第三章化学键.

第3章化学键化学键：两个相邻原子之间强烈的相互作用力。2H2＋O2＝2H2O化学键的定义和分类基本化学键离子键共价键金属键离子的外层电子结构(1)2电子结构：最外层有2个电子的离子Li+,Be2+:1s28电子结构：最外层有8个电子的离子Na+,Mg2+:1s22s22p618电子结构：最外层有18个电子的离子Cu+,Zn2+:1s22s22p63s23p63d10(18+2)电子结构：次外层有18个电子，最外层还有2个电子的离子Sn2+:1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2(9~17)电子结构：最外层电子数在9~17之间的离子Ti2+:1s22s22p63s23p63d2Fe3+:1s22s22p63s23p63d5一般简单的负离子为8电子结构离子的外层电子结构(2)3.1离子键和离子化合物两元素电负性相差大于1.7，习惯上把所成的键看成离子键（活泼金属和活泼非金属）。当这两种元素相遇时，发生电荷的转移，形成带相反电荷的离子，正、负离子之间引力与核外电子之间斥力达到平衡后，整个体系的能量降到最低，形成离子键和稳定的离子型化合物。离子键：正、负离子之间强烈的静电作用力。Na-e-Na+Cl+e-Cl-Na+Cl-3.1离子键和离子化合物离子化合物：由离子键结合而形成的化合物。离子键的特点：没有方向性和饱和性。电价数:得电子或失电子的数目。Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+Na+NaCl晶体中Na+和Cl-的堆积(红球－Na+,绿球－Cl-)NaCl的晶体结构离子晶体8∶86∶64∶41个Na+周围只能配置6个Cl-1个Cs+周围只能配置8个Cl-12Mg:1s22s22p63s212Mg2+:1s22s22p617Cl:1s22s22p63s23p517Cl-:1s22s22p63s23p68O:1s22s22p48O2-:1s22s22p6电负性差别越大的原子间越容易形成离子化合物。(χ1.7)χ(Mg)=1.2，χ(O)=3.5，χ(Cl)=3.0MgCl2-MgO:正、负离子的形成晶格能越大，晶体的熔点越高，硬度也越大。晶格能U：1mol离子晶体解离成自由气态离子所吸收的能量。离子键的强度离子化合物电荷数zrº/pm晶格能/kJ·mol-1熔点/℃莫氏硬度NaFNaClMgOCaO112223128221024092378637913401993801285226143.22.56.54.5晶格能与晶体性质3.2共价键和共价化合物定义：•原子间靠共用电子对使原子结合起来的化学键称为共价键•由共价键结合成的化合物称为共价化合物•共价化合物的分类–分子型共价化合物H2O–分子型共价单质I2P4–原子型共价化合物SiC共价键理论：经典的Lewis八隅体规则价键理论杂化轨道理论3.2.1经典的Lewis八隅体规则Cl**......Cl*****.HO*****.*.H共价键：同种原子或电负性相差不大的原子之间通过共用电子对形成八电子稳定结构，这种原子间的作用力称为共价键。双键：共用2对电子三键：共用3对电子Cl－ClH－O－H原子通过共用电子对形成八电子稳定结构3.2.2价键理论(1)•共价键的本质是两个原子有自旋方向相反的未成对电子，它们的原子轨道发生了重叠，使体系能量降低而成键。•一个电子与另一自旋相反的电子配对成键后，就不能与第三个电子配对成键r0＝74pm核间距能量0EAEs氢分子形成过程的能量曲线如果两个氢原子的电子自旋方向相同（斥态），则系统能量在二原子靠近时一直上升，系统不稳定，不能形成氢分子。价键理论(2)74pm2a0（106pm）①成键原子的未成对电子自旋相反；②最大重叠原理：成键原子的原子轨道重叠程度（面积）越大，键越牢。于是形成了价键理论，其要点：当稳定的氢分子形成时，二核间距为：说明原子轨道发生了重叠。价键理论(3)共价键的特点－饱和性一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋相反的电子配对成键，这就是共价键的“饱和性”。共价键的特点－方向性除s轨道外，p、d等轨道都有一定的空间取向，所以共价键具有方向性。N2分子中N:1s22s22p3NN成键情况：N2分子的成键1928年Pauling提出：在同一原子中，能量相近的不同类型的几个原子轨道在成键时，可以互相叠加重组，成为相同数目、能量相等的新轨道，这种新轨道叫杂化轨道。3.2.3杂化轨道理论s2p2Be：2s2BeH2（氢化铍）的空间构型为直线形H—Be—Hsp杂化（1）激发s2p2p2s2spsp杂化Be采用sp杂化生成BeH2sp杂化（2）两个sp杂化轨道sp杂化（3）每个sp杂化轨道各含有1/2s和1/２p成分，两个杂化轨道伸展方向正好相反，成180°夹角。ｓｐ杂化轨道BeCl2示意图s2p2B：2s22p1sp2杂化（1）BFFFBF3（三氟化硼）的空间构型为平面正三角形的形成3BF激发s2p2p2s2sp2sp2杂化sp2杂化（2）一个2s轨道和两个2p轨道进行杂化，形成三个sp2杂化轨道，对称地分布在Ｂ周围，在同一平面内互成120°角CH4的空间构型为正四面体p2s2C：1s22s22p2sp3杂化（1）激发s2p2的形成4CHp2s2杂化3spsp3sp3杂化（2）四个sp3杂化轨道sp3杂化（3）2s22p2sp2杂化态激发态2s12p3C的基态sp22pz乙烯的分子结构碳的sp2杂化（1）碳的sp2杂化（2）2s22p2sp杂化态激发态2s12p3C的基态sp2py2pz乙炔的分子结构碳的sp杂化（1）碳的sp杂化（2）杂化3sp不等性sp3杂化－NH3分子的形成2ps2NH3分子构型是三角锥。杂化3sp2ps23sp不等性sp3杂化－H2O分子的形成所以，水分子构型是V字形。小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型2BeCl2HgCl3PH4CH3BF4SiCl3BCl3NHSH2OH2直线形平面正三角形正四面体三角锥V形杂化轨道类型s+ps+(3)ps+(2)ps+(3)p参加杂化的轨道2443杂化轨道数1805.10990.5109120成键轨道夹角分子空间构型实例spsp2sp3不等性sp3中心原子Be(ⅡA)B(ⅢA)C,Si(ⅣA)N,P(ⅤA)O,S(ⅥA)Hg(ⅡB)共价键的类型－σ键σ键（西格码）：原子轨道沿键轴方向“头碰头”的方式重叠成键。共价键的类型－σ键π键：原子轨道沿键轴方向“肩并肩”的方式重叠成键。共价键的类型－π键键：p轨道（肩并肩）σ键与π键共价键类型σ键π键AO重叠方式“头碰头”“肩并肩”AO重叠部位两原子核之间，在键轴处键轴上方和下方，键轴处为零AO重叠程度大小键的强度较大较小化学活泼性不活泼活泼AO为原子轨道AtomicOrbital的缩写碳碳键分类•碳碳单键仅有一个σ键•碳碳双键由一个σ键和一个π键组成，双键中两个键不等同•碳碳三键由一个σ键和两个π键组成分子型共价化合物H2O,NH3,CH4分子型共价单质I2,P4,S8原子型共价化合物SiC共价化合物的分类分子型共价化合物在固态时称为分子晶体。分子晶体的特性：硬度小，熔、沸点低（一般在400℃以下），并具有较大的挥发性，在晶格中存在着独立的分子。分子晶体在固态和熔融态都不导电，但有些分子晶体的水溶液可以导电，如：HAc、HCl。原子型共价化合物在固态时称为原子晶体。如：金刚石、单晶硅和锗、SiC、GaAs、SiO2等。原子晶体的特性：原子晶体一般具有很高的熔点和硬度，通常是电的绝缘体，但有些原子型晶体如Si、Ga、SiC、GaAs等可以作成优良的半导体材料，原子型晶体在一般的溶剂中都不溶解。金刚石的结构与金刚砂的结构类似正、负电荷中心重合的分子是非极性分子;分子中有正电荷、负电荷。正、负电荷中心不重合的分子是极性分子。分子的极性：3.2.4键的极性和分子的极性分子极性的强弱决定于正、负电荷中心的距离和电荷量。分子的电偶极矩p=δ·dδ德尔塔—极上电荷；d—偶极长度。单位：C·m（库·米）p＝0，非极性分子；p↑，分子极性↑dp分子的极性源于键的极性——成键原子间电子云的分布，这种分布依原子的电负性来判断。键的极性（1）非极性共价键：由电负性相同的两个原子形成的共价键为非极性共价键；极性共价键：由电负性不同的两个原子形成的共价键为极性共价键。极性共价键：0Δχ1.7，离子键：Δχ1.7氯化物NaClMgCl2AlCl3SiCl4PCl5熔点/℃801714190(升华)-70-51导电性易易易不不化学键离子离子(—)共价共价共价晶体离子离子过渡分子分子电负性差2.11.81.51.20.9键的极性（2）极性键构成的分子：双原子分子—分子和键的极性相一致；多原子分子—分子空间结构对称，非极性分子；分子空间结构不对称，极性分子。非极性键构成的分子，必是非极性分子。分子的极性与键的极性双原子分子的极性异核:COp=0.33同核：H2，N2p=0(非极性分子)(极性分子)多原子分子的极性(1)同核：O3P4S8（V字形）p=0(非极性分子)BF3(平面三角形)NH3(三角锥形)CO2(直线形)异核:BF3(p=0)NH3(p=4.34)CO2(p=0)多原子分子的极性(2)(非极性分子)(非极性分子)(极性分子)用微波炉能加热食物，就是由于食物中含有强极性的水分子。当微波通过的时候，水分子在超高频电磁场中反复交变极化，在此过程中完成电磁能向热能的转化，食物被加热。分子是否有极性对物质的一些性质有明显的影响。例如：极性物质易溶于极性溶剂中，非极性物质易溶于非极性溶剂中。分子的极性对物质的一些性质的影响3.3共价键的键能键能:在298K(25℃)和100kPa条件下,气态分子断开1mol化学键所需的能量。1mol的CH4中有4molC－H键1mol的H2O中有2molO－H键化学变化的热效应来源于化学键改组时的键能变化。键能不是直接测定的实验值,而是平均近似值。CH4+2O2＝CO2+2H2O断开4molC－H键需吸收的能量为4×415kJ＝1660kJ形成2molC＝O键放出的能量为2×798kJ＝1596kJ断开2molO＝O键需吸收的能量为2×498kJ＝996kJ形成4molO－H键放出的能量为4×465kJ＝1860kJ由键能数据计算反应的热效应（1）ΔH=1660+996+[(-1596)+(-1860)]=-800(kJ·mol-1)-1molkJ80034562656)(－－产反EEH方法二：1molkJ2656996166049824154)OO(2)HC(4EEE反1molkJ34561860159646547982)HO(4)OC(2EEE产H2O＝H2+1/2O2断开2molH－O键需吸收的能量为2×465kJ＝930kJ生成1molH－H键放出的能量为436kJ生成0.5molO＝O键放出的能量为0.5×498kJ＝249kJΔH=930+[(-436)+(-249)]=245(kJ·mol-1)由键能数据计算反应的热效应（2）硫酸铜无论其是水溶液还是晶体，天蓝色都是四水合铜离子[Cu(H2O)4]2+产生的颜色。向硫酸铜溶液滴加过量氨水，得到深蓝色的透明溶液，若蒸发结晶，可以得到深蓝色的四氨合硫酸铜晶体。无论在氨水溶液里还是在晶体里，深蓝色都是四氨合铜离子[Cu(NH3)4]2+产生的颜色。3.4配位键和配位化合物把像[Cu(H2O)4]2+、[Cu(NH3)4]2+这样的由一个简单正离子和几个中性分子或负离子结合形成的复杂离子叫配位离子(络离子)，含配离子的化合物叫配位化合物。Cu(NH3)42+SO42-内界（配离子）中心原子外界离子配位原子配位体配位数配合物Cu基态:3d104s1Cu2+基态:3d9Cu2+激发态:3d84p1Cu2+dsp2杂化态:3d84p13d3d4s3d4p4s3d4pdsp2杂化Nsp3杂化态:N基态:2s22p32s2p