基础化学-第九章-分子结构课件

1、第九章 分子结构第一节 离子键第二节 共价键的价键理论第三节 价层电子对互斥理论第四节 轨道杂化理论第五节 分子轨道理论简介第六节 离域键第七节 分子作用力和氢键第九章 分子结构第二节 共价键的价键理论第四节 轨道杂化理论第七节 分子作用力和氢键第二节共价键的价键理论一、共价键的本质二、价键理论的基本要点三、共价键的类型引言：分子结构 分子是保持物质化学性质的最小微粒，而分子的性质与分子结构密切相关。 分子内，相邻原子间存在强烈的相互作用化学键离子键、金属键和共价键。 分子间，存在着较弱的相互作用，包括分子间作用力和氢键。离子键离子键的共价性离子键形成的重要条件就是元素之间的电负性差值较大。元

2、素的电负性差值越大，形成的离子键越强。但离子化合物中不存在100%的离子键，即使是 CsF 中的离子键，也有8%的共价性。1.7，发生电子转移，主要形成离子键；1.7，不发生电子转移，主要形成共价键。一、共价键的本质 海特勒和伦敦指出共价键的本质： 当两个氢原子相互接近时，原子轨道发生重叠（即波函数叠加)，两原子A(1,0,0,1/2)，B(1,0,0,-1/2)间通过共用自旋相反的电子对使系统能量降低而成键。一、共价键的本质 电子自旋方式相反的两个氢原子互相接近时，其1s轨道发生重叠，两原子核间形成一个电子出现的概率密度较大的区域，这一方面降低两个原子核间的正电排斥，另一方面增加了两个原子核

3、对核间电子的吸引。 R0处引力斥力，两原子达平衡，能量最低一、共价键的本质而电子自旋方式相同的两个氢原子相互接近时，两核间电子出现的概率密度降低，从而增大了两个原子核的排斥力，使系统能量升高，所以无法形成化学键。由此可见，电子自旋相反的两个氢原子以核间距R0相结合，比两个远离的氢原子能量低，可以形成稳定的分子。而电子自旋相同的两个氢原子接近时，系统能量比两个远离的氢原子能量还高，不能形成稳定的分子。 二、价键理论的基本要点1. 两个原子接近时，自旋相反的未成对电子可配对形成共价键。 二、价键理论的基本要点2. 一个原子所形成的共价键的数目受其未成对电子数的限制（共价键的饱和性)：原子有几个未成

4、对电子，就只能和几个自旋相反的未成对电子配对成键。 二、价键理论的基本要点3. 原子轨道重叠越多，两核间电子出现的概率密度就越大，形成的共价键越牢固。因此，共价键的形成总是沿着原子轨道最大重叠的方向进行 （最大重叠原理，共价键的方向性)。+_不能成键能成键H+Cl-三、共价键的特征1.共价键的饱和性2.共价键的类型四、共价键的类型综上所述，当两个原子接近时，自旋相反的未成对电子可通过原子轨道的重叠形成共价键。在重叠时，受未成对电子数目的限制，并遵守最大重叠原理，所以共价键具有饱和性和方向性这两个特征。按形成共价键时原子轨道的重叠方式的不同，共价键分为 键和 键两种类型。四、共价键的类型 (一)

5、 键四、共价键的类型 (一) 键 以“头碰头”方式沿键轴（两原子核间联线）方向重叠，重叠部分对于键轴呈圆柱形对称。沿键轴方向旋转任意角度，轨道的形状和符号均不改变。 键沿键轴方向形成，重叠程度大，所以其 键能大、稳定性高。 键是化学结构的保持者。四、共价键的类型 (二) 键+ z+ zpzpzxpypy+ zy + zy x四、共价键的类型 (二) 键 以“肩并肩”方式垂直于键轴重叠，重叠部分呈镜面反对称。包括键轴在内的平面上、下两侧对等地分布着原子轨道，形状相同，符号相反。 键不是沿最大重叠方向形成，重叠程度较小，所以其键能小、稳定性低。 键是化学反应的积极参与者。四、共价键的类型 两原子形

6、成共价单键时，原子轨道总是沿键轴方向达到最大程度的重叠，所以单键都是 键；形成共价双键时，有一个 键和一个 键；形成共价三键时，有一个 键和两个 键 。 实例 N2N2 的结构NN2px2pz2pyN2 的结构xzy五、配位共价键 共用电子对由一个原子单独提供形成的共价键称为配位共价键，简称配位键。配位键用箭号“”表示，箭头指向接受电子对的原子。例如：五、配位共价键共用电子对由一个原子单独提供形成的共价键称为配位共价键，简称配位键。配位键用箭号“”表示，箭头指向接受电子对的原子。例如：形成配位键的条件：(1) 提供电子对的原子的最外层有孤对电子；(2) 接受电子对的原子的最外层有空轨道。 O

7、2s2 2p4 C 2s2 2p2 CO 中的配位键由 C 原子和 O 原子各提供一个 2p 轨道，互相重叠，但是电子是由 O 原子独自提供的。 于是， CO 可表示成C O六、共价键参数 共价键参数是表征共价键性质的物理量，常见的参数有：键能、键长、键角和键的极性。键能Ed：使气态 AB分子解离成气态原子 A 和原子 B 所需要的能量。一般在102 kJmol-1数量级。键长l：分子中两个成键原子核间的平衡距离。一般在102 pm 数量级。 比如H2： Ed436 kJmol-1， l74pm。如果分子中只含有一种键，且都是单键，键能可用键解离能的平均值表示。如NH3含有三个NH键： NH3

8、(g) = H(g) + NH2(g) D1 = 433.1 kJmol1NH2(g) = NH(g) + H(g) D2 = 397.5 kJmol1NH(g) = N(g) + H(g) D3 = 338.9 kJmol1E(NH) = (NH) = (D1+D2+D3)/3 = (433.1+ 397.5+ 338.9) kJmol1/3 = 389.8 kJmol1 键能E，键强度，化学键越牢固，分子稳定性。 对同种原子的键能E有： 单键双键叁键 如 E(CC)=346kJmol1, E(C=C)=610kJmol1, E(CC)=835kJmol1一些键能和键长的数据(298.15K

9、)六、共价键参数 共价键参数是表征共价键性质的物理量，常见的参数有：键能、键长、键角、键的极性和键级。键角：键与键之间的夹角。键角和键长是表征分子的空间构型的重要参数。键的极性：共价键中共用电子对偏向于电负性较大的原子使其带部分负电荷，而电负性较小的原子带部分正电荷，正、负电荷中心不重合。这种共价键称为极性键。否则称为非极性键。键型过渡 2.1-2.1=02.5-2.1=0.42.8-2.1=0.73.0-2.1=0.94.0-2.1=1.94.0-0.9=3.1Na+F-H HH I:H Br:H Cl:H F:Na F:电负性差值越大 ，键的极性越强 非极性键 极性键 离子键第四节轨道杂化

10、理论一 轨道杂化理论的基本要点二 轨道杂化的类型与分子的空间构型一、轨道杂化理论的基本要点(1) 只有在形成分子中，能量相近的原子轨道才能进行杂化。孤立原子不能杂化。常见杂化方式有ns-np杂化、ns-np-nd杂化和(n-1)d-ns-np杂化；(2) 杂化轨道数等于参加杂化的原子轨道数；(3) 杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道强，形成的化学键的键能大；(4) 杂化轨道不能以空轨道形式存在；(5) 杂化轨道的构型决定了分子的空间构型。二、轨道杂化的类型和分子空间构型杂化过程： (a) 激发； (b) 杂化； (c) 成键；杂化类型： (a) sp 杂化 直线型； (b) sp2 杂化平面

11、正三角形； (c) sp3 杂化正四面体；(一) sp 杂化(一) sp 杂化 一个 ns 轨道和一个 np 轨道形成两个 sp 杂化轨道，每一个 sp 杂化轨道中含有1/2的 s 轨道成分和1/2的 p 轨道成分。这两个轨道的夹角为180，所形成的分子的空间构型为直线形。 比如：BeCl2sp 杂化示意图(一) sp 杂化(二) sp2 杂化 一个 ns 轨道和两个 np 轨道形成三个 sp2 杂化轨道，每一个 sp2 杂化轨道中含有1/3的 s 轨道成分和2/3的 p 轨道成分。这三个轨道间的夹角为120，所形成的分子的空间构型为平面正三角形。sp2 杂化轨道示意图(二) sp2 杂化 一

12、个 ns 轨道和两个 np 轨道形成三个 sp2 杂化轨道，每一个 sp2 杂化轨道中含有1/3的 s 轨道成分和2/3的 p 轨道成分。这三个轨道间的夹角为120，所形成的分子的空间构型为平面正三角形。 比如：BF3(二) sp2 杂化(二) sp3 杂化 一个 ns 轨道和三个 np 轨道形成四个 sp3 杂化，每一个sp3 杂化轨道中含有 1/4 的 s 轨道成分和 3/4 的 p 轨道成分。这四个轨道的夹角为10928，所形成的分子的空间构型为正四面体。(二) sp3 杂化 一个 ns 轨道和三个 np 轨道形成四个 sp3 杂化，每一个sp3 杂化轨道中含有 1/4 的 s 轨道成分

13、和 3/4 的 p 轨道成分。这四个轨道的夹角为10928，所形成的分子的空间构型为正四面体。(三) sp3 杂化(四)不等性 sp3 杂化 由原子轨道组合成一组简并杂化轨道的杂化过程称为等性杂化。等性杂化并不表示形成的共价键一定等同，如 CHCl3 中 C 是 sp3 等性杂化，分子中三个 C-Cl 键与 C-H 键并不等同，所以分子为变形四面体 。(四)不等性 sp3 杂化 如果杂化所得的一组杂化轨道并不完全简并，则称为不等性杂化。NH3H2ONH3 分子 10718H2O 分子 10445总结杂化类型 sp sp2sp3杂化轨道构型 直线形 三角形 四 面 体杂化轨道中孤对电子对 000

14、12分子空间构型 直线形 三角形 正四面体 三角锥形 V 形 实 例 BeCl2BF3CH4NH3H2O键 角 180 120 109281071810445第七节 分子间作用力和氢键一、分子的极性二、分子间作用力三、氢键分子的极性每个分子都由带正电的原子核和带负电的电子组成，由于正、负电荷数量相等，所以整个分子是电中性的。设想分子中有一个“正电荷中心”以及一个“负电荷中心”，如果正、负电荷的中心不重合在同一点上，分子就具有极性，称为极性分子。否则称为非极性分子。 双原子分子的极性由相同原子组成的双原子分子，正、负电荷中心重合，不具有极性，为非极性分子。由不同原子组成的双原子分子，负电荷中心比

15、正电荷中心更偏向电负性大的原子，使正、负电荷中心不重合，为极性分子。HHHCl+_分子的极性取决于键的极性多原子分子的极性分子的极性取决于化学键的极性及分子的空间构型。分子完全对称，则正、负电荷中心重合，为非极性分子；反之为极性分子。+_+_+_OOC原子间电负性差值越大，键的正负电荷中心越分离，键的极性越大。多原子分子的极性分子的极性取决于化学键的极性及分子的空间构型。分子完全对称，则正、负电荷中心重合，为非极性分子；反之为极性分子。+_+_HHO多原子分子的极性分子的极性取决于化学键的极性及分子的空间构型。分子完全对称，则正、负电荷中心重合，为非极性分子；反之为极性分子。分子H2HClH2

16、OCO2CCl4CHCl3键的极性 非极性极性极性极性极性极性几何构型直线直线V形直线正四面体四面体分子极性非极性极性极性非极性非极性极性偶极矩分子极性大小可用偶极矩 来衡量。偶极矩越大，分子的极性就越大；偶极矩越小，分子的极性就越小；偶极矩为零的分子是非极性分子。分子的偶极矩是各个化学键的偶极矩的矢量和。 d+q_q偶极矩分子极性大小可用偶极矩 来衡量。偶极矩越大，分子的极性就越大；偶极矩越小，分子的极性就越小；偶极矩为零的分子是非极性分子。分子的偶极矩是各个化学键的偶极矩的矢量和。正、负电荷中心间的距离电荷中心的电荷量分子电偶极矩与分子空间构型分子分子空间构型分子分子空间构型H2N2CS2

17、CO2CH4CCl4H2SH2ONH30000003.63 6.174.29直线形直线形直线形直线形正四面体正四面体角形角形三角锥形HClO3COSO2HFCHCl3HBrHIBF33.601.670.335.286.473.632.601.270直线形V 形直线形V 形直线形变形四面体直线形直线形正三角形分子分子空间构型分子分子空间构型H2N2CS2CO2CH4CCl4H2SH2ONH30000003.63 6.174.29直线形直线形直线形直线形正四面体正四面体角形角形三角锥形HClO3COSO2HFCHCl3HBrHIBF33.601.670.335.286.473.632.601.27

18、0直线形V 形直线形V 形直线形变形四面体直线形直线形正三角形分子电偶极矩与分子空间构型分子电偶极矩与分子空间构型分子分子空间构型分子分子空间构型H2N2CO2CS2CH4CCl4H2SH2ONH30000003.63 6.174.29直线形直线形直线形直线形正四面体正四面体角形角形三角锥形HClO3COSO2HFCHCl3HBrHIBF33.601.670.335.286.473.632.601.270直线形V 形直线形V 形直线形变形四面体直线形直线形正三角形永久偶极、诱导偶极和瞬时偶极极性分子的正、负电荷中心不重合，我们讲分子存在永久偶极。非极性分子在电场作用下，电子云与原子核发生相对位

19、移，分子形状发生变化并出现偶极，称为诱导偶极。 永久偶极、诱导偶极和瞬时偶极极性分子的正、负电荷中心不重合，我们讲分子存在永久偶极。非极性分子在电场作用下，电子云与原子核发生相对位移，分子形状发生变化并出现偶极，称为诱导偶极。由于电子和原子核的相对运动，某瞬间分子的正、负电荷中心发生相对位移，产生瞬时偶极。瞬时偶极的大小与分子的变形性有关，分子越大，越易变形，瞬间偶极越大。二、分子间作用力分子间作用力按产生的原因和特点可分为色散力、诱导力和取向力。1. 取向力2. 诱导力3. 色散力取向力又称定向力、葛生力。极性分子接近时，永久偶极间同极相斥、异极相吸，分子在空间取向排列。取向力的本质是静电引力，与偶极矩的平方、热力学温度的倒数、及分子间距的负六次方成正比。诱导力又称德拜力。非极性分子与极性分子接近时产生诱导偶极，该诱导偶极与极性分子的永久偶极间产生的静电引力称为诱导力。诱导力极性分子接近时，在分子永久偶极的影响下，分子发生变形，正、负电荷中心的距离被拉大，产生诱导偶极。因此诱导力也存在于极性分子之间。诱导力与偶极矩的平方、分子的变形性成正比，与温度无关。色散力又称伦敦力。1930年伦敦提出的量子力学公式与光色散公式相似，故称色散力。色散力指两个分子瞬时偶极间产生