第六章化学键与分子结构

1、第第 6 章章 化学键与化学键与 分子结构分子结构返回Chapter 6Chemical Bond and Molecular Structure 本章教学要求1掌握价键理论的内容掌握价键理论的内容, 会用价键理论解释共价键的特征会用价键理论解释共价键的特征;2掌握杂化轨道理论的内容掌握杂化轨道理论的内容, 会用杂化轨道理论解释简单分会用杂化轨道理论解释简单分子的空间结构；子的空间结构；3认识分子间作用力和氢键的本质，会用其解释对物质性质的影认识分子间作用力和氢键的本质，会用其解释对物质性质的影 响响.化化学学键键共价键：两原子通过共用电子对吸引两核产生的结合力共价键：两原子通过共用电子对吸引

2、两核产生的结合力(牢牢)。金属键：通过自由电子吸引金属原子和离子产生的结合力金属键：通过自由电子吸引金属原子和离子产生的结合力(导电导电)。离子键：正负离子间靠静电引力产生的结合力离子键：正负离子间靠静电引力产生的结合力(水中完全电离水中完全电离)。极性共价键极性共价键非极性共价键非极性共价键6.16.1化学键的类型化学键的类型6.2 6.2 共价键与分子结构共价键与分子结构6.2.1 6.2.1 价键理论（价键理论（共价键形成理论共价键形成理论）p.133p.133134 134 共价键的形成条件：共价键的形成条件：能量最低能量最低 共价键形成时电子云的分布共价键形成时电子云的分布价键理论要

3、点：键合原子双方各自提供自旋相反的未成对电子；价键理论要点：键合原子双方各自提供自旋相反的未成对电子； 键合原子双方未成对电子的原子轨道应尽可能最大键合原子双方未成对电子的原子轨道应尽可能最大 程度地重叠（原子轨道相位相同）。程度地重叠（原子轨道相位相同）。共价键的特征：共价键的特征： 原子能够提供的未成对电子数目通常就是该原子共价键的数目（饱和性）；原子能够提供的未成对电子数目通常就是该原子共价键的数目（饱和性）； 原子轨道按最大重叠方向形成共价键（方向性）原子轨道按最大重叠方向形成共价键（方向性）共价键的本质：结合力的本质是两核对共用电子对的吸引共价键的本质：结合力的本质是两核对共用电子对

4、的吸引例如例如： H Cl键键( (单键单键, ,稳定键稳定键) ) ： 重叠轨道的电子云密度沿键轴方向的投影为圆形，表明电子云重叠轨道的电子云密度沿键轴方向的投影为圆形，表明电子云密度饶键轴（原子核之间的连线）对称密度饶键轴（原子核之间的连线）对称. . 形象的表示为形象的表示为“头碰头头碰头”.”.pypy 键键( (重键中的次稳定键重键中的次稳定键) ) ： 重叠轨道的电子云密度饶键轴不完全重叠轨道的电子云密度饶键轴不完全对称对称. . 形象的表示为形象的表示为 “ “肩并肩肩并肩”.”.sssppxpx 由于共价键在形成时各个原子提供的轨道类型不同，所以形成由于共价键在形成时各个原子提

5、供的轨道类型不同，所以形成的共价键的键型也有不同的共价键的键型也有不同. . 共价键的类型共价键的类型6.2.2 6.2.2 杂化轨道与分子的空间构型杂化轨道与分子的空间构型探究一些可以解决探究一些可以解决以上问题新理论以上问题新理论 在众多科学家的探求中，在众多科学家的探求中，PaulingPauling 求助于求助于“杂化概念杂化概念”建建立了新的化学键理论立了新的化学键理论 杂化轨道理论杂化轨道理论. . 前面介绍的前面介绍的 s s 轨道与轨道与 p p 轨道重叠方式并不能解释大多数多原子轨道重叠方式并不能解释大多数多原子分子中的键长和键角分子中的键长和键角. . 例如例如, , 如果

6、如果 H H2 2O O 和和 NHNH3 3 分子中的分子中的 O OH H 键和键和 N NH H 键是由键是由 H H 原子的原子的 1 1s s 轨道与轨道与 O O 原子或原子或 N N 原子中单电子占据原子中单电子占据的的2 2p p 轨道重叠形成的，轨道重叠形成的，HOH HOH 和和 HNH HNH 键角应为键角应为 90 90；事实上；事实上, , 上述上述两个键角各自都远大于两个键角各自都远大于9090. . 成键过程中，同一原子中能量相近的一组原子轨道互相混合，成键过程中，同一原子中能量相近的一组原子轨道互相混合，形成一组成键能力更强的新轨道形成一组成键能力更强的新轨道杂

7、化轨道；杂化轨道；（1）基本要点）基本要点轨道成分变了轨道成分变了轨道的能量变了轨道的能量变了轨道的形状变了轨道的形状变了结果，当然是更有利于成键结果，当然是更有利于成键！总之，杂化后的轨道总之，杂化后的轨道变了变了 含有未成对电子的杂化轨道总是形成含有未成对电子的杂化轨道总是形成键键 杂化前后轨道数目不变杂化前后轨道数目不变 sp杂化杂化2s2p2s2psp2ptwo sp hybrid orbitalexcited hybridization Configuration of Be in ground stateHybrid orbital(2) 杂化形式杂化形式Formation of

8、the covalent bonds in BeCl2 （直线型分子）（直线型分子）Formation of the covalent bonds in BF3 （平面三角形分子）（平面三角形分子） sp2杂化杂化2s2p轨道轨道2s2p2s2psp2three sp2 hybrid orbitalexcited hybridization Hybrid orbitalConfiguration of B in ground stateFormation of the covalent bonds in CH4 (正四面体型分子正四面体型分子)2p2s2s2psp3four four sp3

9、3 hybrid orbital sp3杂化杂化 (C与四个原子结合与四个原子结合)excited hybridization Hybrid orbitalConfiguration of C in ground state2p2s2s2pC的的 sp2杂化（杂化（C与三个原子结合）与三个原子结合）excited hybridization sp2three sp2 hybrid orbitalFormation of the covalent bonds in CH2=CH2（平面形分子）（平面形分子）HHHHHHHHsp2ptwo sp hybrid orbital2p2s2s2pC的的

10、sp杂化（杂化（C与两个原子结合）与两个原子结合）excited hybridization Formation of the covalent bonds in CH CH（直线型分子）（直线型分子）HH30104HOH“不等性杂化不等性杂化” :” :即杂化后的轨道中填充的有中心原子的孤即杂化后的轨道中填充的有中心原子的孤电子对电子对. . 这样我们就可以解释象水和氨这样的分子结构了这样我们就可以解释象水和氨这样的分子结构了. .H2O中中, ,O原子采取原子采取 sp3p2s2不等性不等性sp3 3 杂化杂化Hybrid orbitalConfiguration of O in grou

11、nd state Valence bond pictures of H2O.107 18HNHNH3中中N 原子采取原子采取 sp3 不等性杂化不等性杂化不等性不等性sp3 3 杂化杂化Valence bond pictures of NH3Configuration of N in ground stateHybrid orbital. NH3、H2O 的键角为什么比的键角为什么比 CH4 小？小？ CO2的键角为何是的键角为何是180？乙烯为何取？乙烯为何取120 的键角？的键角？ 在在 BCl3 和和 NCl3分子中，中心原子的氧化数和配体数都相同，分子中，中心原子的氧化数和配体数都相同

12、，为什么两者的空间分子结构却不同？为什么两者的空间分子结构却不同？试用杂化轨道理论解释下面问题：试用杂化轨道理论解释下面问题：QuestionQuestion 中心原子的杂化形式不同中心原子的杂化形式不同, BCl3中，中心原子采用中，中心原子采用sp2杂化，杂化，; NCl3中，中心原子采用不等性中，中心原子采用不等性sp3杂化，杂化，。 CHCH4 4中中, , 中心原子采用中心原子采用spsp3 3杂化轨道成键杂化轨道成键, , 四条四条 spsp3 3杂化轨道产生杂化轨道产生强排斥互相远离强排斥互相远离, , 形成四面体键角形成四面体键角109.5 109.5 ; ; NH NH3 3

13、、H H2 2O O中，中心原子采用不等性中，中心原子采用不等性spsp3 3杂化，四条杂化，四条 spsp3 3杂化轨道中杂化轨道中有的被孤对电子对占据有的被孤对电子对占据, , 而孤对电子对产生的排斥力比未成对电子的而孤对电子对产生的排斥力比未成对电子的更大，对键角产生了挤压作用；更大，对键角产生了挤压作用；。 CO CO2 2中，中心原子中，中心原子C C采用采用spsp杂化，两条杂化，两条spsp杂化轨道产生强排斥互相杂化轨道产生强排斥互相远离，形成直线型键角远离，形成直线型键角180 180 , , 。 乙烯中，中心原子乙烯中，中心原子C C采用采用spsp2 2杂化，三条杂化，三条

14、spsp2 2杂化轨道产生强排斥杂化轨道产生强排斥互相远离，形成平面三角形键角互相远离，形成平面三角形键角120 120 , , 。6.4 分子间力和氢键分子间力和氢键 (intermolecular forces and hydrogen bonding)偶极矩偶极矩 (dipole moment, )分子间作用力是分子之间存在的比化学键弱很多的相互吸引力分子间作用力是分子之间存在的比化学键弱很多的相互吸引力. .6.4.1 分子的极性分子的极性极性分子：极性分子：正、负电中心不相重合（电子云分布不对称）的分子。正、负电中心不相重合（电子云分布不对称）的分子。m m = q d 偶极矩是表示

15、分子中电荷分布状况的物理量，定义为正、偶极矩是表示分子中电荷分布状况的物理量，定义为正、负电重心间的距离与电荷量的乘积，其单位为负电重心间的距离与电荷量的乘积，其单位为C Cm m（库米）库米）. . 分子电偶极矩是个矢量分子电偶极矩是个矢量. . 对双原子分子而言，分子偶极矩等于键的偶对双原子分子而言，分子偶极矩等于键的偶极矩；对多原子分子而言，分子偶极矩则等于各个键的偶极矩的矢量和极矩；对多原子分子而言，分子偶极矩则等于各个键的偶极矩的矢量和. The bond dipole moment of some compoundsMolecule m m /10-30Cm Molecule m

16、m /10-30Cm H2 0 H2O 6.16 N2 0 HCl 3.43 CO2 0 HBr 2.63 CS2 0 HI 1.27 H2S 3.66 CO 0.40 SO2 5.33 HCN 6.99 HCl303.4310C mm例如：例如： 分子的极性产生的原因：共价键有极性，且键的极性不能抵消分子的极性产生的原因：共价键有极性，且键的极性不能抵消OHHNHHHOCOCClClClCl+H2ONH3CO2CCl4+(=6.1710-30Cm) (=4.9010-30Cm) (=0) (=0) 极性分子固有的偶极叫永久偶极极性分子固有的偶极叫永久偶极( (permanent dipole

17、permanent dipole) )； 在极性分子诱导下产生或改变的偶极叫诱导偶极在极性分子诱导下产生或改变的偶极叫诱导偶极( (induced induced dipoledipole) )； 由不断运动的电子和不停振动的原子核在某一瞬间的相对由不断运动的电子和不停振动的原子核在某一瞬间的相对位移造成分子正、负电荷重心分离引起的偶极叫瞬间偶极。位移造成分子正、负电荷重心分离引起的偶极叫瞬间偶极。 ( (instanteneousinstanteneous dipole dipole) ). . (1) (1) 色散力色散力( (dispersion force) )指指分子的瞬间偶极与瞬间

18、诱导偶极之间的作用力，它存在于一切分子之间分子的瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间的作用力，它存在于一切分子之间. .分子间力可以看成是这些偶极之间的相互作用：分子间力可以看成是这些偶极之间的相互作用：分子极性对分子性质的影响：分子极性对分子性质的影响： 影响溶解度（相似相溶）影响溶解度（相似相溶） 影响分子间力影响分子间力 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. .瞬间偶极又使邻近的分子产生瞬间诱导偶极，两种偶极处于异

19、极相瞬间偶极又使邻近的分子产生瞬间诱导偶极，两种偶极处于异极相邻状态邻状态 .dispersion forcedispersion force 色散力的大小既依赖于分子的大小，也依赖于分子的形状色散力的大小既依赖于分子的大小，也依赖于分子的形状 丙烷、正丁烷和正戊烷均为直链化合物丙烷、正丁烷和正戊烷均为直链化合物( (可以忽略分子形状的影可以忽略分子形状的影响响), ), 色散力随分子体积的增大而增大色散力随分子体积的增大而增大, , 导致沸点按同一顺序升高导致沸点按同一顺序升高: : CHCH3 3CHCH2 2CHCH3 3 CH CH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3 CH

20、 CH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3 b.p. -44.5 b.p. -0.5 b.p. 36 b.p. -44.5 b.p. -0.5 b.p. 36 正戊烷、异戊烷和新戊烷三种异构体的相对分子质量相同正戊烷、异戊烷和新戊烷三种异构体的相对分子质量相同, , 色色散力随分子结构密实程度的增大而减小散力随分子结构密实程度的增大而减小, ,导致沸点按同一顺序下降导致沸点按同一顺序下降: : CHCH3 3 CH CH3 3CHCH2 2CHCH2 2CHCH2 2CHCH3 3 CH CH3 3CHCH2 2CHCHCHCH3 3 CH CH3 3C CCHCH3

21、 3 CH CH3 3 CH CH3 3 b.p. 36 b.p. 28 b.p. 9.5 b.p. 36 b.p. 28 b.p. 9.5 色散力不但普遍存在于各类分子之间，而且除极少数强极性分色散力不但普遍存在于各类分子之间，而且除极少数强极性分子子( (如如 HF，H2O) )外，大多数分子间力都以色散力为主外，大多数分子间力都以色散力为主. .(2) (2) 诱导力诱导力( (induced force) ) 指指在极性分子诱导下产生的诱导偶极与其它偶极之间的作用力在极性分子诱导下产生的诱导偶极与其它偶极之间的作用力，它存在于极性分子与其它分子之间，它存在于极性分子与其它分子之间。(3

22、) (3) 取向力（偶极取向力（偶极- -偶极作用力）偶极作用力） 极性分子是一种偶极子，两个极性分子相互靠近时，根据同性极性分子是一种偶极子，两个极性分子相互靠近时，根据同性相斥、异性相吸原理使分子按一定取向排列，导致系统处于一种比相斥、异性相吸原理使分子按一定取向排列，导致系统处于一种比较稳定的状态较稳定的状态. . 取向力是指极性分子与极性分子的永久偶极间的静取向力是指极性分子与极性分子的永久偶极间的静电引力。这种作用力的大小与分子的偶极矩直接相关。它仅存在于电引力。这种作用力的大小与分子的偶极矩直接相关。它仅存在于极性分子之间。极性分子之间。dipole-dipole forcedip

23、ole-dipole force Relative molecular masst(m.p.)/t(b.p.)/m m /10 /10-30-30 C Cm m32.092185.0111.2033.998133.8187.781.8334.07685.6060.753.67PropertySiH4PH3H2SThe effect of dipole-dipole force on physical propertiesdipole-dipole force on physical properties 三种三种物质的熔点和沸点按列出的顺序依次升高，被认为是分子物质的熔点和沸点按列出的顺序依次升高，被认为是分子间作用力按同一顺序增大而引起的间作用力按同一顺序增大而引起的. . 分子间力影响着物质的各种物理性质，例如：熔点和沸点分子间力影响着物质的各种物理性质，例如：熔点和沸点 氢键存在的证明氢键存在的证明2. 9. 2 2. 9. 2 氢键（氢键（hydrogen band） 氢键和分子间作用力一样，氢键和分子间作用力一样，也是很弱的力也是很弱的力. 与