最新-Chap9分子结构-PPT课件.ppt
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1、浙江科技学院生物与化学工程学浙江科技学院生物与化学工程学院院浙江省精品课程 无机及分析化学第九章 分子结构和晶体结构教学要求1.理解化学键的本质、离子键与共价键的特征及它们的区别;理解键参数的意义;2.掌握O2、N2、F2 的分子轨道,理解成键轨道、反键轨道、键、键的概念以及杂化轨道、不等性杂化的概念。3.从价键理论理解共价键的形成、特性(方向性、饱和性)和类型(键、键)。熟悉分子或离子的构型与杂化轨道常见类型的关系。4.理解分子间作用力的特征与性质;理解氢键的形成及对物质物理性质的影响。5.了解晶体、非晶体的概念,理解不同类型晶体的特性,理解晶格能、离子极化对物质物理性质的影响。主要内容n9
2、.1 共价健理论n9.2 分子间作用力n9.3 离子健理论n9.4 非离子型晶体共价键理论共价键理论:量子力学量子力学共价键理论形成共价键理论形成 价键理论价键理论(VB法)法)分子轨道理论分子轨道理论杂化轨道理论杂化轨道理论9.1 9.1 共价键理论共价键理论化学键化学键:离子键、共价键和金属键离子键、共价键和金属键9.1.1 现代价键理论现代价键理论n(1)共价键的形成共价键的形成n成键原子间可通过共享一对或几对电子,形成稳定的成键原子间可通过共享一对或几对电子,形成稳定的分子,分子,n H+HH:H、H-Hn可见,共价键是指由于成键电子的原子轨道重叠而形可见,共价键是指由于成键电子的原子
3、轨道重叠而形成的化学键。成的化学键。n(2)VB基本要点基本要点n 两原子接近时,自旋方向相反的未成对的价电子可两原子接近时,自旋方向相反的未成对的价电子可能配对,形能配对,形 成共价键。成共价键。n 成键原子的原子轨道重叠得越多,形成的共价键越成键原子的原子轨道重叠得越多,形成的共价键越稳定。稳定。(3)共价键的特征)共价键的特征 共价键的饱和性共价键的饱和性 共价键的方向性共价键的方向性 原子轨道最大重叠原理,原子轨道在空间有一定的取向。原子轨道最大重叠原理,原子轨道在空间有一定的取向。(4)共价键的类型)共价键的类型根据原子轨道叠加方式的不同,可把共价键分为根据原子轨道叠加方式的不同,可
4、把共价键分为键和键和键。键。如果形成共价键的两个原子轨道沿键轴方向,以如果形成共价键的两个原子轨道沿键轴方向,以“头碰头头碰头”方式发生重叠,则其重叠部分对键轴无论旋转任何角度,形状方式发生重叠,则其重叠部分对键轴无论旋转任何角度,形状不变,即对键轴具有园柱形对称性,其重叠部分集中在键轴周不变,即对键轴具有园柱形对称性,其重叠部分集中在键轴周围,而重叠最多的部位正好落在链轴上,若轨道中排布电子,围,而重叠最多的部位正好落在链轴上,若轨道中排布电子,则核间键轴上电子云密度最大,这样键称为则核间键轴上电子云密度最大,这样键称为键键。9.1.1 9.1.1 价键理论价键理论 如果成键的原子轨道是沿键
5、轴方向的如果成键的原子轨道是沿键轴方向的“肩并肩肩并肩”方式重叠方式重叠的则其重叠部分对通过键轴的某一特定平面呈镜面反对称。即的则其重叠部分对通过键轴的某一特定平面呈镜面反对称。即重叠部分的形状在镜面两侧对称分布。如果有电子排布,其电重叠部分的形状在镜面两侧对称分布。如果有电子排布,其电子云在通过键轴的一个平面上下对称分布,在这个平面上的子云在通过键轴的一个平面上下对称分布,在这个平面上的电子云密度为零,这样的键称电子云密度为零,这样的键称键键。定域键:电子云主要局限在两个原子之间所形成的化学键。定域键:电子云主要局限在两个原子之间所形成的化学键。eg:普通普通-band 6-band。离域键
6、:由个电子形成的电子云运动在多个原子间所形成的化离域键:由个电子形成的电子云运动在多个原子间所形成的化学键。学键。eg:共轭:共轭键,大键,大键,键,C=C-C=C*配位共价键:配位共价键:一个原子其价电子层有孤对电子。一个原子其价电子层有孤对电子。另一个原子其价电子层有空轨道。另一个原子其价电子层有空轨道。如如CO分子分子 O=C 9.1.1 9.1.1 价键理论价键理论(1)概念及理论要点)概念及理论要点 当原子彼此结合成分子时,同一原子中能量相近的原子轨当原子彼此结合成分子时,同一原子中能量相近的原子轨道,组合成成键能力更强的新的原子轨道的过程,这个过程称道,组合成成键能力更强的新的原子
7、轨道的过程,这个过程称为原子轨道的为原子轨道的杂化杂化,新的原子轨道叫,新的原子轨道叫杂化轨道杂化轨道。*杂化轨道理论认为,在形成分子时,通常存在激发、杂化、杂化轨道理论认为,在形成分子时,通常存在激发、杂化、轨道重叠等过程。轨道重叠等过程。eg:CH4 C在形成分子轨道过程中要发生杂化,在形成分子轨道过程中要发生杂化,1个个S轨道与轨道与3个个P轨道杂化组合成轨道杂化组合成4个能量相同的个能量相同的SP3等性杂化轨道(每个杂等性杂化轨道(每个杂化轨道含有化轨道含有1/4的的S成份和成份和3/4的的P成分)。每个轨道一个电子,成分)。每个轨道一个电子,4个轨道指向正上面体的个轨道指向正上面体的
8、4个顶点,与个顶点,与4个相同原子成键时便成个相同原子成键时便成正四面体结构。正四面体结构。CH4。9.1.2 9.1.2 杂化轨道理论杂化轨道理论(2)s和和p原子轨道杂化的类型原子轨道杂化的类型(2.1)sp3杂化杂化如如:CH4、CCl4、SiH4等等sp3杂化,正四面体构形。杂化,正四面体构形。(2.2)sp2杂化杂化如如BF3 具有平面三角形的结构。具有平面三角形的结构。(2.3)sp杂化杂化9.1.2 9.1.2 杂化轨道理论杂化轨道理论(3)等性杂化和不等性杂化)等性杂化和不等性杂化等性杂化(等性轨道):等性杂化(等性轨道):如果杂化时形成几个能量相等,空间分布对称的杂化轨道如果
9、杂化时形成几个能量相等,空间分布对称的杂化轨道的过程称为等性杂化。的过程称为等性杂化。不等性杂化(不等性轨道):不等性杂化(不等性轨道):如果杂化时形成几个能量并不相等,空间分布不对称的杂化如果杂化时形成几个能量并不相等,空间分布不对称的杂化轨道的过程称为不等性杂化。(当有不参与成键的孤对电子存轨道的过程称为不等性杂化。(当有不参与成键的孤对电子存在。)在。)如:如:NH3分子成键过程中,中心原子是采取分子成键过程中,中心原子是采取sp3杂化成键的。杂化成键的。故NH3分子呈三角锥形,见分子呈三角锥形,见P6-20(a)、()、(b)9.1.2 9.1.2 杂化轨道理论杂化轨道理论n分子分子
10、中心原子中心原子 杂化形式杂化形式 空间构型空间构型nCH4 C SP3 正四面体正四面体SiH4SiCl4nNH3 N 不不SP3 三角锥三角锥nH2O O 不不SP3 V形形nC2H4 C SP2 平面三角形平面三角形BF3nC2H2 C SP 直线直线BeCl2nCH3Cl C SP3 一般四面体一般四面体(1)分子轨道理论的要点分子轨道理论的要点分子中的电子是在整个分子范围内运动的,每一个电子的运动分子中的电子是在整个分子范围内运动的,每一个电子的运动 状态,也可用相应的一个波函数来表示。状态,也可用相应的一个波函数来表示。分子轨道(分子轨道(MO)是由原子轨道()是由原子轨道(AO)
11、线性组合而成。)线性组合而成。分子中的电子将遵循能量最低原理、保里不相容原理、洪特规分子中的电子将遵循能量最低原理、保里不相容原理、洪特规则,依次填入分子轨道之中。则,依次填入分子轨道之中。原子轨道要有效地组成分子轨道必须符合能量近似原则、轨道原子轨道要有效地组成分子轨道必须符合能量近似原则、轨道最大重叠原则及对称性相同原则。最大重叠原则及对称性相同原则。9.1.4 9.1.4 分子轨道理论分子轨道理论 (Molecular orbital theory)(2)分子轨道的形成)分子轨道的形成 原子轨道发生叠加,组成分子轨道。原子轨道发生叠加,组成分子轨道。同号叠加组成成键轨道同号叠加组成成键轨
12、道,电子进入,电子进入E体体。异号叠加组成反键轨道异号叠加组成反键轨道,电子进入,电子进入E体体。轨道中电子也为整个分子所有,遵守能量最低原则,且一轨道中电子也为整个分子所有,遵守能量最低原则,且一个轨道中最多只能排布个轨道中最多只能排布2个电子。个电子。*以氢原子组成氢分子为例子,当它们单独以原子形式存在以氢原子组成氢分子为例子,当它们单独以原子形式存在时,时,2个轨道不叠加,它们的正负也无意义。如果个轨道不叠加,它们的正负也无意义。如果2个个1S轨轨道都是正值或负值时叠加成道都是正值或负值时叠加成1s成键轨道。但当它们已接近成键轨道。但当它们已接近并组成分子时并组成分子时2个氢原子的原子轨
13、道一个是正值,另一个是个氢原子的原子轨道一个是正值,另一个是负值时叠加成负值时叠加成*1s反键轨道。反键轨道。9.1.4 9.1.4 分子轨道理论分子轨道理论2个氢原子组成氢分子时,个氢原子组成氢分子时,2个电子归整个氢分子所有,其排个电子归整个氢分子所有,其排布据布据“能量能量”能低的原则,排在能量低的成键轨道上,所以能能低的原则,排在能量低的成键轨道上,所以能形成稳定的形成稳定的H2分子分子9.1.4 9.1.4 分子轨道理论分子轨道理论氦氦所以是单原子分子,所以是单原子分子,自然界没有自然界没有He2分子存分子存在,其原因在此,因为在,其原因在此,因为两个两个He原子的原子的4个电子个电
14、子在成键和反键轨道上同在成键和反键轨道上同时排布不能使分子系统时排布不能使分子系统的能量比原子系统低。的能量比原子系统低。(2.1)s-s原子轨道组合原子轨道组合 由由s-s原子轨道组合而成的这两种分子轨道其电子云原子轨道组合而成的这两种分子轨道其电子云沿键轴呈园拄形对称分布。这类分子轨道称为沿键轴呈园拄形对称分布。这类分子轨道称为分分子轨道。子轨道。P335 图图9-13(2.1)p-p原子轨道组合原子轨道组合 P轨道有三种取向轨道有三种取向px,py,pz。n px与与n px接近,原子轨道会以接近,原子轨道会以“头碰头头碰头”方式发方式发生生重叠,形成重叠,形成 np成键轨道和成键轨道和
15、*np反键轨道。反键轨道。Eg:X2 P335图图9-13 9.1.4 9.1.4 分子轨道理论分子轨道理论npy和和npy以及以及npz和和npz接近,只能以接近,只能以“肩并肩肩并肩”方式重叠组方式重叠组合成合成npy成键分子轨道和成键分子轨道和*npy反键分子轨道以及反键分子轨道以及npz成键分子成键分子 轨道和轨道和*npz反键分子反键分子 轨道。轨道。9.1.4 9.1.4 分子轨道理论分子轨道理论*能量相近的能量相近的ns和和npx也能组合成有效的分子轨道也能组合成有效的分子轨道,eg:HCl分子分子.(3 3)分子轨道能级图)分子轨道能级图 由于参与组合的原子轨道本身能量不同,因
16、而组成相应的由于参与组合的原子轨道本身能量不同,因而组成相应的分子轨道的能量也不同。分子轨道的能量也不同。(3.1)当当2s和和2p原子轨道的能量差较大时原子轨道的能量差较大时,如如O2、F2只能是相应只能是相应原子轨道的组合。原子轨道的组合。图图9-15(a)(3.2当当2s和和2p原子轨道的能量差较小时原子轨道的能量差较小时,如如N2,邻近轨道可相,邻近轨道可相互作用,结果一个轨道能量升高,另一轨道能量降低。互作用,结果一个轨道能量升高,另一轨道能量降低。2px的的能量反而能量反而2p的能量。的能量。图图9-15(b)分子轨道理论中用键级来描述分子的结构稳定性分子轨道理论中用键级来描述分子
17、的结构稳定性.键级键级=(成键轨道的电子数反键轨道的电子数成键轨道的电子数反键轨道的电子数)/29.1.4 9.1.4 分子轨道理论分子轨道理论9.2.1 9.2.1 分子的极性和变形性分子的极性和变形性(1)分子的极性分子的极性成键原子的电负性不同成键原子的电负性不同,成键时成键时,电子对偏向电负性大的原子电子对偏向电负性大的原子,产生偶极产生偶极,即为极性共价键。反之,为非极性共价键。即为极性共价键。反之,为非极性共价键。非极性分子:正负电荷重心相重合时,整个分子不显极性。非极性分子:正负电荷重心相重合时,整个分子不显极性。极性分子:正负电荷重心不重合时,分子显极性。极性分子:正负电荷重心
18、不重合时,分子显极性。偶极矩偶极矩:极性分子中电荷中心上的的电荷量:极性分子中电荷中心上的的电荷量q与正负电荷与正负电荷 中心距离中心距离l的乘积。的乘积。=ql*偶极矩为零即非极性分子,偶极矩不为零即极性分子。偶极偶极矩为零即非极性分子,偶极矩不为零即极性分子。偶极矩越大,分子的极性越强。矩越大,分子的极性越强。9.2 9.2 分子间作用力分子间作用力分子的极化分子的极化 在外电场作用下,分子中的电子和原子核产生相对位移,使在外电场作用下,分子中的电子和原子核产生相对位移,使分子发生变形,正负电荷重心的位置发生变化,分子的极性也分子发生变形,正负电荷重心的位置发生变化,分子的极性也改变。改变
19、。诱导偶极诱导偶极 非极性分子在电场作用下,使原来重合的正、负电荷中心分非极性分子在电场作用下,使原来重合的正、负电荷中心分离,分子出现偶极。此过程称分子的变形极化。分子的变形性:离,分子出现偶极。此过程称分子的变形极化。分子的变形性:分子中因电子云与核产生相对位移而使分子外形发生变化的性分子中因电子云与核产生相对位移而使分子外形发生变化的性质。质。固有偶极或永久偶极:固有偶极或永久偶极:极性分子本身存在偶极。极性分子本身存在偶极。分子极化率分子极化率(2 2)分子的变形性)分子的变形性 取向力:极性分之间。取向力:极性分之间。分子间力分子间力 诱导力:极性分子与非极性分子。诱导力:极性分子与
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