物质结构简介II-无机及分析化学课件.ppt

1、 第四章第四章 物质结构简介物质结构简介 2022-4-171 离离 子子 键键 共共 价价 键键 分分 子子 间间 力力 氢氢 键键 练练 习习2022-4-172第五节第五节 离子键离子键 离子键理论的基本要离子键理论的基本要点点 离子键定义离子键定义 离子键的形成离子键的形成 离子键的特点离子键的特点 离子的特征离子的特征 离子半径离子半径 离子电荷离子电荷 离子的电子构型离子的电子构型 离子键的强度离子键的强度2022-4-173一、离子键理论的基本要点一、离子键理论的基本要点离子键定义：离子键定义：电离能较小的电离能较小的和电子亲和能和电子亲和能较大的较大的靠近时，前者易失靠近时，前

2、者易失去电子去电子，后者易得到电子后者易得到电子，这样正，这样正负离子便都具有类负离子便都具有类似稀有气体原子的似稀有气体原子的稳定结构。它们之稳定结构。它们之间靠间靠结合生成离子化合结合生成离子化合物。这种正负离子物。这种正负离子间的静电吸引力叫间的静电吸引力叫做离子键。做离子键。2022-4-174离子键的形成：离子键的形成：2qqFd：介电常数介电常数180（真空）（真空）（水中）（水中）2022-4-175 离子键的特点离子键的特点: :NaCl 球状电荷分布，各个方球状电荷分布，各个方 向的吸引力一样向的吸引力一样 一个离子同时可以和任一个离子同时可以和任 意多的电荷相反的离子意多的

3、电荷相反的离子 吸引吸引 在在NaCl晶体中，不存在晶体中，不存在 NaCl分子分子 由于空间和淡化的影响，由于空间和淡化的影响，离子周围的相反电荷离子数一定。离子周围的相反电荷离子数一定。CsCl2022-4-176二、离子的特征二、离子的特征 离子半径：离子半径：drr离子半径的变化规律：v 同一主族，从上到下依次同一主族，从上到下依次。Li+ (70pm) Na+ (98pm) Mg2+ (75pm) Al3+ (55pm) v 同一元素，负离子原子正离子同一元素，负离子原子正离子S6+ (30pm) S4+ (37pm) S (104pm) S2 2022-4-177 离子电荷：离子电

4、荷：阴阳离子阴阳离子。离子电荷的大小。离子电荷的大小直接影响离子键的强度，因而也就影响直接影响离子键的强度，因而也就影响离子及化合物的性质，如颜色、熔点、离子及化合物的性质，如颜色、熔点、沸点、硬度、稳定性、氧化还原性等。沸点、硬度、稳定性、氧化还原性等。 离子的电子构型：离子的电子构型： 2电子构型电子构型 (2)，Li、Be2。 8电子构型电子构型 ()，Na、Mg2、Al3。 917电子构型电子构型 ()，Mn2、Fe2、Ni2 18电子型电子型()，Cu、Ag、Zn2、Sn4。 182电子型电子型，Sn2、Pb2离子键的经验规律：离子键的经验规律：或或电子层构型的离子电子层构型的离子

5、电子层构型的离子电子层构型的离子电子电子层构型的离子。层构型的离子。 2022-4-178三、离子键的强度（晶格能三、离子键的强度（晶格能U）+-Na ( )F ( )NaF( )ggsrHU 如何计算：如何计算：21201(1)NAe Z ZUrn波恩哈伯循环波恩哈伯循环21Na( )F ( )NaF( )2sgsNa(g)F(g)F-(g)Na+(g)SUE1/2DIHv S：升华能升华能v I：电离能电离能 v D：离解能离解能v E：电子亲合能电子亲合能v U：晶格能晶格能v H：NaF的生成焓的生成焓12UHSIDE离子电荷愈离子电荷愈，半径愈半径愈，晶格，晶格能愈能愈，离子键，离子

6、键越越熔点越熔点越2022-4-179第六节第六节 共价键共价键 路易斯共价键理论路易斯共价键理论 价键理论价键理论 价键理论要点价键理论要点 共价键的类型共价键的类型 键参数键参数 杂化轨道理论杂化轨道理论2022-4-1710 路易斯共价键理论：路易斯共价键理论：分子中原子之间是通过分子中原子之间是通过成键的，并使成键原子达到稳定的稀有成键的，并使成键原子达到稳定的稀有气体结构。这种靠共电子对所用产生的气体结构。这种靠共电子对所用产生的化学结合力，称为化学结合力，称为，化合物叫做，化合物叫做 Cl + Cl Cl Cl缺陷：缺陷： 不能说明原子间共用电子不能说明原子间共用电子 对为什么会导

7、致生成稳定的分子对为什么会导致生成稳定的分子 共价键的本质是什么共价键的本质是什么2022-4-1711一、价键理论一、价键理论1927年德国科学家海特勒年德国科学家海特勒(W.Heitler)和伦敦和伦敦(F.London)把量子力学的成就应用于最简单的把量子力学的成就应用于最简单的H2结结构上，建立了现代价键理论构上，建立了现代价键理论价键理论认为，价键理论认为，是：两是：两个原子互相接近时，个原子互相接近时，轨道叠加），原子轨道叠加），原子间通过共用间通过共用的电子对使能量的电子对使能量降低而成键。降低而成键。键能键长2022-4-1712Change in electron densi

8、tyas two hydrogen atoms approach each other. 成键原子中有单成键原子中有单电子且自旋相反电子且自旋相反 原子轨道要最大重叠原子轨道要最大重叠2022-4-1713 价键理论要点价键理论要点: :一个成单电子只能与另一个自旋方向相反的电子互一个成单电子只能与另一个自旋方向相反的电子互相配对成键，已键合的电子不能再与第三个电子配对。一个原相配对成键，已键合的电子不能再与第三个电子配对。一个原子含有几个未成对电子就只能与几个自旋相反的电子配对成键。子含有几个未成对电子就只能与几个自旋相反的电子配对成键。 的未成对电子相互靠近时能互相配对，即发生原子的未成对

9、电子相互靠近时能互相配对，即发生原子，使核间电子，使核间电子，可形成稳定的共价键。，可形成稳定的共价键。2022-4-1714原子轨道重叠时，总是沿着原子轨道重叠时，总是沿着进行，进行， 重叠愈多，核间电子密度愈大，形成的共价键愈重叠愈多，核间电子密度愈大，形成的共价键愈 稳固。所以共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠稳固。所以共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠 的方向形成，这又称为的方向形成，这又称为。+-+ps+-+ps+-+ps2022-4-1715 共价键的类型：共价键的类型： 成键原子轨道沿两核的连线方向，以成键原子轨道沿两核的连线方向，以的的 方式重叠形成的共价键，称为方式重叠形成的共价

10、键，称为键。键。特点是呈圆柱形对称。特点是呈圆柱形对称。 s-s s-p p-p2022-4-1716 成键原子轨道沿两核轴线方向，以成键原子轨道沿两核轴线方向，以”的方的方 式发生重叠形成的共价键称为式发生重叠形成的共价键称为键。特点是通过键。特点是通过 一个键轴的平面成镜面反对称。一个键轴的平面成镜面反对称。 py- pyyxyxzxzx pz- pz2022-4-1717HF的生成的生成例例1 1：2022-4-1718例例2 2：N2的生成的生成2022-4-17192022-4-1720成键原子一方提供孤电子对，另一方提供空轨道。成键原子一方提供孤电子对，另一方提供空轨道。4NHHN

11、HHHC OCO分子的结构：分子的结构：C: 2s22px12py12pz O: 2s2 2px12py1 2pz22022-4-1721 键参数键参数: :298.15K及标准压力及标准压力(100kPa)下，将下，将1mol气态气态AB分分 子的键断开，使生成气态子的键断开，使生成气态A、B原子过程所需要的能原子过程所需要的能 量，称为量，称为(D) 。 键能键能(E)离解焓离解焓H2(g) H(g) + H(g) H= D(HH) = E(HH) = 436kJmol- 键能键能(E)全部键的离解焓的全部键的离解焓的NH3(g) NH2(g) + H(g) D1 = 435.1 kJmo

12、l-NH2(g) NH(g) + H(g) D2 = 397.5 kJmol-NH(g) N(g) + H(g) D3 = 338.9 kJmol- E(NH) = = 390.5 kJmol-1231()3DDD2022-4-1722指构成共价键的两原子之间的核间距。指构成共价键的两原子之间的核间距。 键长越键长越，键愈，键愈，键愈，键愈 键长：键长：三键双键单键三键双键单键 键能：键能：三键双键单键三键双键单键2022-4-1723分子中键与键之间的夹角称为键角。分子中键与键之间的夹角称为键角。CO2分子的键角分子的键角CH4分子的键角分子的键角2022-4-1724二、杂化轨道理论二、杂

13、化轨道理论为了解释分子的空间结构（键长，键角），为了解释分子的空间结构（键长，键角），Pauling提出提出了杂化轨道的概念，他认为：在了杂化轨道的概念，他认为：在中能量相近的不同中能量相近的不同组类型组类型(s, p, d)的几个的几个波函数可以波函数可以而成而成的的的杂化原子轨道。的杂化原子轨道。例：例：CH4的结构的结构C: 2s22px12py13pz2s2pH: 1s11s CH2 or CH4?CH的键角多大？的键角多大？2022-4-1725C: 2s22px12py13pz2s2p1ssp32s2p激发激发杂化杂化H: 1s1sp3-s键合键合CH4结构的形成：结构的形成：20

14、22-4-1726 杂化轨道理论的基本要点：杂化轨道理论的基本要点： 杂化轨道成键时，要满足化学键间斥力最小原则，键与键之杂化轨道成键时，要满足化学键间斥力最小原则，键与键之间斥力的大小决定于键的方向，即决定于杂化轨道的夹角和类间斥力的大小决定于键的方向，即决定于杂化轨道的夹角和类型，因此杂化轨道的类型与分子的空间构型密切相关。型，因此杂化轨道的类型与分子的空间构型密切相关。 若干个不同类型的、能级相近的原子轨道改变原来状态，若干个不同类型的、能级相近的原子轨道改变原来状态，重重 新组合成一组新轨道，这一过程称为新组合成一组新轨道，这一过程称为“杂化杂化”或或“轨道杂轨道杂化化”，所形成的新轨

15、道称为杂化轨道。，所形成的新轨道称为杂化轨道。 杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道数目。杂化轨道的杂化轨道的数目等于参加杂化的原子轨道数目。杂化轨道的类型随原子轨道的种类和数目不同而不同。类型随原子轨道的种类和数目不同而不同。 杂化有利于形成牢固的共价键和稳定的分子。不同类型杂化杂化有利于形成牢固的共价键和稳定的分子。不同类型杂化轨道成键能力不同。轨道成键能力不同。2022-4-1727 杂化轨道的类型：杂化轨道的类型：同一原子中同一原子中 ns-np 杂化成新轨道；一个杂化成新轨道；一个 s 轨道和轨道和 一个一个 p 轨道杂化组合成两个新的轨道杂化组合成两个新的 sp 杂化轨道。杂化轨道

16、。 sp 杂化轨道间的夹角是杂化轨道间的夹角是，分子的几何构型分子的几何构型 为为。 BeF2分子形成分子形成激发激发2s2pBe基态基态2s2p激发态激发态杂化杂化键合键合直线形直线形sp杂化态杂化态直线形直线形化合态化合态F Be F180 2022-4-17282022-4-1729同一个原子的一个同一个原子的一个 ns 轨道与两个轨道与两个 np 轨道进行轨道进行 杂化组合为杂化组合为 sp2 杂化轨道。杂化轨道。sp2 杂化轨道间的夹杂化轨道间的夹 角是角是120，分子的几何构型为平面正三角形分子的几何构型为平面正三角形2s2pB的基态的基态2s2p激发态激发态正三角形正三角形sp2

17、 杂化态杂化态BF3分子形成分子形成正三角形正三角形化合态化合态BFFF12002022-4-17302022-4-1731同一个原子的一个同一个原子的一个 ns 轨道与三个轨道与三个 np 轨道进行轨道进行 杂化组合为杂化组合为 sp3 杂化轨道。杂化轨道。sp3 杂化轨道间的夹杂化轨道间的夹 角是角是10928，分子的几何构型为正四面体分子的几何构型为正四面体CH4分子形成分子形成2s2pC的基态的基态2s2p激发态激发态正四面体形正四面体形sp3 杂化态杂化态CHHHH10928正四面体形正四面体形化合态化合态2022-4-17322022-4-1733杂化后的轨道中填充的有中心原子的孤

18、电子杂化后的轨道中填充的有中心原子的孤电子 对，此时，形成的杂化轨道成分和能量不完对，此时，形成的杂化轨道成分和能量不完 全相同全相同NH3分子形成分子形成18107HNH各杂化轨道的成分和能量相同。各杂化轨道的成分和能量相同。2022-4-1734H2O分子形成分子形成3sp 杂化2p2s3sp Valence bond pictures of H2OHOH104 302022-4-1735 同一个原子的一个同一个原子的一个 ns 轨轨道与三个道与三个 np，一个一个(n+1)d 轨道进行轨道进行杂化组合为杂化组合为 sp3d 杂化轨道。杂化轨道。sp3d 杂化杂化轨道分子的几何构型为三角双

19、锥。轨道分子的几何构型为三角双锥。PClClClClCl 同一个原子的一个同一个原子的一个 ns 轨轨道与三个道与三个 np，两个两个(n+1)d 轨道进行轨道进行杂化组合为杂化组合为 sp3d2 杂化轨道。杂化轨道。sp3d2 杂杂化轨道分子的几何构型为正八面体。化轨道分子的几何构型为正八面体。SFFFFFF2022-4-1736第七节第七节 分子间力和氢键分子间力和氢键一、键的极性和分子的极性一、键的极性和分子的极性 成键的两原子成键的两原子成键的两原子成键的两原子2022-4-1737 分子中，分子中，的分布的分布 ， 存在正、负两极（偶极）存在正、负两极（偶极） 分子中，分子中，的分布

20、的分布 ， 不存在偶极不存在偶极2022-4-1738键有极性，分子有极性；否则无极性键有极性，分子有极性；否则无极性 既要考虑分子中键的极性，还要考虑分子既要考虑分子中键的极性，还要考虑分子 的构型是否对称。的构型是否对称。H2O2022-4-1739 偶极矩偶极矩：分子极性大小的表示法分子极性大小的表示法= qdq: 正电荷中心的电量正电荷中心的电量d: 正负电荷中心间的距离正负电荷中心间的距离c m原子电负性原子电负性 差值大小决定偶极矩大小差值大小决定偶极矩大小偶极矩是分子偶极矩是分子中所有化学键键矩的矢量和中所有化学键键矩的矢量和2022-4-1740二、分子间力二、分子间力（范德华

21、力）（范德华力）分子与分子之间存在着一种比化学键弱得分子与分子之间存在着一种比化学键弱得多的相互作用力就是靠这种分子间作用力多的相互作用力就是靠这种分子间作用力气体分子才能凝聚成相应的液体和固体。气体分子才能凝聚成相应的液体和固体。 取向力：取向力：极性分子与极性分子之间的作用力极性分子与极性分子之间的作用力越大越大取向力越大取向力越大2022-4-1741 诱导力：诱导力：极性分子与非极性分子之间；极性分子之间的作用力极性分子与非极性分子之间；极性分子之间的作用力在极性分在极性分子的偶极电场作用下产生变形，从而产生子的偶极电场作用下产生变形，从而产生偶极。极性分子的固有偶极与非极性分子的诱导

22、偶极的相互作偶极。极性分子的固有偶极与非极性分子的诱导偶极的相互作用称为诱导作用，其作用力就叫诱导力用称为诱导作用，其作用力就叫诱导力。在在中，每个分子也会由于变形而产生诱导偶极，使极中，每个分子也会由于变形而产生诱导偶极，使极性分子极性增加，分子间作用力进一步加强性分子极性增加，分子间作用力进一步加强越大越大变形形越大变形形越大诱导力越大诱导力越大2022-4-1742 色散力：色散力：非极性分子之间的作用力（极性分子也存在）非极性分子之间的作用力（极性分子也存在） 电子运动、原子核振动在瞬间会出现正、负电中心的不重电子运动、原子核振动在瞬间会出现正、负电中心的不重合情况，产生合情况，产生。

23、这种瞬时偶极导致的相邻分子间产生。这种瞬时偶极导致的相邻分子间产生的吸引作用称为色散力。色散力作用时间是瞬时的，但它是不的吸引作用称为色散力。色散力作用时间是瞬时的，但它是不间断的，间断的，。 色散力在极性分子与非极性分子、极性分子与极性分子之色散力在极性分子与非极性分子、极性分子与极性分子之间同样存在。所以，所有分子间均存在色散力。间同样存在。所以，所有分子间均存在色散力。2022-4-1743色散力大小与分子的形态色散力大小与分子的形态 分子量愈大，色散力愈大；分子量愈大，色散力愈大； 相同组成时，线性分子的色散力较大相同组成时，线性分子的色散力较大 总结：总结： 对于分子量接近而极性不同

24、的分子，对于分子量接近而极性不同的分子，往往往比非极性分子往比非极性分子。 大小：几十，几大小：几十，几 kJmol-1; 没有方向性和饱和性没有方向性和饱和性 非极性分子非极性分子：只存在色散力非极性分子非极性分子：只存在色散力 极性分子非极性分子：诱导力、色散力极性分子非极性分子：诱导力、色散力 极性分子极性分子：取向力、诱导力、色散力极性分子极性分子：取向力、诱导力、色散力 除少数强极性分子外，大多数分子间作用力以除少数强极性分子外，大多数分子间作用力以 分子间力是决定同类物质物理性质递变规律的主要因素分子间力是决定同类物质物理性质递变规律的主要因素2022-4-1744三、氢键三、氢键

25、 氢键是分子间除去上述三种类型分子间力以外的另一种特氢键是分子间除去上述三种类型分子间力以外的另一种特殊的作用力。由于氢键的存在，会给一些氢化物带来一些特殊殊的作用力。由于氢键的存在，会给一些氢化物带来一些特殊的性质。例如沸点明显增高等。的性质。例如沸点明显增高等。 2022-4-1745 氢键的形成氢键的形成: : 当氢原子与一个电负性很大，半径当氢原子与一个电负性很大，半径又很小的原子（又很小的原子（F、O、N）共价结合共价结合后，共用电子对强烈偏向电负性大的后，共用电子对强烈偏向电负性大的原子（原子（F、O、N），），使氢原子几乎成使氢原子几乎成为裸露的质子，有强正电场，极易被为裸露的质

26、子，有强正电场，极易被电负性大且有孤电子对的原子吸引。电负性大且有孤电子对的原子吸引。这种吸引作用叫氢键。这种吸引作用叫氢键。XH-YX,Y：的原子的原子 F, Cl, O, N等等通式：通式：FHFOHOOHNNHN2022-4-17462022-4-1747 氢键的特点：氢键的特点：XH中的中的H只能与一个只能与一个Y原子相结合形成氢键，原子相结合形成氢键，若再有一个若再有一个Y原子靠近它们，则受到的排斥太大，不能形成第原子靠近它们，则受到的排斥太大，不能形成第二个氢键。二个氢键。X, H, Y一般在同一直线上，由于一般在同一直线上，由于H原子体积很原子体积很小为了减小小为了减小X与与Y之

27、间的斥力，它们尽量远离，键角接近之间的斥力，它们尽量远离，键角接近180。一般一般40 kJmol-1; 分子间氢键分子间氢键 分子内氢键分子内氢键NOOOHNOOONOOOHH2022-4-1748 氢键对物质性质的影响：氢键对物质性质的影响：分子间氢键熔、沸点升高；分子间氢键熔、沸点升高； 分子内氢键没有这一影响。分子内氢键没有这一影响。如：沸点如：沸点 邻硝基苯对硝基苯酚邻硝基苯对硝基苯酚 分子间氢键物质间溶解能力提高；分子间氢键物质间溶解能力提高； 溶质分子形成分子内氢键溶质分子形成分子内氢键 在极性溶剂中的溶解度反而减小，在极性溶剂中的溶解度反而减小， 在非极性溶剂中的溶解度却增大。

28、在非极性溶剂中的溶解度却增大。分分 子间氢键，分子内氢键子间氢键，分子内氢键 粘度增大粘度增大 O3WO2WO1WO2WaO3Wa缔合缔合解离解离n H2O (H2O)nn = 2、3、42022-4-17492022-4-17501. 量子力学中的原子轨道是指量子力学中的原子轨道是指 （ ） (A) 波函数波函数n, l, m, ms (B) 电子云电子云 (C) 波函数波函数n, l, m (D) 概率密度概率密度2. 现有现有4组量子数如下，其中合理的是组量子数如下，其中合理的是 （ ） (A) n=2，l=0，m=-1, ms= +1/2 (B) n=3，l=1，m=-1，ms= +1

29、/2 (C) n=2，l=2，m=-1, ms= +1/2 (D) n=3，l=0，m=0， ms=03. 已知某元素在已知某元素在Kr以前（指周期表中位置），当此元素失去三个电以前（指周期表中位置），当此元素失去三个电子后子后, 它的角量子数为它的角量子数为2的轨道内电子恰好半充满，此元素为的轨道内电子恰好半充满，此元素为 （ ） (A) Co (B) Fe (C) Ni (D) Mn4. 下列原子或离子中，原子轨道能量与角量子数无关的是下列原子或离子中，原子轨道能量与角量子数无关的是 （ ） (A) He (B) Be3+ (C) Li (D) Li+5. 原子轨道近似能级图中，原子轨道近

30、似能级图中，4s 3d是由于是由于 之故。之故。2022-4-17516. 已知多电子原子中，下列各电子具有如下量子数，其中能量最已知多电子原子中，下列各电子具有如下量子数，其中能量最高的电子应是（高的电子应是（ ) (A) (2,1,1,-1/2) (B) (2,1,0,-1/2) (C) (3,1,1,-1/2) (D) (3,2,-2,-1/2)7. H2O与与CH3OCH3分子间存在的作用力类型有（分子间存在的作用力类型有（ ） (A) 取向力，诱导力，色散力，氢键取向力，诱导力，色散力，氢键 (B) 取向力，诱导力，色散力取向力，诱导力，色散力 (C) 诱导力，色散力，氢键诱导力，色

31、散力，氢键 (D) 诱导力，色散力诱导力，色散力8. 下列分子中键角最小的是下列分子中键角最小的是 （ ） (A) BF3 (B) OF2 (C) BeH2 (D) NH3 9. 水的反常沸点主要原因是（水的反常沸点主要原因是（ ） (A) 离子键离子键 (B) 共价键共价键(C) 配位键配位键(D) 氢键氢键 10. 根据原子轨道重叠方式不同，共价键可分为根据原子轨道重叠方式不同，共价键可分为 。2022-4-175211. 形成氢键的条件是形成氢键的条件是 。12. 化合物化合物CH3CH3, CH3CH2OH, CH3CHO, CH2-O-CH3中，沸中，沸点最高的是点最高的是 (A) CH3CH3 (B) CH3CH2OH (C) CH3CHO (D) CH3-O-CH313. CO2气体分子的偶极矩等于零，说明气体分子的偶极矩等于零，说明CO2分子的空间结构分子的空间结构为为 ，中心原子，中心原子C采取的杂化轨道类型为采取的杂化轨道类型为 。2022-4-1753