第3章 化学键.ppt

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1、第3章 化学键,3.2 共价键和共价化合物,3.6 分子键作用力和氢键,3.5 金属键,3.4 配位键和配位化合物,3.1 离子键和离子化合物,3.3 共价键的键能,化学键：分子或晶体中相邻原子(或离子)之间强烈的吸引作用。化学键种类：共价键、离子键、金属键。,3.1 离子键和离子化合物 3.1.1 离子键的形成和特征 1.离子键的形成当电负性相差较大的两种元素的原子相互接近时，电子从电负性小的原子转移到电负性大的原子，从而形成了阳离子和阴离子。离子键 相邻的阴、阳离子之间的静电引力作用即为离子键。阴离子、阳离子分别是键的两极，故离子键呈强极性。,2.离子的键特征 无方向性离子的电场分布是球形

2、对称的，可以从任何方向吸引带异号电荷的离子故离子键无方向性。 无饱和性只要离子周围空间允许，它将尽可能多地吸引带异号电荷的离子。,3.1.2 离子的结构特征 1.离子的电荷 简单离子的电荷是由原子获得或失去电子形成的，其电荷绝对值为得到或失去的电子数。 Na+ Mg2+ S2- Cl-,2. 离子半径 规律 (1) 阳离子的半径小于其原子半径 r Na+Na简单阴离子的半径大于其原子半径 r S2-S (2) 同一周期电子层结构相同的阳离子的半径随离子电核的增加而减小 r Na+Mg2+Al3+ (3) 同族元素离子电荷数相同的阴或阳离子的半径随电子层数的增多而增大。r Li +Na +K +

3、 F -Cl-Br-I- (4) 同一元素形成不同离子电荷的阳离子时，电荷数高的半径小。 r Fe2+Fe3+ Sn2+Sn4+,3.1.3 离子晶体 由阴、阳离子按一 定规则排列在晶格结点上 形成的晶体为离子晶体。 NaCl 晶体就是典型的离 子晶体。这类晶体中不 存在独立的小分子，整个 晶体就是一个巨型分子， 常以其化学式表示其成， 如NaCl。,离子晶体,1.离子晶体的特征 离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力为离子键；离子晶体的熔、沸点较高，常温下均为固体，且硬度较大。离子晶体因其强极性，多数易熔于极性较强的熔剂，如H2O。离子晶体中，阴、阳离子被束缚在相对固定的位置上，不能自由移动，不

4、导电。但在熔融状态或水溶液中，离子能自由移动，在外电场作用下可导电。,2.离子晶体的晶格能 相互远离的气态阴、阳离子在标准状态下，结合成单位物质的量的离子晶体时所释放的能量，用符号 U 表示，其 SI 的单位 kJmol1Na+(g)+Cl(g) NaCl(s) U=786kJmol1晶格能通常随离子电荷数增多和离子半径减小而增大。晶格能越大，晶体越稳定，其熔点越高，硬度也越大 。,3.2 共价键和共价化合物,3.2 共价键和共价化合物在众多的化合物中共价化合物居多，共价键理论内容丰富也比较复杂，本节着重介绍以下几个要点。,3.2.1 经典的Lewis 八隅体规则1916 年Lewis 提出共

5、用电子对形成八隅体的学说，例如A 和B 两个Cl 原子形成Cl2 时，各有一个电子，既属于A 又属于B，或者说A 和B 两个Cl 原子共有这对电子，那末A 和B 原子都形成稳定的八电子结构。可以 代表A 原子的外层电子，以代表B 原子的外层电子，也可以用短线代表共用电子对。以下列举若干常见的共价分子的Lewis 结构式。,A 和B 两个原子间，若共用2 对电子，则形成双键；共用3 对电子则形成三键。C2H4 分子内含有碳碳双键，C2H2 分子内含碳碳三键。Lewis 认为原子可以通过共用电子对形成八电子稳定结构，这种原子间的作用力称为共价键。,3.2.2 价键理论 1.共价键的形成和本质随着物

6、理学量子力学的发展，1927 年Heitler 和London 用量子力学来处理H 原子形成H2 分子的过程，他们得到了H2 分子能量（E）与两个H 原子 核间距（r）的关系曲线，如图所示。,当A 和B 相接近时（即r 值减小时），H2 分子体系能量降低，这是因为A 原子的核外电子不仅受到A 原子核的吸引力，也受到了B 原子核的吸引，同理B 的电子既受B 原子核的吸引，也受A原子核的吸引，也可以说是两个原子轨道发生了重叠，两核之间的电子云密度增大，体系能量降低。当=74pm 时，能量为最低值，r 更小时，则因两核之间库仑斥力增大，能量反而升高。即两核间距离为74pm 时，形成了稳定的H2 分子

7、，这和实验测定值相符。,若A 和B 的电子自旋方向平行，Er 曲线就 不同了，如图上部曲线所示。核间距r 越小，能量越高，表示两个自旋方向相同的氢原子不能形成H2 分子。, 价键理论继承了Lewis共用电子对的概念。 以量子力学为基础。 揭示了共价键的本质原子轨道重叠，原子核间电子概率密度大吸引原子核而成键。,1. 基本要点：,未成对价电子自旋方式相反；对称性一致，原子轨道最大程度重叠。,2. 特点： 饱和性 方向性,2. 价键理论的基本要点 共价键的特点,饱和性 一个原子有几个未成对电子，就只能和同数目的自旋方向相反的未成对电子配对成键，这就是称为共价键的饱和性。 例如HCl分子的形成。,一

8、个未成对的电子,一条化学键,方向性 原子轨道中，除s轨道是球形对称没有方向性外，p,d,f原子轨道中的等价轨道，都具有一定的空间伸展方向。在形成共价键时，只有当成键原子轨道沿合适的方向相互靠近，才能达到最大程度的重叠，形成稳定的共价键。这就是共价键的方向性。 例如，HCl分子的形成。,3. 共价化合物的类型 分子晶体：H2O NH3 I2 P4 S8 原子晶体:金刚砂 (碳化硅）,3.2.3 杂化轨道理论,价键理论无法圆满的解释,在形成分子的过程中，若干不同类型能量相近的原子轨道重新组合成一组新轨道。这种轨道重新组合的过程称为杂化，所形成的新轨道叫做杂化轨道。,1.杂化轨道的概念,sp型杂化

9、dsp型杂化 spd型杂化,2.杂化轨道的类型,Sp 型杂化,（1）sp杂化 BeCl2 ：直线型分子，键角1800，两个Be-Cl键等同,Be：1s22s22p0,1/2 s成分 sp杂化 2个杂化轨道对称轴夹角1800 1/2 p成分,两个sp杂化轨道,BeCl2分子结构,B： 2s22p1,（2） sp2杂化,BF3的空间构型为平面三角形。,sp2杂化 BF3 分子为例 BF3 ：平面三角形，键角1200，3个B-F键等同 杂化理论解释： B: sp2杂化,B：1s22s22p1,1/3 s成分 sp2杂化 三个杂化轨道对称角1200 2/3 p成分,三个sp2杂化轨道,CH4的空间构型

10、为正四面体。,C：2s22p2,（3） sp3杂化,sp3杂化 CH4分子为例CH4：正四面体，键角10928，4个C-H键等同 杂化理论解释： C: sp3杂化,C：1s22s22p2,四个sp3杂化轨道,1/4 s成分 sp3杂化 4个杂化轨道对称角10928 3/4 p成分,3.2.4 共价键的键能,键能(E)在一定温度和标准压力下断裂气态分子的1mol化学键(即6.0221023个化学键)，使它变成气态原子或原子团时所需要的能量称为键能。 键能： 标态： A-B(g) A(g) + B(g) H 单位：kJmol-1。 意义：键能越大，化学键越牢固，分子越稳定。,3.2.4 键的极性和

11、分子的极性,1.键的极性 极性键 ：正负电荷重心不重合的共价键， 非极性键（1）由不同种原子之间形成，正负电荷重心重合的共价键（2）同种原子之间形成 键极性衡量：可以根据成键原子的电负性差值定性的估测。 XA-XB越大，键的极性越大,2.分子的极性极性分子：分子中正负电荷重心不重合的分子非极性分子：分子中正负电荷重心重合的分子,3. 分子极性与键的极性的关系,双原子分子：非极性键非极性分子 H2 Cl2极性键极性分子 HCl HF多原子分子：非极性键非极性分子 P4 S8分子空间构型对称非极性分子 CH4、CO2极性键分子空间构型不对称极性分子 CHF3、H2O,如：,H-H,O-O,H-Cl

12、,O-C-O,H2O,CH4,3.3 配位键和配位化合物,1. 配合物的定义配位化合物（简称配合物）是由给出孤对电子的离子或分子（称为配位体）和具有接受孤对电子的空轨道的原子或离子（统称为中心原子）按一定组成和空间构型所形成的化合物。L M, Cu ( NH3 ) 4 SO4,2. 配合物的组成,含有空轨道 一般是金属离子，也有中性原子,例： FeF63- Cu(H2O)4 2- SiF62- Ni(CO)4, 配位体(亦称配体)：含孤对电子 一般是阴离子，或极性分子, 配位原子：配位体中与中心原子直接键合的原子 如： :NH3 N 作配位原子:CN: C、N均可作配位原子,定义：直接与中心原

13、子配合的配位原子数目,单齿配位体： 配位数 = 配位原子数目= 配位体的数目, 配位数,确定：,多齿配位体： 配位数 = 配位原子数目= 配位体数齿数,例： FeF63- Cu(H2O)4 2- SiF62- Ni(CO)4,简单配合物： 如： Cu(NH3)4 2+,螯合物： 如： Cu(en)22+,5.4 金属键自由电子和金属原子间产生没有方向性的胶合作用力，称为金属键,金属晶体,六方紧密堆积 配位数 12,面心立方紧密堆积 配位数 12,3.5 分子间作用力和氢键,3.5.1 分子间作用力 (范德华力) 分子间存在三种作用力，即色散力、诱导力、取向力 通称范德华力。,1.取向力(定向力

14、) 定义：由极性分子之间的固有偶极定向排列所产生 的作用力 本质：静电引力 存在：极性分子-极性分子 影响因素：分子的极性越大，偶极矩越大，取向力越大。,2.诱导力定义：由诱导偶极和固有偶极间产生的作用力 本质：静电引力 存在：极性分子非极性分子极性分子极性分子分子的极性越大，偶极矩越大，取向力越大。 影响因素：诱导分子的偶极矩越大，诱导力越强。被诱导分子的变形性越大，产生的诱导偶极矩就越大，诱导力越强,非极性分子无外电场时, 由于运动、碰撞, 原子核和电子的相对位置变化, 其正负电重心可有瞬间的不重合; 极性分子也会由于上述原因改变正负电重心. 瞬间偶极：分子正负电荷重心在一瞬间不重合而造成

15、的偶极 瞬间偶极和分子的变形性大小有关.,3. 色散力,色散力：瞬时偶极所产生的相互间的作用力 存在： 各种分子间非极性分子- 非极性分子极性分子- 非极性分子极性分子- 极性分子 影响因素：相互作用的分子的变形性越大，色散力越大。同类型的分子（结构和组成类似的分子），分子量越大，色散力越大。 例如：F2 Cl2 Br2 I2分子量增大，色散力增大,综上所述： 非极性分子 之间只有 色散力 极性分子和非极性分子之间有诱导力、色散力 极性分子和极性分子之间有取向力、诱导力、色散力 这些力本质上都是静电引力。色散力存在于一切分子之间，一般也是分子间的主要作用力(极性很大的分子除外)，取向力次之，诱

16、导力最小。例 I2 干冰,分子间力的特点 无方向性、无饱和性,4.范德华力对物质性质的影响 对物质的物理性质如熔点、沸点、硬度、溶解度等都有一定的影响。例如： 稀有气体按HeNeArKrXe，相对分子质量增加, 分子体积增大，变形性或极化率升高,色散力随着增大, 熔、沸点依次升高。,1.氢键存在的证明,3.5.2 氢键,2.氢键的形成,（1）形成的必备条件一个分子中必须有一个与H以共价键结合的电负性大的原子X（如F、O、N）； 另一个分子中必须有一个半径小、电负性大且有孤对电子的Y原子,（2） 产生的原因,当H原子同电负性大，半径小的原子X 相结合时，电子对强烈地偏向X一方，使H原于几乎成为裸

17、核，这个“裸核H”又被另一个电负性大的带孤电子对的Y所吸引。 氢键：由电负性大的元素与氢形成化学键而引起的对另一元素孤对电子的吸引作用。,3.特点,（1）具有方向性和饱和性,介于化学键和分子间作用力之间, 和电负性有关. FH F O H O NHN E/kJmol-1 28.0 18.8 5.4,（2）氢键的键能一般小于 41.8 KJ/mol,实验已证明存在两种氢键： （1）分子间氢键 如H2O HF HBO3 （2）分子内氢键 如：邻硝基苯酚,4.类型,5.氢键对化合物性质的影响,（1）对熔沸点的影响 分子间氢键的存在，物质的熔、沸点升高，汽化热、升华热增大。,例如：HX的沸点变化规律实

18、际： HFHCl HBr HI 理论： HF HCl HBr HI 原因：从范德华力考虑, 半径依次增大, 色散力增加, b.p. 高, 故 b. P. 为 HI HBr HCl, 但由于 HF 分子间有氢键，故 HF 的b.p. 在这里最高, 破坏了从左到右 b.p. 升高的规律. 同理： H2O、 NH3 由于氢键的存在, 在同族氢化物中 b.p. 亦是最高。,分子内氢键的生成，一般会使化合物的熔点、沸点降低，汽化热、升华热减小。例如：熔沸点 对硝基苯酚邻硝基苯酚,复习题 1.离子键属哪类作用力？举例说明哪些元素容易形成离子化合物。 2.从化学手册查阅得知下列几种离子化合物的晶格能数据，请

19、写出它们熔点由低到高的排列顺序。 化合物 NaBr Nal SrO BaO CaO 晶格能/kJ mol-1 747 704 3223 3054 3401,3.共价键属哪类作用力？举例说明共价键的方向性与饱和性，这和离子化合物密堆积中配位数的含义有何不同？ 4.分子型共价化合物和原子型共价化合物的物理化学性能有什么显著差别？举例说明。 5.参考表17 的电负性数据，下列化合物哪些是离子化合物？哪些是共价化合物？BaO，MgO，ZnO，NO，CsCl，CaCl2，CuCl2，AlCl3,6.H2 是清洁的高能燃料，现有哪些方法可以由H2O 制取H2？ 7.“水变油”违背哪些科学基本原理？ 8.下

20、列几种叙述是否正确？为什么？ （1）2s 轨道可以和3p 轨道形成sp2 杂化轨道； （2）烯烃中的碳碳双键由一个键和一个组成； （3）烷烃、烯烃都能发生加成反应，因为都含键； （4）利用键能数据可以估算化学变化的热效应； （5）分子间作用力和离子键类似都是静电作用力； （6）由极性键组成的分子，一定是极性分子。,9.请将下列几种配位化合物的中心体、配位体、配位数、外界、内界分别填入空格。中心体 配位体 配位数 内界 外界 Fe(NCS)Cl2 Co(NH3)6SO4 Na2Zn(OH)4 10.举例说明配位键和共价键的异同。,11.研究超导现象经常需要用液氦，它是沸点最低的液体，试用分子间作用说明它的沸点为什么那么低。12.试比较离子键、共价键、氢键、分子间作用力等能量级的差别及作用力的特点。,本章完,