共价键和分子间作用力PPT教案

1、会计学1共价键和分子间作用力共价键和分子间作用力第一节第一节 共价键理论共价键理论1) 现代价键理论现代价键理论2) 共价键的类型共价键的类型 3) 键参数键参数4) 杂化轨道理论杂化轨道理论 5）价层电子对互斥理论价层电子对互斥理论 6）分子轨道理论）分子轨道理论 第二节第二节 分子间的作用力分子间的作用力1) 分子的极性分子的极性2) van der Waals力力3) 氢键氢键第1页/共65页轨道理论基本要点。轨道理论基本要点。第2页/共65页H-HH-ClCl-Cl两个带相同电荷的电子理应排斥，两个带相同电荷的电子理应排斥，为什么能相互配对？为什么能相互配对？8电子电子PCl5？经典价

2、键理论（经典价键理论（1916年美国化学家年美国化学家Lewis)第3页/共65页 两氢原子靠近，原子轨道重叠，两氢原子靠近，原子轨道重叠，核间核间电子云密度增大，系统能量降低电子云密度增大，系统能量降低，核间距，核间距 达达74 pm时形成稳定共价键。时形成稳定共价键。 1m=103mm=106um=109nm=1012 pm 两原子靠近就可成键吗？两原子靠近就可成键吗？第4页/共65页 两个氢原子的两个氢原子的电子自旋相反电子自旋相反，轨道才，轨道才能重叠成键，称为氢分子的能重叠成键，称为氢分子的基态基态(ground state)。电子自旋方向相同时，轨道重叠。电子自旋方向相同时，轨道重

3、叠部分的波函数部分的波函数值相减，互相抵消，核间值相减，互相抵消，核间电子的概率密度几乎为零，称为氢分子电子的概率密度几乎为零，称为氢分子的排斥态的排斥态(repulsion state)。第5页/共65页第6页/共65页二二现代价键理论（现代价键理论（valence bond theory, VB法法 ）要点）要点1. 两个原子两个原子自旋相反自旋相反的单电子配对，原子轨道的单电子配对，原子轨道重叠，核间电子云密度增大，系统能量降低重叠，核间电子云密度增大，系统能量降低，形成稳定的共价键。，形成稳定的共价键。 2. 原子中单电子才能配对。所以每个原子形成原子中单电子才能配对。所以每个原子形成

4、共价键的数目等于单电子数目共价键的数目等于单电子数目。这就是共价。这就是共价键的键的饱和性饱和性（HCl, H2O, NH3)。第7页/共65页HCl分子形成时，分子形成时，s轨道和轨道和p轨道重叠方向轨道重叠方向+-+-+-第8页/共65页第9页/共65页1.键和键和键键第10页/共65页第11页/共65页第12页/共65页N2分子形成示意图分子形成示意图第13页/共65页第14页/共65页键型键型重叠重叠轨道轨道重叠重叠方式方式特点特点存在存在状况状况稳定性稳定性化学化学活泼性活泼性键键s-ss-px px-px头碰头头碰头重叠部分重叠部分沿键轴呈沿键轴呈圆柱对称圆柱对称可单独可单独存在存

5、在不易断不易断差差键键py-pypz-pz肩并肩肩并肩重叠部分重叠部分垂直于键垂直于键轴且镜面轴且镜面反对称反对称只能与只能与键共键共存存易断易断强强d-p 键，重金属原子间键，重金属原子间d轨道面对面轨道面对面键，四重键，四重第15页/共65页2. 正常共价键和配位共价键正常共价键和配位共价键 第16页/共65页CO2222ps4222psCO配位键用配位键用“” 表示，箭头从提供表示，箭头从提供电子对的原子指向接受电子对的原子电子对的原子指向接受电子对的原子。 第17页/共65页从能量因素来衡量共价键强度的物理量从能量因素来衡量共价键强度的物理量一般一般键能越大，键越牢固键能越大，键越牢固

6、。四、键参数四、键参数（bond parameter）1. 键能键能（bond energy）第18页/共65页键长为键长为134 pm；CC键长为键长为120 pm 2. 键长键长（bond length）第19页/共65页3. 键角键角（bond angle）第20页/共65页4. 键的极性键的极性（polarity of covalent bond）由成键原子的由成键原子的电负性不同电负性不同引起引起第21页/共65页物物 质质NaClHFHClHBrHICl2电负性电负性差值差值2.11.90.90.70.40型键型键离子键离子键极极 性性 共共 价价 键键非极性非极性共价键共价键一般

7、，一般，XA-XB2.0，离子键；，离子键；2.0，共价键。，共价键。但有例外，如但有例外，如BF3，差值，差值2.0，不是离子键；，不是离子键； CaS，差值，差值1.5，却是离子键。，却是离子键。 第22页/共65页CH4空间构型空间构型:正四面体正四面体CH4:如何解释？如何解释？可解释方向性和饱和性，可解释方向性和饱和性，但无法解释多原子分子但无法解释多原子分子空间构空间构型型第23页/共65页（一）（一）杂化轨道理论的要点杂化轨道理论的要点1. 成键过程中，成键过程中，同一原子同一原子中几个中几个能量相近能量相近类型不同类型不同的原子轨道线性组合，重新分配的原子轨道线性组合，重新分配

8、 能量和空间方向能量和空间方向，组成等数目的杂化轨道（，组成等数目的杂化轨道（hybrid orbital）。）。2. 杂化轨道的角度波函数在某方向的值比杂化前大杂化轨道的角度波函数在某方向的值比杂化前大得多，更有利于原子轨道间最大程度地重叠，因得多，更有利于原子轨道间最大程度地重叠，因而而杂化轨道比原来轨道的成键能力强杂化轨道比原来轨道的成键能力强。第24页/共65页1个个s 轨道和轨道和n 个个p 轨道杂化形成（轨道杂化形成（n+1）个）个spn杂化轨道杂化轨道1个个s 轨道和轨道和1个个p 轨道杂化形成轨道杂化形成2个个sp杂化轨道杂化轨道1个个s 轨道和轨道和2个个p 轨道杂化形成轨道

9、杂化形成3个个sp2杂化轨道杂化轨道1个个s 轨道和轨道和3个个p 轨道杂化形成轨道杂化形成4个个sp3杂化轨道杂化轨道第25页/共65页第26页/共65页spsp杂化杂化: :BeCl2 :Be:BeClCl2s2p激发激发2s2psp杂化杂化sp2p第27页/共65页第28页/共65页B:sp2杂化杂化:BF3 :激发激发BFFF2s2psp2杂化杂化2s2psp22p第29页/共65页CH4的形成的形成激发激发sp3杂化杂化sp32s2s2p2pC:CH4的形的形成成spsp3 3杂化杂化 第30页/共65页第31页/共65页键型键型重叠方式重叠方式重叠轨道重叠轨道存在状况存在状况键键头

10、碰头头碰头s-ss-px px-px可单独存在可单独存在键键肩并肩肩并肩py-pypz-pz只能与只能与键共存键共存第32页/共65页杂化类型杂化类型spsp2sp3参与杂化的参与杂化的原子轨道原子轨道杂化轨道数杂化轨道数杂化轨道间杂化轨道间夹角夹角空间构型空间构型实实 例例1个个s + 1个个p 1个个s + 2个个p 1个个s + 3个个p2个个sp杂化轨道杂化轨道 3个个sp2杂化轨道杂化轨道4个个sp3杂化轨道杂化轨道180o 120o 109o 28 直直 线线BeCl2，C2H2正三角形正三角形正四面体正四面体BF3, C2H4CH4，CCl4第33页/共65页乙炔直线型乙炔直线型

11、CCHHHHCCHHssp222spsp spspssppy-py 键键 pz-pz 键键第34页/共65页杂化类型杂化类型dsp2 sp3dd2sp3 或或sp3d2杂化轨道数杂化轨道数456空间构型空间构型平面四方形平面四方形三角双锥三角双锥正八面体正八面体实实 例例Ni(CN)42-PCl5Fe(CN)63- , Co(NH3)62+ 下章下章“配位化合物配位化合物”讲讲第35页/共65页 NH3 :N:不等性杂化不等性杂化: : 产生不完全等同轨道的杂化产生不完全等同轨道的杂化. .NHHHHNH=1072s2psp3杂化杂化sp3第36页/共65页H2O第37页/共65页NH3 和和

12、H2O的空间构型的空间构型第38页/共65页杂化杂化轨道轨道spsp2sp3s成分成分1/21/31/4p成分成分1/22/33/4电子对电子对类型类型孤电子孤电子对对成键成键电子对电子对s成分成分1/41/4p成分成分3/4第39页/共65页例如，例如，CHCl3 ，C 采取的杂化方式是采取的杂化方式是 sp3 等性杂化等性杂化， 但因分子中三个但因分子中三个C-Cl 键与键与 C-H 键并不等同，所键并不等同，所以为变形四面体，而不是正四面体。以为变形四面体，而不是正四面体。注意：等性杂化并不表示形成的共价键等同注意：等性杂化并不表示形成的共价键等同。 第40页/共65页解释说明解释说明可

13、否可否预测预测呢呢？第41页/共65页1. 确定中心原子价层电子对数确定中心原子价层电子对数中心原子的中心原子的价层电子数价层电子数和和配体所提供的共用电子配体所提供的共用电子数数的总和除以的总和除以2价层电子对数价层电子对数21( (中心原子的价电子数中心原子的价电子数 + + 配体提供的共用电子数配体提供的共用电子数) )第42页/共65页 作为中心原子，卤素原子按提供作为中心原子，卤素原子按提供7个电子计算，氧族元素个电子计算，氧族元素的原子按提供的原子按提供6个电子计算，即个电子计算，即提供的电子数等于其族数提供的电子数等于其族数； 双键、叁键等多重键作为双键、叁键等多重键作为1对电子

14、看待对电子看待 。 计算电子对数时，若剩余计算电子对数时，若剩余1个电子，亦当作个电子，亦当作 1对电子处理；对电子处理； 对于复杂离子，还应加上负离子电荷数或减去正离子电荷数；对于复杂离子，还应加上负离子电荷数或减去正离子电荷数； 作为配体，每个卤素原子和作为配体，每个卤素原子和H原子提供原子提供1个电子，个电子，氧族元氧族元素的原子不提供电子；素的原子不提供电子；规定：规定：第43页/共65页第44页/共65页中心原子中心原子电子对数电子对数价层电子对价层电子对构型构型分子分子 类型类型成键电成键电子对数子对数孤电子孤电子对数对数分子构型分子构型实实 例例2直线直线AB220直线直线HgC

15、l2,CO23正三角形正三角形AB330正三角形正三角形BF3,NO3-AB221V形形PbCl2,SO24正四面体正四面体AB4 40正四面体正四面体SiF4 ,SO42-AB331三角锥三角锥NH3,H3O+AB222V形形H2O,H2S第45页/共65页中心原子中心原子电子对数电子对数价层电子对价层电子对构型构型分子分子 类型类型成键电成键电子对数子对数孤电子孤电子对数对数分子构型分子构型实实 例例5三角双锥三角双锥AB550三角双锥三角双锥PCl5,PF5AB441变形四面体变形四面体SF4,TeCl4AB332T形形ClF3 AB223直线直线I3-,XeF26正八面体正八面体AB6

16、60正八面体正八面体SF6,AlF63-AB551四方锥四方锥BrF5 ,SbF52-AB442平面正方形平面正方形 ICl4-,XeF4第46页/共65页 CH4 的空间构型的空间构型 PCl5 的空间构型的空间构型H3O+SO42- 利用价层电子对互斥理论，可以预测大利用价层电子对互斥理论，可以预测大多数多数主族元素主族元素的原子所形成的的原子所形成的共价化合物共价化合物分子或离子的空间构型。分子或离子的空间构型。NH3NH4+第47页/共65页分子的极性分子的极性键的极性键的极性分类分类1、极性分子、极性分子2、非极性分子、非极性分子 1、极性共价键、极性共价键2、非极性共价键、非极性共

17、价键判断判断电偶极矩电偶极矩电负性差电负性差联系联系双原子分子两者统一双原子分子两者统一(H2、HCl)多原子分子两者多原子分子两者不一定不一定统一（与分子空间构型有关统一（与分子空间构型有关 CO2与与NO2、BF3与与NF3）1分子的极性与键的极性分子的极性与键的极性第48页/共65页第49页/共65页第50页/共65页第51页/共65页极性分子和极性分子也可相互诱导极性分子和极性分子也可相互诱导2.诱导力诱导力 induction force 极性分子和非极性分子相互作用极性分子和非极性分子相互作用 第52页/共65页3. 色散力色散力 dispersion force 在研究极性分子之

18、间的作用力时，由取向力和在研究极性分子之间的作用力时，由取向力和诱导力计算得到的分子间作用能总和要比实验小得诱导力计算得到的分子间作用能总和要比实验小得多，即使像多，即使像Cl2 、O2等典型的非极性分子也能液化等典型的非极性分子也能液化，说明无论是极性分子还是非极性分子，除取向力，说明无论是极性分子还是非极性分子，除取向力和诱导力外，还有第三种力存在。即色散力。和诱导力外，还有第三种力存在。即色散力。第53页/共65页电子云和原子核之间发生的瞬间相对位移电子云和原子核之间发生的瞬间相对位移. .色散力的大小主要与色散力的大小主要与分子的变形性分子的变形性有关有关. .随随分子量增大而增大。分

19、子量增大而增大。第54页/共65页van der Waals力的分布力的分布取向力取向力诱导力诱导力色散力色散力非极性分子之间非极性分子之间极性分子和非极性分子之间极性分子和非极性分子之间极性分子之间极性分子之间第55页/共65页van der Waals力是决定物质的熔点（力是决定物质的熔点（melting point, mp）、）、沸点沸点(boiling point, bp)、溶解性等物理性质的主要因素。同类、溶解性等物理性质的主要因素。同类型分子间型分子间van der Waals力越强，物质的熔、沸点越高。力越强，物质的熔、沸点越高。 如：非极性卤素分子氟、氯是气体，溴为液体，如：非极性卤素分子氟、氯是气体，溴为液体，碘为固体（色散力依次增大）。碘为固体（色散力依次增大）。 再如：极性分子再如：极性分子 HF HCl HBr HI取向力和诱导力取向力和诱导力随极性减小而减小（从左向右依次减小随极性减小而减小（从左向右依次减小）色散力色散力却随分子量增大而增大（从左向右依次增大却随分子量增大而增大（从左向右依次增大）熔点、沸点依次升高熔点、沸点依次升高 -84，-67 ，-35 23 第56页/共65页第57页/共65页第58页/共65页HFHFHFHFHFHF第