第六章 化学键和分子结构2.PPT

1、第四节第四节 杂化轨道理论杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点： 杂化(hybridization)：形成分子时，因原子之间相形成分子时，因原子之间相互影响，互影响，同一原子内同一原子内能量相近能量相近的不同类型的的不同类型的n个个价价原子轨道原子轨道混合重组混合重组，重新分配能量和确定空间方向，重新分配能量和确定空间方向，产生产生n个个新的原子轨道。这一过程称为杂化。新的原子轨道。这一过程称为杂化。1. 杂化轨道(hybrid orbital)：杂化形成的新原子轨杂化形成的新原子轨道称为杂化轨道。道称为杂化轨道。 2s2p杂化杂化sp2p四、杂化轨道理论四、杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论

2、的要点：2.杂化轨道形状与原来的原子轨道的形状不同，杂化轨道形状与原来的原子轨道的形状不同，杂化轨道的角度分布更集中于一个方向，在成键杂化轨道的角度分布更集中于一个方向，在成键中更有利于达到最大重叠，因而中更有利于达到最大重叠，因而杂化轨道比原来杂化轨道比原来轨道的成键能力强轨道的成键能力强, 故原子常先杂化后成键故原子常先杂化后成键。 s px 2个个sp杂化轨道杂化轨道第四节第四节 杂化轨道理论杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点：3. 杂化轨道之间尽可能在空间取杂化轨道之间尽可能在空间取最大夹角最大夹角分分布，形成相互布，形成相互排斥能最小排斥能最小的杂化轨道构型的杂化轨道构型 。 常

3、见的杂化类型有常见的杂化类型有s+p (sp、sp2、sp3)和和 s+p+d (d2sp3 、sp3d2、dsp2、dsp3、 sp3d) 。如如 2个个sp杂化轨道的夹角为杂化轨道的夹角为180 。4. 等性杂化与不等性杂化：等性杂化与不等性杂化： 按杂化后所形成的几个杂按杂化后所形成的几个杂化轨道所含化轨道所含成分比例及能量成分比例及能量是否相同是否相同等性杂化等性杂化(equivalent hybridization): 完全相同完全相同参与杂化的轨道均含有参与杂化的轨道均含有单电子单电子或均是或均是空轨道。空轨道。 例如例如CH4是是sp3等性杂化等性杂化。有有孤对电子孤对电子占据的

4、原子轨道参与杂化。占据的原子轨道参与杂化。 例如例如NH3、H2O是是sp3不等性杂化不等性杂化。不等性杂化不等性杂化(nonequivalent hybridization) 不完全相同不完全相同第四节第四节 杂化轨道理论杂化轨道理论（一）、杂化轨道理论的要点：（二）、杂化轨道的类型与分子空间构型1. sp杂化杂化: 2个个sp杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为180，当两个，当两个sp杂杂化轨道与其它原子成键后，就形成化轨道与其它原子成键后，就形成直线形直线形分子。分子。 每个每个sp杂化轨道均含杂化轨道均含1/2 s和和1/2 p轨道成分。轨道成分。+1个个ns1个个npsp杂化杂化2

5、个个sp杂化轨道杂化轨道sp杂化轨道sp 杂化轨道形成示意图杂化轨道形成示意图 :sp杂化轨道Be:sp杂化实例杂化实例:BeClCl （直线形）（直线形）2s2p激发激发2s2psp杂化杂化sp2p试说明试说明BeCl2分子的空间构型。分子的空间构型。sp2杂化轨道2. sp2杂化杂化: 3个个sp2杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为120，分别与，分别与其他其他3个相同原子成键后，就形成个相同原子成键后，就形成正三角形正三角形分分子。子。 每个每个sp2杂化轨道均含杂化轨道均含1/3 s和和2/3 p 轨道成分。轨道成分。+1个个ns2个个np3个个sp2杂化轨道杂化轨道sp2杂化杂化3

6、个个sp2杂化轨道杂化轨道:sp2杂化轨道sp2杂化轨道BF3 :sp2杂化实例：杂化实例：试说明试说明BF3分子的空间构型。分子的空间构型。 BFFF(平面三角形平面三角形)B:2s2p激发激发2s2psp2杂化杂化sp22psp3杂化轨道3. sp3等性杂化等性杂化: 4个个sp3杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为109 28 ，当，当4个个sp3杂化轨道与杂化轨道与4个相同原子的轨道重叠成个相同原子的轨道重叠成键后，就形成键后，就形成正四面体正四面体构型的分子。构型的分子。 每个每个sp3杂化轨道均含杂化轨道均含1/4 s和和3/4 p轨道成分。轨道成分。+1个个ns3个个np4个个s

7、p3杂化轨道杂化轨道sp3杂化杂化四个四个spsp3 3杂化轨道杂化轨道sp3杂化轨道sp3杂化实例：杂化实例：试说明试说明CH4分子的空间构型。分子的空间构型。sp3杂化轨道C：2s2p激发激发2s2psp3杂化杂化sp3sp3杂化轨道 NH3 :N:4、不等性不等性sp3杂化杂化实例实例1:NHHHHNH=10718sp3杂化杂化不等性不等性三角锥形2s2psp3H2O:O:4、不等性不等性sp3杂化杂化实例实例2 :OHHHOH=10430 V 字形字形sp3杂化杂化不等性不等性sp3杂化轨道2s2psp3不等性不等性H3O+:OHH+H 杂化轨道理论（总结）杂化轨道理论（总结）杂化类型

8、杂化类型spsp2sp3(等性等性)sp3(不等性不等性)参与杂化的参与杂化的原子轨道原子轨道1个个s+1个个p1个个s+2个个p1个个s+3个个p1个个s+3个个p杂化轨道数杂化轨道数2个个sp3个个sp24个个sp34个个sp3 (含含1或或2对孤对电子对孤对电子)杂化轨道杂化轨道夹角夹角180120109289010928分子构型分子构型直线形直线形平面三角形平面三角形正四面体正四面体三角锥，三角锥，V形形实例实例BeCl2, C2H2BF3, C2H4CH4, CCl4NH3，H2O练习练习1：试用杂化轨道理论解释试用杂化轨道理论解释C2H4(乙烯乙烯)是是平面形平面形。 C激发激发s

9、p2杂化杂化解：解：C CHHHH2s2psp22p杂化轨道理论杂化轨道理论sp2sp2sp2-sp21sp2-s4p-p1练习练习2：试用杂化轨道理论解释试用杂化轨道理论解释C2H2(乙炔乙炔)是是直线形直线形。 C:激发激发sp杂化杂化解：解：HC CH2s2psp2p 杂化轨道理论杂化轨道理论spspsp-sp1sp-s2p-p2练习练习3：指出分子中各指出分子中各C原子是什么杂化类型？原子是什么杂化类型？CH3CH2OH、 CH3CH=CHCOHO 杂化轨道理论杂化轨道理论sp3sp3sp3sp2sp2sp2CH3C CHsp3spsp 分子间作用力(intermolecular fo

10、rce) 定义定义 分子之间弱的相互作用力。分子之间弱的相互作用力。 包括包括 范德华力范德华力(van der Waals force) 和和氢键氢键(hydrogen bond)等。等。第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键 氢键的形成、本质、特点、类型、对物质性质的影响及在医学上的意义一、分子极性一、分子极性第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键双原子分子双原子分子多原子分子多原子分子极性共价键极性共价键 极性分子极性分子非极性共价键非极性共价键 非极性分子非极性分子H2 、Cl2 、O2 示例示例HCl、HF极性共价键极性共价键非极性共价键非极性共价键 非极性分

11、子非极性分子S8对称对称非极性分子非极性分子(分子构型分子构型)CO2 、C6H6、BF3H2O、CHCl3、NH3不对称不对称极性分子极性分子若若中心原子中心原子A的的化合价数值化合价数值=最外层电子数最外层电子数 则是则是非极性分子非极性分子对两种原子（一个中心）形成的分子对两种原子（一个中心）形成的分子(ABn):不相等不相等 则是极性分子则是极性分子第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键q: :分子中正或负电荷中心上的电量分子中正或负电荷中心上的电量d: 分子中正、负电荷中心的距离分子中正、负电荷中心的距离电偶极矩电偶极矩(electric dipole moment)：=

12、 qd （单位为单位为10-30 Cm）v0: 极性分子，极性分子，越大，分子极性越大；越大，分子极性越大；v= 0: 非极性分子，如非极性分子，如H2、CO2 、CH4、BF3HF、HCl的的依次为依次为6.4、3.62分子的极化定义定义在外电场作用下，无论是极性分子还是非极性分子在外电场作用下，无论是极性分子还是非极性分子都会发生变形，变形分子中电子云与原子核出现相对位移，都会发生变形，变形分子中电子云与原子核出现相对位移，产生诱导偶极，产生诱导偶极，这种现象称为分子的极化。这种现象称为分子的极化。第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键荷电离子或极性分子对荷电离子或极性分子对其

13、附近分子也相当是一微其附近分子也相当是一微电场，能产生极化作用。电场，能产生极化作用。图中图中为诱导电偶极矩，极性为诱导电偶极矩，极性分子原有的偶极矩分子原有的偶极矩称为永久称为永久偶极偶极1 1、取向力、取向力( (orientation force)orientation force) 定义定义 当当极性分子极性分子与与极性分子极性分子互相接近时，分子的互相接近时，分子的永久偶极之间同极相斥、异极相吸，使分子在空间永久偶极之间同极相斥、异极相吸，使分子在空间按一定取向排列吸引。这种按一定取向排列吸引。这种永久偶极间的吸引力永久偶极间的吸引力称称为为取向力取向力。第五节第五节 分子间作用力和

14、氢键分子间作用力和氢键二、分子间作用力二、分子间作用力（极（极+极）极）2 2、诱导力、诱导力( (induction force)induction force) 定义定义 当当非极性分子非极性分子与与极性分子极性分子接近时，极性分子接近时，极性分子的永久偶极产生的电场使非极性分子极化产生诱导偶的永久偶极产生的电场使非极性分子极化产生诱导偶极。极。永久偶极与诱导偶极间的吸引力永久偶极与诱导偶极间的吸引力称为称为诱导力诱导力。第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键（极（极+ +非极，极非极，极+ +极）极）3 3、色散力色散力( (dispersion force)dispersi

15、on force)： 定义定义 非极性分子中电子不断运动和原子核的振动，非极性分子中电子不断运动和原子核的振动，使某一瞬间分子的正负电荷中心不重合，形成使某一瞬间分子的正负电荷中心不重合，形成瞬时偶极瞬时偶极，瞬时偶极可使相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极。瞬时偶极可使相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极。瞬时偶极间相互作用产生的引力瞬时偶极间相互作用产生的引力叫叫色散力色散力。第五节第五节 分子间作用力分子间作用力和氢键和氢键色散力存在于色散力存在于各种分子各种分子之间。之间。（普遍存在）（普遍存在）总结：第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键极性极性非极性非极性例子：判断下列

16、各组分子之间存在何种范德华力例子：判断下列各组分子之间存在何种范德华力？(1) H2和和CO2 (2) 乙醇和苯乙醇和苯 (3) 水和甲醇水和甲醇取向力取向力诱导力诱导力色散力色散力极性分子之间极性分子之间非极性分之间非极性分之间第五节第五节 分子间作用力分子间作用力和氢键和氢键 色散力色散力的大小与分子是否容易变形有关，对同类型的的大小与分子是否容易变形有关，对同类型的化合物，一般化合物，一般随着摩尔质量增大而增大随着摩尔质量增大而增大，是，是分子间的主要分子间的主要作用力作用力。诱导力一般较小，取向力只有当分子的极性很强。诱导力一般较小，取向力只有当分子的极性很强时才占有优势。时才占有优势

17、。分子分子取向力取向力诱导力诱导力色散力色散力总能量总能量Ar0.0000.0008.498.49HBr0.6860.50221.9223.11HCl3.3051.00416.8221.13表表 分子间范德华力的作用能分配分子间范德华力的作用能分配（单位单位kJkJmolmol-1-1) ) 范德华力的特征和作用第五节第五节 分子间作用力分子间作用力和氢键和氢键 范德华力范德华力作用能很小作用能很小，一般比化学键低，一般比化学键低12个数量个数量级，级，不是化学键不是化学键。 作用的范围很小作用的范围很小, 几十到几百几十到几百pmpm，作用力的大小作用力的大小随分子之间距离增大而迅速减弱随分

18、子之间距离增大而迅速减弱 。 不具有方向性和饱和性。不具有方向性和饱和性。 范德华力的作用第五节第五节 分子间作用力分子间作用力和氢键和氢键范德华力是决定物质的熔范德华力是决定物质的熔、沸点等物理性质沸点等物理性质的主要因素。的主要因素。F2 Cl2 Br2 I2小小大大小小大大低低高高低低高高摩尔质量摩尔质量力力沸点沸点熔点熔点第五节第五节 分子间作用力分子间作用力和氢键和氢键比较比较HCl、HBr、HI 的熔、沸点高低的熔、沸点高低。练习：HF与与HCl 的熔、沸点哪个高？的熔、沸点哪个高？氢化物沸点变化规律氢化物沸点变化规律:第五节第五节 分子间作用力分子间作用力和氢键和氢键(一)、氢键

19、及其种类第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键定义定义：当当H原子与原子与电负性高、半径小电负性高、半径小的的X原子以极性原子以极性共价键结合后，由于共价键结合后，由于X原子吸引电子能力大，使原子吸引电子能力大，使H原子原子显示较强正电荷场，在与另一个显示较强正电荷场，在与另一个电负性较强且有孤对电负性较强且有孤对电子的电子的Y原子原子接触时，又能产生静电吸引力，该吸引接触时，又能产生静电吸引力，该吸引力称为氢键，用力称为氢键，用“”表示。表示。XH YX、Y 可以相同也可以不同，如可以相同也可以不同，如F、O、N等原子。等原子。如如HF分子间的氢键分子间的氢键FH F H 又如又

20、如NH3和水分子间的氢键和水分子间的氢键三、氢键氢键本质本质：静电作用静电作用FH F OH O OH N NH N X、Y 原子的电负性愈原子的电负性愈大大、半径愈半径愈小小，形成的氢键愈，形成的氢键愈强强。常见氢键强弱顺序：常见氢键强弱顺序：第五节第五节 分子间作用力分子间作用力OClNCH电负性3.443.163.042.552.18原子半径6099717737Cl3CH N CH可生成氢键可生成氢键氢键的种类第五节第五节 分子间作用力分子间作用力分子间氢键分子间氢键： 分子之间形成的氢键。分子之间形成的氢键。分子内氢键：分子内氢键： 分子内部形成的氢键。分子内部形成的氢键。氢键的特征及

21、作用第五节第五节 分子间作用力分子间作用力3.分子间分子间氢键具有氢键具有方向性方向性，形成氢键的，形成氢键的3个原子尽个原子尽可能在一条直线上，可能在一条直线上，X与与Y之间距离最远斥力较小，之间距离最远斥力较小，氢键稳定。氢键稳定。1.氢键的氢键的键能小键能小，比化学键弱得多，但比范德比化学键弱得多，但比范德华力强。华力强。2.氢键具有氢键具有饱和性饱和性，当，当H原子已经形成原子已经形成1个氢键后，个氢键后，不能再与第三个强电负性原子形成第不能再与第三个强电负性原子形成第2个氢键。个氢键。分子内氢键就不具有方向性。分子内氢键就不具有方向性。 XH Y氢键的作用第五节第五节 分子间作用力分

22、子间作用力分子分子内内氢键氢键1. 1. 对熔、沸点的影响对熔、沸点的影响( (结构类似结构类似) )：分子分子间间氢键氢键熔、沸点熔、沸点高高低低例子例子间、对间、对硝基苯酚硝基苯酚熔点为熔点为96和和114邻邻硝基苯酚硝基苯酚熔点为熔点为45第五节第五节 分子间作用力分子间作用力2. 对溶解度的影响：对溶解度的影响： 溶质与水形成氢键溶质与水形成氢键:在水中的溶解度在水中的溶解度不能不能能能较大较大很小很小ROH(醇醇), RCOOH(羧酸羧酸)例子例子烃烃 溶质易形成分子内氢键：溶质易形成分子内氢键：在水中的溶解度小在水中的溶解度小如何解释如何解释邻硝基苯酚邻硝基苯酚在水中的溶解度比在水

23、中的溶解度比对硝基对硝基苯酚苯酚小？小？第五节第五节 分子间作用力分子间作用力3.3.对对分子的结构、构象、性质与功能分子的结构、构象、性质与功能的影响：的影响：v 氢键是稳定生物高分子的高级结构的一个氢键是稳定生物高分子的高级结构的一个重要因素。重要因素。 蛋白质分子中的氢键蛋白质分子中的氢键 DNA分子中的氢键分子中的氢键v 一旦氢键被破坏，分子的空间结构会发生一旦氢键被破坏，分子的空间结构会发生变化，生理活性也就随之丧失。变化，生理活性也就随之丧失。 第五节第五节 分子间作用力分子间作用力蛋白质氢键示意图蛋白质氢键示意图 DNA双螺旋结构和碱基配对形成氢键示意图第五节第五节 分子间作用力

24、分子间作用力练习：练习：解：下列各化合物中有无氢键？如果存在氢键，下列各化合物中有无氢键？如果存在氢键，是分子间氢键还是分子内氢键？是分子间氢键还是分子内氢键？NH3、C6H6、CH3F、HNO3、邻羟基苯甲酸邻羟基苯甲酸 分子间氢键：分子间氢键： NH3 ；分子内氢键：分子内氢键： HNO3、邻羟基苯甲酸邻羟基苯甲酸 ； C6H6、CH3F不会形成氢键。不会形成氢键。第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键判断：有与判断：有与F、O、N连接的连接的H练习：练习：解：下列液体化合物（下列液体化合物（a）乙二醇乙二醇HOCH2CH2OH； （b）丙醇丙醇CH3CH2CH2OH，何者沸点高？说明理由。何者沸点高？说明理由。 因因HOCH2CH2OH和和CH3CH2CH2OH中都有中都有O-H键可形成氢键，但每个键可形成氢键，但每个HOCH2CH2OH分子分子可形成两倍于可形成两倍于CH3CH2CH2OH的氢键，所以前者的氢键，所以前者沸点高。沸点高。 第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键第五节第五节 分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键例如，水中氢键：例如，水中氢键：HHHOOOHHH