化学键论文·.doc

有关化学键基础认识摘要化学键(chemical bond)是人们从化学实验事实中抽象出来的重要的概念。一般把它定义为纯净物分子内或晶体内相邻两个或多个原子(或离子)间强烈的相互作用力的统称。这种强烈的相互作用，能够导致一个独立的稳定的分子（包括晶体）品种存在。化学键有多种不同的类型，现已明确知道的有离子键，共价键，金属键，化学键的本质是相邻的原子间的相互作用，包括异性相吸和同性相斥的电力，这些力不是按照牛顿力学，而是按照量子力学定律起作用。化学键的生成，主要取决于电子云分布与核之间的相互静电势能，当然，电子平均动能的变化也起着一定的作用，对任何给定的体系来说，它的原子核排列和电子云分布必须保证这个体系的最低能量值，这将导致在那些键联原子核间呈现电子云的密集并生成“电子桥”。同时，由于电子与核间的相互吸引的稳定作用而形成了化学键。离子键、共价键、金属键各自有不同的成因，离子键是通过原子间电子转移，形成正负离子，由静电作用形成的。共价键的成因较为复杂，路易斯理论认为，共价键是通过原子间共用一对或多对电子形成的，其他的解释还有价键理论，价层电子互斥理论，分子轨道理论和杂化轨道理论等。金属键是一种改性的共价键，它是由多个原子共用一些自由流动的电子形成的。目 录1 绪论 1.1 化学键理论发展历史2 化学键分类 2.1 离子键 2.2 共价键 2.3 金属键3 化学键现代理论 3.1 泡利原理 3.2 洪特规则 3.3 能量最低原理4 观测化学键5 化学键表示方法 5.1 球棍模型 5.2 比例模型 5.3 键线结构6 总结1 绪论1.1 化学键理论发展历史 人类对物质结合方式的认识源远流长。在古希腊，恩培多克勒用爱和恨说明物质间的结合和分离，德谟克利特则用原子的漩涡运动说明原子的聚集和分散。中世纪的J.R.格劳伯提出了物质同类相亲、异类相斥的思想。其后还出现了关于物质结合的亲和力说，认为物质的微粒具有亲和力，由此互相吸引而结合在一起。19世纪初，瑞典化学家J.J.贝采利乌斯提出了一种建立在正负电相互吸引的观念基础上的电化二元说，从而使亲和力说更加系统化。阐明分子中原子相互作用的经典价键理论是在原子概念基础上形成的。1852年，英国化学家E.弗兰克兰提出了原子价概念。1857年，德国化学家F.A.凯库勒提出碳四价和碳链的概念；1865年，他又揭示出苯的环状结构。1874年，荷兰化学家J.H.范霍夫等提出了碳原子的四个价键向正四面体顶点取向的假说。这是有机化合物的结构理论。 20世纪20年代，在N.H.D.玻尔的原子结构理论的基础上，对价键的实质有了新的认识，形成了原子价的电子理论。该理论包括离子键理论和共价键理论。离子键理论是1916年由美国化学家W.科塞尔提出的。同年，G.N.刘易斯提出共价键理论。但这个理论不能解释共价键的方向性、氧分子的顺磁性等，也无法解释两个原子为什么共享一对电子时能相互结合。1927年，W.H.海特勤和F.伦敦提出氢分子成键理论。该理论认为两个氢原子结合成一个氢分子由于电子密度的分布集中在两个原子核之间而形成化学键。现代价键理论是将这一成果推广到其他分子体系而形成的。它认为共价键由一对自旋反平行的耦合电子组成，并根据原子轨道最大重叠原理，认为分子中的电子只处于与化学键相连接的两个原子之间的区域内。L.鲍林进而提出共振论对此作了补充。该理论认为分子在若干价键结构间共振。1928年，美国化学家R.S.穆利肯和F.洪德等人提出分子轨道理论，将分子看作一个整体，认为形成化学键的电子在整个分子区域内一定的分子轨道上运动。现代化学键理论是在量子力学的基础上形成的，它使电价理论不能解释的问题获得满意的解释。这种理论目前还在进一步发展中。2 化学键分类2.1 离子键离子键是由正负离子之间通过静电作用而形成的，正负离子为球形或者近似球形，电荷球形对称分布，那么离子键就可以在各个方向上发生静电作用，因此是没有方向性的。离子键是原子得失电子后生成的阴阳离子之间靠静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用。结构化学来看离子之间由于最外层核外电子失去（或补充）被原子核束缚相对稳定，可将其看作球形电荷，其正负电荷相互吸引；当其充分靠近时，离子的外层电子又将产生斥力，当引力斥力达到平衡时，其形成稳定化合物。2.2 共价键共价键是原子间通过共用电子对（电子云重叠）而形成的相互作用。形成重叠电子云的电子在所有成键的原子周围运动。一个原子有几个未成对电子，便可以和几个自旋方向相反的电子配对成键，共价键饱和性的产生是由于电子云重叠（电子配对）时仍然遵循泡利不相容原理。电子云重叠只能在一定的方向上发生重叠，而不能随意发生重叠。共价键方向性的产生是由于形成共价键时，电子云重叠的区域越大，形成的共价键越稳定，所以，形成共价键时总是沿着电子云重叠程度最大的方向形成（这就是最大重叠原理）。共价键有饱和性和方向性。共价键主要由于电子云可在两原子之间“流动”，使得其原子相互靠近，同时相对稳定，使其能量降低。2.3 金属键由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。金属键中，电子可在整个金属之间流动，类似于一个电子云空间为整个金属的共价键，使其导电导热性能良好。总的来说，三种化学键都是微观粒子中电子与原子（或电子）相互作用，使得物质稳定的一种力。3 化学键现代理论3.1 泡利原理每个轨道最多可以容纳两个自旋相反的电子，常用“”来表示。3.2 洪特规则当电子排布在同一能级的不同轨道时，基态原子中的电子总是优先单独占据一个轨道，且自旋状态相同。这个规则由洪特首先提出，称为洪特规则。3.3 能量最低原理在不违反泡利原理、和洪特规则的条件下，电子优先占据能量较低的原子轨道，使整个原子体系能量处于最低。这三个规则使得物质能量处于一种较低状态，使其稳定，其都符合量子力学原理，并可由其证明。4 观测化学键原子级的分辨率捕捉到分子反应过程的图像。图像中分子的原子键看起来与化学课本中的棒状图几乎一模一样。直到现在，科学家都还只能推断分子的结构。非接触式原子力显微镜利用一个非常精细的探针来读取分子产生的电性力，当探针在分子表面附近移动时，会因不同的电荷量而发生偏移，从而构建出原子及原子键的图像。5 化学键表示方法5.1 球棍模型球棍模型(Ball-and-stick models)是一种空间填充模型(space-filling model)，用来表现化学分子的三维空间分布。在此作图方式中，线代表共价键，可连结以球型表示的原子中心。5.2 比例模型比例模型是将物质按原子大小比例表示出来，化学键看作电子云，使两个原子链接起来。5.3 键线结构用细线代表化学键，分子式代表原子的表示方法。6 总结化学键是一种原子与原子之间的力的作用，其可使分子能量降低，变得更加稳定，有机化学中更多的是共价键。化学键的断裂一方面需要能量，另一方面生成的新的化学键能量越低越容易反应。有机化学中碳迁移也是在电子云理论基础上，使其断键与形成新键达到碳迁移的目的，其本质依旧符合量子力学和薛定谔方程。由于电子云结合或者断裂都是相对的，所以有机反应很多都是可逆反应。化学键作为