第11章-分子结构-细胞生物学

第十一章分子结构,11.1现代价键理论11.2杂化轨道理论11.3价层电子对互斥理论11.4分子轨道理论简介11.5分子间作用力,化学键：分子或晶体中相邻原子间强烈的相互作用力。,以阳离子和阴离子之间静电引力形成的化学键。,分子中原子间通过共用电子对形成的化学键。(包括配位键),金属中金属原子靠核外电子连接在一起。,化学键的概念,11.1现代价键理论,共价键理论发展史,1916年，经典价键理论1927年，现代价键理论杂化轨道理论(1931)1932年，分子轨道理论1940年，价层电子对互斥理论,一、共价键的本质,引言：氢分子的共价键,二、现代价键理论基本要点,具有自旋相反的未成对电子的两原子相互接近时，原子轨道（电子云）重叠使核间电子云密度增大，体系能量降低，形成稳定的共价键。两个成键原子的电子云重叠越多，核间电子云密度就越大，形成的共价键就越牢固。原子轨道最大重叠原理。,共价键的特征,共价键的饱和性（受自旋相反限制）,一个原子上的一个电子只能与另一个原子上自旋方向相反的一个电子配对；一个原子中所含未成对电子数就是它可能形成共价键的数目。,三、共价键的类型（键、键、配位键）,键：原子轨道以“头碰头”方式重叠所形成的共价键。,键的形成与键电子云界面图,特点：原子轨道及其重叠部分、成键电子云绕键轴（两核间联线）呈圆柱形对称。,键：原子轨道以“肩并肩”方式重叠所形成的共价键,键的形成与电子云界面图,特点：重叠部分、成键电子云对通过键轴的一个平面呈镜面对称。,N2分子形成示意图,键以“头碰头”式成键,键和键的比较,配位键：共用电子对由某原子单方面提供。,四、键参数（键能、键长、键角和键的极性等）,键能(bondenergy),在298K和标准压力（100kPa）时，将lmol气态分子AB拆开，成为气态的A原子和B原子所需要的能量。用符号E表示，单位kJmol-1。,对双原子分子：E=DA-B,对于多原子分子：,D1D2D3,键能越大，化学键越牢固，分子越稳定；不同分子中相同键的键能不同；双键、三键键能不是单键键能的整数倍。,键长,键的极性非极性共价键：成键电子云无偏向、正负电荷重心重合的共价键。极性共价键：成键电子云有偏向、正负电荷重心不重合的共价键。,分子中两个原子核间的平衡距离叫做键长，或称核间距。通常键长越短，键越牢固。,键角在分子中同一原子形成的两个化学键之间的夹角叫键角。反映分子的空间构型。,成键原子间的电负性差值越大，键的极性就越大。离子键可以看成是极性键的极限。,非极性分子：分子的正、负电荷重心重合。极性分子：分子的正、负电荷重心不重合。,五、分子的极性,衡量分子的极性大小的尺度：偶极矩m=q.d偶极矩是一个矢量，方向由正到负。单位：库仑米(Cm)表示。,双原子分子中，分子的极性和键的极性一致。多原子分子是否有极性不仅与键的极性有关，还和分子空间构型有关。,11.2杂化轨道理论,原子在形成共价键时，力图用杂化轨道成键。,同一原子中能量相近的原子轨道才能杂化，杂化轨道的数目等于参加杂化的轨道数。杂化轨道和原来的轨道在能量上、轨道形态上以及方向上都是有区别的。杂化轨道的成键能力比未杂化前轨道的成键能力强。,一、杂化轨道理论的基本要点,杂化轨道之间力图在空间取得最大角度，以使成键电子的电子云之间的斥力尽可能低，体系稳定。,两杂化轨道：直线形三杂化轨道：三角形四杂化轨道：四面体形,二、杂化轨道的基本类型,按杂化后轨道的能量是否相同分：等性杂化轨道不等性杂化轨道按参加杂化的轨道的类型分：sp型dsp型,同一层上1个s轨道和l个p轨道间进行杂化，叫做sp杂化。其杂化所形成的轨道，叫做sp杂化轨道。（直线型）,sp杂化,BeCl2的形成过程,sp2杂化,同一层上1个s轨道和2个p轨道间的杂化，叫做sp2杂化，其杂化所生成的杂化轨道，叫做sp2杂化轨道。（三角形）,sp3杂化,同一层上1个s轨道和3个p轨道间的杂化，叫做sp3杂化。其杂化所生成的杂化轨道，叫做sp3杂化轨道。（四面体型）,CH4分子形成,不等性的sp3杂化,杂化以后的几个杂化轨道的能量不完全相等。,H2O呈V形结构,NH3分子的空间构型,等性杂化后与不同原子成键时，键角会变化。,杂化轨道类型与分子空间构型的关系小结,11.3价层电子对互斥理论,分子的几何构型取决于中心原子价电子层中电子对的相互排斥。分子最稳定的构型是取电子对彼此间排斥力平衡的构型。,电子对（理想分子）构型：2对：直线型；sp杂化。3对：正三角型；sp2杂化。4对：正四面体;sp3杂化。,有孤对电子、重键或配位原子不同时，实际分子构型会有变化。,例：H2O，NH3，BF3，NF3，CO2，O3，PO43-，CH2O，C2H4，C2H2,每个配体提供一个电子;,配体原子是O族元素时，不提供电子。,计算结果出现0.5对（一个电子），算一对。,11.4分子轨道理论简介,1.分子中的电子围绕整个分子运动，其运动状态可用分子轨道表示。,3.为了有效地组合成分子轨道，要求成键的各原子轨道必须符合对称性匹配原则（决定组合可能性）、能量近似原则和轨道最大重叠原则（决定组合效率）。,mC1aC2b（成键轨道）*mC1aC2b（反键轨道）,2.分子轨道是原子轨道的线性组合。分子轨道数等于参与组合的原子轨道数。,一、基本要点,对称性匹配,组成分子轨道的两原子轨道对旋转和反映操作有相同的对称性（对称或反对称）。,分子轨道类型,s-s轨道重叠组成分子轨道示意图,分子轨道(头碰头)：s-s，s-px，px-px等,s-p轨道重叠组成分子轨道示意图,px-px轨道重叠组成分子轨道示意图,分子轨道(肩并肩)：py-py、pz-pz,py-py轨道重叠组成分子轨道示意图,二、分子轨道能级及分子轨道中电子的排布,分子轨道能级（p206图11-21）,O2、F2：1s*1s2s*2s2px2py2pz*2py*2pz*2px,Li2、Be2、B2、C2、N2：1s*1s2s*2s2py2pz2px*2py*2pz*2px,H2+(1s)1。一个单电子键。H2(1s)2。一个键。He2(1s)2(*1s)2。实为单原子分子。,O2KK(2s)2(*2s)2(2px)2(2py)2(2pz)2(*2py)1(*2pz)1。一个键两个三电子键。,N2(1s)2(*1s)2(2s)2(*2s)2(2py)2(2pz)2(2px)2或N2KK(2s)2(*2s)2(2py)2(2pz)2(2px)2,三、键级,表示分子中两个相邻原子间成键的牢固程度。键级=(成键电子数-反键电子数)/2,O2分子的键级为：(8-4)/2=2N2分子的键级为：(8-2)/2=3He2的键级为：(2-2)/2=0,键级越大，所形成的键越稳定。若键级为零，表示两原子不可能形成稳定的分子。,11.5分子间作用力,分子极化示意图,一、分子的极化,永久偶极、取向、取向力,本质：静电引力。影响因素：分子的极性(偶极矩)愈大，取向力愈大；温度愈高，取向力愈小；分子间距离变大，取向力迅速递减。,取向力,二、范德华（vanderwaals）力,诱导力,极化、诱导偶极、诱导力,本质：静电引力。影响因素：极性分子的偶极矩愈大，非极性分子的变形性（极化度）愈大，诱导力愈强。注意：极性分子与极性分子之间也存在诱导力。,色散力,瞬间偶极、色散力,本质：静电引力。影响因素：相对分子质量愈大，变形性愈大，色散力愈强。注意：色散力存在于任何分子之间。,非极性分子之间：色散力；极性、非极性分子间：色散力、诱导力；极性分子之间：色散力、诱导力和取向力。,范德华力的特点,a、范德华力是存在于分子间的一种弱的静电引力。b、范德华力的作用范围只有几个纳米(nm)。c、范德华力的能量比化学键的键能小一二个数量级。d、范德华力没有饱和性和方向性。e、范德华力中，色散为是主要的，诱导力是次要的，取向力只是在较大的极性分子间才占一定的比例。,范德华力对物质性质的影响,对沸点、熔点的影响,三、氢键,氢原子和电负性大的原子以共价键结合后，和另一个键上电负性大的原子