5.3 化学键与分子间相互作用力.ppt

1、化学键：分子或晶体中相邻两原子或离子间的强烈作用力，成键能量约为几十到几百千焦每摩。,5.3 化学键与分子间相互作用力,本节着重介绍共价键,一. 现代价键理论要点-共价键 原子所形成的共价键数目取决于未成对电子数（饱和性） 如果A和B原子各有一个未成对电子形成一个共价键 如果A和B原子各有两个未成对电子形成两个共价键,注意：共价键饱和性体现在： （1）一个电子与另一个电子配对成键后就不能和第三个电子 配对成键。 （2）电子已完全配对的原子不能继续成键。如He就以单分子 形式存在。,成键,不成键,附图5.10 p轨道共价键形成示意图,2.对称性匹配原则 波函数数值同号的轨道才能进行有效重叠。,电

2、子运动类似波的性质，波函数正负类似机械波的波峰和波谷，同 号加强（波峰相遇或波谷相遇），异号减弱甚至完全抵消（波峰与 波谷相遇）,3. 原子轨道重叠愈多，核间电子云愈密集，共 价键愈牢固，称为原子轨道最大重叠原理。 因此原子轨道将沿最大程度方向重叠，决定 了共价键的方向性。,键 原子轨道沿键轴（成键核间连线，设为x轴）以“头碰头” 方式进行重叠，重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布，形成共价键。如s-s、s-px 和px-px 轨道重叠。,二. 共价键的类型,键特点： 键的轨道重叠程度比键的轨道重叠程度大，因而键比键牢固。 键也可单独存在于两原子间，是构成分子的骨架，两原子间只可能有1个键。,键 互

3、相平行的py或pz轨道则以“肩并肩” 方式进行重叠，重叠的部分垂直于键轴并呈镜面反对称。,键：例,键特点： 键较易断开，化学活泼性强。 一般它是与键共存于具有双键或叁键的分子中。 由于键的存在，原子不可绕键转动。,三. 键参数 表征化学键性质的物理量称为键参数 共价键的键参数主要有键长、键角、键能及键的极性。,1.键长 分子中两成键原子的核间平衡距离。 键长愈短,键愈牢固； 相同两原子形成的键长：单键键长双键键长叁键键长。 例： CC键长为154 pm； CC键长为134 pm；CC键长为120 pm,2.键角 分子中同一原子形成的两个化学键间的夹角 它是反映分子空间构型的一个重要参数。如H2

4、O分子中的键角为104o45，分子为V形结构；CO2分子中的键角为180o，分子为直线形结构。 一般而言，根据分子中的键角和键长可确定分子的空间构型。,4 . 键的极性和分子的极性 1）键的极性由成键原子的电负性不同引起 当成键原子的电负性相同，原子核正电荷形成的正电荷重心和核间电子云的负电荷重心重合，形成非极性共价键。 当成键原子的电负性不同，核间电子云偏向电负性较大原子的一端，使之带部分负电荷，而电负性较小原子的一端带部分正电荷，正电荷重心与负电荷重心不重合，形成极性共价键。,2）分子的极性取决于键的极性和分子构型,极性度量:电偶极矩 q d 电偶极矩为零的分子是非极性分子，电偶极矩愈大表

5、示分子的极性愈强。,四. 杂化轨道理论,价键理论说明了共价键的形成，解释了共价键的方向性和饱和性，但阐明多原子分子的空间构型却遇到困难。 Pauling L.等人在价键理论的基础上提出了杂化轨道理论。 杂化轨道理论实质上仍属于现代价键理论，但在成键能力、分子的空间构型等方面丰富和发展了价键理论。,(一）杂化轨道理论的要点 成键过程中，同一原子中几个能量相近类型不同的原子轨道线性组合，重新分配能量和空间方向，组成等数目的杂化轨道（杂化轨道数目等于参与杂化的所有轨道数之和）。 如同原子的一个ns与np的三个轨道杂化将形成四个sp3杂化轨道。 2.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

6、利于原子轨道间最大程度地重叠，因而杂化轨道比原来轨道的成键能力强。(如s和px成键） 3.杂化轨道之间力图在空间取最大夹角分布，使相互间的排斥能最小，故形成的键较稳定。不同类型的杂化轨道之间的夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。,（二）杂化轨道类型及实例分析 1. sp型和spd型杂化 1）sp杂化,S P 2个SP,BeCl2 Be: 2s2,2）sp2杂化,S P P 3个SP2,BF3 B: 2s22p1,3）sp3杂化,S P P P 4个SP3,CH4 C: 2s22p2,sp型的三种杂化,（三）等性杂化和不等性杂化 1. 等性杂化-每个杂化轨道所含的原轨道的比例相同,

7、能量相同(参与杂化的原子轨道都含有单电子或都是空轨道),2.不等性杂化-每个杂化轨道所含的原轨道的比例不相同,能量不相同(参与杂化的原子轨道有的已经含有孤对电子),N原子不等性sp3杂化轨道成键特征：,其中有一个杂化轨道含有一对电子(孤对电子)，含孤对电子的轨道因内部斥力较大而较胖，因此压迫另3个轨道使键角小于10928。,O原子和S原子也能进行不等性sp3杂化,图5.3.1 NH3和H2O分子的空间构型示意图,孤电子对数： 0 1 2 夹 角： 109 28 107 18 104.5 空 间 结 构：正四面体 三角锥 V形,五. 分子间相互作用力,分子间作用力： 分子间作用包括范德华力、氢键

8、、疏水作用等，比化学键要弱得多。 分子间作用力存在于所有分子中。,1.范德华力 包含：取向力、诱导力和色散力,1）取向力分子固有电偶极之间的作用力，存在于极性分子中。,距离较远时,距离较近时,图5.3.2取向力示意图,五. 分子间相互作用力,2）诱导力(极性分子和非极性分子相互作用),固有偶极与诱导偶极之间的作用力，存在于极性分子之间或极性分子与非极性分子之间。,3）色散力当非极性分子相互靠近时，由于电子和原子核的不断运动，正负电荷中心不能始终保持重合，产生瞬间偶极，瞬间偶极之间的相互作用称为色散力。 色散力存在于所有分子之间，同类型分子距离相等时，相对分子质量越大，其色散力越大。,例：下列两

9、组物质的色散力大小 1）卤素单质；2）卤化氢,解：卤素单质按色散力从大到小：I2, Br2, Cl2, F2; 卤化氢按色散力从大到小：HI, HBr, HCl, HF,van der Waals力的特点： 它是静电引力，作用能比化学键小12个数量级； 非极性分子只存在色散力，极性分子间存在其它三种力；极性不大的分子以色散力为主，极性很大分子以取向力为主（如H2O) 它的作用范围只有几十到几百pm； 它不具有方向性和饱和性； 大多数分子色散力为主。,思考：虽然卤化氢按色散力从大到小：HI, HBr, HCl, HF 但实际上卤化氢中HF的沸点高于HCl, 说明在HF分子中还存在其它的相互作用？

10、可能是什么？,氢键具有方向性和饱和性。氢键可以是分子间的也可以是分子内的。,Y,图5.3.3 氢键的方向性和饱和性,Y,1）氢键的形成条件 氢原子与一个电负性较大的X原子以共价键结合后，氢原子带部分正电荷，成为几乎裸露的质子，可以吸引与其靠近的另一个电负性较大、带有孤对电子的Y原子。 XHY X，Y=F、O、N （虚线所示为氢键） X：电负性大、半径小 Y：电负性大、半径小，外层有孤对电子,2.氢 键,2）氢键的特点 氢键的键能化学键弱得多，一般在42 kJmol-1 以下，它比但比 van der Waals力强。 氢键具有饱和性和方向性。饱和性是共价键H原子通常只能形成1个氢键；方向性是以

11、H原子为中心的3个原子XHY尽可能在一条直线上。 根据上述讨论，可将氢键看作是较强的、有方向性和饱和性的van der Waals力。,3）分子间氢键和分子内氢键 同类化合物中能形成分子间氢键的物质，沸点、熔点高，如NH3 、H2O和HF。 化合物分子内形成氢键，一般沸点和熔点低。 溶质和溶剂间形成氢键，可使溶解度增大； 若溶质分子内形成氢键，则在极性溶剂中溶解度小，而在非极性溶剂中溶解度增大。,3. 分子间力和氢键对物质性质的影响,1）熔点和沸点 分子间氢键使物质的熔点和沸点大幅升高，无氢键时，同类单质和化合物的熔点和沸点随分子摩尔质量的增加而升高。(为什么？),2）溶解性 溶剂与溶质间的氢

12、键或分子间作用力大于溶质之间的作用力，或溶质与溶剂之间有相似的结构、极性等，有利于溶质的溶解，即相似相溶原理。,例：卤素单质和卤化氢的沸点(C)如下：说明理由。卤素单质：F2：-219.62；Cl2：-34.6；Br2：58.78；I2：184.35。卤化氢：HF：19.5；HCl：-84.1；HBr：-67；HI：-35,解：卤素单质的分子间力是色散力，从大到小的顺序为：I2, Br2, Cl2, F2，因此沸点从高到低的顺序也是I2, Br2, Cl2, F2， 卤化氢是极性分子，除色散力外还有取向力和诱导力，但色散力是主要的。范德华力从高到低的顺序应是HI, HBr, HCl, HF，但

13、由于HF中存在氢键，因此HF的沸点意外地高。,图5.3.4 氢键对氢化物沸点的影响,本章小结,电子运动的特征：具有显著的波、粒二象性、量子化，服从微观统计性规律。,原子轨道与四个量子数：核外电子有轨道运动和自旋运动。 与|2的角度分布的区别与用途，四个量子数的取值规律与物理意义。,电子云概念：电子云是一个统计概念，表示在核外某空间找到电子的概率。可以用|2表示概率密度。,多电子原子的核外电子排布规律：遵守泡里原理、能量最低原理和洪德规则。等价轨道全充满或半充满时比较稳定。,能级分组与元素电子排布的周期性：将能量相近的能级分为一组，每一组中电子排布有明显的周期性，并且使得元素性质也呈现相应的周期

14、性。,本章小结(续1),元素性质的变化规律：原子半径、电离能、最高氧化值以及元素电负性在同一周期中或同一 族中都按一定的规律变化。,化学键的分类和特征：化学键分为离子键、金属键和共价键，后者可分为键和键，各有其形成的条件和特征。,价键理论和分子轨道理论：价键理论以两原子共用一对电子成键为基础，分子轨道理论将成键原子的所有原子轨道和核外电子作为整体来重新组合。,电偶极矩：可用来判断分子的极性，空间构型对称的多原子分子的电偶极矩为0，为非极性分子。,杂化轨道理论和分子空间构型：杂化轨道理论以原子中能量相近的轨道可以混杂成相同数量的等价轨道为基础。杂化轨道理论可以很好地说明分子的空间构型并解释分子极性。,本章小结(续2),分子间作用力的类型：分子间作用力包含取向力、诱导力、色散力、氢键和疏水作用等。取向力和诱导力存在于极性分子中，氢键存在于特定分子中，色散力存在于所有分子中。,分子间作用力对物质凝聚态的影响：分子间作用力越大，物质的凝聚程度越大，沸点和熔点等较高。,晶体的分类与特征：晶体按照晶格点阵点上粒子间的相互作用可以分为离子晶体、原子晶体、金属晶体和分子晶体。过渡型晶体主要有层状和链状结构晶体，各有其明显特征。,晶体的性质：离子晶体的