《无机及分析化学》教学课件-物质结构简介

2020/5/23,T,1,第四章物质结构简介,制作：理学院化学系,2020/5/23,T,2,离子键共价键分子间力氢键练习,2020/5/23,T,3,第五节离子键,离子键理论的基本要点,离子键定义,离子键的形成,离子键的特点,离子的特征,离子半径,离子电荷,离子的电子构型,离子键的强度,2020/5/23,T,4,一、离子键理论的基本要点,离子键定义：,电离能较小的金属原子和电子亲和能较大的非金属原子靠近时，前者易失去电子形成正离子，后者易得到电子形成负离子，这样正负离子便都具有类似稀有气体原子的稳定结构。它们之间靠库仑静电引力结合生成离子化合物。这种正负离子间的静电吸引力叫做离子键。,2020/5/23,T,5,离子键的形成：,：介电常数,（真空）,（水中）,2020/5/23,T,6,离子键的特点:,NaCl,无方向性：球状电荷分布，各个方向的吸引力一样,无饱和性：一个离子同时可以和任意多的电荷相反的离子吸引,注意：在NaCl晶体中，不存在NaCl分子由于空间和淡化的影响，离子周围的相反电荷离子数一定。,CsCl,2020/5/23,T,7,二、离子的特征,离子半径：,离子半径的变化规律：,同一主族，从上到下依次增大。Li+(70pm)Mg2+(75pm)Al3+(55pm)同一元素，负离子原子正离子S6+(30pm)S4+(37pm)S(104pm)S2,2020/5/23,T,8,离子电荷：,阴阳离子得失电子数。离子电荷的大小直接影响离子键的强度，因而也就影响离子及化合物的性质，如颜色、熔点、沸点、硬度、稳定性、氧化还原性等。,离子的电子构型：,2电子构型(1s2)，Li、Be2。8电子构型(ns2np6)，Na、Mg2、Al3。917电子构型(ns2np6nd19)，Mn2、Fe2、Ni218电子型(ns2np6nd10)，Cu、Ag、Zn2、Sn4。182电子型(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10ns2，Sn2、Pb2,离子键的经验规律：,18或18+2电子层构型的离子917电子层构型的离子8电子层构型的离子。,2020/5/23,T,9,三、离子键的强度（晶格能U）,如何计算：,波恩哈伯循环,Na(g),F(g),F-(g),Na+(g),S,U,E,1/2D,I,H,S：升华能I：电离能D：离解能E：电子亲合能U：晶格能H：NaF的生成焓,离子电荷愈高，半径愈小，晶格能愈大，离子键越牢固熔点越高,2020/5/23,T,10,第六节共价键,路易斯共价键理论,价键理论,价键理论要点,共价键的类型,键参数,杂化轨道理论,2020/5/23,T,11,路易斯共价键理论：,分子中原子之间是通过共用电子对结合成键的，并使成键原子达到稳定的稀有气体结构。这种靠共电子对所用产生的化学结合力，称为共价键，化合物叫做共价化合物。,Cl+ClClCl,缺陷：,不能说明原子间共用电子对为什么会导致生成稳定的分子共价键的本质是什么,2020/5/23,T,12,一、价键理论,1927年德国科学家海特勒(W.Heitler)和伦敦(F.London)把量子力学的成就应用于最简单的H2结构上，建立了现代价键理论,价键理论认为，共价键的本质是：两个原子互相接近时，轨道叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。,2020/5/23,T,13,Changeinelectrondensityastwohydrogenatomsapproacheachother.,共价键成键条件：成键原子中有单电子且自旋相反原子轨道要最大重叠,2020/5/23,T,14,价键理论要点:,饱和性：一个成单电子只能与另一个自旋方向相反的电子互相配对成键，已键合的电子不能再与第三个电子配对。一个原子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。,自旋相反的未成对电子相互靠近时能互相配对，即发生原子轨道重叠，使核间电子几率密度增大，可形成稳定的共价键。,2020/5/23,T,15,方向性：原子轨道重叠时，总是沿着重叠最多的方向进行，重叠愈多，核间电子密度愈大，形成的共价键愈稳固。所以共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向形成，这又称为最大重叠原理。,2020/5/23,T,16,共价键的类型：,键：成键原子轨道沿两核的连线方向，以“头碰头”的方式重叠形成的共价键，称为键。特点是呈圆柱形对称。,s-s,s-p,p-p,2020/5/23,T,17,键：成键原子轨道沿两核轴线方向，以“肩并肩”的方式发生重叠形成的共价键称为键。特点是通过一个键轴的平面成镜面反对称。,2020/5/23,T,18,HF的生成,例1：,2020/5/23,T,19,例2：,N2的生成,2020/5/23,T,20,2020/5/23,T,21,配位键：成键原子一方提供孤电子对，另一方提供空轨道。,2020/5/23,T,22,键参数:,键能(E)：298.15K及标准压力(100kPa)下，将1mol气态AB分子的键断开，使生成气态A、B原子过程所需要的能量，称为离解焓(D)。,双原子分子:键能(E)等于离解焓,H2(g)H(g)+H(g)H=D(HH)=E(HH)=436kJmol-,多原子分子:键能(E)等于全部键的离解焓的平均值,NH3(g)NH2(g)+H(g)D1=435.1kJmol-NH2(g)NH(g)+H(g)D2=397.5kJmol-NH(g)N(g)+H(g)D3=338.9kJmol-E(NH)=390.5kJmol-,2020/5/23,T,23,键长：指构成共价键的两原子之间的核间距。键长越小，键愈强，键愈牢固。,键长：三键双键单键,键能：三键双键单键,2020/5/23,T,24,键角：分子中键与键之间的夹角称为键角。,CO2分子的键角,CH4分子的键角,2020/5/23,T,25,二、杂化轨道理论,为了解释分子的空间结构（键长，键角），Pauling提出了杂化轨道的概念，他认为：在同一个原子中能量相近的不同组类型(s,p,d)的几个原子轨道波函数可以相互叠加而成同等数目的能量完全相同的杂化原子轨道。,例：,CH4的结构,C:2s22px12py13pz,2s,2p,H:1s1,1s,CH2orCH4?CH的键角多大？,2020/5/23,T,26,C:2s22px12py13pz,2s,2p,1s,sp3,2s,2p,激发,杂化,H:1s1,sp3-s,键合,CH4结构的形成：,2020/5/23,T,27,杂化轨道理论的基本要点：,杂化轨道成键时，要满足化学键间斥力最小原则，键与键之间斥力的大小决定于键的方向，即决定于杂化轨道的夹角和类型，因此杂化轨道的类型与分子的空间构型密切相关。,若干个不同类型的、能级相近的原子轨道改变原来状态，重新组合成一组新轨道，这一过程称为“杂化”或“轨道杂化”，所形成的新轨道称为杂化轨道。,杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道数目。杂化轨道的类型随原子轨道的种类和数目不同而不同。,杂化有利于形成牢固的共价键和稳定的分子。不同类型杂化轨道成键能力不同。,2020/5/23,T,28,杂化轨道的类型：,sp杂化：同一原子中ns-np杂化成新轨道；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。sp杂化轨道间的夹角是180，分子的几何构型为直线型。,2020/5/23,T,29,2020/5/23,T,30,sp2杂化：同一个原子的一个ns轨道与两个np轨道进行杂化组合为sp2杂化轨道。sp2杂化轨道间的夹角是120，分子的几何构型为平面正三角形,2020/5/23,T,31,2020/5/23,T,32,sp3杂化：同一个原子的一个ns轨道与三个np轨道进行杂化组合为sp3杂化轨道。sp3杂化轨道间的夹角是10928，分子的几何构型为正四面体,2020/5/23,T,33,2020/5/23,T,34,不等性杂化：杂化后的轨道中填充的有中心原子的孤电子对，此时，形成的杂化轨道成分和能量不完全相同,等性杂化：各杂化轨道的成分和能量相同。,2020/5/23,T,35,H2O分子形成,ValencebondpicturesofH2O,2020/5/23,T,36,sp3d,sp3d2杂化:,2020/5/23,T,37,第七节分子间力和氢键,一、键的极性和分子的极性,非极性共价键:成键的两原子电负性相同,极性共价键:成键的两原子电负性不相同,2020/5/23,T,38,极性分子:分子中，正负电荷的分布重心不重合，存在正、负两极（偶极）,非极性分子:分子中，正负电荷的分布重心相互重合，不存在偶极,2020/5/23,T,39,双原子分子:键有极性，分子有极性；否则无极性,多原子分子:既要考虑分子中键的极性，还要考虑分子的构型是否对称。,H2O,2020/5/23,T,40,偶极矩：,分子极性大小的表示法,=qd,q:正电荷中心的电量,d:正负电荷中心间的距离,单位：,双原子分子:原子电负性差值大小决定偶极矩大小多原子分子:偶极矩是分子中所有化学键键矩的矢量和,2020/5/23,T,41,二、分子间力（范德华力）,分子与分子之间存在着一种比化学键弱得多的相互作用力就是靠这种分子间作用力气体分子才能凝聚成相应的液体和固体。,包括：取向力、诱导力、色散力,2020/5/23,T,42,诱导力：,极性分子与非极性分子之间；极性分子之间的作用力,非极性分子在极性分子的偶极电场作用下产生变形，从而产生偶极。极性分子的固有偶极与非极性分子的诱导偶极的相互作用称为诱导作用，其作用力就叫诱导力。在极性分子中，每个分子也会由于变形而产生诱导偶极，使极性分子极性增加，分子间作用力进一步加强,越大变形形越大诱导力越大,2020/5/23,T,43,色散力：,非极性分子之间的作用力（极性分子也存在）,电子运动、原子核振动在瞬间会出现正、负电中心的不重合情况，产生瞬时偶极。这种瞬时偶极导致的相邻分子间产生的吸引作用称为色散力。色散力作用时间是瞬时的，但它是不间断的，色散力始终存在。色散力在极性分子与非极性分子、极性分子与极性分子之间同样存在。所以，所有分子间均存在色散力。,2020/5/23,T,44,色散力大小与分子的形态,分子量愈大，色散力愈大；相同组成时，线性分子的色散力较大,总结：,对于分子量接近而极性不同的分子，极性分子的熔沸点往往比非极性分子高。,大小：几十，几kJmol-1;没有方向性和饱和性,非极性分子非极性分子：只存在色散力极性分子非极性分子：诱导力、色散力极性分子极性分子：取向力、诱导力、色散力,除少数强极性分子外，大多数分子间作用力以色散力为主,分子间力是决定同类物质物理性质递变规律的主要因素,2020/5/23,T,45,三、氢键,氢键是分子间除去上述三种类型分子间力以外的另一种特殊的作用力。由于氢键的存在，会给一些氢化物带来一些特殊的性质。例如沸点明显增高等。,2020/5/23,T,46,氢键的形成:,当氢原子与一个电负性很大，半径又很小的原子（F、O、N）共价结合后，共用电子对强烈偏向电负性大的原子（F、O、N），使氢原子几乎成为裸露的质子，有强正电场，极易被电负性大且有孤电子对的原子吸引。这种吸引作用叫氢键。,XH-Y,X,Y：电负性大，半径小的原子F,Cl,O,N等,通式：,FHFOHOOHNNHN,2020/5/23,T,47,2020/5/23,T,48,氢键的特点：,饱和性：XH中的H只能与一个Y原子相结合形成氢键，若再有一个Y原子靠近它们，则受到的排斥太大，不能形成第二个氢键。方向性：X,H,Y一般在同一直线上，由于H原子体积很小为了减小X与Y之间的斥力，它们尽量远离，键角接近180。,键能：一般40kJmol-1;分类：分子间氢键分子内氢键,2020/5/23,T,49,氢键对物质性质的影响：,熔沸点：分子间氢键熔、沸点升高；分子内氢键没有这一影响。如：沸点邻硝基苯对硝基苯酚溶解度：分子间氢键物质间溶解能力提高；溶质分子形成分子内氢键在极性溶剂中的溶解度反而减小，在非极性溶剂中的溶解度却增大。粘度：分子间氢键，分子内氢键粘度增大分子缔合：,n=2、3、4,2020/5/23,T,50,2020/5/23,T,51,练习,1.量子力学中的原子轨道是指（）(A)波函数n,l,m,ms(B)电子云(C)波函数n,l,m(D)概率密度2.现有4组量子数如下，其中合理的是（）(A)n=2，l=0，m=-1,ms=+1/2(B)n=3，l=1，m=-1，ms=+1/2(C)n=2，l=2，m=-1,ms=+1/2(D)n=3，l=0，m=0，ms=03.已知某元素在Kr以前（指周期表中位置），当此元素失去三个电子后,它的角量子数为2的轨道内电子恰好半充满，此元素为（）(A)Co(B)Fe(C)Ni(D)Mn4.下列原子或离子中，原子轨道能量与角量子数无关的是（）(A)He(B)Be3+(C)Li(D)Li+5.原子轨道近似能级图中，4s3d是由于之故。,2020/5/23,T,52,6.已知多电子原子中，下列各电子具有如下量子数，其中能量最高的电子应是（)(A)(2,1,1,-1/2)(B)(2,1,0,-1/2)(C)(3,1,1,-1/2)(D)(3,2,-2,-1/2)7.H2O与CH3OCH3分子间存在的作用力类型有（）(A)取向力，诱导力，色散力，氢键(B)取向力，诱导力