医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座

第七章共价键和分子间作用力第一节当代价键理论第二节杂化轨道理论第四节简单分子轨道理论第五节分子间作用力医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第1页化学键按成键时电子运动状态不一样，可分为离子键、共价键（包含配位键）和金属键三种基本类型。在这三种类型化学键中，以共价键相结合化合物占已知化合物90%以上。原子间作用力化学键离子键共价键(90%)金属键分子间作用力范德华力氢键第七章共价键和分子间作用力医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第2页第七章共价键和分子间作用力当代价键理论杂化轨道理论

价层电子对互斥理论分子轨道理论共价键理论医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第3页第一节当代价键理论一、氢分子形成和共价键本质量子力学对氢分子系统处理表明，氢分子形成是两个氢原子1s轨道重合结果。形成共价键—

基态不能形成共价键—

排斥态电子自旋方向相反电子自旋方向相同医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第4页排斥态基态共价键本质：两原子轨道重合，电子配对，电子云密集于两核之间。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第5页●两原子轨道重合，电子配对，电子云密集于两核之间。二、当代价键理论：关键点：(共价键特征)1.两个原子靠近时，只有自旋方向相反单电子能够相互配对（两原子轨道重合），使电子云密集于两核间，系统能量降低，形成稳定共价键。

2.自旋方向相反单电子配对形成共价键后，就不能再和其它原子中单电子配对。所以，每个原子所能形成共价键数目取决于该原子中单电子数目。这就是共价键饱和性。

●含有饱和性●含有方向性

(最大重合原理)HOHHCl比如：3px1sx++-yy1sx3px++-2px1sx++-y有单电子且自旋相反医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第6页共价键类型——σ键和π键对于含有单s电子或单p电子原子，它们能够经过s-s、s-px、px-px、py-py、pz-pz等轨道重合形成共价键。为了到达原子轨道最大程度重合其中s-s、s-px

和px-px

轨道沿着键轴即成键两原子核间连线，如图所表示，形成共价键，这种共价键为σ键s-ss-ppx-pxπ键—

以“肩并肩”方式进行重合,轨道重合部分垂直于键轴并呈镜面反对称分布。py-pypz-pz

σ键—

以“头碰头”方式进行重合,轨道重合部分沿键轴呈圆柱形对称分布。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第7页σ键——以“头碰头”方式重合医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第8页π键——以“肩并肩”方式重合医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第9页非极性共价键(nonpolarcovalentbond)

当成键原子电负性相同时,键正、负电荷重心重合而形成共价键。

H-H,N-N,O-O

极性共价键（polarcovalentbond）当成键原子电负性不一样时,键正、负电荷重心不重合,而形成共价键。

NH3

中(N-H),

H2O中(O-H)医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第10页●

原子轨道为何需要杂化？●

原子轨道为何能够杂化？●

怎样求得杂化轨道对称轴间夹角？1913年Pauling

建立了新化学键理论——杂化轨道理论.当代价键理论不能解释大多数多原子分子构型.比如,H2O.杂化轨道理论代键理论不能解释大多数多原子分子构型.比如,H2O中O－H键是由H

1s轨道与O中2p轨道重合形成,HOH键角应为90°;实际上,键角远大于90°.医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第11页（1）成键时能级相近价电子轨道相混杂,形成新价电子轨道—杂化轨道。一、杂化轨道理论关键点：●轨道成份变了●轨道能量变了●轨道形状变了结果是更有利于成键！（3）杂化后轨道伸展方向、形状和能量发生改变。（2）杂化前后轨道数目不变。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第12页二、轨道杂化类型及实例（一）sp杂化

●由1个ns和1个np轨道参加杂化,形成

2个sp杂化轨道。●2个sp杂化轨道间夹角为1800

。●当2个sp杂化轨道与其它原子轨道重合成键形成直线型分子。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第13页●sp杂化2s2p2s2psp2p激发

杂化BeCl2分子空间构型Cl——Be——Cl医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第14页（二）sp2杂化由1个ns轨道与2个np轨道参加杂化称为sp2

杂化,组合成3个sp2

杂化轨道。

3个sp2杂化轨道呈正三角形分布，夹角为1200。当3个sp2杂化轨道分别与其它3个相同原子轨道重合成键后，就形成正三角形构型分子1个ns2个np3个sp2正三角形夹角为1200形成正三角形构型分子医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第15页●sp2杂化2s2p2s2psp2BF3激发杂化医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第16页（三）sp3杂化sp3杂化轨道是由1个ns轨道和3个np轨道参加杂化称为sp3

杂化。组合成4个sp3杂化轨道

sp3杂化轨道间夹角均为109028’

。当它们分别与其它4个相同原子轨道重合成键后，就形成正四面体构型分子。1个ns3个np4个sp3夹角109028’形成正四面体构型分子医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第17页CH4●sp3杂化2p2s2s2psp3FormationofthecovalentbondsinCH4医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第18页第二节分子间作用力和氢键一、共价分子极性与极化

分子间存在有vanderWaals力和氢键力。这种分子间作用力产生与分子极化亲密相关；分子极化是指分子在外电场作用下发生结构改变。分子间作用力vanderWaals力氢键力与分子极化亲密相关（一）极性分子与非极性分子正、负电荷重心相重合分子正、负电荷重心不相重合分子医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第19页双原子分子分子极性=键极性如H2,Cl2,HCl,HF多原子分子键极性分子构型分子极性如CO2,CH4,H2O,NH3怎样判断分子极性医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第20页μ＝0非极性分子μ≠0极性分子,μ越大,分子极性越大d___正、负电荷中心距离q___正或负电荷中心电量分子极性大小？μ＝q·d___简称偶极矩(μ)电偶极矩(electricdipolemoment)医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第21页永久偶极:极性分子偶极矩称为永久偶极.

非极性分子在外电场作用下,能够变成含有一定偶极极性分子,而极性分子在外电场作用下,其偶极也能够增大.在电场影响下产生偶极称为诱导偶极.

医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第22页（二）分子极化在外电场作用下:极性分子μ增大,非极性分子产生诱导偶极。

分子极化不但在外电场作用下产生，分子间相互作用时也可发生，这是分子间存在相互作用力主要原因。+--+-+-+++--μ=0μ>0医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第23页分子间存在着一个弱作用力,只有化学键键能1/10～1/100，称vanderWaals力。Vanderwaals力分为取向力、诱导力和色散力。二、Vanderwaals力最早由荷兰物理学家vanderWaals提出医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第24页取向力（orientationforce）。永久偶极(固有偶极）间吸引力。

两个极性分子靠近时,因同极相斥,异极相吸,分子将发生相对转动,按异极相邻状态排列吸引。极性分子间医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第25页诱导力（inductionforce）。

诱导偶极与永久偶极（固有偶极）相吸引力。极性分子间极性分子和非极性分子医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第26页色散力（dispersionforce）非极性分子中电子不停运动和原子核振动，使某一瞬间分子正、负电荷中心不重合而产生瞬时偶极。

瞬时偶极相互吸引产生分子间作用力叫色散力。

医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第27页（二）vanderWaals力特点和作用

不属于化学键范围，是静电引力：其作用能只有几到几十千焦/摩尔,约比化学键小1～2个数量级；作用范围：只有几十到几百pm；不含有方向性和饱和性。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第28页物质沸点、熔点等物理性质与分子间作用力相关，vanderWaals力小物质，其沸点和熔点都较低。大多数分子，色散力是主要。极性大分子，取向力才比较显著。诱导力通常都很小。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第29页三、氢键（hydrogenbond）以HF为例,F电负性相当大,电子对偏向F,而H几乎成了质子,这种H与其它分子中电负性相当大、r小原子相互靠近时,产生一个特殊分子间力——氢键.表示为····:F－H····F－H两个条件:1.与电负性大且r小原子(F,O,N)相连H;2.在附近有电负性大,r小原子(F,O,N).

医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第30页三、氢键（hydrogenbond）（一）氢键及其种类氢键:H原子与Y原子间静电吸引作用（虚线所表示）。

X—H…Y类型:分子内氢键和分子间氢键。医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第31页分子间氢键

医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第32页分子内氢键

医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第33页氢键强弱与X、Y原子电负性及半径相关。X、Y电负性愈大、半径愈小，形成氢键愈强。氢键键能普通在42kJ·mol-1

以下。化学键>氢键>vanderWaals力氢键含有饱和性，分子间氢键含有方向性。（二）氢键特征及作用医用基础化学共价键和分子间作用力专家讲座第34页形成分子间氢键，其沸点、熔点较高。形成分子内氢键，其沸点和熔点降低。若溶质和溶剂间形成氢键，溶解度