《工程材料与热加工基础 第五章 分 原子结构及元素周期性子结构和晶体结构(修改)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料与热加工基础 第五章 分 原子结构及元素周期性子结构和晶体结构(修改)（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 1本章学习要求：1掌握掌握 化学键的基本概念、基本类型、形成条件和基本性质；2掌握掌握 共价键的形成条件和本质，现代价键理论的基本要点，了解共价键的键参数及其应用。第5章 分子结构和晶体结构Structures of Molecular and Crystal2 2 3掌握杂化轨道理论的要点和sp型杂化所组成的分子的空间构型。 4. 了解分子轨道理论的基本要点，并能用其解释一些典型分子的性质特点。 5了解分子间作用力和氢键对物质某些性质的影响。 6了解金属键的形成、特性和金属键理论要点。 7在理解化学键、分子间作用力（包括氢键）的本质和特性的基础上，掌握晶体的基本类型和特点 性质。了解晶体
2、结构对物质性质的影响。3 3物质由分子组成，而分子则由原子组成。物质的化学性质主要由分子的性质决定，而分子的性质 则由分子的结构所决定。分子或晶体中，原子（或 离子）之间直接的、主要的和强烈的相互作用，称 为化学键。 原子为什么会结合成为分子？ 原子怎样结合成为分子？化学键的本质 分子的几何构型 ，空间构象等4 4内容提要内容提要第一节 键参数和分子的性质第二节 化学键理论 第三节第三节 多原子分子的空间构型第四节 分子间的作用力和氢键第五节 晶体的特征和分类 第六节第六节 离子极化离子极化5 5第一节 键参数和分子的性质一、键参数(parameter of bond)：1、键能(bond e
3、nergy)2、键长(bond length)3、键角(bond angle) 4、键的极性(polarity)：6 6二、分子的极性(polarity of molecular)极性分子:分子的偶极矩(dipole moment)是衡量分子极性大小的物理量。物理学中，把大小相等符号相反彼此相 距为d的两个电荷（+q和-q）组成的体系称为偶极子 ，其电量与距离之积，就是分子的偶极矩（）。数 量级为10-30Cm（库米）。 =qd 7 7第二节 化学键理论一、离子键理论1、离子键（ionic bond）理论是由德国化学家 柯塞尔（Kossel W）在1916年提出。要点如下：（1）当活泼金属原子
4、与活泼非金属原子相互接近时，它们有得到或失去电子的趋势，形成相应的正、负离子。（2）正负离子靠静电引力相互吸引形成离子晶体。本质：正负离子间的的静电引力；本质：正负离子间的的静电引力； 特点：没有方向性和饱和性。特点：没有方向性和饱和性。 8 82、晶格能(lattice energy)由离子键形成的化合物叫离子型化合物(ionic compound)，相应的晶体为离子晶体。离子晶体的晶格能是指由气态的阳离 子和气态的阴离子结合生成1摩尔离子化合物固体时的焓变，用 符号U表示。 式中U为晶格能，单位为kJmol-1；138840是晶格能采用kJmol-1为单位和把d的单 位从pm换算为m而引入
5、的；d为正负离子核间距离，可近似用（r+r-）表示，单 位为pm；z+，z-分别为正负离子的电荷数的绝对值；A是马德隆(Madelung)常数 ，与离子晶体的构型有关；n称为波恩指数，n的数值与离子的电子层结构类型有 关，如果正负离子属于不同的电子层结构类型，则n取平均值。9 9表5-6 NaCl型晶体z、d与物性关系NaCl型晶体NaFNaClNaBrMgOScNTiC离子间间距/pmz+=z-熔点/K硬度*热热膨胀胀系数av/10-6k-1231112613.239276111192.5402901104843205230986.52233782234314090891010由表56可知，
6、晶格能大的离子化合物较稳定，反映在物理性质上则硬度高、熔点高、热膨胀系数小 。如果离子晶体中正负离子的电荷z+，z-相同，构型也相同（A相同），则d较大者熔点较低，如果离子晶 体构型相同，d相近，则电荷高的硬度高。 离子化合物通性：大多数是晶体,硬度大，易击碎，熔沸点高，熔化时能导电，大多数易溶于水。 1111二、价键理论(Valence Bond)美国化学家路易斯提出了共价键（covalent bond）的电子理论“共用电子对”。1927年英国物理学家海特勒（Heitler W）和德国物理学家伦敦（London F）成功地用量子力学 处理H2分子的结构。1931年美国化学家鲍林和斯莱 特将其
7、处理H2分子的方法推广应用于其它分子系统而发展成为价键理论（valence bond theory），简 称VB法或电子配对法。12121、氢分子的形成 图5-1 氢分子形成过程的能量变化图 5-2 氢分子的两种状态13132、价键理论的基本要点（1）两个成键原子相互接近时，各自提供自旋方向相反的未成对电子耦合配对形成共价键，此时系统能 量最低；（2） 成键电子的原子轨道重叠越多，形成的共价键就越牢固最大重叠原理；（3）未成对电子耦合时可采用多种形式，形成共价单键、共价双键及叁键等多重键。本质：原子间由于成键电子的原子轨道重叠而形成的 共价键。14143、原子轨道的重叠原则：（1）对称性匹配；
8、（2）最大重叠原理（共价键应尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向形成）。4、共价键的特征（1）饱和性（2）方向性1515图图 5-3 s5-3 s轨道和轨道和p px x轨道的三种重叠情况轨道的三种重叠情况HH沿着沿着x x轴方向接近轴方向接近ClCl，形成稳定的共价键；，形成稳定的共价键；HH向向ClCl接近时偏离了接近时偏离了x x方向，轨道间的重叠较小，结合不稳定方向，轨道间的重叠较小，结合不稳定,H,H有向有向x x 轴方向移动的倾向；轴方向移动的倾向；HH沿沿z z轴方向接近轴方向接近ClCl原子，两个原子轨道间不发生有效重叠，因而原子，两个原子轨道间不发生有效重叠，因而HH与与 ClC
9、l在这个方向不能结合形成在这个方向不能结合形成HClHCl分子。分子。16165、共价键的类型 键 键“头碰头”“肩并肩”s-ss-pxpx-pxpy-py pz-pzp-d d-d沿键轴呈圆 柱型对称镜面反对称键型电子云形状成键轨道重叠方式EB杂化轨道大小1717例如如： 键 ：头碰头的方式重叠1818HFHF的生成的生成1919 键：肩并肩的方式重叠p-p 键 2020p-d 键 d-d 键2121形成条件：成键原子一方提供孤对电子，另一方 提供空轨道。配位键（共价键里的一种特殊形式）2222N: 2s2 2p3 2px1 2py1 2pz1思考：两原子最多只能形成一个键吗？两原子最多只能
10、形成一个键，2个键。2323 键 、键的差别2424 所有的单键均为键 双键：一个键，一个键 叁键：一个键，两个键例：N2 NN 一个键，两个键C2H4 5五个键，1个键 共价键小结：2525于是新的理论又诞生了！这里只作简单介绍。 O2有磁矩，为2.6210-23 Am2 NO等含奇数电子的分子结构 预言“He2”、“Be2”、“Ne2”等的不存在 O3 中的 O-O 键长处于单键与双键之间 存在 和物种 键长/pm 键能/kJmol-1106 268108 2992626三、分子轨道理论(Molecular Orbital)分子中的原子轨道已经失去自己的个性，成键电子不再从属于某个原子，而
11、是在整个分子势场中运动。1、分子轨道(molecular orbital)用、等来表示分子轨道的名称。2、分子轨道的形成分子轨道由原子轨道组合而成。原子轨道在组成分子轨道时的三条原则：对称性匹配原则、最大重叠 原则和能量近似原则。2727(a)波函数的界面图 (b)纵坐标为波函数值，横坐标为离原子核的距离 (c)电子云界面图图5-4 1s 分子轨道的形成2828图5-5 * 1s分子轨道的形成 (a)、(b)、(c)说明同上图2929图图5-6 和 分子轨道的形成图图5-6 和 分子轨道的形成图图5-6 和 分子轨道的形成3030图5-7 和 分子轨轨道的形成3131图图5-8 第2周期元素2
12、s-2p轨轨道能级级差和分子轨轨道示意图图*3232图图5-9 O2的分子轨轨道能级图级图3333图图5-10 N2的分子轨轨道能级图级图34341. 尽量先占据能量最低的轨道, 低能级轨道填满后才进入能级较高的轨道;2. 每条分子轨道最多只能填入 2 个自旋相反的电子;3. 分布到等价分子轨道时总是尽可能分占轨道。3、电子填入分子轨道时服从以下规则3535N2分子的形成过程可表示如下：O2分子的形成过过程：36364、键级(bond order)分子轨道法中成键电子数与反键电子数之差（即净成键电子数）的一半就是分子的键级。键级的大小 表示两个相邻原子间成键的强度。 如，H2在基态时，没有反键
13、电子，因此键级为1；He2分子的键级=1/2（22）=0又例如，O2分子的键级2。所以，按照分子轨道理论，O2中有一个键，二个 三电子键，总键数为三，但键级仍为2。3737分子轨道理论的要点：(1)分子轨道可以由能量相近的原子轨道组合而成。(2)根据轨道守恒原则，原子轨道组合后得到同样数目的分子轨道，一半为成键分子轨道，一半为反键分子轨道。(3)电子进入成键分子轨道，整个体系能量降低，分子稳定化，形成化学键；电子进入反键分子轨道则整个体系能量升 高，分子分解趋向增加。(4)分子轨道和原子轨道一样，在填充电子时遵守能量最低 原理、保里不相容原理和洪特规则。38385、分子的磁性 不同物质的分子在
14、磁场中表现出不同的磁学性质。（1）抗磁性（或反磁性或逆磁性）物质。（2）铁磁性物质：如四氧化三铁、金属钴和镍等。（3）顺磁性物质。注意：物质的抗磁性是普遍存在的现象。顺磁性物质在磁场中也会产生诱导磁矩，反抗外加磁场，只不过其顺磁性 超过抗磁性而已。3939顺磁性物质产生磁矩的大小，可以由实验间接测定。根据磁化率的测定结果，可以按下式算出有些分子中未成对电 子数的多少：式中m 为实验求得的磁矩（单位玻尔磁子B.M.），n为未成对电子数。当己知的数值后，可用上式求得未成对电子 数n。该式对第一过渡系列的元素比较适用。4040分子轨道理论与价键理论的比较（1）成键原理不同。VBMO+（2）实现有效成
15、键必须满足能量近似原则、最大重叠原则和对称性匹配原则 。（3）价键理论可以很好地说明分子结构与分子几何形状之间的关系，但不能表示出轨道的相对能级；分子轨道法的缺点是不能给出轨道的空间图像，但却可以相当成功地预言某一特定的化学键能否形成。4141第三节 多原子分子的空间构型一、杂化轨道理论(Hybrid Orbital)如何用价键理论解释以下实验事实？图5-12 (a)水的键角(b)甲烷的键角4242同一原子中能量相近的某些原子轨道，在成键过程中重新组合成一系列能量相等的新轨道而改变了原有轨道的状态 。这一过程称为“杂化(hybridization)”。形成的新轨道叫做“杂化轨道”。 1、sp杂化 (以BeCl2为例)图5-13 BeCl2分子的形成示意图4343BeCl2的形成可图示如下：44442、sp2杂化（以BF3为例)实验测得三氟化硼分子的原子都在同一平面内，任意两个 键
