无机与分析化学教程 第四版 课件 第3章 化学键与分子结构

第3章化学键及分子结构Chapter3ChemicalBonds&Molecularstructure

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3.1化学键的分类

要将分子拆散，需要破坏分子内原子之间强烈的作用力，即化学键。类型离子键IonicBond

共价键covalent

金属键metallic原子为什么要形成分子？怎样形成分子？

单个原子（稀有气体除外）不稳定，结合形成相对稳定的各种分子，分子是化学研究中的基本单位。自由电子理论

在金属中,原子的价电子容易脱落形成晶格中流动的“自由电子”。金属原子或离子与自由电子间的相互强烈静电作用力的总和称为金属键，特点是没有方向性和没有饱和性。金属键

金属的物理性质：很好的延展性；较大的密度；较高的熔沸点，导电、导热；金属的特有光泽。无法解释

金属原子在形成金属晶体的“大分子”时，其原子轨道重组形成了属于整个分子的分子轨道，当分子中原子数目趋向无穷多时，分子轨道的能级差趋向于无穷小，造成了金属中连续的能级，称之为能带(EnergyBand)

。金属键的能带理论例如，Na原子的3s轨道，形成金属钠3s能带。……..微观世界能量量子化

宏观世界能量连续的能带满带导带空带禁带以Li

为例，1s22s12p0

1s轨道充满电子，故组成的能带

充满电子，称为满带fullband

能带之间的能量间隔很大，电子跃迁困难，称为禁带forbiddenband

2s轨道电子半充满，组成的能带电子也半满，称为导带conductionband

2p能带中无电子，称为空带emptyband3n个

2pn个

2s金属键的能带理论（续）n个

1s

金属Be

1s22s22p0形成的能带中只有满带和空带，为什么也能导电？这是因为2s和2p能量较为接近，在形成能带时发生部分重叠，即能量范围有交叉，形成了导带。

Be的

2s能带是满带，通过重叠电子可以跃迁到2p空带中去。空带和满带重叠也能形成导带n个

2pn个

2s金属键的能带理论（续）

导电性

电子在导带中能量是连续的，容易进入空轨道中导电。没有导带，且满带和空带之间的禁带E>5eV，电子难以跃迁，则为绝缘体；若禁带的E<3eV，在外界能量激发下，电子穿越禁带进入空带产生导电效果，则为半导体。能带理论解释金属的物理性质

金属光泽

电子在能带中连续跃迁，能量变化的覆盖范围相当广泛，反射各种波长的光，故大多数金属呈银白色。

延展性

受外力时，金属能带不被破坏。

熔点和硬度

金属单电子多时，金属键强，熔点高，硬度大。如W和Re，m.p.达3500K；K和Na单电子少，金属键弱,熔点低,硬度小。离子键的形成形成化学键-785kJ·mol-1离子键

两种原子间电负性相差较大，一般要相差1.7以上。形成离子键的条件

离子键存在于离子晶体（盐）中，具有的物理性质：硬度大但脆；较高的熔沸点，导电、导热性差；往往易溶于水，水溶液或熔融态能导电。

离子键的本质是静电引力；

NaCl的晶胞

离子键没有方向性和饱和性。离子键（续）离子键的特点

阴阳离子的电荷数（首要因素）

阴阳离子的半径，决定其电荷距离（次要因素）离子键的强度影响因素熔点排序：MgO>BaO>NaCl>NaBr

非金属元素之间一般形成共价键共价键

当不同元素的原子之间电负性差值不大（

X<1.7）

，或者是同种元素原子间，价电子就不能在原子之间完全转移，而往往会形成电子对共用的情况。这种依靠电子对共用而形成的分子的化学键称为共价键。

共价键的形成机理、类型和代表物质在三种化学键中是最复杂的，是化学键研究的重点。有机化合物都是由共价键结合生成的。

根据共用电子的数目是一对、两对还是三对，可以将共价键分为单键、双键和叁键。共价键的键参数bondparameters

拆散1molAB分子中共价键：AB=A+B，使之成为气态原子A和B所需要的能量称为AB键的键能，单位是kJ·mol－1。共价键的键长是指形成共价键的两个相邻原子的原子核之间的平均核间距。键能bondenergy键长bondlength

键长

/pm键能

/kJ·mol-1C－C154345.6C=C133602.0CC120835.1

键角是决定分子空间构型的决定因素

V形′直线形正四面体形′三角锥形′

在多原子分子中，同一原子如果形成两根或者两根以上的共价键，这些共价键之间存在着一定的夹角，这就是键角。共价键的键参数（续）键角bondangleClClCl—Cl非极性键ClHH—Cl极性键

由两个不同原子组成的化学键,由于它们的电负性不同,共用电子对存在偏向,这类化学键称为极性键。由两个相同原子组成的化学键,电负性相同，共用电子对不存在偏向,这类化学键称为非极性键。极性的大小可以μ电偶极矩dipolemoment由来表示。共价键的极性

q

为某极性分子正、负电荷中心所带电量（偶极电量）d

为偶极距离

（电）偶极矩：极性的量度，用m表示。

非极性键的偶极矩为零；偶极矩越大，键的极性越大；

偶极矩是矢量，其方向由正电荷中心指向负电荷中心。m

=q·dClHmd电偶极矩

观察下列分子的正、负电荷中心是否重合：

极性分子polarmolecule：正负电荷中心不重合的分子

非极性分子non-polarmolecule：正负电荷中心重合的分子分子的极性

单原子分子一定是非极性分子；

双原子分子同核都是非极性分子；异核都是极性分子；

多原子分子空间结构中心对称的是非极性分子，空间结构非中心对称的是极性分子。

极性分子：

H2O、NH3、CHCl3非极性分子：BeCl2、CO2、BCl3、CH4共价键的极性取决于相邻两原子间共用电子对是否有偏移分子的极性取决于空间构型正负电荷中心是否重合分子的极性（续）成键电子和孤对电子

电子共用仅限于价层电子。C的价电子构型是2s22p2，可见最外层的价电子数目是4个，由此也可知H的价电子数是1，N是5，O是6。共用的基本规则是达到8电子的稳定构型（H是2电子）。以下是C，H，O，N之间形成的几种常见分子的Lewis结构式，可以看出电子两种情况：成键电子和孤对电子。H:H（H-H）2、通过书写Lewis结构式，得到中心原子A上价层电子情况3、价层电子对尽可能分散,以使斥力最小

成键电子对的方向就是共价键的方向价层电子对互斥理论（valenceshellelectronpairrepulsion）是一种经验理论，可以用来判断和预测分子的构型，其基本要点：价层电子对=成键电子对bondpair+孤对电子对lonepair(VP)(BP)(LP)价层电子对互斥理论VSEPR1、在AXn型多原子分子中，A表示中心原子，通过共价键与外围原子X相连。正四面体形′价层电子对互斥理论（续）CH4不是平面构型（键角90°）而是正四面体（键角109°28'）三角锥形′V形′

在考虑相互斥力的时候，不但要考虑成键电子，也要考虑孤对电子的斥力，即它们之间相互夹角大小。斥力大小：孤对电子

>成键电子价层电子对互斥理论（续）键角越大斥力越小分子稳定夹角越大斥力越小分子稳定

如何解释CH4、NH3和H2O中的键角分别为109°28'，107°18'和104°45'

，依次减小。价层电子对互斥理论（续）342直线形3平面三角形4正四面体5三角双锥6正八面体电子对数目VP电子对空间分布例3-1

判断XeF2空间构型中心原子Xe，价电子8，与2个F形成2共价键价层电子8+2=10，价层电子对VP=5成键电子对BP=2，孤对电子对LP=3形成三角双锥的电子对排布先安排孤对电子在斥力较小的平伏位剩下成键电子安排在轴向位最终XeF2分子构型是直线型轴向位平伏位VPLP电子对的空间构型分子的空间构型34611212SnCl2平面三角形V形NH3四面体三角锥H2O四面体V形IF5八面体四方锥XeF4八面体平面正方形实例价层电子对互斥理论（续）VP=BP+LP

第三章作业

第三章章节测试

复习/预习相关章节资源课后学习任务共价键的成键理论VB理论着眼于原子之间原子轨道的重叠，并能够较本质地说明化学键在空间的取向，解释分子的空间构型；MO理论认为原子在形成分子时，原子轨道重组形成分子轨道，从总体能量的变化上来阐述共价键的形成对分子稳定性的贡献。价键理论（valencebondtheory

简称VB理论）分子轨道理论（molecularorbitaltheory简称MO理论）H2中共价键的形成

两个具有1s1

电子构型的H原子彼此靠近时，两个1s轨道发生重叠，在重叠处电子作为物质波干涉增强，电子出现概率增加，对左右带正电荷的原子核具有吸引作用。价键理论（VB法）

轨道重叠即共价键的本质价键理论基本要点1、基本条件：两原子各有一个未成对电子，且自旋方向相反，其所在原子轨道重叠，形成共价键。2、有效重叠原则:发生相互重叠的两个原子轨道的正、负号要相同（同号），物质波干涉增强。3、最大重叠原则:相互重叠的两个原子轨道要沿着轨道伸展方向进行重叠，此时重叠程度最大化，成的键较强。

共价键的饱和性

H(1s1)

Cl(3s23px13py23pz2)

N(2s22px12py12pz1)

成键时原子必须拿出未成对电子所在轨道去重叠，所以原子中单电子数决定了共价键的数目的上限，即为共价键的饱和性。

NH3共价键的饱和性和方向性H—ClN≡NH2Cl2成键时两个原子轨道发生重叠。为满足最大重叠原理，原子轨道只能沿着轨道伸展的方向（电子云密度最大方向）重叠。共价键的方向性共价键的饱和性和方向性（续）共价键的类型：

键和

键

两个原子轨道沿着轨道伸展方向相互接近，最后同号重叠所形成的键叫做

键，俗称“头碰头”：s—spx—spx—px

键头碰头

键的形成过程共价键的类型：

键和

键（续）

py—pypz—pz

键肩并肩共价键的类型：

键和

键（续）

两原子轨道沿着垂直于伸展方向的方向相互靠近，同号重叠所形成的键叫做

键，俗称“肩并肩”：共价键的类型：

键和

键（续）

键的形成过程：

σ键π键轨道重叠方式头碰头肩并肩轨道重叠部位两原子核之间键轴上方和下方轨道重叠程度大小键的强度较大较小化学活泼性不活泼活泼能否旋转以键为轴自由旋转不能自由旋转σ键和π键的特征比较共价键的类型：

键和

键（续）

H21s11s—1s1个σ

键

Cl23s23p53px—3px

1个σ

键

HCl1s—3px1个σ

键

N22s22p32px—2px

1个σ

键

2py—2py

1个

键

2pz—2pz

1个

键

两原子形成共价键有且只有一根σ键强度大于

键共价键的类型：

键和

键（续）

NNσππ

C的价电子构型为：2s22px1py1，存在两个未成对电子，按价键理论只能形成两个共价键，且键角为90°。

而实际上C在形成化合物时往往形成4个共价键，而且C－H键都是等同的，空间呈现正四面体结构。杂化轨道理论Hybridorbitaltheory

Pauling等人以价键理论为基础，提出杂化轨道理论。

Pauling假设,甲烷的中心原子C，在形成化学键时,4个价电子层原子轨道并不维持原来的形状,而是发生所谓“杂化”，得到4个等同的轨道,总称sp3杂化轨道，每个轨道上各有1个未成对电子，形成了甲烷的正四面体构型。杂化轨道理论（续）杂化（hybrid）的本质就是使得中心原子原来能量不一、形状各异的价层各轨道，重组形成在能量上等同、在空间位置上分布均匀的简并轨道->杂化轨道，杂化轨道之间的夹角实现了最大化，对分子稳定有利。杂化轨道上的电子有的成对，即孤对电子，有的未成对，即可以与其他原子成键。杂化轨道理论是价层电子对互斥理论的内在根源价层电子对互斥理论是杂化轨道理论的外在表现杂化轨道理论的要点1、能量相近的原子轨道才能进行杂化；2、杂化前后轨道和电子的数目守恒；3、杂化后的各个杂化轨道能量上是相等的，空间取向是均匀分布的（简并轨道），实现了轨道夹角最大化。4、按照洪德规则电子在杂化后的轨道上排布，如存在未成对电子，按价键理论原则与外围原子的未成对电子轨道发生重叠，形成共价键。5、杂化后轨道上存在成对电子，即孤对电子，不成键，但占用空间，且斥力较大。轨道杂化的类型和分子空间构型

1个s轨道和1个p轨道杂化，杂化后得到2个sp杂化轨道+两个轨道间的夹角为180°，呈直线型sp

杂化轨道sp杂化

180°直线型轨道杂化的类型和分子空间构型（续）实例

BeCl2

Be：2s2轨道杂化的类型和分子空间构型（续）ClBeClClClBesp杂化

180°直线型sp2杂化轨道1个s轨道和2个p轨道杂化，杂化后得到3个sp2杂化轨道轨道杂化的类型和分子空间构型（续）FFFB实例

BF3

B：2s22p1轨道杂化的类型和分子空间构型（续）sp2

杂化

120°平面三角形sp3杂化轨道轨道杂化的类型和分子空间构型（续）1个s轨道与3个p

轨道进行的杂化形成4个sp3

杂化轨道。sp3

等性杂化

109°28′正四面体实例

CH4

C：2s22p2轨道杂化的类型和分子空间构型（续）sp3等性杂化

等性sp3杂化是指杂化后的4个sp3杂化轨道是完全平等的，这种杂化类型叫做等性杂化。其分子呈高度对称的正四面体构型。如：CH4、CCl4、NH4+孤对电子2s2p杂化等性杂化与不等性杂化（续）sp3不等性杂化实例

NH3

N：2s22p3sp3不等性杂化4个杂化轨道有差别，叫做不等性杂化。分子空间构型不是正四面体。2

对孤对电子杂化2s2p杂化轨道理论/价层电子对互斥理论解释：CH4、NH3和H2O的键角109°28′、107°18′、104°45′依次减少等性杂化与不等性杂化（续）sp3不等性杂化实例

H2OO：2s22p4中心原子电子构型杂化空间构型键角实例ⅡA/ⅡBns2

sp直线形

180°BeCl2、HgCl2ⅢAns2np1

sp2

平面三角形

120°BF3、BBr3ⅣAns2np2

sp3

(正)四面体

109°28′CCl4、SiH4ⅤAns2np3

sp3不等性三角锥形

107°18′NH3、PH3ⅥAns2np4

sp3不等性V字形

104°45′H2O、H2S杂化情况一览表课后学习任务

第三章作业

第三章章节测试

复习/预习相关章节资源中心原子电子构型杂化空间构型键角实例ⅡA/ⅡBns2

sp直线形

180°BeCl2、HgCl2ⅢAns2np1

sp2

平面三角形

120°BF3、BBr3ⅣAns2np2

sp3

(正)四面体

109°28′CCl4、SiH4ⅤAns2np3

sp3不等性三角锥形

107°18′NH3、PH3ⅥAns2np4

sp3不等性V字形

104°45′H2O、H2S杂化情况一览表2s2p2psp2杂化sp2乙烯中

sp2

杂化

苯中的

大π键特殊的杂化类型：平面型分子中sp2杂化1、原子形成分子后，原子轨道atomicorbital不复存在；分子中电子运行于分子轨道molecularorbital，不再从属于某个原子，也不局限在相邻原子间，而是在整个分子空间范围内运动，即电子是非定域的，是离域

delocalized的。分子轨道理论（MO）的基本要点2、分子轨道由能量相近的原子轨道线性重组而成，分子轨道的数目与参与组合的原子轨道数目相等。

例如，两个H原子的1s轨道重组形成两个分子轨道，此时两个电子按照电子排布三原则进入成键轨道上，体系能量降低，即H2形成。

反键anti-bonding

E成键bonding+±+++－分子轨道的能量低于组合前原子轨道的能量，称为成键分子轨道分子轨道的能量高于组合前原子轨道的能量，称为反键分子轨道分子轨道理论的基本要点（续）H2

分子轨道H2分子轨道式

(

1s)2

*1s

1sMOAOAO1s1s

分子轨道式将分子轨道按能量高低顺序由左到右排成一行，并把每个轨道上的电子数写在轨道符号的右上角。键级

=(2－0)/2=1

（单键）1、电子在分子轨道上的填充顺序与电子在原子轨道上的填充顺序一致，即满足能量最低原理，泡利不相容原理和洪特规则。2、填充电子后的分子若其成键轨道上的电子总数大于反键轨道上的电子总数则分子可以形成，否则不稳定。还可以通过计算键级来判断分子稳定性：键级bondorder

=(成键轨道电子数－反键轨道电子数)/2键级越大，分子越稳定分子轨道中电子排布三原则

He2

分子轨道式

(

1s)2

(*1s)2键级

=(2－2)/2=0

AOAO1s1s

*1s

1sMO

由于填充满了一对成键轨道和反键轨道，故分子的能量与原子单独存在时能量相等，键级为零。He之间无化学键，即He2

分子不存在。He2

分子轨道

He2＋

的存在用价键理论不好解释，但用分子轨道理论则认为有半键（单电子键）。这是分子轨道理论较现代价键理论的成功之处。

He2＋

分子轨道式

(

1s)2(*1s)1

键级

=(2－1)/2=1/2

AOAO1s1s

*1s

1sMOHe2+

分子轨道2p2p2s2sMO1s1sAOAOO2F21s1s

1s*1s2s2s

2s*2sAO2p2p非O2F2

MO

AO*2px*2pz*2py

2py

2pz

2px*2px*2pz*2py

1s*1s

2s*2s

2py

2pz

2px分子轨道能级图（同核双原子分子）拓展键级

=(6－2)/2=2

2p2p2s2s

2s*2s

1s*1sMO1s1sAOAO*2*2*2

2

2

2分子轨道式(1s)2(*1s)2(2s)2(*2s)2()2()2

(

)2(

)1(

)1

2

2

2

*2*2或简写成

[Be2](

)2(

)2

()2()1()1

2

2

2

*2*2O2

分子轨道

实验表明，氧气单质是顺磁性的。可用分子轨道理论解释，O2的分子轨道式为：

[Be2](

)2(

)2

()2()1()1

，其中

2

2

2

*2*2

()1(

)1

说明轨道中有未成对电子，故显顺磁性。*2*2顺磁性反磁性

成对电子

自旋磁矩抵消反磁性

未成对电子

存在自旋磁矩顺磁性

键级

=(6－0)/2=3

反磁性2p2p*2*2*2

2

2

21s1s

1s*1s2s2s

2s*2sAOMOAO或简写成

[Be2]()2

()2

()2

2

2

2分子轨道式

(1s)2(*1s)2(2s)2(*2s)2

()2

()2

()2

2

2

2N2

分子轨道O2

分子轨道图

2p2p2s2s

2s*2s

1s*1sMO1s1sAOAO*2*2*2

2

2

2

N2

分子轨道图2p2p*2*2*2

2

2

21s1s

1s*1s2s2s

2s*2sAOMOAO取向力：极性分子之间产生的相互作用力（吸引力）极性来源：极性分子具有永久极性permanentdipole

分子间作用力又称为范德华力VanDerWaalsforce。化学键能一般在102kJ·mol－1

数量级，而范德华力的能量只有几个kJ·mol－1

。

范德华力来源于分子之间的静电作用力，根据分子的极性polarity来源不同，范德华力可分为：

取向力诱导力色散力分子间的作用力Intermolec