《共价键与共价晶体》课件

共价键与共价晶体原子间通过共用电子对形成的化学键课程目标1掌握共价键的形成机理2理解共价键的特性与表示法熟悉共价晶体的结构特点共价键的定义电子共享原子间共用电子对形成化学键成键原子通常为非金属元素之间稳定性达到稳定的电子构型共价键的形成过程电子贡献原子提供未成对电子电子重叠电子云相互靠近电子共享形成共用电子对能量释放系统趋于稳定状态共价键的特点方向性沿特定空间方向延伸饱和性电子对数量有限强度大键能较高，不易断裂定域性电子对位于特定原子间共价键的类型：σ键定义沿原子核连线方向重叠形成特点单键，结构稳定，自由旋转例子H-H,C-H,C-C单键共价键的类型：π键1234定义电子云侧向重叠形成特点双键或三键的组成部分结构不能自由旋转，固定角度例子C=C,C≡C键中的π组分共价键的饱和性定义原子形成共价键数量有限原因价电子数和轨道数有限表现分子具有确定组成和结构共价键的方向性1空间定向沿特定方向排列2键角由电子对排斥决定3几何构型分子具有特定形状4性质影响决定物质物理化学性质键参数：键长定义成键原子核心间平衡距离影响因素原子半径、键级、杂化方式测量方法光谱法、X射线衍射键参数：键角104.5°水分子键角H-O-H109.5°甲烷键角H-C-H120°乙烯键角H-C-H180°乙炔键角H-C-C键参数：键能单键、双键和三键单键(C-C)1对共用电子对，σ键双键(C=C)2对共用电子对，1σ+1π三键(C≡C)3对共用电子对，1σ+2π共价键的极性非极性共价键电负性相同，电子对均匀分布极性共价键电负性不同，电子对偏向一端部分电荷原子获得δ+或δ-电荷性质影响决定分子极性和溶解性共价键的形成条件1元素类型通常为非金属元素间2电负性差异相近或中等差异3价电子具有未成对电子4能量条件形成后体系能量降低共价键的表示方法：电子式点式表示用点表示价电子成键电子对用线或点对表示共用电子对孤对电子用点对表示非键电子对共价键的表示方法：结构式用线表示共价键，单线为单键，双线为双键，三线为三键共价键的表示方法：球棍模型球代表原子，棍代表共价键，直观表示分子几何构型共价键强弱的影响因素原子种类半径越小，重叠越有效1键级单键<双键<三键2轨道重叠程度重叠越多，键越强3电负性差异适当差异增强键强度4等电子原理定义含相同电子数的粒子性质相似应用预测分子结构和性质等电子体系CO、N₂、NO⁺具有相似结构共价晶体的定义基本构成原子通过共价键连接空间排列形成三维有序结构整体性质一个巨大的分子共价晶体的特点硬度大共价键强度高高熔沸点需断裂大量共价键不溶性难以形成新键脆性键定向性强共价晶体的结构1空间网状结构三维骨架2方向性排列特定键角和键长3原子位置有序长程有序排列4结晶学对称性具有特定空间群金刚石的结构1碳原子排列sp³杂化，四面体构型2键角109.5°，最稳定构型3晶胞面心立方，8个碳原子4三维网络每个碳与4个碳相连金刚石的性质10莫氏硬度最高硬度3500°C熔点极高熔点2.42ÅC-C键长短而强3.52g/cm³密度紧密堆积石墨的结构平面结构sp²杂化，六边形网格层间作用层内共价键，层间范德华力离域π键层内电子自由移动石墨的性质1物理性质黑色，有光泽，柔软2导电性平面内导电，垂直方向不导电3润滑性层间易滑移4热稳定性空气中高温氧化二氧化硅的结构基本单元SiO₄四面体连接方式顶点共享氧原子三维网络形成空间骨架结构多态现象石英、鳞石英、方石英等二氧化硅的性质硬度莫氏硬度7，较硬熔点1710°C，高熔点化学性质抗酸，被HF腐蚀溶解性水中几乎不溶碳化硅的结构与性质结构Si和C交替排列，类似金刚石硬度莫氏硬度9.5，仅次于金刚石熔点2730°C，极耐高温应用磨料，半导体材料共价晶体与分子晶体的区别键类型共价键vs分子间力结构三维网络vs分子堆积熔点高vs低硬度硬vs软共价晶体与离子晶体的区别共价晶体原子通过电子共享连接离子晶体离子通过静电引力连接导电性通常不导电vs熔融或溶解时导电共价晶体与金属晶体的区别电子定位定域vs离域1导电性通常不导电vs良好导电2可塑性脆性vs延展性3结合方式定向共价键vs金属键4共价晶体的熔点和沸点特征共价晶体的硬度特征1金刚石莫氏硬度102碳化硅莫氏硬度9.53刚玉莫氏硬度94石英莫氏硬度7共价晶体的导电性1典型绝缘体金刚石，二氧化硅2半导体硅，锗，碳化硅3特殊导体石墨(平面内)4掺杂改性通过掺杂改变导电性共价晶体的溶解性水中溶解性几乎不溶有机溶剂通常不溶特殊溶解二氧化硅溶于HF溶解机理需打破三维网络共价晶体在自然界中的分布广泛存在于地壳中，以矿物形式出现共价晶体的应用：半导体材料硅微电子工业的基础材料锗高频电子器件碳化硅高温高频半导体器件共价晶体的应用：超硬材料金刚石切割工具，磨料碳化硼砂轮，喷砂碳化硅研磨材料，耐火材料立方氮化硼金属加工，高速切削共价晶体的应用：光学材料石英光学透镜，棱镜金刚石宝石，高折射率碳化硅LED，光电探测器共价键与分子的形状甲烷四面体形状，键角109.5°水弯曲结构，键角104.5°乙炔线性分子，键角180°价层电子对互斥理论（VSEPR）基本假设电子对互相排斥排列原则最大化电子对间距影响因素键合对和孤对电子几何构型预测确定分子形状和键角杂化轨道理论1定义原子轨道重组形成等能杂化轨道2作用解释共价键方向性3类型sp,sp²,sp³等4几何排布决定分子的空间构型sp杂化组成1个s轨道与1个p轨道杂化几何构型线性构型，180°角代表分子乙炔(C₂H₂)，BeF₂sp²杂化组成1个s轨道与2个p轨道杂化几何构型平面三角形，120°角代表分子乙烯(C₂H₄)，BF₃π键形成未参与杂化的p轨道形成π键sp³杂化组成1个s轨道与3个p轨道杂化1几何构型四面体，109.5°角2代表分子甲烷(CH₄)，NH₃3空间分布四个方向指向四面体顶点4分子轨道理论简介1基本思想原子轨道线性组合2成键轨道电子密度增加区域3反键轨道电子密度减少区域4应用解释复杂分子结构共价键与分子的极性键极性电负性差异导致电荷不均分子极性由键极性和分子几何构型决定对称性影响对称分子可能无极性溶解性影响极性分子溶于极性溶剂共价键与分子间作用力1离子-偶极作用离子与极性分子2氢键强烈的偶极-偶极作用3偶极-偶极作用极性分子间引力4范德华力所有分子间存在氢键水分子间决定水的高沸点DNA碱基对维持双螺旋结构蛋白质稳定二级结构醇类分子影响溶解性和沸点范德华力1色散力瞬时偶极相互作用2诱导力永久偶极诱导临时偶极3偶极-偶极力极性分子间相互作用4强度特点短程力，与距离关系密切共价键与物质的物理性质1熔沸点决定相变温度2硬度影响物质机械性质3溶解性决定在溶剂中的溶解能力4导电性影响电子传导能力共价键与物质的化学性质反应活性键能影响反应难易选择性键强弱决定优先反应位点反应机理决定反应途径立体效应影响反应的立体选择性共价键的断裂与形成均裂电子对平均分配异裂电子对偏向一个原子加成新键形成于双键或三键共价晶体的制备方法高温合成直接元素反应1化学气相沉积气相前驱体分解2熔融法熔体冷却结晶3高压合成如金刚石的制备4共价晶体的表征方法X射线衍射确定晶体结构电子显微镜观察微观形貌拉曼光谱分析键合状态共价键与共价晶体的研究进展1超硬材料