化学键与分子结构

1、第6章 化学键与分子结构4课时教学目标及基本要求1. 熟悉共价键的价键理论的基本要点、共价键的特征、类型。能联系杂化轨道理论(s-p型)说明一些典型分子的空间构型。2. 了解分子电偶极矩的概念及其应用于区分极性分子和非极性分子。熟悉分子间力的类型。了解氢键的形成。教学重点 1. 价键理论要点2. 共价键的特征及类型3. 杂化轨道理论与分子空间构型 4. 分子间力与氢键5. 配合物的价键理论教学难点 1. 氢分子共价键的形成共价键的本质 2. 键和键 3. 杂化轨道的形成 4. 内轨型、外轨型配合物教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题 1. 教学方式：以多媒体教学为主，讲述法、模型演示、动画

2、模拟、课堂讨论相结合 2. 注意问题：本章有的内容难以理解，通过多媒体形象、生动的演示使同学都能逐步掌握本章知识。要将每一个知识点给同学尽量的讲详细。 主要教学内容第 6 章 化学键与分子结构Chapter 6 Chemical bond & Molecular structure 6.1 离子键与离子的结构 (Ionic bond and structure of ion) 6.1.1 离子键的形成与特性德国科学家柯塞尔根据稀有气体原子的电子层结构特别稳定的事实，首先提出了离子键理论。用以说明电负性差别较大的元素间所形成的化学键。电负性较小的活波金属和电负性较大的活波非金属元素的原子相互接近

3、时，前者失去电子形成正离子，后者获得电子形成负离子。正负离子间通过静电引力而联系起来的化学键叫离子键 。 例： NaCl 分子11Na (X=1.01) 1s2 2s2 2p6 3s1 Na+ 1s2 2s2 2p6 17Cl (X=3.16) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Cl- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6离子键 正负离子间通过静电作用力而形成的化学键。离子键的特征1）离子键的本质是静电作用力，只有电负性相差较大的元素之间才能形成离子键。 2）离子键无方向性，无饱和性。3）离子键是极性键。6.1.2 离子的电子层结构电子失去的顺序 :np-ns-(n-1)d-(n-2)

4、f用 n+ 0.4l 做判据 , 其数值越大，越易失去电子。(1) 负离子的构型简单负离子都是8 电子构型。例： 17Cl- 3S23P6 8O2- 2S2P6(2) 正离子的构型：由于形成它的原子失去电子的数目不同，因而有多种构型。1） 2 电子构型例： 3Li+:1S22P64Be2+: 1S22） 8 电子构型例： 11 Na+: 2S22P612Mg2+：2S22P613Al3+: 2S22P63) 917 电子构型例： 26Fe3+(3S23P63d5) 29Cu2+(3S23P63d9)24Cr3+(3S23P63d3) 25Mn2+(3S23P63d5)4) 18 电子构型29C

5、u+(3S23P63d10) 30Zn2+(3S23P63d5)例：下列离子属何种电子构型48Cd2+(4S24P64d105S2) 18 电子 47Ag+(4S24P64d105S2) 18 电34Se2-（硒）（ 4S24P4 ） 8 电子 22Ti4+ （钛） (3S23P63d24S2) 8 电子25Mn2+（ 3S23P63d54S2） 417 电子 6.2 共价键与分子结构 (covalence bond &molecular structure)对于非金属元素单原子分子（ H2、 Cl2）和电负性相差不大的元素所形成的分子（ HCl ）显然不能用所得失电子分别形成正，负离子为基础

6、的离子键理论来说明它们的构成。1）美国化学家路易斯首先提出了共价键理论的概念 共价键 原子间靠共用电子对使原子结合起来的化学键。 路易斯用元素符号之间的小黑点表示分子中各原子的键合关系，代表一对键电子的一对小黑点亦可用 “ ” 代替，路易斯结构式能够简洁地表达单质和化合物的成键状况。但它也很难解释为什么共用一对或数对电子就可促使两个或多个原子结合起来？共价键的本质究竟是什么？1） 1927 年海特勒和伦敦把量子力学的成就用于 H2 分子结构的研究才使共价键的本质获得初步的解答。2）后来鲍林等人又加以发展，逐步建立了现代价键理论和分子轨道理论。6.2.1 价键理论 (valence bond t

7、heory)（1）共价键形成的本质1）氢分子共价键的形成1927 年， Heitler and London 将量子力学成果应用于 H2分子结构的研究 , 使共价键的本质得到初步解决。他们的结果认为 : 当两个氢原子相互靠近，且它们的 1s 电子处于自旋状态反平行时 , 两个电子才能配对成键 ; 当两个氢原子的 1s 电子处于自旋状态平行时 , 两电子不能配对成键。A 两个 1s 电子自旋平行（推斥态）S 两个 1s 电子自旋反向（基态） 氢分子能量曲线动画2）共价键的本质原子间由于成键电子原子轨道重叠而形成的化学键。3）价键理论基本要点具有自旋反向的未成对电子的原子接近时，可因原子轨道的重叠

8、而形成共价键 电子配对原理一个电子与另一个自旋反向的电子配对成键后，不能再与第三个电子配对成键原子轨道重叠程度越大，共价键越牢固 原子轨道最大重叠原理（2）共价键的特征1）饱和性 一个电子与另一个自旋反向的电子配对后，不能再与第三个电子配对成键共价键的饱和性是和离子键相比较而言，离子化合物中正负离子都为 S2P6结构，其电荷分布呈球形对称，所以，它们可以从各个方向相互接触，并且尽可能地和异性离子相接触（配位），配位数的多少决定于正负离子的大小。2）方向性 沿轨道的伸展方向重叠，同号重叠。由于电子运动状态在空间分布是有一定取向的，原子轨道的重叠也是有一定取向的 . 如 N 原子有 3 个未成对电

9、子 , 其取向分别为 px , py , pz 。 N2 分子中的三对电子并不在同一个平面上，而是在 X ， Y ， Z 三个互相垂直的方向。这就是所谓的共价键的方向性。例如： HCl 分子 H 的 1S+Cl 的 3Px 重叠： (a) (b) (c) (d) a 为有效重叠 共价键的极性 共价键极性共价键 成键原子的电负性不同 HCl H2O 非极性共价键 成键原子的电负性相同 H2 Cl2（3）共价键类型根据轨道重叠方式不同可将共价键分成两种类型。1）键 沿轨道对称轴方向重叠形成的键。 “ 头碰头 ” 方式重叠特点：能自由旋转而不改变电子云密度的分布。 2）键 两轨道相互平行侧面重叠。

10、“ 肩并肩 ” 方式重叠如 Pz Pz特点：不能自由旋转，键没有键牢固，易于断裂。电子云不集中在两核连线上，受核约束力小，电子流动性大。（4）共价键参数共价键参数 表征共价键特性的物理量。根据参数可预测共价键分子的空间构型，分子的极性以及稳定性等性质。1）键长 分子中成键原子两核间的距离。2）键角 分子中相邻两键的夹角。3）键能（ E ） 键焓 共价键的键能定义：在 298K 和 100kpa 条件下，气态分子断开 1mol 化学键所需的能量。 双原子分子： D （）（）多原子分子： D(A2B)=E (A2B) 1） 键能是一个平均值 , 键能越大相应的键越牢固。例 1 HCl(g) = H

11、(g)+Cl(g)EH-Cl =432kJ/mol=EH-Cl例 2 H2O ： O-H 的键能 H2O(g) = H (g) + OH (g) E = 502kj mol-1OH(g) = H（g）+ O (g) E = 426kj mol-1O-H ： E = 465kj mol-1P137 表 6-12) 由键能可以估计出许多气体物质间化学反应的热效应。rHOm (297K)= E生成物 E生成物H2(g)+Cl(g)=2HCl(g)rHOm (297K)= E生成物 - E生成物 =EH-H +ECl-Cl -2EH-Cl =(435+242)-2*431=-165kJ/mol 6.2

12、.2 杂化轨道 (hybridization orbital) 与分子的空间构型价键理论成功地解释了许多共价键分子的形成，阐明了共价键的本质及特征。但在解释许多分子的空间结构方面遇到了困难。 Pauling and Slater 从电子具有波动性，电子波可以叠加的观点出发提出了杂化轨道理论，进一步发展了价键理论。（1） 杂化轨道理论基本要点 ：在共价键的形成过程中，同一原子中能量相近的若干不同类型的原子轨道可以 ” 混合 ” 起来，重新组合形成一组成键能力更强的新的原子轨道。过程称为原子轨道的 杂化 。所组成的新的原子轨道称为 杂化轨道 .注意：杂化过程中 ;1）能量相近的轨道杂化；2）杂化后

13、轨道数目不变 ;3）杂化发生在分子形成过程中，单个原子不发生杂化。s-p 杂化的几种类型1） sp3 杂化以CH4分子为例。处于激发态的C原子有四个未成对电子，各占一个原子轨道，即 这四个原子轨道在成键过程中发生杂化，重新组成四个新的能量相等的 杂化轨道。2） sp2杂化以BF3分子为例。实验测知，BF3具平面三角形的结构，B原子位于三角形的中心，三个F原子位于三个顶点。三个B-F键是等同的，三个FBF键角均为120。运用杂化轨道理论可对此分子的结构作出满意的解释。3） sp 杂化以气态BeCl2分子为例。实验测知，BeCl2分子构型为直线型，键角ClBeCl为180。两个sp杂化轨道在空间互

14、成180角。每个杂化轨道含1/ 2 s成分和1/2 p成分。这两个等同的sp杂化轨道分别和Cl原子的一个p轨道发生原子轨道的重叠，形成两个sp-p 键。由于两个sp杂化轨道夹角为180，所以BeCl2分子为直线型分子，见图6-8。HgCl2也与此类似。4）不等性 sp3 杂化 同种类型的杂化（如 ）又可分为等性杂化和不等性杂化两种。在CH4中C原子的每个杂化轨道是等同的，都含有1/4 s成分和3/4 p成分，故称等性杂化。未作说明的，一般均知等性杂化。另外，还有一种杂化成分不等的杂化叫做不等性杂化。下面以NH3和H2O分子的结构为例予以说明。s-p 杂化的几种类型 杂化类型成分空间构型(Geo

15、metry)键角杂化轨道数实例sp31/4s,3/4p正四面体109o284CH4 ,SiH4sp21/3s,2/3p平面三角形120o3BF3 ,BCl3sp1/2s,1/2p直线180o2BeCl2 HgCl2sp3d2s,1/2p,1/3d正八面体6SF6不等性sp31/4s,3/4p三角锥 ,107o104.5o4NH3 ,PH3V 字型H2O,H2S6.3 配位键与配位化合物 定义：共用电子对是由一个原子单方面提供而形成的共价键 配位键。形成条件： 1) 中心原子（或原子）必须有空的价电子轨道。2) 配位体中配位原子有孤对电子。6.3.1 配合物的主要类型（1）简单配合物（2）螯合物

16、（3）多核配合物（4）羰基配合物 6.3.2 配合物的价键理论（1）配合物价键理论的基本要点：形成条件：成键原子一方提供孤对电子，另一方提供空轨道。2）配合物的空间构型与杂化轨道类型 :P149 表 6-20（2）配合物的空间构型与磁性1）配合物的空间构型 X 射线衍射法测定2）配合物的磁性磁性顺磁性：未成对电子数 n 0. 磁矩 0 。 n 与 的关系为 =n(n+2)1/2 B反磁性 ： n=0, =0（3）常见配合物的结构 配位数为 2 的配合物杂化方式： sp 杂化。n 0 0空间构型：直线型如：Ag(NH3)2+ 47Ag 外层构型： 4d105S12）配位数为 4 的配合物 杂化方

17、式： sp3外轨型 n=0, =0空间构型：正四面体Zn(NH3)42+, 30Zn 3d104s2, Zn2+ 3d10 Ni2+ ： 3d84S2杂化方式： dsp2内轨型 =0 n=0空间构型：平面正方形Ni(CN)42- 中 Ni2+ 杂化： 3d 4s 4p dsp2 杂化 配位数为 6 的配合物1) 外轨型配位键杂化方式： sp3d2n 0 0空间构型：正八面体如： FeF63- n=5 测 =5.9uB 26Fe 外层构型：3d64s2Fe3+杂化sp3d2 杂化 2) 内轨型配位键杂化方式： d2sp3 杂化空间构型：正八面体如： Fe(CN)63-测得其 =2B 则 n=1F

18、e3+杂化d2sp3 杂化此外： Cr(NH3)63+、 Co(NH3)63-、 Co(CN)63-、 Mn(CN)64- 等均属于上述类型的内轨型正八面体配合物。 6.4 分子间力和氢键 (Intermolecular force & hydrogen bond) 6.4.1 分子的极性 (Molecular polarity)极性分子中，由于原子的电负性的差异，分子中的正负电荷中心分别形成正负两极。分子偶极矩 (dipole moment): 偶极长度和偶极上电荷的乘积 . P=lq ( 矢量 , 正 负 ) 分子极性的 实质 是电子云在空间分布不对称 , 键的极性是分子产生极性的内因。极

19、性分子 P0, 非极性分子 p=06.4.2 分子间力分子间力是取向力、诱导力和色散力的总称。分子间力很小，比化学键小 12 个数量级。（1）色散力当非极性分子间相互靠近时，由于电子的不断运动和原子核的不断震动，要使得每一瞬间正、负电荷的中心都重合是不可能的。在某一瞬间，总会有偶极存在，这种偶极叫瞬时偶极。由于瞬时偶极产生的分子间力叫色散力。分子结构动画 - 色散力(点击查看动画)（2）诱导力非极性分子受极性分子电场的作用，原来重合的正负电荷中心分离开来，产生诱导偶极 . 诱导偶极与极性分子固有偶极间的作用力叫诱导力 . 另一方面 , 诱导偶极又反作用于极性分子，使其偶极长度增加，进一步增强了相互吸引力 . 极性分子之间由于变形而产生诱导偶极，使分子极性增加，使分子之间的相互作用力也进一步增强。分子结构动画 - 诱导力(点击查看动画)（3）取向力当极性分子相互靠近时 , 它们的固有偶极相互作用 , 两个分子在空间按照异极相邻的状态取向 . 由于固有偶极的取向而引起的分