最新8成键作用和分子结构上课件.ppt

1、1/29/20232化学键的定义什么是化学键什么是化学键？2Na(s)+Cl2(g)2NaCl(s)ColorStateElectrical conductivity银灰色银灰色 黄绿色黄绿色 无色无色固体固体 气体气体 晶体晶体极强极强 极弱极弱 极弱极弱 熔融导电熔融导电上边三种物质的性质的不同是由什么引起的？上边三种物质的性质的不同是由什么引起的？sodiumsodium chloride1/29/20239r=rr=r0 0 ，V V 有极小值，此时体系有极小值，此时体系最稳定最稳定，表明，表明形成离子键形成离子键。r rr 1.7X 1.7，发生电子转移，产生正、负离子，形成，发生电

2、子转移，产生正、负离子，形成离子键离子键；X 1.7X 1.7 X 1.7，实际上实际上是指是指离子键离子键的的成分大于成分大于 50%50%。极性增大极性增大非极性共价键非极性共价键 极性共价键极性共价键 离子键离子键1/29/2023110.2 1 1.8 550.4 4 2.0 630.6 9 2.2 700.8 15 2.4 761.0 22 2.6 821.2 30 2.8 861.4 39 3.0 891.6 47 3.2 92Relationship of ionic nature percent of single bond and the difference of elec

3、tronegativityxA-xBionic nature percent(%)xA-xBionic nature percent(%)离子键中键的极性与元素电负性的关系离子键中键的极性与元素电负性的关系1/29/2023123.3.形成离子键时释放能量多形成离子键时释放能量多Na(s)+1/2 Cl 2(g)=NaCl(s)H=410.9 kJmol1在形成离子键时，以放热的形式，释放较多的能量。在形成离子键时，以放热的形式，释放较多的能量。2.2.易形成稳定离子易形成稳定离子 Na+2s 2 2p 6，Cl 3s 2 3p 6，达到稀有气体式稳定结构。达到稀有气体式稳定结构。Ag+4d1

4、0，Zn 2+3d10，d d 轨道全充满的稳定结构。轨道全充满的稳定结构。只转移少数的电子，就达到只转移少数的电子，就达到稳定结构稳定结构。而而 C C 和和 Si Si 原子的电子结构为原子的电子结构为 s s2 2p p2 2 ，要失去或得到，要失去或得到4e4e，才能形，才能形成稳定离子，比较困难。所以一般不形成离子键。如成稳定离子，比较困难。所以一般不形成离子键。如 CCl CCl4 4、SiFSiF4 4 等，均为等，均为共价化合物共价化合物 。1/29/202313定义定义：正负离子间的静电吸引力叫做：正负离子间的静电吸引力叫做离子键离子键。特点特点：既没有方向性，也不具饱和性。

5、（：既没有方向性，也不具饱和性。（p145详）详）K+:Cl K+:Cl:NaCl 晶体晶体离子型化合物离子型化合物由离子键形成的化合物由离子键形成的化合物。碱金属和碱土金属碱金属和碱土金属（BeBe除外除外）的卤化物是）的卤化物是典型典型的的离子型化合物离子型化合物1/29/2023141.1.作用力的实质是静电引力作用力的实质是静电引力221rqqFq q1 1，q q2 2 分别为正负离子所带电量分别为正负离子所带电量 ，r r 为正负离子的核间距离。为正负离子的核间距离。2.2.离子键无方向性和饱和性离子键无方向性和饱和性 与任何方向的电性不同的离子相吸引，所以与任何方向的电性不同的离

6、子相吸引，所以无方向性无方向性；且只要是正负离子之间，则彼此吸引，即且只要是正负离子之间，则彼此吸引，即无饱和性无饱和性。学习了共价键以后，会加深对这个问题的理解。学习了共价键以后，会加深对这个问题的理解。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离子键的特征离子键的特征1/29/202315离子的特征离子的特征正离子通常只由金属原子形成，其电荷等于中性原子失去电子的正离子通常只由金属原子形成，其电荷等于中性原子失去电子的数目。数目。负离子通常只由非金属原子组成，其电荷等于中性原子获得电子负离子通常只由非金属原子组成，其电荷

7、等于中性原子获得电子的数目的数目;出现在离子晶体中的负离子还可以是多原子离子出现在离子晶体中的负离子还可以是多原子离子(SO(SO4 42-2-)。（1）离子电荷离子电荷 (charge):电荷高，离子键强电荷高，离子键强从离子键的实质是静电引力从离子键的实质是静电引力 F F q q1 1 q q2 2/r/r2 2出发，影响离子出发，影响离子键强度的因素有：键强度的因素有：离子的电荷离子的电荷 q q 、离子的电子层构型离子的电子层构型和和离离子半径子半径 r r （即（即离子的三个重要特征离子的三个重要特征）。）。（2）离子半径离子半径(radius)严格讲，严格讲，离子半径无法确定离子

8、半径无法确定（电子云无明确边界）（电子云无明确边界）核间距核间距（nuclear separationnuclear separation）的一半的一半关键是如何分割关键是如何分割（x-x-射线衍射法射线衍射法）1/29/202316d d值可由晶体的值可由晶体的 X X 射线衍射实验测定得到，射线衍射实验测定得到，例如例如 MgO d =210 pm。pm210rrd22OMg19261926年，哥德希密特年，哥德希密特(Goldschmidt)(Goldschmidt)用光学方法测得了用光学方法测得了F F-和和O O2-2-的半径，分别为的半径，分别为133pm 133pm 和和132p

9、m132pm。结合结合 X X 射线衍射所得的射线衍射所得的d d值，值，得到一系列离子半径。得到一系列离子半径。1 1离子半径概念离子半径概念将离子晶体中的离子看成是相切的球体，正将离子晶体中的离子看成是相切的球体，正负离子的核间距负离子的核间距 d d 是是 r r+和和 r r-之和之和 。dr+r-1/29/2023171927 1927 年，年，PaulingPauling把最外层电子到核的距离，定义为把最外层电子到核的距离，定义为离子半径离子半径。并利用有效核电荷等数据，求出一套离子半径数值，被称为并利用有效核电荷等数据，求出一套离子半径数值，被称为 Pauling Pauling

10、 半径半径 。2 2离子半径的变化规律离子半径的变化规律 a)同主族同主族从上到下从上到下，电子层增加，具有相同电荷数的离子，电子层增加，具有相同电荷数的离子 半径增加半径增加。Li+Na+K+Rb+Cs+F Cl Br Mg Mg2+2+Al Al3+3+K K+Ca Ca2+2+=d MgO =210 132 =78 (pm)这种半径为这种半径为哥德希密特半径哥德希密特半径。2Mgr2Or1/29/202318 c)c)同一元素，不同价态的离子，电荷高的半径小同一元素，不同价态的离子，电荷高的半径小。如如 Ti 4+Ti 3+；Fe 3+Fe 2+。e)e)周期表中对角线上，左上的元素和右

11、下的元素的离周期表中对角线上，左上的元素和右下的元素的离 子半径相近子半径相近 。如如 LiLi+和和MgMg2+2+；ScSc3+3+和和ZrZr4+4+半径相似半径相似 。d)d)负离子半径一般较大；正离子半径一般较小负离子半径一般较大；正离子半径一般较小 。第二周期第二周期 F 136 pm；Li+60 pm 。第四周期第四周期 Br 195 pm；K+133 pm 。虽然差了两个周期虽然差了两个周期 ，F F 仍比仍比 K K+的半径大的半径大 。过渡元素过渡元素，离子半径变化规律不明显，离子半径变化规律不明显 。1/29/202319（3）离子的电子构型离子的电子构型(electro

12、nic configuration)稀有气体组态稀有气体组态(8 8电子和电子和2 2电子组态电子组态):):周期表中靠近稀有气体周期表中靠近稀有气体 元素之前和之后的那些元素元素之前和之后的那些元素.拟稀有气体组态拟稀有气体组态(1818电子组态电子组态):):第第 1111族、第族、第1212族以及第族以及第1313族和第族和第 14 14 族的长周期元素形成的电荷数等于族的长周期元素形成的电荷数等于 族号减族号减1010的正离子具有这种组态的正离子具有这种组态.Ions with pseudo-noble gas configurationCu+Ag+Au+11 12 13 14Zn2+

13、Cd2+Hg2+Ga3+In3+Tl3+Ge4+Sn4+Pb4+含惰性电子对的组态含惰性电子对的组态(18182 2电子组态电子组态):):第第1313、第、第1414、第、第15 15 族族 长周期元素长周期元素(特别是它们当中的第特别是它们当中的第6 6周期元素周期元素)形成离子时往往形成离子时往往 只失去最外层的只失去最外层的p p电子，而将两个电子，而将两个s s电子保留下来电子保留下来.不规则组态不规则组态(9-179-17电子组态电子组态):):许多过渡元素形成这种组态的许多过渡元素形成这种组态的 离子，如离子，如TiTi3+3+，V V3+3+，CrCr3+3+，MnMn2+2+

14、，FeFe3+3+，CoCo2+2+，NiNi2+2+，CuCu2+2+，AuAu3+3+等等.8 8 电子构电子构型的离子型的离子9 91717电子层电子层构型的离子构型的离子1818或或18+218+2电子电子层构型的层构型的离子离子 0D(D 0，D 0 )D LP-BP BP-BP根据根据 VPVP 和和 LPLP 的数目的数目,可以推测出可以推测出分子的空间构型分子的空间构型（1 1）基本要点）基本要点1/29/202357（2 2）分子形状的确定方法）分子形状的确定方法 首先先确定中心原子首先先确定中心原子A A的价层电子对数的价层电子对数VPVP原则原则:配体配体X:HX:H和卤

15、素每个原子各提供一个价电子和卤素每个原子各提供一个价电子,氧与硫不氧与硫不提供价电子提供价电子正离子正离子“-”-”电荷数电荷数,负离子负离子“+”+”电电荷数荷数例例:VP()=(6+40+2)=424SO21VP=1/2A的价电子数的价电子数+X+X提供的价电子数提供的价电子数 离子电荷数离子电荷数()负负正正另一种更为简便的方法另一种更为简便的方法 VP=BP+LP =与中心原子成键的原子数与中心原子成键的原子数 +（中心原子价电子数中心原子价电子数-配位原子未成对电子数之和配位原子未成对电子数之和)2例例：XeF2 2+(8-21)/2=5 XeF4 4+(8-41)/2=6 XeOF

16、4 5+(8-12-4 1)/2=6 XeO2F2 4+(8-22-2 1)/2=5A A的价电子数的价电子数 =主族序数主族序数1/29/202358 确定电子对的空间排布方式确定电子对的空间排布方式通式通式共用共用电子对电子对原子原子A A在原子在原子B B周围的排列方式周围的排列方式 （理想的（理想的BABBAB键角）键角）结构结构中心原子上不含孤对电子的共价分子的几何形状中心原子上不含孤对电子的共价分子的几何形状2直线直线(180(180)AB2AB33平面三角形平面三角形(120(120)AB44正四面体正四面体(109(10928)28)AB55三角双锥三角双锥(B(Ba aABA

17、Ba a,180,180)(B(Be eABABe e,120,120)(B)(Be eABABa a,90,90)B Ba a轴向轴向B B原子，原子，B Be e平伏平伏B B原子原子AB66正八面体正八面体(90(90,180,180)1/29/202359 确定孤对电子数和分子空间构型确定孤对电子数和分子空间构型LP=0 分子的空间构型分子的空间构型=电子对的空间构型电子对的空间构型BeH2BF3CH4PC15SF6VP=(2+2)=2 LP=021VP=(3+3)=3 LP=021VP=(4+4)=4 LP=021VP=(5+5)=5 LP=021VP=(6+6)=6 LP=021E

18、xampleHBeH1/29/202360LP0LP0电子对的空间构型使价层电子对斥力最小电子对的空间构型使价层电子对斥力最小1/29/2023611/29/202362孤对电子优先代替平伏孤对电子优先代替平伏位置上的原子和相关键位置上的原子和相关键对电子对电子变形四面体变形四面体1/29/202363第二对孤对电子优第二对孤对电子优先代替第一对孤对先代替第一对孤对电子反位的原子和电子反位的原子和相关键对电子相关键对电子八面体八面体四方锥四方锥平面正方形平面正方形1/29/202364键的极性和中心原子的电负性会使键角改变键的极性和中心原子的电负性会使键角改变21VP=(4+0+2)=3VP=

19、(6+4)=521S=OFFFFC=OClCl21124o18110o18107oN:FFFo102当分子中有当分子中有p p 键时键时,p p 键键应排在相当于孤对电子的应排在相当于孤对电子的位置位置 ！Pay attention!这两个问题还是要注意的！这两个问题还是要注意的！Pay attention!1/29/202365Question 4Question 4判断判断 OFOF2 2 分子的基本形状分子的基本形状.写出路易斯结构式写出路易斯结构式,并读出中心原子周围价电子对的总数并读出中心原子周围价电子对的总数:中心原子价层有中心原子价层有 4 4 对电子对电子.4.4 对价电子对价

20、电子的理想排布方式为的理想排布方式为正四面体正四面体,但考虑到其但考虑到其中包括两个孤对中包括两个孤对,所以分子的实际几何形所以分子的实际几何形状为状为角形角形,相当于相当于 ABAB2 2E E2 2 型分子型分子.F O F1/29/202366Question 5Question 5判断判断 XeFXeF4 4 分子的基本形状分子的基本形状.中心原子价层有中心原子价层有 6 6 对电子对电子.理想排理想排布方式为正八面体布方式为正八面体,但考虑到其中但考虑到其中包括两个孤对包括两个孤对,所以分子的实际几所以分子的实际几何形状为何形状为平面四方形平面四方形,相当于相当于ABAB4 4E E

21、2 2 型分子型分子.中心原子中心原子 Xe Xe 的价电子数为的价电子数为 8 8，F F 原子的未成对电子数为原子的未成对电子数为 1.1.可可以算得中心原子价电子对的总数和孤对数分别为以算得中心原子价电子对的总数和孤对数分别为:(价层电子对总数价层电子对总数)=4(84)/2=6 (孤电子对的数目孤电子对的数目)=(84)/2=21/29/202367杂化轨道（杂化轨道（hybrid orbital）原子轨道为什么需要杂化？原子轨道为什么需要杂化？原子轨道为什么可以杂化？原子轨道为什么可以杂化？如何求得杂化轨道的对称轴间的夹角？如何求得杂化轨道的对称轴间的夹角？新理论必须解决如新理论必须

22、解决如下问题下问题在众多科学家的追求中，在众多科学家的追求中，PaulingPauling 再次求助再次求助“杂化概念杂化概念”建立了新的建立了新的化学键理论杂化轨道理论化学键理论杂化轨道理论.上面介绍的上面介绍的 s s 轨道与轨道与 p p 轨道重叠方式并不能解释大多数多原子分子轨道重叠方式并不能解释大多数多原子分子中的键长和键角中的键长和键角.例如例如,如果如果 H H2 2O O 和和 NHNH3 3 分子中的分子中的 O OH H 键和键和 N NH H 键是由键是由 H H 原子的原子的 1 1s s 轨道与轨道与 O O 原子和原子和 N N 原子中单电子占据的原子中单电子占据的

23、2 2p p 轨道重叠形成的，轨道重叠形成的，HOH HOH 和和 HNH HNH 键角应为键角应为 9090；事实上；事实上,上述两个上述两个键角各自都远大于键角各自都远大于9090。（。（p155 Op155 O2 2分子为何有顺磁性的例子）分子为何有顺磁性的例子）价层电子对互斥理论，可以用来判断分子和离子的几何构型。但是这一理价层电子对互斥理论，可以用来判断分子和离子的几何构型。但是这一理论说明不了论说明不了分子和离子分子和离子的几何构型的形成原因。的几何构型的形成原因。1/29/202368 成键时能级相近的价电子轨道相混杂，形成新的成键时能级相近的价电子轨道相混杂，形成新的价电子轨道

24、价电子轨道杂化轨道杂化轨道（1 1）基本要点）基本要点轨道成分变了轨道成分变了总之，杂化后的轨道总之，杂化后的轨道轨道的能量变了轨道的能量变了轨道的形状变了轨道的形状变了结果，更有利于成键！结果，更有利于成键！变了变了 杂化后轨道伸展方向，形状和能量发生改变杂化后轨道伸展方向，形状和能量发生改变 杂化前后轨道数目不变杂化前后轨道数目不变1/29/202369杂化轨道杂化轨道 (Hybrid Obital)(Hybrid Obital)实验测得实验测得 CClCCl4 4、CHCH4 4等的立体构型为正四面体等的立体构型为正四面体（tetrahedraltetrahedral）在同一个原子中能量

25、相近的不同类型（在同一个原子中能量相近的不同类型（s,p,d,s,p,d,）的几个）的几个原原子轨道波函数子轨道波函数可以相互叠加而组成同等数目的能量能量完全相可以相互叠加而组成同等数目的能量能量完全相同的同的杂化轨道杂化轨道。1/29/202370（1 1）杂化与杂化轨道的概念）杂化与杂化轨道的概念在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组子轨道重新组合，形成一组新新的原子轨道。这个过程叫做的原子轨道。这个过程叫做轨轨道的杂化道的杂化，产生的新轨道叫做，产生的新轨道叫做杂化轨道杂化轨道。形成形成 CHCH4

26、 4 分子时，中心碳原子的分子时，中心碳原子的 2s 2s 和和 2p 2px x、2p2py y、2p2pz z 等四条原子轨道发生杂化，形成一组（四条）新的杂化轨等四条原子轨道发生杂化，形成一组（四条）新的杂化轨道，即道，即 4 4 条条spsp3 3 杂化轨道，这些杂化轨道，这些 sp sp3 3 杂化轨道不同于杂化轨道不同于 s s 轨道，也不同于轨道，也不同于 p p 轨道。轨道。杂化轨道有自己的波函数、能量、杂化轨道有自己的波函数、能量、形状和空间取向。形状和空间取向。1/29/202371 sp3杂化杂化2p2s2s2psp3四个四个 sp3 杂化轨道杂化轨道激发激发杂化杂化CH

27、4中共价中共价 键形成键形成基态碳原基态碳原子的结构子的结构杂化轨道杂化轨道(2)(2)杂化形式杂化形式1/29/202372spsp3 3 杂化例：杂化例：CHHHHCHCH4 4 是正四面体结构，是正四面体结构，C spC sp3 3 杂化，杂化，4 4 个轨道个轨道呈正四面体分布，分别与呈正四面体分布，分别与 4 4 个个 H H 的的 1s 1s 成成 键。键。没有未杂化的电子，故没有未杂化的电子，故 CH CH4 4 无双键。无双键。1/29/202373spsp3 3杂化：杂化：1/29/202374spsp3 3杂化及其成键过程杂化及其成键过程1/29/2023752s2p轨道轨

28、道2s2p2s2psp2三个三个 sp2 杂化轨道杂化轨道激发激发杂化杂化 BClBCl3 3 中共中共价键的形成价键的形成基基态态硼硼原原子子的的结结构构杂化轨道杂化轨道 spsp2 2杂化杂化1/29/202376spsp2 2杂化：乙烯杂化：乙烯1/29/202377spsp2 2杂化：杂化：1/29/202378 sp sp杂化杂化2s2p2s2psp2p两个两个 sp 杂化轨道杂化轨道激发激发杂化杂化 HBeH基态铍原基态铍原子的结构子的结构 BeHBeH2 2 中共中共价键的形成价键的形成杂化轨道杂化轨道1/29/202379+_+_+=+在在 sp sp 杂化轨道中，杂化轨道中，

29、s s 和和 p p 的成份各的成份各 1/2 1/2两条杂化轨道呈两条杂化轨道呈直线形直线形分布互成分布互成 180180角。角。BeClBeCl2 2 分子直线形，用杂化轨道理论分析其成键情况，说明分子直线形，用杂化轨道理论分析其成键情况，说明直线形构型的原因直线形构型的原因。Be sp sp 杂化杂化 2s 2 2p0 激发杂化2 2 条条 sp sp 杂化轨道呈杂化轨道呈直线形分布直线形分布，分别与，分别与 2 2 个个 Cl Cl 的的 3p 3p 轨道成键，故分子为直线形。轨道成键，故分子为直线形。1/29/202380spsp杂化轨道杂化轨道 :BeF2 的立体结构为线性的立体结

30、构为线性激激发发杂杂化化1/29/20238130104HOH H2O中中O原子采取原子采取 sp3 不等性杂化不等性杂化p2s2sp3 3 杂化杂化sp3H2O中共价键形成中共价键形成杂化轨道杂化轨道基态氧原子基态氧原子的的 结结 构构“”Nonequvalent hybridization“不等性杂化不等性杂化”Nonequvalent hybridization1/29/20238218107HNHNHNH3 3中中N N 原子采取原子采取 spsp3 3 不等性杂化不等性杂化sp3杂化杂化基态氮原子基态氮原子的的 结结 构构NH3中共价键形成中共价键形成杂化轨道杂化轨道1/29/202

31、383试用杂化轨道理论解释下面问题：试用杂化轨道理论解释下面问题：NH NH3 3、H H2 2O O 的键角为什么比的键角为什么比 CHCH4 4 小？小？COCO2 2 的键角为何是的键角为何是180180？乙烯为何取乙烯为何取120 120 的键角？的键角？在在 BClBCl3 3 和和 NClNCl3 3 分子中，中心原子的氧化数和配体数都相同，分子中，中心原子的氧化数和配体数都相同，为什么两者的空间分子结构却不同？为什么两者的空间分子结构却不同？Question 6Question 6还是杂化形式不同还是杂化形式不同 在在 spsp2 2 和和 sp sp 杂化轨道中，是否也存在不等

32、性杂化？各举一例！杂化轨道中，是否也存在不等性杂化？各举一例！例如例如 SOSO2 2 和和 COCO杂化形式不同杂化形式不同1/29/202384另外还存在另外还存在 d d 轨道参加的轨道参加的 s-p-ds-p-d 杂化轨道杂化轨道.Side viemTop viemThe six sp3d2 hybrid orbitals and their octahedral geometrySide viemTop viemsp3dThe six sp3d hybrid orbitals and their trigonal bipyramidal geometrysp3d21/29/20238

33、5Numberof effectivepairsArrangement of pairsHybridization requiredLinearsp2Trigonalplanarsp23Tetrahedralsp34Trigonalbipyramidaldsp35Octahedrald2sp36Summary of hybrid orbital theory1/29/202386定定 义义：多个原子上相互平行的多个原子上相互平行的 p p 轨道连贯重叠轨道连贯重叠 在在一起构成一个整体，一起构成一个整体，而而 p p 电子在这个电子在这个 整体内运动所整体内运动所形成的键形成的键形成条件形成条件：参与成键的原子应在一个平面上，而且参与成键的原子应在一个平面上，而且 每个原子都能提供每个原子都能提供1 1个相互平行的个相互平行的 p p 轨道轨道 n2m作作 用：用：“离域能离域能”会增加分子的稳定性；影响物质的会增加分子的稳定性；影响物质的 理化性质理化性质表示符号：表示符号：nm1/29/20238753433343OOOONOOCO价电子总数价电子总数键键 类类 型型分子或离子分子或离子表表 示示 式式 19 1718 16ClO2O3NO2CO22个个OClO.