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1、7/22/20241主页下页上页第十章第十章 化学键与分子构造化学键与分子构造 第一节第一节 离子键离子键 第二节第二节 共价键共价键 第三节第三节 分子轨道实际分子轨道实际 第六节第六节 晶体构造晶体构造 第四节第四节 分子的极化和离子的极化分子的极化和离子的极化 第五节第五节 分子间力和氢键分子间力和氢键7/22/20242主页下页上页第十章第十章 化学化学键与分子构造与分子构造本章根本要求本章根本要求了解离子了解离子键的构成的构成过程、离子程、离子键的本的本质及离子及离子键的特征。的特征。掌握共价掌握共价键的的现代价代价键实际。熟。熟练掌握掌握杂化化轨道道实际，并能运用。，并能运用。熟熟
2、练掌握配位化合物的价掌握配位化合物的价键实际，运用价，运用价键实际分析和分析和讨论配合物的构造和性配合物的构造和性质。了解分子了解分子间的相互作用，了解的相互作用，了解氢键的构成。的构成。了解物了解物质的晶体构造。的晶体构造。7/22/20243主页下页上页 序化学序化学变化的本化的本质是原子的化合和分解，也可是原子的化合和分解，也可说是原是原子子间化学化学键的断裂和生成。研的断裂和生成。研讨化学化学键的的变化与分子构造化与分子构造对了解物了解物质的性能与构造具有重要的意的性能与构造具有重要的意义。 化学化学键是指分子或晶体中相是指分子或晶体中相邻原子或离子之原子或离子之间存在存在的的剧烈的相
3、互作用。烈的相互作用。 自然界中的物自然界中的物质种种类繁多，但就其化学繁多，但就其化学键类型来型来说，大致可分大致可分为离子离子键、共价、共价键和金属和金属键三种。三种。 本章后提到的分子本章后提到的分子间相互作用是指分子与分子相互作用是指分子与分子间较弱弱的相互作用，属于分子力范畴，不属于化学的相互作用，属于分子力范畴，不属于化学键。第一节第一节 离子键离子键7/22/20244主页下页上页第一节第一节 离子键离子键10-1-1 离子离子键的构成和本的构成和本质 一、离子一、离子键的构成的构成过程程定定义：化合物中存在着正、：化合物中存在着正、负电荷的离子，正荷的离子，正负离子之离子之间经
4、过静静电引力引力结合在一同的化学合在一同的化学键称称为离子离子键(ionic bond)。 离子离子键的构成的构成过程：程： 以以NaCl为例。例。Na + Cl Na+ + Cl Ne3s1 Ne3s23p5 Ne Are 不稳定不稳定 不稳定不稳定 稳定稳定 稳定稳定 离子离子键的构成条件：的构成条件： 1.7。 离子离子键的本的本质：正、：正、负离子离子间的静的静电作用力作用力库仑引力引力 。7/22/20245主页下页上页二、晶格能二、晶格能(Lattice energy) 定定义：指由气：指由气态正、正、负离子离子结合成合成1mol晶体晶体时所放出所放出的能量的能量 单位位: kJ/
5、mol 符号：符号：U 晶格能常用来表示离子晶格能常用来表示离子键的的强度度 晶格能是晶格能是负值，晶格能的代数，晶格能的代数值越小，晶体越越小，晶体越稳定定 晶格能可由玻恩晶格能可由玻恩哈伯哈伯(Born-Haber cycle)循循环，根，根 据据实验数据数据计算算第一第一节 离子离子键7/22/20246主页下页上页第一第一节 离子离子键 Na(s) + 1/2Cl2(g) NaCl(s) fHm Cl(g) Cl(g) H4 Na(g) Na+(g) H2 H1 H3 +NaCl(g) H5 H6 根据盖斯定律，根据盖斯定律，氯化化钠晶体的晶体的规范生成范生成焓为： fHm = H1
6、+ H2 + H3 + H4 + H5 + H6 = 180.4 + 496.4 + 120.9 + (348.5) + (450.2) + (336.8) = 410.8 kJmol-1 此能量的此能量的绝对值很大，很大，阐明什么明什么问题？ 另外，另外， H5 和和 H6 很很负，又，又阐明什么明什么问题？7/22/20247主页下页上页10-1-2 离子离子键的特征的特征 离子离子键的特征有三点：的特征有三点： 1离子离子键无方向性无方向性 2离子离子键无无饱和性和性 3离子离子键也有部分共价性也有部分共价性 阐明：即使最典型的离子化合物中明：即使最典型的离子化合物中CsF的离子的离子键
7、成分成分也只占也只占92%，8%为原子原子轨道重叠的共价道重叠的共价键。 单键中中 1.7时，此，此键可看成可看成为离子离子键， 1.7时，此，此键为共价共价键。 为电负性的差性的差值(electronegativity difference, EN)区区别于共价于共价键的特点的特点第一节第一节 离子键离子键库仑引力的性质所决议库仑引力的性质所决议7/22/20248主页下页上页离子键离子键的强度的强度正、负离正、负离子的性质子的性质离子化合离子化合物的性质物的性质取决于取决于取决于取决于10-1-3 离子的构造离子的构造 第一节第一节 离子键离子键一、离子的一、离子的电荷荷(1)正离子通常由
8、金属原子构成，正离子通常由金属原子构成，电荷等于中性原子失去荷等于中性原子失去电子的数目子的数目.(2)负离子通常只由非金属原子离子通常只由非金属原子组成，其成，其电荷等于中性原子荷等于中性原子获得得电子的子的数目数目;出如今离子晶体中的出如今离子晶体中的负离子离子还可以是多原子离子可以是多原子离子(SO42-). 离子离子电荷荷高，静高，静电引力引力大，离子大，离子键越越强。二、离子的二、离子的电子构型子构型 简单负离子的离子的电子构型根本上是稀有气体子构型根本上是稀有气体(noble gas)的的 8 电子外壳构造。正离子的外壳子外壳构造。正离子的外壳层构造是比构造是比较复复杂的。的。 1
9、2 电子构型：子构型： Li+(1s2) ，Be2+(1s2)等。等。 28 电子构型：主要是子构型：主要是A,A族正离子，族正离子，Ca2+(3s23p6)。7/22/20249主页下页上页318 电子构型：主要是子构型：主要是 ds 区金属离子和区金属离子和 p 区高价金属离子，区高价金属离子， Zn2+(3s23p63d10)。418+2 电子构型：位于子构型：位于 p 区的低价金属离子区的低价金属离子,Sn2+(4s24p64d105s2)5 9-17电子构型：位于子构型：位于 d 区的低价金属离子区的低价金属离子, Fe2+： Ar 3s23p63d6：14e Cr3+ ： Ar 3
10、s23p63d3 ：11e第一节第一节 离子键离子键当离子当离子电荷半径一荷半径一样时,离子构型与离子构型与结合力的大小合力的大小为： 8e917e 18e or18+2e K+，Ag+电荷一荷一样,半径接近，但半径接近，但电子构型不同子构型不同,所以性所以性质差差别大。大。7/22/202410主页下页上页 三、离子半径三、离子半径(ionic radius) 由于核外由于核外电子不是在固定的子不是在固定的轨道上运道上运动，因此离子半径和原子，因此离子半径和原子半径一半径一样是不确定的。普通确是不确定的。普通确实定方法是，用定方法是，用实验方法方法(x-射射线衍射衍射法法)测定出离子晶体正定
11、出离子晶体正负离子离子间间隔，并以隔，并以 F 离子半径离子半径为 133pm 作作规范求算出其它离子的半径。范求算出其它离子的半径。 第一第一节 离子离子键d=r+ r-7/22/202411主页下页上页第一节第一节 离子键离子键离子半径的离子半径的变化化规律：律：(1) 单原子离子的正离子半径小于原子半径小于原子离子的正离子半径小于原子半径小于负离子半离子半径径 例如：例如： S6+ (30pm) S4+ (37pm) S (104pm) Mg2+ (75pm) Al3+ (55pm) Si4+ (40pm) (3) 同一主族元素中，具有一同一主族元素中，具有一样电荷数的离子半径从上到荷数
12、的离子半径从上到下依次下依次 增大。例如：增大。例如： Li+ (70pm) Na+ (98pm) K+ (133pm) O-H-O O-H-N N-H-N 7/22/202453主页下页上页第四节第四节 晶体构造晶体构造 固态物质分为晶体和无定形体非晶体两类。固态物质分为晶体和无定形体非晶体两类。 晶体物质具有规那么的多面体几何外形、固定的熔点和晶体物质具有规那么的多面体几何外形、固定的熔点和各向异性。各向异性。 无定形体非晶体物质没有一定的外形、也无固定的无定形体非晶体物质没有一定的外形、也无固定的熔点、物质内部微粒陈列不规那么。熔点、物质内部微粒陈列不规那么。 离子晶体在晶格结点上交替陈
13、列着正、负离子，离子间离子晶体在晶格结点上交替陈列着正、负离子，离子间经过离子键结合成晶体。经过离子键结合成晶体。 由于正、负离子的大小不同，所以在离子晶体的陈列中由于正、负离子的大小不同，所以在离子晶体的陈列中就出现了三种主要的空间构型，分别为就出现了三种主要的空间构型，分别为NaCl型、型、CsCl型和型和ZnS型。型。7/22/202454主页下页上页NaCl型晶体型晶体构造表示图构造表示图CsCl型晶体型晶体构造表示图构造表示图ZnS型晶体型晶体构造表示图构造表示图第四节第四节 晶体构造晶体构造7/22/202455主页下页上页 离子晶体的离子晶体的稳定性可用晶格定性可用晶格焓晶格能来
14、衡量。离子晶体晶晶格能来衡量。离子晶体晶格格焓是指在是指在规范形状下，使一摩范形状下，使一摩尔离子晶体中离子被分离子晶体中离子被分别成无限成无限远的气的气态正、正、负离子离子时的的规范范焓变。 AaBb(s) aAb+(g) + bBa(g) uHm 离子晶格焓的大小反映了离子键的强度和离子晶体的稳定性。离子晶格焓的大小反映了离子键的强度和离子晶体的稳定性。同类型晶体的晶格焓越大，离子键越强，离子晶体越稳定；反之亦同类型晶体的晶格焓越大，离子键越强，离子晶体越稳定；反之亦然。然。11-4-2 分子晶体分子晶体 分子晶体的晶格分子晶体的晶格结点上点上陈列的粒子是分子，分子与分子之列的粒子是分子，
15、分子与分子之间靠分靠分子子间力或力或氢键连结。 例如：干冰例如：干冰CO2晶体，晶体， CO2与与CO2之之间作用力很小，所以作用力很小，所以CO2晶体在常晶体在常压下下 79就升就升华。第四节第四节 晶体构造晶体构造7/22/202456主页下页上页 由于分子晶体间作用力很弱，所以分子晶体硬度小，熔点、由于分子晶体间作用力很弱，所以分子晶体硬度小，熔点、沸点低。沸点低。11-4-3 原子晶体原子晶体 原子晶体的晶格结点上的粒子是原子，原子与原子间以共价键原子晶体的晶格结点上的粒子是原子，原子与原子间以共价键结合构成。结合构成。 例如，金刚石就是碳原子以例如，金刚石就是碳原子以 sp3 杂化构
16、成的以碳原子为中心与杂化构成的以碳原子为中心与其它四个碳原子构成的正四面体。金刚石就是由这些四面体构成的其它四个碳原子构成的正四面体。金刚石就是由这些四面体构成的巨型分子。巨型分子。 原子晶体中结点间作用力是共价键，键能很大，所以拆开这种原子晶体中结点间作用力是共价键，键能很大，所以拆开这种键需求的能量很大。因此，原子晶体具有很高的熔点和沸点，硬度键需求的能量很大。因此，原子晶体具有很高的熔点和沸点，硬度高。原子晶体在普通溶剂中不溶解。高。原子晶体在普通溶剂中不溶解。第四节第四节 晶体构造晶体构造7/22/202457主页下页上页图图1 金刚石的空间构型金刚石的空间构型图图2 我国山东发现的天
17、然钻石我国山东发现的天然钻石第四节第四节 晶体构造晶体构造7/22/202458主页下页上页 晶格结点上陈列的微粒为金属原子或离子，这些原子和正离子晶格结点上陈列的微粒为金属原子或离子，这些原子和正离子与从金属原子零落下来的电子以金属键结合构成的晶体叫金属晶体。与从金属原子零落下来的电子以金属键结合构成的晶体叫金属晶体。 描画金属晶体间的金属键有多种实际，其中以改性共价实际和描画金属晶体间的金属键有多种实际，其中以改性共价实际和金属能带实际较为知名。金属能带实际较为知名。 金属晶体中没有单独存在的原子，晶体内的金属键有强有弱，金属晶体中没有单独存在的原子，晶体内的金属键有强有弱，因此金属晶体的熔点、硬度差别较大。因此金属晶体的熔点、硬度差别较大。11-4-4 金属晶体金属晶体第四节第四节 晶体构造晶体构造
