大学化学-讲义-简明教程-第4化学家与分子结构

1、第四章化 学 键 与 分 子 结 构化 学 键 与 分 子 结 构在原子结构中，电子分布符合能量最低原则。基态是原子最稳定状态。但是自然界中却发现，绝大多数元素不以原子形式存在，而以化合物形式存在，并且的原子数总是符合一定比例的结合 Na Cl ， H2 O ，说明化合物中的元素之间，存在着内在地关系；说明原子并非是最稳定的状态。 同时注意到唯独稀有气体，总是以单原子存在于自然界。 受此启发，1916 年，德国，科塞尔（ Kossel ），认识到惰气，有 ns2np6 的电子构型，提出原子形成化合物的原因和动力。 原子间通过得失电子，或通过共用电子对各原子达到饱和状态的惰气原子结构。 第一节

2、离子键理论 所有物质都能以分子或晶体的形式存在。分子或晶体中原子（或离子）之间强烈的吸引作用叫做化学键。化学键主要有：金属键，离子键，共价键。本章着重共价键的形成和分子的空间构型。 讨论共价键的理论有价键理论、杂化轨道理论（改进后的价键理论）、价层电子对互斥理论、分子轨道理论。本节主要运用价键理论讨论共价键的形成。特点和键型；应用杂化轨道理论讨论分子的空间构型。 一.共价键的本质与特点1.共价键的形成： （1）量子力学处理Hz： 1927年W.Heitler（海特勒）和F.Lodon（伦敦）运用量子力原理处理H2得出的结果认为：当两个H原子相互靠近时，由于1s电子自旋状态的不同，可能有两种情况

3、： 两个H原子的1s电子相互配对时，为两个原子公用，核间的电子云（？）增大，增大对两核的吸引，系统能量降低，形成稳定分子。 不能成对，两核间电子出现几率密度（？）减小，系统能量升高，不能成键。 一.共价键的本质与特点 左图为两个H原子相互靠近时，系统的能量关系图，图中E为系统能量，R为两个原子核间距离。 一.共价键的本质与特点1.共价键的形成：（2)共价键的本质：原子轨道重叠，原子核间电子的几率密度（电子云）增大，对两核产生吸引是共价键的本质。而相邻原子间自旋相反的来配对电子相互配对成共价电子对是共价键形成的基础。 一.共价键的本质与特点2价键理论的要点与共价键的特点：（1） 价键理论要点：1

4、）1个原子能形成共价单键的最大数目等于其未配对电子的数目。 如 ： H H ， c l c l ， H c l , 或 ？ ？ ？共价数：某元素的原子能形成共价单键的最大数目。它等于该原子的未成对电子数。2）原子轨道同号重叠（对称性匹配）：才是有效重叠。 一.共价键的本质与特点2价键理论的要点与共价键的特点：（1） 价键理论要点：3） 原子重叠时要满足最大重叠条件：重叠越多，共价键越牢固。如s轨道与P轨道重叠，可能有下列情况： 一.共价键的本质与特点 (a)为异号重叠，是无效重叠； (b)为同号重叠与异号重叠相互抵消，是无效重叠。 (c)和(d)均为同号重叠，是有效重叠，但是 ： 设核间距离为

5、d，在(c)中未重叠部分（d）中未重叠部分，所以（c）不满足最大重叠条件，（d）才满足最大重叠条件，也就是说，沿着两核连线的重叠才满足最大重叠条件。 一.共价键的本质与特点2价键理论的要点与共价键的特点：（2）共价键的特点： 饱和性：某种元素的原子，具有一定的共价数，即共价键具有饱和性。 方向性：共价键是原子轨道重叠形成的，且原子轨道重叠时要满足最大重叠条件，而原子轨道（除了轨道外）均有角度分布，因此，共价键具有方向性。 一.共价键的本质与特点键：原子轨道沿着核间联线方向进行同号重叠而形成的共价键。电子云在核间联线形成圆柱成对称分布，如图所示： 二共价键的键型：2键：两原子轨道重叠垂直核间联线

6、并相互平行而进行同号重叠所形成的共价键。电子云在核间联线两侧。 二共价键的键型：2 键：N2：以3对共用电子把两个N原子结合在一起，N原子的外层电子构型为2s22p3： ，成键时用的是3个p轨道的未成对电子，而3个p轨道相互重叠，故，N2的成键如图：其中，2Px2px形成键，2py2py和2pz2pz形成键。且此三个键相互垂直。（相互原子形成的键比键弱）。 二共价键的键型：3配位键：凡共用的一对电子由一个原子单独提供的共价键叫做配位键，用“ ”表示。（从提供电子对原子 接受电子原子）。配位键形成的条件： 1，提供电子对的原子有孤对电子； 2，接受电子对的原子有空轨道。如： 二共价键的键型：CO

7、：C原子：2S22P2 O原子：2S22P4 如图所示：假设c原子的2px，2py各有一未配对电子，2pz轨道是空的；而o原子的2px，2py各有一未成对电子，则2Py2py形成键；2Px2px形成键；2Pz2pz形成配位键。故co分子结构为： ,这里的配位键应是键。 二共价键的键型：又如：HNO3中这里的配位键应是键。二共价键的键型：4.小结：一般，单键，单键均为键，因均需沿核间联系重叠才能满足最大重叠条件；双键中有一个键，另一个为键，三键中有一个键，2个键。二共价键的键型：1.分子的空间构型：共价键分子中的各原子在空间排列所构成的几何形状叫做分子的空间构型。 分子的空间构型直接关系到分子的

8、极性。分子的空间构型可用杂化轨道理论和价层电子子对互斥理论来解释。三杂化轨道与分子的空间构型： 2.杂化轨道理论的要点： 例如：C原子的外层电子分布为2s2p2。即 ，按价键理论：则C原子只能形成两个共价单键，且这两个键相互垂直（键角900）。但实际，CH4，CCl4不但说明C原子能形成4个单键，且它们均为非极性原子，即4个单键完全等同，但空间成四面体分布。为了更好地说明这类问题，Pauling等人以价键理论为基础，提出杂化轨道理论 三杂化轨道与分子的空间构型： 2.杂化轨道理论的要点： 其要点为： 1.在形成分子时，中心原子地能级相近地原子轨道要打乱重组（杂化），形成能级相等的杂化轨道。 2

9、.n个原子轨道杂化，形成n个杂化轨道。 3.杂化轨道与其它原子成键时，共用电子对间要采取排斥力最小的位置，以使分子系统的能量最低，分子最稳定。 三杂化轨道与分子的空间构型： 三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 1）sp杂化： s轨道与p轨道形成sp杂化轨道后，“”号部分增大，“”号减小。当它们与其它原子轨道重叠成键时，重叠得更多，形成的键更稳定。 三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 1）sp杂化： 如CO2的C原子外层电子分布：2S22P2 即在CO2分子中，C原子生成2个 键（决定其空间构型），所以：

10、吸收能量与放出能量几乎同时进行，且杂化轨道重叠更大，放出能量更多。三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 1）sp杂化：所以CO2分子的空间构型为直线型，如下图所示：CO的结构式为：OCO三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 2）sp2杂化：如BF3，B原子外层电子分布：2S22P1 (为 杂化轨道中含S的成分） 120021311311cos 三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 2）sp2杂化：如BF3， 1200 BF3为平面正方形，如下图所示：三杂化轨道与分

11、子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化： CH4、CCl4: =109=1090 0282831411411cos 三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化： CH4、CCl4: CH4、CCl4为正四面体，如下图所示： 三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化：CHCl3: CHCl3为四面体形：三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化：NH3(NF3):其中：1个电子的杂化轨道含s

12、成分为：2/5 2个电子的杂化轨道含s成分为22/54/5故此种杂化为不等性杂化。三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化：NH3(NF3):NH3(NF3)为三角双锥空间构型。由于有1个孤对电子，所以NHN由正面体的109028压缩到107018（因孤对电子的排斥力比较大）。三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化：H2O(OF2):其中：1个电子的杂化轨道含s成分为：2/6=1/3 2个电子的杂化轨道含s成分为22/62/3故此种杂化为不等性杂化。三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 3）sp3杂化：H2O(OF2): 根据以上分析，H2O(OF2)的空间构型为“V”型。HOH由四面体的109028压缩到104030三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的空间构型与分子的空间构型。 4）sp3d杂化：如PCl5：P原子的外层电子分布：3S23P3三杂化轨道与分子的空间构型： 3.杂化轨道类型与分子的