大学无机化学课件分子结构

分子结构分子:化学反应的基本单元物质的性质分子的性质分子的内部结构化学键空间构型分子间力结构与物质的物理、化学性质的关系离子键共价键金属键§8.1离子键§8.2共价键§8.3分子间作用力§8.4离子极化(自学)§8.5原子晶体和分子晶体(参考p253，表9-12)§8.1离子键8.1.1离子键的形成8.1.2离子的特征8.1.3离子晶体活泼金属原子活泼非金属原子离子型化合物NaClKClCsClMgOCaO1.离子键的形成2.离子键的本质：静电作用力3.离子键的特点：没有方向性和饱和性4.键的离子性取决于元素的电负性5.离子晶体的特点：较高熔点和沸点，熔融状态或溶于水后其水溶液均能导电§8.2共价键8.2.1价键理论8.2.2共价键的类型8.2.3杂化轨道理论8.2.4价层电子互斥理论(自学)8.2.5分子轨道理论8.2.6键参数共价键:分子中原子间通过共用电子对结合而成的化学键H·+·H=H:H:Cl·+·Cl:=:Cl:Cl::N·+·N:=:NN:H·+·Cl:=H:Cl:Lewis共价键的局限性①有些稳定分子的中心原子最外层电子数可以少于8(如:BF3)或多于8(如PCl5,SF6)②共价键的特性:方向性,饱和性③单电子键(如H2+),O2具有磁性1927年,Heitler和London应用量子力学研究H2分子结构,初步解答了共价键的本质.1930年,Pauling和Slater等发展出现代价键理论(电子配对理论)、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论1932年,美国化学家密立根和德国化学家洪特提出分子轨道理论8.2.1价键理论电子配对法(VB):量子力学为基础(1)共价键的本质图9-1H2形成过程E-R图两个氢原子电子自旋方式相反，靠近、重叠，在R0＝74pm处系统能量降低，形成稳定的化学键。H2分子中的两种状态的||2和原子轨道重叠示意图共价键的本质——原子轨道重叠，核间电子概率密度大吸引原子核而成健(2)价键理论的基本要点①成键前的原子要具有自旋方向相反的未成对电子。②共价键数目取决于原子中未成对电子的数目。③两原子成键时，两原子轨道重叠越多，形成的共价键越牢固－轨道最大重叠原理。(3)共价键的特点①成键时，组成原子的电子云发生了很大变化。②具有饱和性：每个原子成键的总数是一定的。③具有方向性：轨道最大重叠的方向。8.2.2共价键的类型（1）σ键：两原子的成键轨道沿键轴（或两核间的连线）的方向，以“头碰头”的方式发生轨道重叠，轨道重叠部分是沿着键轴呈圆柱型对称，这样形成的共价键叫σ键。＋＋x＋＋x—＋＋x——s-spx-spx-px（2）π键：两个原子轨道沿键轴的方向，通过键轴的一个平面侧面，以“肩并肩”的方式发生轨道重叠，轨道重叠部分垂直于键轴呈镜面反对称，在键轴上下对称的电子云密度最大，这样形成的共价键叫π键。＋＋x——zzpz-pz形成的π键例：N2分子中，每个N原子有三个未成对的3p电子，形成了一个σ键和两个π键。一般用N三N表示。(3)配位键形成条件：成键原子一方有孤对电子，另一方有空轨道。4NH4BFCO22p2s242p2s2HNHHHFBFFF例：OC8.2.3杂化轨道理论CH4的空间构型为正四面体p2s2C：2s22p2(1)杂化与杂化轨道的概念在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型能量相近的原子轨道混合起来，重新组合成一组新轨道，该过程称为杂化，所形成的新轨道被称为杂化轨道。激发s2p2p2s2杂化3spsp3重叠CH4的形成sp3–s成键(2)杂化轨道的类型①sp杂化1ns+1np2sp每个sp杂化轨道含有s和p的成分1212sp杂化轨道间的夹角=180,呈直线型BeCl2分子形成②sp2杂化1ns+2np3sp2每个sp2杂化轨道含有s和p的成分1323sp2杂化轨道间的夹角=120,呈平面三角形BF3分子形成2s2pB原子基态2s2p激发态激发杂化sp2杂化态重叠sp2–psp2杂化轨道示意图BFFFBF3的空间构型为平面三角形③sp3杂化1ns+3np4sp3每个sp3杂化轨道含有s和p的成分1434sp3杂化轨道间的夹角=10928’,呈四面体形CH4分子形成激发杂化重叠2s2pC原子基态2s2p激发态sp3杂化态sp3–ssp3杂化轨道示意图CH4分子的空间结构④sp3d2杂化1ns+3np+2nd6sp3d2六个sp3d2杂化轨道指向正八面体的六个顶点sp3d2杂化轨道间的夹角=180或90杂化SF6分子形成3s3pS原子基态3d3s3p激发态3dsp3d2杂化态sp3d2–p激发重叠SF6分子的空间结构3NH'18107HNHο杂化3sp(3)不等性sp3杂化2ps2'ο30104HOHOH2杂化3sp2ps23sp(3)杂化轨道理论的基本要点①成键时能级相近的价电子轨道混合杂化，形成能量相等的价电子轨道——杂化轨道②杂化前后轨道数目不变。③杂化轨道可分为等性和不等性杂化轨道。采用sp3杂化轨道成键的分子，其空间构型可能为四面体型，V型或者三角锥型。④杂化轨道成键时，满足原子轨道最大重叠原理⑤杂化轨道成键时，满足化学键间最小排斥原理。(4)小结：p226，表9-58.2.5分子轨道理论(MO)问题：价键理论把电子只限于两个相邻原子间小区域运动，缺乏对分子作为整体全面考虑。例O2分子中的电子全部成对，应为逆磁性，而实际上为順磁性。不能解释H2+中的单电子键。順磁性：分子因含有未成对电子而具有永久磁矩。在外磁场作用下，自身的磁力线与外磁场方向一致。逆磁性：分子因电子均已成对而净磁矩为零，在外磁场作用下，被诱导的磁矩方向与外磁场相反。(1)分子轨道理论的基本要点①在分子中电子在遍及整个分子范围内运动。––分子轨道||2––几率密度或电子云②分子轨道为原子轨道的线性组合，分子轨道数目=原子轨道数目。③每个分子轨道i都有一响应的能量Ei和图象④分子轨道中电子排布三原则：能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则1932年,美国化学家密立根和德国化学家洪特提出分子轨道理论（MO法）(2)原子轨道线性组合的原则①能量相近:1s-1s,2s-2s,2p-2p;②对称性匹配:重叠部分的原子轨道的正、负号相同；正正(或负负)重叠－成键，能量低正负重叠－反键，能量高非键组合，能量不变。③最大重叠：使轨道能量低，有利于成键。x)(2c旋转180x变。的数值恢复，且符号不，为旋转轴，每旋转对称：若以180oΨx对称。轨道为例如，pxx)(2co180x旋转π对称：绕x轴旋转180°，形状不变，ψ符号改变。例如：原子轨道pz，py，dxy，dxz，dyz为π对称。(3)原子轨道线性组合的类型例如：A+B→ABbbaaIΨCΨCΨb'ba'aΨCΨCΨⅡⅡ贡献程度。分子轨道的系数，表示原子轨道对—　，反键分子轨道。—成键分子轨道；—原子轨道—，式中：ｂａ'CCΨΨΨΨⅠ－成键－反键①s–s重叠1s原子轨道1s原子轨道分子轨道1s*1s②s–p重叠③p–p重叠2pZ,2pZ,B原子轨道分子轨道xp2反键xp2成键小结：若以x轴为键轴，则s－s，px－px重叠形成σ分子轨道；py－py、pz－pz、py－dxy、dxy－dxy重叠形成π分子轨道。(4)同核双原子分子的分子轨道能级图O2(O,F)第二周期同核双原子分子2*p24p22p22*s22s2)π()π()()()(KK1*2p1*2p2p22p22p22*s22s2)π()π()π()π()()()(zyzyxKK有两个三电子π键，具有顺磁性。:OO:2*p24p22p22*s22s22*s12s1)π()π()()()()()(N2(B,C,N)第二周期同核双原子分子2p22p22p22*s22s2)()π()π()()(xzyKK或2p24p22*s22s22*s12s12)()π()()()()(N二个键，一个键，电子均成对，所以为逆磁性。第二周期元素的同核双原子分子轨道的能量变化反键电子数）成键电子数(21B.O(5)键级:表示共价键的强度同一周期和同一区内，键级越大，键越牢固，分子越稳定；若键级等于零，分子不能稳定存在。Be28e22222121)()()()(ssss2222)()(ssKKB.O=(4-4)/2=0，不能存在B210e12122222)()(pzpyssKKB.O=(4-2)/2=1，有顺磁性2*p24p22p22*2222*1212)π()π()()()()()(Ossss2p24p22*2222*1212)()π()()()()(NssssB.O=(10-6)/2=2B.O=(10-4)/2=31*p24p22p22*2222*1212)π()π()()()()()(Ossss1p24p22*2222*1212)()π()()()()(NssssB.O=(10-5)/2=2.5，稳定性大于O2B.O=(9-4)/2=2.5，稳定性小于N2价键理论(VB):简明扼要;不能解释分子的几何构型和分子的磁性杂化轨道理论(HO):可解释分子的几何构型；但缺乏预见性VSEPR:可预言分子的几何构型，对d0,d5,d10的中心原子有效；但不能说明成键原理及键的强度分子轨道理论(MO):引入分子轨道概念，可以说明分子的成键情况，键的强弱和分子的磁性；不能解决构型问题化学键理论8.2.6键参数(键能，键长，键角和键级)1、键能1）单位为kJ/mol。2）键能：叁键双键单键(相同原子间形成)3）键能是化学键最重要的参数，它表示化学键牢固的程度。键能越大，键越牢固，分子越稳定。2、键长1)定义:分子或晶体中成键原子(离子)的核间平均距离。2)两原子间所形成的键长越短，表示键越牢固。3)相同原子间形成的键数越多，则键长越短。例：C-C(154pm),C二C(134pm),C三C(120pm).3、键角1）定义：分子中键与键之间的夹角。2）键角是决定分子空间构型的主要因素。根据分子中键的键角和键长，不但可以推测分子的空间构型，还可推断出其它的物理性质。§8.3分子间作用力8.3.1分子的极性8.3.2分子间作用力8.3.3氢键8.3.1分子的极性（一）极性键与非极性键非极性键:同种原子所形成的共价键;极性键:不同种原子所形成的共价键。（二）极性分子与非极性分子8.3.2分子间作用力(1)取向力极性分子间正、负极定向排列所产生的作用力。－+－+－+(2)诱导力极性分子-非极性分子，产生诱导偶极的作用力。－+－+－+(3)色散力：瞬时偶极作用力+－+－－+－+范德华力8.2.3氢键1、氢键的条件：(1)有一个与电负性很大、原子半径很小的元素以共价键相结合的氢原子。(2)一个电负性很大（非金属性很强）、原子半径很小的具有孤对电子的原子，如O、F、N等原子。H2O,H2S,H2Se,H2Te中，水的分子量最小，但其熔点，沸点最高；HF在卤化氢系列中，NH3在氮族的三氢化物中也有相同现象，WHY???例：X－H……Y共价键氢键F－H……F－HO－H……O－HHH2、氢键的特点(1)氢键只存在于某些含有氢原子的分子之间(或分子内)。(2)氢键有饱和性和方向性。(3)氢键不是化学键而是分子间一种特殊的作用力，比共价键的键能小得多，比范德华力大一点。3、氢键对物质性质的影响(1)有氢键的化合物的熔点和沸点比没有氢键的同类化合物为高。例:HF,HCl,HBr和HI中，HF的熔、沸点都最高。(2)氢键的存在会影响物质的溶解度、密度、粘度等。例如冰中一个水分子与四个水分子形成氢键，密度比液态水小，所以会浮在水面。小结：分子间的作用力有取向力，诱导力，色散力和氢键。小结1.化学键的分类，离子晶体和分子晶体的特性。2.掌握价键理论的基本要点及应用。3.共价键的类型和各自的特点。4.杂化