分子结构和晶体结构

1、第四章第四章 分子结构和晶体结构分子结构和晶体结构 引言引言 分子是参与化学反应的基本单元。分子是参与化学反应的基本单元。 分子的形成说明原子之间存在着相互作用。分子的形成说明原子之间存在着相互作用。分子结构：微观独立存在的集合体（分子、离子、原子）分子结构：微观独立存在的集合体（分子、离子、原子）中原子之间的排列及作用。中原子之间的排列及作用。晶体结构：宏观聚集体中微粒（原子、分子、离子）的排晶体结构：宏观聚集体中微粒（原子、分子、离子）的排列及作用。列及作用。本章重点：本章重点：1 1、共价化合物结构理论及应用、共价化合物结构理论及应用 2 2、晶体结构及特征，分子间作用及应用、晶体结构及

2、特征，分子间作用及应用第一节第一节 化学键及键参数化学键及键参数( (自学自学) )一、定义：一、定义： 在分子或晶体中，相邻原子间强烈的相互作用。在分子或晶体中，相邻原子间强烈的相互作用。二、类型：二、类型： 离子键离子键 共价键（配位键）共价键（配位键） 金属键金属键三、键参数：表征化学键性质的物理量。三、键参数：表征化学键性质的物理量。1 1、键能：、键能：概念：破坏概念：破坏1 1mol气态化学键（化学式表示）变成气态气态化学键（化学式表示）变成气态原子或原子团所需要的能量。原子或原子团所需要的能量。 若破坏的化学键多于一个时，则取其平均值。若破坏的化学键多于一个时，则取其平均值。 键

3、能越大，破坏键所需能量越大，键越强。键能越大，破坏键所需能量越大，键越强。2 2、键长：、键长：概念：分子间两原子核间的平衡距离。概念：分子间两原子核间的平衡距离。 一般情况下，键长越短，键强度越大。键越牢固。一般情况下，键长越短，键强度越大。键越牢固。3 3、键角：指键之间的夹角、键角：指键之间的夹角概念：表征化学键方向性、分子空间结构的重要参数。概念：表征化学键方向性、分子空间结构的重要参数。4 4、键矩：表征原子间键的正负电荷重心不重合的程度。、键矩：表征原子间键的正负电荷重心不重合的程度。 键矩为零正负电荷重心重合，为非极性键。键矩为零正负电荷重心重合，为非极性键。 键矩不为零，为极性

4、键；键矩越大，键极性越强。键矩不为零，为极性键；键矩越大，键极性越强。( (归纳总结归纳总结) ) 问题问题 ：根据希有气体原子的电离能和电子亲合能数据根据希有气体原子的电离能和电子亲合能数据有何启示？有何启示？ NeNe 2080 KJ/mol 0(+29 KJ/mol) 2080 KJ/mol 0(+29 KJ/mol) ArAr 1520 KJ/mol 0(+35 KJ/mol) 1520 KJ/mol 0(+35 KJ/mol)说明：原子难失去电子，也难得到电子。该电子构型稳定说明：原子难失去电子，也难得到电子。该电子构型稳定对价电子数较少金属原子，倾向于失去价电子对价电子数较少金属原

5、子，倾向于失去价电子变成希有气体型的阳离子。变成希有气体型的阳离子。 对非金属，价电子数多，则倾向于获得电子对非金属，价电子数多，则倾向于获得电子成成8 8电子型的阴离子。电子型的阴离子。提出：金属与非金属原子彼此发生电子转移，形成的提出：金属与非金属原子彼此发生电子转移，形成的相互作用，称为离子键。相互作用，称为离子键。第二节第二节 离子化合物的结构离子化合物的结构一、离子键及离子化合物：一、离子键及离子化合物：1 1、定义：由异电荷靠静电作用产生的化学结合力，、定义：由异电荷靠静电作用产生的化学结合力，称为离子键。称为离子键。离子型化合物：由离子键组成的化合物。离子型化合物：由离子键组成的

6、化合物。2 2、形成条件：、形成条件：通常以电负性差大于通常以电负性差大于1.71.7作为是否为离子键的参考依据作为是否为离子键的参考依据3 3、本质：静电作用。、本质：静电作用。4 4、特征：、特征： 无方向性无方向性 无饱和性无饱和性 ( (为什么？为什么？) )5 5、离子结构类型：、离子结构类型：2 2e e、8e8e、18e18e、18+2e18+2e、不饱和不饱和型型二、离子晶体及其特性：二、离子晶体及其特性：1 1、晶体：、晶体： 微观粒子（分子、原子、离子）在空间规则并重复排列形微观粒子（分子、原子、离子）在空间规则并重复排列形成的宏观聚集体。成的宏观聚集体。2 2、晶格结点：

7、微粒所处的位置。、晶格结点：微粒所处的位置。3 3、晶胞：重复排列的具有代表性的最小单元。、晶胞：重复排列的具有代表性的最小单元。 4 4、晶体特征：有固定的几何形状、熔点，具各向异性、晶体特征：有固定的几何形状、熔点，具各向异性5 5、离子晶体构型：、离子晶体构型： CsClCsCl型型 NaClNaCl型型 ZnSZnS型型(AB(AB型型 了解了解) ) 晶格类型晶格类型 体心立方体心立方 面心立方面心立方 面心立方面心立方 配位数配位数 8 6 48 6 46 6、离子晶体特性：如何理解？、离子晶体特性：如何理解？ 具有较高的熔沸点和硬度；具有较高的熔沸点和硬度； 脆性，机械加工性能差

8、；脆性，机械加工性能差； 导电性：熔融或水溶液导电，但固体不导电。导电性：熔融或水溶液导电，但固体不导电。三、晶格能三、晶格能1 1、定义：破坏、定义：破坏1mol晶体（化学式），形成无限远离晶体（化学式），形成无限远离的气态离子的能量变化的气态离子的能量变化2 2、分析：离子晶体形成过程中的、分析：离子晶体形成过程中的能量变化能量变化3 3、表明：离子晶体能稳定存在，关键在于阴阳离子、表明：离子晶体能稳定存在，关键在于阴阳离子间强烈的结合力，仅用电子结构稳定说明其形成是间强烈的结合力，仅用电子结构稳定说明其形成是不完善的。不完善的。4 4、影响因素：离子的电荷、半径、影响因素：离子的电荷、半

9、径5 5、应用：、应用：NaXNaX物理性质变化规律物理性质变化规律Mg(s)0.5O2(g)O(g)Mg(g)Mg2+(g)O2(g)MgO(s)+12345 问题问题 如何说明如何说明H2、HCl等众多物质的形成及性质。等众多物质的形成及性质。离子键理论不能圆满解释。离子键理论不能圆满解释。提出了原子间可通过共用电子对形成分子的观点，提出了原子间可通过共用电子对形成分子的观点，即共价键。即共价键。共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。共价键：原子间通过共用电子对形成的化学键。 问题问题 ：共用电子为什么能形成？形成条件是什么？：共用电子为什么能形成？形成条件是什么？本质是什么？本质是什

10、么？随着量子力学的建立，近代原子结构理论的发展，先随着量子力学的建立，近代原子结构理论的发展，先后建立了两大共价键理论：后建立了两大共价键理论：VBVB法和法和M0M0法。法。一、一、VB法：法：立论点：电子配对和原子轨道最大重叠。立论点：电子配对和原子轨道最大重叠。第三节第三节 共价化合物的结构共价化合物的结构1 1、要点：、要点：电子配对原理：电子配对原理：原子间共价键结合是以相互自旋反向的未成对电子原子间共价键结合是以相互自旋反向的未成对电子彼此配对为前提，符合彼此配对为前提，符合不相容不相容原理原理即成单电子且自旋相反，俩俩偶合成即成单电子且自旋相反，俩俩偶合成“电子对电子对”形形成共

11、价键。成共价键。推论：两原子各有一个成单电子且自旋反向，则形成推论：两原子各有一个成单电子且自旋反向，则形成一个稳定共价单键；若有多个成单电子且自旋反向，一个稳定共价单键；若有多个成单电子且自旋反向，则形成复键。则形成复键。若若A原子有两个成单电子，原子有两个成单电子，B原子有一个成单电原子有一个成单电子，满足自旋反向则形成子，满足自旋反向则形成AB2型分子。型分子。原子轨道最大重叠原理：原子轨道最大重叠原理：两配对电子的原子轨道，力图最大程度的重叠才能两配对电子的原子轨道，力图最大程度的重叠才能最大限度的使核间的电子云密集，能量处于最低状最大限度的使核间的电子云密集，能量处于最低状态，形成共

12、价键。态，形成共价键。Energyr74 pm 2 2、共价键的本质和形成条件：、共价键的本质和形成条件：本质：仍是电性的。本质：仍是电性的。形成条件：形成条件：.成单电子自旋相反；成单电子自旋相反； .原子轨道最大重叠。原子轨道最大重叠。 同时满足，方能成键。同时满足，方能成键。3、共价键的特征：、共价键的特征：饱和性：由于每个原子提供的轨道和成单电子数目是一定饱和性：由于每个原子提供的轨道和成单电子数目是一定的，所以每年原子的成键总数或以单键联接的原子数目是的，所以每年原子的成键总数或以单键联接的原子数目是一定的。一定的。方向性：原子轨道除方向性：原子轨道除S外，在空间都有一定的取向，所以

13、只外，在空间都有一定的取向，所以只有沿着一定的方向才能发生最大重叠。有沿着一定的方向才能发生最大重叠。4 4、共价键的、共价键的类型类型：键：沿键轴方向，键：沿键轴方向，“头碰头头碰头”方式重叠。方式重叠。键：轨道对称轴相互平行，键：轨道对称轴相互平行，“肩并肩肩并肩”重叠。重叠。 重叠程度：重叠程度：键大于键大于键键5、VB法补充法补充激发成键观点：例激发成键观点：例配位键：配位键：原子间共用电子对是由一个原子提供形成的化学键。原子间共用电子对是由一个原子提供形成的化学键。问题问题：水分子的空间构型如何解释？：水分子的空间构型如何解释？二、杂化轨道理论二、杂化轨道理论立论：原子轨道在成键时，

14、为增强其成键能力，几个原子轨立论：原子轨道在成键时，为增强其成键能力，几个原子轨道可混杂重新组成几个新的原子轨道。道可混杂重新组成几个新的原子轨道。( (一一) )要点：要点：1.1.原子形成分子时存在价层内电子的激发，轨道杂化过程。原子形成分子时存在价层内电子的激发，轨道杂化过程。杂化：原子相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道杂化：原子相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道“混合混合”，重新组合成一组新的轨道的过程。，重新组合成一组新的轨道的过程。杂化轨道：杂化后形成的新轨道。杂化轨道：杂化后形成的新轨道。杂化轨道数目：与参与组合的原子轨道数目相同。杂化轨道数目：与参与组合的原子轨道数

15、目相同。2.2.等性、不等性杂化等性、不等性杂化等性杂化：每个杂化轨道完全等同等性杂化：每个杂化轨道完全等同不等性杂化：每个杂化轨道不完全等同，即杂化轨道中有不参与不等性杂化：每个杂化轨道不完全等同，即杂化轨道中有不参与 成键的孤电子对。成键的孤电子对。3.3.满足轨道最大重叠原理满足轨道最大重叠原理4.4.满足化学键之间最小排斥原理满足化学键之间最小排斥原理( (二二) )杂化类型与分子空间杂化类型与分子空间构型构型： SP SP SPSP2 2 SPSP3 3 dSPdSP2 2 dSP dSP3 3(SP(SP3 3d) dd) d2 2SPSP3 3(SP(SP3 3d d2 2) )

16、 直线直线 三角型三角型 四面体四面体 四边形四边形 三角双锥三角双锥 八面体八面体( (三三) )应用应用: :离域键离域键大大键键形成条件：形成条件：“肩并肩肩并肩”重叠方式，共用电子数小于共用电子原子数重叠方式，共用电子数小于共用电子原子数的两倍。的两倍。( (四四) )杂化理论的局限性及应用注意杂化理论的局限性及应用注意 杂化类型的确定，应根据实验数据（键参数）、对中心原子结杂化类型的确定，应根据实验数据（键参数）、对中心原子结构分析，要灵活掌握。构分析，要灵活掌握。三、分子的某些性质三、分子的某些性质1、极性、极性分子偶极分子偶极 表征分子中正、负电荷中心不重合的程度表征分子中正、负

17、电荷中心不重合的程度(偶极矩偶极矩) 分子极性与键的极性关系分子极性与键的极性关系 非极性键：非极性键：非极性分子非极性分子 极性键：极性键： 结构对称结构对称非极性分子非极性分子 结构不对称结构不对称极性分子极性分子2、分子磁性：表征分子在磁场中行为、分子磁性：表征分子在磁场中行为顺磁：顺磁：物质在磁场中因电子自旋产生对着外磁场方向的磁矩物质在磁场中因电子自旋产生对着外磁场方向的磁矩抗磁：两电子自旋相反配对，两个小磁场方向相反而抵消抗磁：两电子自旋相反配对，两个小磁场方向相反而抵消 故主要与物质内部的成单电子结构有关，通过磁性数据，故主要与物质内部的成单电子结构有关，通过磁性数据，可得到成单

18、电子数信息。可得到成单电子数信息。nn 2用用VB法对法对O2 、H2+形成和性质无法圆满解释。形成和性质无法圆满解释。四、分子轨道理论四、分子轨道理论立论：原子轨道重新立论：原子轨道重新“组合组合”要点：要点：1.能量相近、对称性匹配的不同原子的原子轨道可以能量相近、对称性匹配的不同原子的原子轨道可以“组合组合”成数成数目相等的分子轨道，能级将发生变化。目相等的分子轨道，能级将发生变化。2.分子轨道类型分子轨道类型 成键分子轨道：能量低于原子轨道，有成键分子轨道：能量低于原子轨道，有、 反键分子轨道：能量高于原子轨道，有反键分子轨道：能量高于原子轨道，有*、*3.电子排布遵循原子结构电子排布

19、原理。电子排布遵循原子结构电子排布原理。4.分子能级顺序分子能级顺序5.电子在成键轨道上，体系能量降低，形成化学键；电子在成键轨道上，体系能量降低，形成化学键； 电子在反键轨道上，体系能量升高，不利于形成化学键电子在反键轨道上，体系能量升高，不利于形成化学键小结：小结：MO法计算复杂，描述分子几何构型不够直观。法计算复杂，描述分子几何构型不够直观。五、共价物质的晶体结构五、共价物质的晶体结构 共价键的饱和性，使一些以共价键结合的物质以小分子共价键的饱和性，使一些以共价键结合的物质以小分子形式存在。形式存在。1、分子间作用力、分子间作用力(Van氏力氏力)与分子晶体与分子晶体范氏力范氏力、分子偶

20、极：、分子偶极： 固有偶极固有偶极 诱导偶极诱导偶极 瞬时偶极：处于不停运动的电子与核产生瞬间相对位移瞬时偶极：处于不停运动的电子与核产生瞬间相对位移、范氏力：、范氏力： 取向力取向力: 极性分子间，因固有偶极的存在产生的相互作用。极性分子间，因固有偶极的存在产生的相互作用。 诱导力诱导力: 外电场作用下分子产生诱导偶极而发生的作用。外电场作用下分子产生诱导偶极而发生的作用。 色散力色散力: 由瞬时偶极而产生的作用。由瞬时偶极而产生的作用。可见，范氏力的本质是静电作用。可见，范氏力的本质是静电作用。 非极性分子在外电场的非极性分子在外电场的作用下，可以变成具有一定作用下，可以变成具有一定偶极矩

21、的极性分子。偶极矩的极性分子。_ _ = 0 诱导偶极其强度大小和电场强度成正比，也和分子的变形性诱导偶极其强度大小和电场强度成正比，也和分子的变形性成正比。分子体积越大，电子越多，变形性越大。成正比。分子体积越大，电子越多，变形性越大。诱导偶极诱导偶极 而极性分子在外电场作而极性分子在外电场作用下，其偶极也可以增大。用下，其偶极也可以增大。在电场的影响下产生的偶极在电场的影响下产生的偶极称为称为诱导偶极诱导偶极。 、三种存在范围：、三种存在范围： 取向力取向力极性分子间极性分子间 诱导力：极性分子间、极性诱导力：极性分子间、极性非极性分子非极性分子 色散力：所有分子之间。色散力：所有分子之间

22、。、影响因素：、影响因素： 取向力：分子间距离的六次方成反比，与温度成反比，与取向力：分子间距离的六次方成反比，与温度成反比，与固有偶极成正比。固有偶极成正比。 诱导力：分子间距离的六次方成反比，与温度成反比，与诱导力：分子间距离的六次方成反比，与温度成反比，与变形性成正比。变形性成正比。 色散力：分子间距离的六次方成反比，与温度成反比，与色散力：分子间距离的六次方成反比，与温度成反比，与变形性成正比。变形性成正比。 相对大小：相对大小： （一般）色散力取向力诱导力。（一般）色散力取向力诱导力。、范氏力特点：、范氏力特点： 永远存在于分子间的一种力；永远存在于分子间的一种力； 作用力较小，作用

23、范围小；作用力较小，作用范围小； 无方向性和饱和性。（理解？）无方向性和饱和性。（理解？）分子晶体及特性：分子晶体及特性：、分子晶体：占据晶格结点的质点是小分子，分子间靠范、分子晶体：占据晶格结点的质点是小分子，分子间靠范氏力彼此规则排列，形成的宏观聚集体。氏力彼此规则排列，形成的宏观聚集体。、特性：、特性： 硬度小，熔沸点低，硬度小，熔沸点低， 固液气态导电性差，固液气态导电性差， 加工性尚可。加工性尚可。、范氏力对物质物性的影响、范氏力对物质物性的影响氢键氢键分子间又一种作用力分子间又一种作用力、氢键：与电负性值很大、半径小的元素原子共价结合的、氢键：与电负性值很大、半径小的元素原子共价结

24、合的氢原子与另一电负性值很大、半径小的元素原子之间的作氢原子与另一电负性值很大、半径小的元素原子之间的作用用、形成条件：、形成条件：(a) 与电负性大且与电负性大且半径半径小的原子小的原子 ( F，O， N ) 相连的相连的 H(b) 在附近有电负性大，在附近有电负性大，半径半径小的原子小的原子 ( F，O，N )、特征：、特征： 具有方向性和饱和性具有方向性和饱和性 氢键较范氏力大但不如化学键强。氢键较范氏力大但不如化学键强。、氢键类型及对物性的影响、氢键类型及对物性的影响 分子内和分子间氢键分子内和分子间氢键2 2、原子晶体、原子晶体 共价物质的另一类晶体共价物质的另一类晶体定义：占据晶格

25、结点的质点为原子，原子间通过共定义：占据晶格结点的质点为原子，原子间通过共价键规则排列，形成的宏观聚集体。价键规则排列，形成的宏观聚集体。特征：特征： 不存在独立的小分子不存在独立的小分子 高熔沸点、高硬度高熔沸点、高硬度 热电不良导体热电不良导体 加工性能差加工性能差3 3、混合型晶体、混合型晶体石墨石墨第四节第四节 金属键与金属晶体金属键与金属晶体 如何解释金属单质的物理性质及原子间的相互作用如何解释金属单质的物理性质及原子间的相互作用一、金属键一、金属键金属原子间强烈的相互作用力金属原子间强烈的相互作用力二、改性共价键理论（自由电子理论）二、改性共价键理论（自由电子理论） 1. 1.要点

26、：要点： 自由电子及形成自由电子及形成: :金属原子的价电子易电离成为自由电子，金属原子的价电子易电离成为自由电子，这些电子能自由地从一个原子这些电子能自由地从一个原子“跑跑”向另一个原子。向另一个原子。 金属键形成金属键形成: :金属原子通过金属原子通过“共用共用”“”“自由电子自由电子”相互作相互作用（静电吸引）结合在一起用（静电吸引）结合在一起形象化形象化: :金属原子间有电子气自由流动；金属原子沉浸在电子金属原子间有电子气自由流动；金属原子沉浸在电子的的“海洋海洋”中。中。 2. 2.金属键本质及特征：金属键本质及特征： 电性力电性力 无方向性和饱和性无方向性和饱和性 3.3.对金属物

27、理性质的解释对金属物理性质的解释三、金属的三、金属的能带理论能带理论初步初步分子轨道理论应用分子轨道理论应用立论：把整个金属晶体看作一个大分子立论：把整个金属晶体看作一个大分子注意：某原子有几种原子轨道就形成几个能带；同一能带中各分子轨道能量差很小,相邻能带有一定能量差2、能带的类型满带充满电子的能带导带未充满电子的高能量能带禁带能带与能带之间的能量间隔， 金属钠的能带示意图金属钠的能带示意图 金属镁的能带重叠示意图金属镁的能带重叠示意图 （a）导体）导体 （b）绝缘体）绝缘体 （c）半导体）半导体3 3、能带理论的应用、能带理论的应用按能带中充填电子情况和禁带宽度不同，可把物质分为导体,半导

28、体和绝缘体化 学 键分子间作用力 作 用 力离子键 金属键共价键氢 键范氏力产生原因静电引力共用自由电子原子间共用电子对氢核吸引高电负性原子偶极作用力条件大金属原子间小F、O、N分子间强度强强强较强弱方向无无有有无饱和无无有有无性质极性大无有晶体结构晶体性质类型质点作用力熔沸点硬度加工性能液导电性固导电性分子晶体分子范氏力氢键低小尚可差差原子晶体原子共价键高大脆差差差离子晶体离子离子键高大脆差好差金属晶体原子离子金属键高大好好好第五节第五节 离子极化离子极化前面离子键的讨论，视离子为不变的球对称体，而前面离子键的讨论，视离子为不变的球对称体，而实际上离子间将以各自的电场相互影响其电子云。实际上离子间将以各自的电场相互影响其电子云。一、离子极化现象：使离子的电子云一、离子极化现象：使离子的电子云“变形变形”，与核，与核发生相对位移，产生诱导偶极，在离子间产生一种发生相对位移，产生诱导偶极，在离子间产生一种附加作用力的现象。附加作用力的现象。 二、极化规律及影响因素：二、极化规律及影响因素：1 1、变形性：离子半径越大，变形性越大；、变形性：离子半径越大，变形性越大；