种分子间氢键,第二节分子间作用力和氢键,三、氢键,（三）分子内氢键和分子间氢键,第二节分子间作用力和氢键,三、氢键,（三）分子内氢键和分子