大专无机化学课件-化学键与分子结构

化学综合第八课化学键与分子结构第六章化学键与分子结构原子如何结合组成物质世界？原子间相互作用力称为化学键原子间通过化学键形成分子，分子形成物质世界112种原子(18种人造)，天然存在、数量较多的只有几十种，组成了物质世界。化学键的分类离子键、共价键、金属键强化学键：共价键又分为：键、键、键、离域键、配位键、-配位键、缺电子多中心键等弱化学键（次级键）：氢键、范德华力等1916年，德国化学家A.Kossel提出了离子键理论。·······H·He::N··O·:Cl·Na·Mg::Ne:·······为什么惰性气体稳定？ns2np6八电子结构····Na·+:Cl·Na+[:Cl:]－····3s13s23p52s22p63s23p6一、离子键理论当电负性相差较大的金属原子和非金属原子在一定的反应条件下相互接近时，由于有达到稳定的电子结构的倾向而分别失去或得到电子生成正离子和负离子。····Na·+:Cl·Na++[:Cl:]－····正离子和负离子由于静电引力相互吸引而形成离子晶体，在离子晶体中，正离子和负离子形成离子键。··Na++[:Cl:]－NaCl··1.1离子键及其特点定义：正负离子间的静电吸引力叫做离子键。1.本质：静电力•离子的电荷•离子的半径•离子的构型离子化合物的性质取决于离子的特征：2.键的离子性与元素的电负性有关•电负性差越大，离子性越强•两个原子电负性差＞1.7时，可认为形成离子键；＜1.7时，可认为形成共价键3.离子键没有方向性和饱和性特点：无法从晶体中划分出孤立的分子。NaCl晶体NaCl晶体结构示意图Na+Cl-Goto3DCsCl晶体结构解析图Cs+Cl-CsCl晶体结构解析图CsCl晶体结构示意图Goto3D1.2离子的特征离子的电荷对离子的性质和离子化合物的性质有着非常重要的影响。(1)离子的电荷Fe3+Fe2+氧化性还原性SCN-血红色化合物不反应K4[Fe(CN)6]蓝色沉淀不反应无水FeCl3棕黄色无水FeCl3白色含水FeCl3棕黄色含水FeCl2淡绿色(2)离子的构型2电子构型最外层为2个电子Li+:1s2Be2+:1s2负离子一般具有稳定的8电子构型F-:2s22p6Cl-:3s23p6O2-:2s22p6阳离子：8电子构型最外层为8个电子Na+:2s22p6Ca2+:3s23p618电子构型最外层为18个电子Zn2+:3s23p63d10Ag+:4s24p64d1018+2电子构型最外层为2个电子，次外层为18个电子Pb:[Kr]4d104f145s25p65d106s26p2Pb2+:[Kr]4d104f145s25p65d106s29-17电子构型最外层为9-17个电子Fe:[Ne]3s23p63d64s2Fe2+:[Ne]3s23p63d6Fe3+:[Ne]3s23p63d5离子电荷与半径大致相同的条件下，不同构型的正离子对同种负离子的结合经验规律：8电子构型离子＜9~17电子构型离子＜18、18+2构型离子Na+2s22p6NaCl易溶于水K+3s23p6KCl易溶于水Ag+4s24p64d10AgCl难溶于水Cu+3s23p63d10CuCl难溶于水离子性减弱，共价性增强(3)离子的半径离子晶体中正负离子中心距离（核间距）为正负离子半径之和A+与B-两个离子在相互作用时所表现的半径，通常称为离子半径。正负离子半径与核间距的关系离子半径的一般变化规律1.主族元素，自上而下，相同电荷数的离子半径逐渐增大。F-Cl-Br-I-2.同一周期自左向右，主族元素离子的电荷数依次增大，离子半径逐渐减小。Na+Mg2+Al3+3.同一元素形成不同电荷的正离子时，电荷愈高，离子半径愈小。FeFe2+Fe3+4.负离子的半径一般较大(130~250pm)，正离子的半径一般较小(10~170pm)。一般说来，离子半径越小，离子间的引力越大，要拆开它们所需的能量就越大，相应的离子晶体熔沸点就越高。Li+60pmLiF1040CNa+95pmNaF870C对性质的影响：Na+95pmCl-181pmBr-195pmI-216pmI-的还原性强于Br-，Br-又强于Cl-。二、经典价键理论····Na·+:Cl·Na++[:Cl:]－····1916年，美国化学家G.N.Lewis提出了共价键理论(经典价键理论)。NaCl:离子键理论不能说明相同原子形成单质分子，也不能说明电负性相近的原子如何形成化合物分子。O2，CO2：···O·····C··分子中每个原子应该具有稳定的稀有气体原子的电子层结构(8电子结构)，该结构可以通过原子间共享电子对(一对或若干对)的方式来实现。分子中原子间通过共用电子对而结合成的化学键称为共价键。单键：以一道短线代表一对电子双(叁)键：以二(三)道短线代表二(三)对电子孤对电子：在分子中原子单独拥有的未成键的电子对H2O2N2OH-CH4NH3HH······HH:OO::NN:[:OH]-HCHHNH··HLewis结构式Ｃl2气体分子H2气体分子共价键的形成（以氢气在氯气中燃烧为例）分开后，她们为什么不高兴？让我们听听她们说些什么？我只有一个电子，太少了我也少一个电子eＨ原子Cl原子+11+17782二位好！我有一个好办法．你们每人拿出一个电子共用，就象共同分享快乐一样共同拥有．行吗？e好呵谢谢好呵谢谢+11+17827愿意电子电子H原子，你愿意拿出一个电子共用吗？Cl原子，你愿意拿出一个电子共用吗？我给你们点燃之后，你们要结合在一起，为人类做出自己的贡献．愿意HCl我们的接合使人类的生活多了一点味道我们的结合使人类的工厂有了活力H2+Cl2===2HCl点燃1.有些分子的中心原子最外层电子数少于8或多于8个，这些分子仍能稳定存在。BF3(6个),PCl5(10个),SF6(12个)2.不能解释共价键的方向性和饱和性3.共价键的本质。因为根据经典静电理论，两个电子为何不排斥，反而互相配对？经典价键理论的不足1927年，W.Heitler和F.London把量子力学应用到氢分子结构中，初步揭示了共价键的本质。建立了现代价键理论、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论。1925年获博士学位，1931年任化学教授，由于他对化学键的研究以及用化学键理论阐明复杂物质化学结构获得成功，1954年获Nobel化学奖。1932年，Hund和Mulliken从另一角度提出了分子轨道理论。三、现代价键理论W.Heitler和F.LondonHH氢分子能量(E)和核间距离(R)的关系基态分子中两核间的电子概率密度2远远大于排斥态分子中核间的电子概率密度2概率密度增加能量降低概率密度降低能量升高根据量子力学原理，基态成键：H原子轨道相互叠加时，两个1s都是正值，这称为原子轨道的重叠。排斥态：相当于两个原子轨道相减，增大了排斥能，体系能量升高。3.1共价键的本质共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。现代价键理论的基本要点：（共价键形成的两个主要条件）(1)当两个原子接近时，两原子中自旋相反的未成对电子轨道重叠，电子云密集，系统能量降低，成为两原子的共享电子对而形成化学键—共价键(2)原子轨道重叠时，轨道重叠越多，电子在两核间出现的机会越大，形成的化学键越稳定，因此，共价键应尽可能地沿原子轨道最大重叠方向形成—最大重叠原理。3.2共价键的特点(1)共价键结合力的本质是电性的两个原子核对共用电子对所形成的负电区域的吸引力。结合力的大小，取决于原子轨道重叠的多少，共用电子对的数目三键双键单键(2)共用电子对绕着两个原子核运动，而在两核之间出现的概率较大。(3)共价键具有饱和性每个原子所能提供的轨道数和未成对电子数一定每个原子成键的总数或以单键连接的相邻原子数是一定的。H2为什么只能形成双原子分子？(4)共价键具有方向性原子轨道在空间上具有一定取向，为遵守最大重叠原理，原子轨道重叠时必须具有一定的方向（重叠最大的方向）。H2SHCl(1)σ键和π键键：成键的两原子轨道以“头碰头”的方式，沿两原子核连线方向发生轨道重叠。3.3共价键的键型键：成键时两原子轨道以“肩并肩”的方式发生重叠，重叠部分对通过键轴、密度为零的一个平面呈对称分布。一般说来，π键的重叠程度小于σ键，所以π键的键能比σ键的键能小，更易于发生化学反应。N2分子N1s22s22px12py12pz1*键(2)配位共价键正常共价键：共用的两个电子由成键的两个原子共同提供。配位共价键：共用电子对由成键原子中的一个原子提供形成配位共价键的条件：1.提供共用电子对的原子有孤对电子；2.接受共用电子对的原子有空轨道。CO分子现代价键理论比较简明地阐述了共价键的形成过程和本质，并成功地解释了共价键方向性、饱和性的特点，但在解释分子的空间结构时遇到了困难。CH4，CCl4CH4分子，C原子的电子层结构：1s22s22px12py1，只能与两个H原子形成两个共价单键。为了解释多原子分子的空间结构，1931年Pauling在价键理论的基础上，提出了杂化轨道理论。四、轨道杂化理论在形成分子时，由于原子的相互影响，若干不同类型，但能量相近的几个原子轨道混合起来，重新组成一组同等数量的能量完全相同的杂化原子轨道。所形成的新轨道叫杂化轨道，它可以与其它的原子轨道重叠形成化学键。4.1轨道的杂化原子形成杂化轨道的一般过程激发杂化轨道重叠sp3杂化：CH4分子的形成2s2p激发杂化CH4分子成键+4Hsp3杂化轨道2s2p4.2杂化轨道的类型1个ns轨道与3个np轨道组合产生4个sp3杂化轨道，每个sp3轨道含1/4s，3/4p轨道成分。4个sp3轨道间的夹角为109.5注意点：1.原子轨道的杂化，只有在形成分子的过程中才会发生，孤立的原子不可能发生杂化。2.只有能量相近的原子轨道才能发生杂化。3.n个原子轨道间杂化就得到n个杂化轨道。sp2杂化：BF3分子的形成2s2p2s2psp2杂化轨道2p1个ns轨道与2个np轨道组合产生3个sp2杂化轨道，每个sp2轨道含1/3s，2/3p轨道成分，夹角为1202s2p2s2psp杂化轨道2psp杂化：气态BeCl2分子的形成1个ns轨道与1个np轨道组合产生2个sp杂化轨道，每个sp轨道含1/2s，1/2p轨道成分，夹角为180有d轨道参加的杂化轨道(sp3d、sp3d2、sp3d3、dsp2)总结：sp杂化轨道的类型总结：sp杂化轨道和dsp杂化轨道的空间构型C—H0.110nmC—C0.154nmC—N0.147nmC—O0.143nmC—F0.142nmC—Cl0.178nmC—Br0.191nmC—I0.213nmO—H0.097nm共价键的属性及其断裂行为1、键长形成共价键的两个原子核之间的距离称为键长（也叫键距）。注意：不同的共价键具有不同键长，即使是同一类型的共价键在不同化合物的分子中它的键长也可能稍有不同。常见共价键的平均键长•请同学们思考为什么？两价以上的原子在与至少两个原子成键时，键与键之间的夹角称为键角。2、键角形成共价键所释放的能量或断裂共价键所吸收的能量叫离解能，分子中同一类型共价键的离解能的平均值为键能。3、键能•对于相同原子形成的共价键来说（例如H-H，Cl-Cl），成键电子云对称分布于两个原子之间，这样的共价键没有极性。•但是，下列化合物有极性：H+Cl-（HCl）H3C+Cl-（CH3Cl）•由于电子云的不完全对称而呈现极性的共价键叫作极性共价键。4、键的极性和元素电负性—分子的偶极距电负性：一个元素吸引电子的能力。•极性共价键就是构成共价键的两个原子具有不同电负性的结果（一般相差在0.6-1.7之间）。•电负性相差越大，共价键的极性也越大。•偶极矩：正电中心或负电中心的电荷与两个电荷中心之间的距离d的乘积。qd[单位D,德拜（Debye)]•偶极矩有方向性:正到负,一般用符号表示。•请注意偶极矩是有方