[理化生]第二章 分子结构.ppt

Inorganic Chemistry,李亮荣,Tel:Email: ,分子结构,本 章 基 本 要 求,1.掌握离子键、共价键、氢键概念；掌握价键理论,2.熟悉分子间作用力及杂化轨道内容,3.了解离子晶体、分子晶体和原子晶体的特点,离子键,分子键,分子间的作用力和氢键,本章教学内容,1,2,3,化学键：分子或晶体中直接相邻的原子或离子之间的强烈 相互作用,化学键,离子键,共价键,金属键,本质上：是电性的，原子在形成分子时，外层电子发生了重新分布（转移、共用、偏移等），从而产生了正、负电性间的强烈作用力,根据电性作用的方式和程度的不同：,氢键不属于化学键范畴，属于分子间作用力范畴,1 离子键,1.1 离子键的形成,活泼金属与活泼非金属原子间发生电子的转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键叫离子键。,离子键,NaCl,1.2 离子键的特点, 没有方向性和饱和性,实质是：阴阳离子的静电作用(静电引力和静电斥力),活泼金属（第A族、第A族）的金属与活泼非金属（第A族、第 A族的金属）,与任何方向的电性不同的离子相吸引，所以无方向性；只要是正负离子之间，则彼此吸引，即无饱和性。,NaCl的晶体结构,1 离子键,1.3 离子的特征,指相应原子得（负电荷）失（正电荷）电子的数目,电子得失以外层电子排布达到稳定结构为准,化合物的性质,离子电荷半径,离子键的强度,离子电荷数,离子半径,离子半径为离子化合物核间距,1 离子键,NaCl + 1 -1 MgO + 2 -2 m. p. 801 2800,一般离子电荷越多，形成离子键强度越大，离子化合物越稳定,-,-,d=r1+r2,a) 同周期的主族元素，从左至右离子电荷数升高，最高价离子半径减小： Na + Mg 2+ Al 3+ b) 同主族从上到下，电子层增加，具有相同电荷数的离子半径增加： Li + Na + K + Rb + Cs + c) 同一元素，不同价态的离子，电荷高的半径小； Fe 3+ Fe 2+ d) 周期表中对角线上，左上的元素和右下的元素的离子半径相近 ： Li + Mg 2 + ； Sc 3+ Zr 4+ e) 阳离子半径小，阴离子半径大,总结：半径大,离子间距大，作用力小；相反，半径小，离子间距离小,作用力大,根据电性作用的方式和程度的不同：,1.4 离子晶体,1.一般以固态形式存在，熔沸点高，常温下蒸汽压极低 2.晶体本身不导电，但在熔融状态或水溶液中导电易溶于水，不溶于有机溶剂 3.离子晶体中，不存在单个分子，其化学式只表示阴、阳离子的数目比,离子化合物,由离子键组成的化合物,离子晶体,由于离子化合物的熔沸点较高，一般以晶体形式存在，所以又叫做离子晶体，如 NaCl, CaF2等,1 离子键,1.5 离子极化,阳离子带有多余的正电荷（外壳上缺少电子），离子半径较小，因而易引起相邻的负离子的最外层电子发生变形，表现出较强的极化作用。阴离子的半径一般较大，外壳上有较多的电子，易于被诱导，变形性大,极化作用,离子使另一离子的正、负电荷重心发生相对位移的作用，即使另一离子最外层电子云发生变形,变形性,阴阳离子由于受到离子的极化作用而引起的最外层电子云的变形叫做该离子的变形性,使得离子键向共价键过渡，使离子化合物的一些性质（熔点，颜色、溶解度）发生改变,1 离子键,2 共价键,原子间通过原子轨道重叠所形成的化学键，一般是存在于非金属原子间,2.1 价键理论,共价键,d 2rH (r53pm）,电子自旋方向相反的两个H的原子轨道发生了重叠体系的能量降低，可形成稳定的共价键,H2的形成,1. 自旋相反的成单电子配对. 2. 追求轨道重叠最大化,轨道重叠越多,共价键越牢固,价键理论要点：,原子有几个未成对的价电子, 就能和几个自旋方向相反的电子配对成键,例：,N2 NN,2.1.1 共价键的特征,饱和性,方向性,成键时应沿着原子轨道伸展的方向上重叠,原因： 除s轨道是球形对称，其它轨道都是有方向性的；轨道重叠应尽可能最大化，而只有沿着一定的方向才能达到重叠最大化,原子轨道以“头碰头”的形式重叠所形成的键，存在于单键、双键、或叁键中,2.1.2 共价键的类型,键,特点：,重叠程度大; 键能大稳定性高; 可自由旋转; 电子云重叠部分对键轴(x轴)具有圆柱形对称性,原子轨道以“肩并肩”的形式重叠所形成的键，存在于双键、或叁键中,键,特点：,重叠程度小 键能小稳定性低 不能自由旋转电子云重叠部分对通过键轴的一个平面呈反对称性,成键原子一方提供孤对电子，另一方 提供空轨道,由一个原子提供电子对为两个原子共用而形成的共价键（共价键的一种特殊形式）,NH4+,配位键,形成条件：,例如,2 共价键,2.2 杂化轨道理论,价键理论的局限性：无法解释分子的几何构型,如CH4:,通过价键理论分析可知，由于s和p能级不同, 4个C-H键无法等同，不能解释CH4呈正四面体的,杂化轨道理论要点：, 在形成分子的过程中，同一原子中能量相近的不同原子轨道经过线性组合，重新分配能量和确定空间方向，组成一组新的等同原子轨道，我们把这个组合的过程叫做杂化，组合后的轨道叫做杂化轨道 有几个原子轨道参与杂化，就形成几个杂化轨道 杂化后轨道伸展方向、形状和能量发生改变、使轨道成键能力增强,杂化状态并不是原子固有的，而是原子在成键时的一种激发态，只能形成 键，杂化轨道理论只能解释构型而不能预测分子构型,个s 轨道+ 1个p 轨道重新组合,2.2.1 杂化类型,sp杂化,例 BeCl2,个s 轨道+ 2个p 轨道重新组合,sp2杂化,激发,sp2杂化,例 BCl3,个s 轨道 + 3个p 轨道重新组合,sp3杂化,例 CH4,孤对电子存在而造成不完全等同的杂化为不等性杂化.,三角锥形,不等性杂化,例 NH3,V形,例 H2O,如：乙烯C2H4,两个C原子的P电子垂直于分子平面, 肩并肩重叠形成 键.,平面分子,如：乙炔C2H2,两个C原子的Py- Py Pz- Pz相互平行，可两两肩并肩重叠形成2个 键.,直线形,结论 分子构型由 键确定； 键在 键基础上形成。,2 共价键,2.3 共价键参数,键长,成键原子核间的平均距离，键长越短，共价键越牢固,键角,分子中键与键之间的夹角,键能： 表示在通常外界条件下物质原子间相互作用的强弱. 用E表示，单位为 kJ/mol 。键能越大，键越牢固,键离解能： 在298 K和100 kPa下将1mol气态分子AB断裂成气态基态原子A和B所需要的能量。对于双原子分子，键离解能就是键能；对于多原子分子，键能键能是各个键离解能的平均值。,2 共价键,2.4 分子晶体和原子晶体,3 分子间的作用力和氢键,定义：根据反应中正、负电荷重心是否重合，将分子分为极性分子和非极性分子。对于双原子分子而言，分子的极性和共价键的极性是一致的，对于以极性共价键结合的多原子分子，分子的极性与键的极性和分子的空间构型有关,例： O2,Cl2，H2非极性分子， HCl是极性分子，CH4是四个极性C-H键，但空间对称，属于非极性分子,3.1 分子的极性,偶极矩：衡量分子极性大小的物理量，常用表示。偶极矩=0，表明此分子为非极性分子，偶极矩越大，表明分子极性越大,分子间作用力是分子之间存在的一种较弱的相互作用，也叫范德华力,3.2 分子间的作用力,特点：,1.分子间作用力不是化学键； 2.作用力比化学键小； 3.没有方向性和饱和性； 4.组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，对应的熔沸点也越高,+ -,+ -,- +,- +,极性分子的固有偶极间的相互作用力,取向力的大小与分子极性有关,取向力,诱导偶极:非极性分子在外电场（固有偶极）的影响下，正、负电荷重心发生位移所产生的偶极。极性分子之间也会产生诱导力。,- +,- +,- +,诱导偶极的产生过程,存在于极性分子与非极性分子之间，也存在于极性与极性分子之间,非极性分子诱导偶极与极性分子固有偶极间的相互作用力。,诱导力,瞬间偶极：通常情况下非极性分子的正电荷重心与负电荷重心重合，但原子核和电子的运动可导致电荷重心瞬间分离，从而产生瞬间偶极。瞬间偶极又会诱导邻近的分子产生瞬间偶极。,存在于非极性分子之间，极性分子之间，非极性和极性分子之间,色散力的大小与分子变形性和分子量有关,由于瞬间偶极而产生的相互作用力,色散力,氢原子直接与电负性大且半径小的原子形成共价键,X，Y原子的电负性和及Y的原子半径，电负性越大，原子半径越小，氢键越强,X-H Y, 如： O-HF,F-HFO-HOO-HNN-HN,3.3 氢键,形式,决定氢键强弱的因素：,氢键的类型：分子间氢键，分子内氢键 氢键的特点：有饱和性，有方向性（见教材P31最上面一段）,条件,氢键对生物体的影响,影响1,影响2,结论,蛋白质分子是许多氨基酸以肽键（NHCO）缩合而成，这些长链分子间又是靠羰基上的氧和氨基上的氢以氢键（C=OHN）彼此在折叠平面上相连接。蛋白质长链分子本身又可形成螺旋型排列，螺旋各圈之间也因存在氢键而增强了结构的稳定性,更复杂的 DNA 双螺旋结构是靠大量氢键相连而稳定存在。由此可见，没有氢键的存在，也就