《化学键与分子结构另存》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学键与分子结构另存（140页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、化学鍵与分子间作用力1离子鍵2共价鍵(1) 路易斯共价鍵理论(2) 价鍵理论(3) 杂化轨道理论(4) 价层电子对互斥理论3配位鍵4金属鍵5.分子间作用力和氢键1 1、离子键、离子键l离子键理论是1916年德国化学家柯塞尔 (W.Kossel)提出的，他认为原子在反应中 失去或得到电子以达到稀有气体的稳定 结构，由此形成的阳离子和阴离子以静 电作用相互结合在一起。l离子键的本质就是阴、阳离子间的静电 作用。由于离子键是阴、阳离子通过静电作用相连接的，从而决 定了离子键的特点是没有方向性和饱和性。阴阳离子近似看作点电荷，故其作用不存在方向性问题 。没有饱和性是指在空间条件许可的情况下，每个离子可
2、 吸引尽可能多的相反离子。离子键的要点 形成条件：两原子的电负性差值1.7 离子半径的比较A.同主族比较 B.电子层结构相同的离子比较 离子键强弱判断：应用：如判断熔点高低 A.NaCl NaBr NaI B. NaCl MgCl2 AlCl38010 C 、7470 C、6600 C 8010 C、 7140 C、1940 C离子键鍵理论的缺陷：离子键理论能很好的说明离子化合物的形成和特性。但它不能说明由相同原子组成的单质分子（如：H2、N2 ）的形成，也不能说明由化学性质相近的元素所组成的 化合物分子（如：HCl、H2O）的形成。2 2共价鍵共价鍵(1) 路易斯(Lewis)共价鍵理论（1
3、916年）化合物中的每一个原子都与它所鍵合的其它原子共用电子，来完成价电子的八隅体 (氢为2)LewisLewis1875年10月25日路易斯出生于美国麻萨诸塞州的西牛顿市。他从小聪明过人，在三岁时，父母就开始在家里让他接受教育 。1893年进入著名的哈佛大学学习，1896年获理学士学位，以后在TW理查兹指导下继续研究化学，于1899年24岁时获哲学博士学位。例画出H2O、CO2、COCl2(光气)的路易斯结构式 路易斯共价鍵理论的缺陷：路易斯结构式可表示分子中的成鍵情况，但：不能说明分子的空间几何构型；无法解释共价鍵的方向性；八隅规则例外较多。 多电子结构：为达到稳定结构，成鍵原子价电子数比
4、八隅体多如：PCl5 、SF6 的稳定结构中，P原子周围有10个价电子， S原子周围有10个价电子，多于8 缺电子结构：为达到稳定结构，成鍵原子价电子数比八隅体少如：BF3的稳定结构中，B原子周围只有6个价电子，少于81927年英国物理学家海特勒(W . Heitler) 和德国物理学家伦敦(F . London)成功地 用量子力学处理H2分子的结构。当具有自旋状态反平行的未成对电子的两个氢 原子相互靠近时，它们之间产生了强烈的吸引 作用，形成了共价键,从而形成了稳定的氢分子量子力学从理论上解释了共价键形成原因： 若核外电子自旋平行的两个氢原子靠近时，两核 间电子云密度小，系统能量E 始终高于
5、两个孤立 氢原子的能量之和，称为排斥态，不能形成H2 分子。 若电子自旋反平行的两个氢原子靠近时，两核间 的电子云密度大，系统的能量E 逐渐降低，并低 于两个孤立氢原子的能量之和，称为吸引态。 当两个氢原子的核间距L = 74 pm时，其能量达到 最低点，Es = 436 kJmol1，两个氢原子之 间形成了稳定的共价键，形成了氢分子。自旋方向相同 自旋方向相反 量子力学对氢分子结构的处理阐明了共价键 的本质是电性的。 由于两个氢原子的1s原子轨道互相叠加，两个 1s 都是正值，叠加后使核间的电子云密度加 大，这叫做原子轨道的重叠，在两个原子之间 出现了一个电子云密度较大的区域。 一方面降低了
6、两核间的正电排斥，另一方面又 增强了两核对电子云密度大的区域的吸引，这 都有利于体系势能的降低，有利于形成稳定的 化学键。（2）价键理论1931年美国化学家鲍林和斯莱特将其处理H2分子的方法推广应用于其他分子系统而发展 成为价键理论(valence bond theory)，简称VB法或电子配对法。鲍林 Linus Pouling 美国化学家。1901年2月28日出生于 一个药剂师家中。自幼对父亲在 药房配药发生兴趣。在中学时代 他就喜欢做化学实验。由于化学 成绩优秀，老师破格让他做高一 级的化学实验并参加老师的研究 工作。1922年毕业于俄勒冈州立 大学化工系，加州理工学院攻读 化学。192
7、5年获博士位，曾到欧 洲各国作访问学者。1927年回到 加州大学理工学院，1931年升任 教授。1969年任斯坦福大学化学 教授一职直到退休。1974年任该 校荣誉教授。 VB法基本要点 *自旋相反的未成对电子相互配对时，因其波函数符号 相同，此时系统的能量最低，可以形成稳定的共价键 。 *若A B两原子各有一未成对电子且自旋反平行，则互 相配对构成共价单键，如HH单键。如果A、B两原 子各有两个或三个未成对电子，则在两个原子间可以 形成共价双键或共价三键。如NN分子以三键结合， 因为每个N原子有3个未成对的2p电子。 *若原子A有能量合适的空轨道，原子B有孤电子对，原 子B的孤电子对所占据的
8、原子轨道和原子A的空轨道能 有效地重叠，则原子B的孤电子对可以与原子A共享， 这样形成的共价键称为共价配键，以符号AB表示。共价键的特征1. 饱和性2. 方向性饱和性 共价键的饱和性是指每个原子的成键总数或以单键相 连的原子数目是一定的。因为共价键的本质是原子 轨道的重叠和共用电子对的形成，而每个原子的未 成对电子数是一定的，所以形成共用电子对的数目 也就一定。 例如两个H原子的未成对电子配对形成H2分子后，如 有第三个H原子接近该H2分子，则不能形成H3分子。方向性 根据最大重叠原理，在形成共价键时，原子 间总是尽可能的沿着原子轨道最大重叠的方向 成键。成键电子的原子轨道重叠程度愈高，电 子
9、在两核间出现的概率密度也愈大，形成的共 价键就越稳固。共价键的键型 键 键 键 ：头碰头方式重叠；电子云轴对称N2分子的共价鍵。N2分子中，N原子外层电子结构为 键： 肩并肩方式重叠；电子云镜像反对称 键： 肩并肩方式重叠p-d 键 d-d 键 键： 两个原子的 dxy - dxy, dxz- dxz, dyz - dyz ,dx2-y2 - dx2-y2 , 轨道面对面的重叠而成。共价键的键型小结1) 键头头碰头头 键肩并肩 2) 键电子云轴对称 键电子云镜像反对称 3) 键键能较大，稳定性高。键的重叠程度不及键，键能较小，活泼性 较大，是化学反应的积极参与者。 4）所有共价单键均为键，共价
10、双键中有一个 键和一个键。共价叁键中有一个键和两 个键。键级键参数键的极性键角键长键能在价键理论中，通常以键的数目来表示键级键级越大，键越牢固，分子也越稳定。键级键能在标准状态下将气态分子AB(g)解离为气态 原子A(g)、B(g)所需要的能量(kJmol1) 。即： AB(g) A (g) + B (g) ； E(AB)键能越大，化学键越牢固，分子也越稳定。分子中两原子核间的平衡距离称为键长。键长由表数据可见，HF， HCl， HBr， HI 键长依次递增，而键能依次递减；单键、双键及叁键的键长依次缩短，键能依次增 大，但与单键并非两倍、叁倍的关系。键角 键角:分子中相邻的共价键之间的夹角称
11、为键角 。键的极性从电负性角度思考非极性键、极性键、 离子键1. 6C 核外电子排布中有几个单电子？问题：3.在和H形成的C-H化合物中，应该形成 CH2, 但实际上是形成了CH4，怎样解释？价鍵理论的缺陷2.在形成共价键时可以和几个单电子配对？在解释空间结构方面遇到了困难4. CH4分子中的键角HCH为什么是10928（3）、杂化轨道理论杂化轨道概念是1931 年由鲍林首先提出的。开始，此概念仅用于价键（VB）理论，后来，分子轨道（MO）法中的定域轨道模型也把杂化轨道作为组合基函数。本世纪50年代，许多学者将这一概念不断地深化和完善，使之成为当今化学键理论的重要内容。为了说明问题，我们从甲烷
12、分子的结构谈起。实验指出，甲烷是正四面体构型，四个C一H键是等价的，键角为1090.28， 碳原子基态组为1s22s22px12py12pz0，仅有两个未成对电子，依照价键理论电子配对法的思想，C原子两个未成对的电子分别占居两个角度分布最大值互成90的p轨道，它只能和两个氢原子的1s未成对电子配对成键，而且，两个氢原子的1s轨道从2px、2py角度分布最大值方向发生重叠，形成键角位90的CH2分子，见下图所示， 显然这是不符合实际的，如何解释甲烷中碳的四价与甲烷的正四面体结构呢？必须假设在原子键合的过程中产生了四个成单电子，每一个电子占居了一个新的轨道，这四个新的轨道角度分布的最大值分别指向正
13、四面体的四个顶点。sp3杂化轨道根据甲烷分子具有正四面体结构的事实，我们假设在原子成键的过程中，碳原子的基态电子构型发生了变化，有一个2s电子进入到空的2p轨道：这样，碳原子具有四个单占据轨道，可以形成四个键，满足碳是四价的需要。然而，三个互相垂直的p电子和一个球形的s电子直接与氢原子的1s电子配对成键，仍不能说明四个C一H键的等同性与甲烷的正四面体结构。于是，进一步假定，四个原子轨道重新混合，组成四个新的等价轨道，我们把这这四个新的等价轨道叫做sp3杂化轨道：sp3杂化轨道的几何特点是轨道分布指向正四面体的四个顶点： 再按照价键理论，氢原子从正四面体的四个顶点向碳原子靠近，实现电子配对，形成
14、四个等同的键，这就完满地解释甲烷分子的结构。一般在正四面体结构的分子或基团中，中心原子都采用sp3杂化轨道形成化学键。例如，CCl4、NH4+、SO42-、ClO4-、Zn(NH3)42+等，原子晶体金刚石中的碳原子和石英（SiO2）晶体中的硅原子也是采用sp3杂化轨道形成化学键。 在形成H2O、NH3分子时，O、N原子实际上也发生了sp3杂化。与C原子杂化不同的是N、O原子最外层电子数分别为5个和6个，四个sp3杂化轨道分别有1个和2个轨道排布了两个电子（孤对电子）。N和O的未成对电子分别与H原子的1s电子结合就形成了NH3分子和H2O分子。 由于受孤对电子的排斥，NH3分子中NH键间的夹角
15、被压缩为10718，H2O分子中OH键间的夹角被压缩到10430。象这种键角偏离10928的sp3杂化被称为不等性sp3杂化。NH3和H2O分子中N和O都发生了不等性sp3杂化。 sp2杂化轨道 根据BF3是平面正三角形结构的事实，硼原子必须有一个2s电子进入到空的2p轨道，产生三个单占据轨道，3个原子轨道重新组合成3个等价的sp2杂化轨道，硼原子价层电子排布为：3个sp2杂化轨道指向平面正三角形的三个顶点： 在F原子与硼原子之间形成了3个等价的键： 乙烯C2H4的分子结构，每个碳原子的2s轨道与两个2p轨道发生杂化，形成3个sp2杂化轨道。两个碳原子之间各用一个sp2杂化轨道形成CC键，每个碳原子其它两个sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道形成CH键，构成乙烯的骨架，如下图所示： 两个碳原子上都有一个与骨架平面垂直的未杂化的p轨道，它们互相平行，彼此肩并肩重叠形成键：sp2杂化轨道主要存在于以平面三角形的几何构型与周围原子成键的那些分子的中心原子，例如，BCl3中的B原子、NO3-中的N原子、CO32-、HCHO以及苯分子和平面石墨中的C原子都是sp2杂化。 sp杂化轨道形成CO2分子时，碳原子1个2s轨道与1个2p轨道发生杂化，形成两个sp杂化轨道。两个sp杂化轨道在X轴方向上呈直线排列，未杂化的两个轨道分别在Y轴方向和Z铀方向垂直于杂化轨道。两个氧原
