上大无机化学B第二章课件.ppt
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- 无机化学 第二 课件
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1、第二章第二章分子结构和分子间力、氢键分子结构和分子间力、氢键 问题:问题:1、原子和原子之间是依靠什么结合力、原子和原子之间是依靠什么结合力 结合起来的?结合起来的?2、分子和分子之间又有什么力存在?、分子和分子之间又有什么力存在?3、物质中粒子间的空间排列怎样?、物质中粒子间的空间排列怎样?化学键化学键分子间力分子间力空间构型空间构型2-1化学键理论的发展概况化学键理论的发展概况2-2价键理论价键理论 2-3杂化轨道理论杂化轨道理论 2-4分子间力和氢键分子间力和氢键第二章第二章分子结构和分子间力、氢键分子结构和分子间力、氢键 2-1化学键理论的发展概况化学键理论的发展概况1916年柯塞尔(
2、年柯塞尔(kossel)提出提出离子键理论离子键理论1916年路易斯(年路易斯(Lewis)提出提出共享电子对理论共享电子对理论(八偶(八偶体规则)体规则)1927年海特勒(年海特勒(Heitler)和伦敦(和伦敦(Lonton)建立了建立了现代价键理论现代价键理论(即(即VB理论,又称电子配对理论)理论,又称电子配对理论)1931年鲍林(年鲍林(Pauling)提出提出杂化轨道理论杂化轨道理论,发展了,发展了价键理论价键理论1931年莫立根(年莫立根(Mulliken)开始提出开始提出分子轨道理论分子轨道理论当电负性很小的金属原子和电负性很大的非金属原子互相靠近时,金属原子容易失去电子而形成
3、正离子,非金属原子容易得到电子而形成负离子。这样,正负离子就会由于静电引力而吸引到一起而形成离子键。Kossel的离子键理论的离子键理论n Na(3s1)n Cl(3s23p5)-ne +nen Na+(2s22p6)n Cl-3s23p6)nNaCl这种由原子间发生电子转这种由原子间发生电子转移,形成正、负离子,并移,形成正、负离子,并通过静电作用而形成的化通过静电作用而形成的化学键称为离子键学键称为离子键。由离子键结合而成的化合由离子键结合而成的化合物称为物称为离子型化合物离子型化合物离子键的形成离子键的形成(NaCl为例为例)NaNa+ClCl-Na-e=Na+Cl+e=ClCl+e=C
4、l-Lewis的共享电子对理论的共享电子对理论2-2 2-2 价键理论价键理论2-2-12-2-1共价键的本质共价键的本质结论:具有结论:具有自旋相反自旋相反的的单电子单电子的原子轨道相互靠拢能的原子轨道相互靠拢能 重叠形成稳定的共价键重叠形成稳定的共价键1927年,海特勒和伦敦用量子力学处理氢分子的结果。年,海特勒和伦敦用量子力学处理氢分子的结果。2-2-2 价键理论(价键理论(V.B.法)的基本要点法)的基本要点原子轨道重叠条件原子轨道重叠条件自旋相反的单电子相互自旋相反的单电子相互接近时,可以双双配对形成稳定的共价键接近时,可以双双配对形成稳定的共价键原子轨道最大重叠原理原子轨道最大重叠
5、原理成键电子的原子轨成键电子的原子轨道重叠越多,形成的共价键越稳固道重叠越多,形成的共价键越稳固例:例:A原子与原子与B原子各有原子各有1个电子,且自旋相反,则可配个电子,且自旋相反,则可配对形成稳定的共价单键对形成稳定的共价单键。AB 实例:实例:HCl如果两个原子各有两个或三个成单电子,则自旋相反的如果两个原子各有两个或三个成单电子,则自旋相反的成单电子可以俩俩配对,形成共价双键和叁键。成单电子可以俩俩配对,形成共价双键和叁键。A B 和和 AB 实例:实例:O2 和和 N2 对称性匹配原理对称性匹配原理 当当A、B两原子的两个原子两原子的两个原子轨道沿着轨道沿着X轴接近时,只有轴接近时,
6、只有当两原子轨道对称性相同的当两原子轨道对称性相同的部分重叠(即部分重叠(即“”与与“”、“”与与“”)时,两原子间电子出现的几时,两原子间电子出现的几率密度才会增大才能形成稳率密度才会增大才能形成稳定化学键。定化学键。以对称性不同部分(即以对称性不同部分(即“”与与“”)重叠时,不能形)重叠时,不能形成化学键。成化学键。2-2-3 共价键的特点共价键的特点 1.共价键具有共价键具有饱和性饱和性 例:例:H+HHH N+3HNH32.共价键具有共价键具有方向性方向性l指每个原子的成键总数是一定的指每个原子的成键总数是一定的(要点要点1)因为原子轨道在空间有一定的取向因为原子轨道在空间有一定的取
7、向(要点要点2)2-2-4 共价键的分类共价键的分类 1.s s 键键 2.p 2.p 键键 原子轨道沿两核连线(键轴)原子轨道沿两核连线(键轴)方向,以方向,以“肩并肩肩并肩”方式重叠方式重叠成键。轨道重叠部分对通过键成键。轨道重叠部分对通过键轴的一个平面呈镜面反对称,轴的一个平面呈镜面反对称,凡是以这种方式重叠形成的键凡是以这种方式重叠形成的键叫做叫做 p p 键键 原子轨道沿两核连线(键轴)原子轨道沿两核连线(键轴)方向,以方向,以“头碰头头碰头”的方式重的方式重叠成键,轨道重叠部分沿键轴叠成键,轨道重叠部分沿键轴呈圆柱形对称,凡是以这种方呈圆柱形对称,凡是以这种方式重叠形成的键叫做式重
8、叠形成的键叫做s s 键键按重叠方式按重叠方式键和键和键的特征比较键的特征比较键键键键原子轨道重叠方式原子轨道重叠方式沿键轴方向相对重沿键轴方向相对重叠叠沿键轴方向平行重沿键轴方向平行重叠叠原子轨道重叠部位原子轨道重叠部位两原子核之间,在键两原子核之间,在键轴处轴处 键轴上方和下方,键键轴上方和下方,键轴处为零轴处为零原子轨道重叠程度原子轨道重叠程度大大小小键的强度键的强度较大较大较小较小化学活泼性化学活泼性不活泼不活泼 活泼活泼2-2-5 配位键配位键形成条件:形成条件:一个原子的价层有孤电子对;另一一个原子的价层有孤电子对;另一个原子的价层有可接受孤电子对的空轨道个原子的价层有可接受孤电子
9、对的空轨道。例如:例如:CO C(2S2 2p2)O(2s2 2p4)2px1 2px1 s s 键键 2py1 2py1 p p 键键 2pz 2pz2 (另一种共价键另一种共价键)2-2-6 键参数键参数1.键长键长分子中两原子核间的平均距离,即分子中两原子核间的平均距离,即核间距核间距。一般,两原子形成的键越。一般,两原子形成的键越短,键越强,分子越稳定。短,键越强,分子越稳定。分子中分子中两相邻化学键之间的夹角两相邻化学键之间的夹角。是。是反映分子空间构型的重要因素,知道反映分子空间构型的重要因素,知道分子的键长和键角,则该分子的几何分子的键长和键角,则该分子的几何结构可定。结构可定。
10、2.键角键角3.键能(键能(E)定义:在定义:在298.15K和和100kPa下,将下,将1mol理想气态分子理想气态分子(ABn)拆开成为理想气态原子(拆开成为理想气态原子(A原子和原子和B原子)所需原子)所需要的能量。成为要的能量。成为AB分子的分子的离解能离解能,用,用DAB表示。单位表示。单位为为kJmol-1。对双原子分子:对双原子分子:如:如:H2 EHH=DHH=436 kJmol-1对多原子分子:对多原子分子:如:如:NH3 NH3(g)NH2(g)+H(g)D1=435 kJmol-1 NH2(g)NH(g)+H(g)D2=397 kJmol-1 NH(g)N(g)+H(g)
11、D3=339 kJmol-1NH3 中中NH 的的 ENH=(D1+D2+D3)/3一般,一般,键能越大,键越牢固,分子越稳定。键能越大,键越牢固,分子越稳定。4.键的极性键的极性非极性共价键非极性共价键 相同原子形成的共价键,正负电荷重心恰好重合相同原子形成的共价键,正负电荷重心恰好重合 如:如:H2、O2、Cl2、极性共价键极性共价键 不同原子形成的共价键,正负电荷重心不相重合不同原子形成的共价键,正负电荷重心不相重合 如:如:HCl、H2O、NH3、极性大小由成键两原子的电负性的大小决定,极性大小由成键两原子的电负性的大小决定,X大,大,则极性大。则极性大。例:例:HI HBr HCl
12、HF X 0.46 0.76 0.96 1.78 键极性依次增大键极性依次增大(共价键另一种分类共价键另一种分类)若成键原子的电负性相差很大,则可能电子若成键原子的电负性相差很大,则可能电子对完全转移到电负性大的原子上,于是就形对完全转移到电负性大的原子上,于是就形成了成了离子键离子键.如如:NaCl X=2.032-3杂化轨道理论杂化轨道理论价键理论较好的阐述了共价键的形成和本质,并成功地价键理论较好的阐述了共价键的形成和本质,并成功地解释了共价键的方向性和饱和性等特点,但有许多不足解释了共价键的方向性和饱和性等特点,但有许多不足之处,其中之一,之处,其中之一,不能很好的说明分子的空间结构。
13、不能很好的说明分子的空间结构。随着近代物理实验技术的发展,如:随着近代物理实验技术的发展,如:X射线衍射、电子射线衍射、电子衍射、旋光、红外等,许多分子的几何构型已经被实验衍射、旋光、红外等,许多分子的几何构型已经被实验所确定。所确定。如:如:H2OV型、型、CO2直线型、直线型、NH3三角锥形、三角锥形、CH4正四面体。对于这些多原子分子的价键结构和正四面体。对于这些多原子分子的价键结构和空间构型,价键理论是无法解释的。空间构型,价键理论是无法解释的。2-3杂化轨道理论杂化轨道理论 以以 CH4为例为例基态基态C原子的价层电子构型是原子的价层电子构型是2s22p2,C原子只能提供两个原子只能
14、提供两个未成对电子与未成对电子与H原子形成两个原子形成两个CH键,因而不能解释键,因而不能解释CH4中中C有四个等效的单键。对此,鲍林提出了量子状态变化的有四个等效的单键。对此,鲍林提出了量子状态变化的思想,即思想,即2s22p2 2s12p3 这个跃迁只需要这个跃迁只需要1.6eV的能量;的能量;他认为由于形成共价键产生的能量很大,以至改变了电子他认为由于形成共价键产生的能量很大,以至改变了电子的量子状态的量子状态。这样虽然解释了碳原子的四价行为,但它的。这样虽然解释了碳原子的四价行为,但它的四个单键是不等效的,仍然违背化学经验。这就引导鲍林四个单键是不等效的,仍然违背化学经验。这就引导鲍林
15、继续前进,继续前进,“使使L层中层中l=0和和l=1 的两个电子亚层的界限消的两个电子亚层的界限消失失,”这就是这就是sp3杂化轨道概念的雏形。杂化轨道概念的雏形。2-3-1杂化轨道概念及其理论要点杂化轨道概念及其理论要点杂化和杂化轨道杂化和杂化轨道所谓所谓杂化杂化是指在形成分子时,由于原子间的相互影响,若是指在形成分子时,由于原子间的相互影响,若干不同类型的、能量相近的原子轨道混合起来,重新组合干不同类型的、能量相近的原子轨道混合起来,重新组合成一组新的轨道,这种原子轨道重新组合的过程称为杂化。成一组新的轨道,这种原子轨道重新组合的过程称为杂化。杂化以后的新轨道成为杂化以后的新轨道成为杂化轨
16、道杂化轨道。注意注意:原子轨道的杂化,只有在形成分子的过程中才会发原子轨道的杂化,只有在形成分子的过程中才会发生。生。杂化概念杂化概念的实质就是同一个原子上的的实质就是同一个原子上的价轨道的线性组合价轨道的线性组合。因。因为原子轨道是波函数为原子轨道是波函数,既然既然是函数,就可以组合,所以是函数,就可以组合,所以原子轨道的原子轨道的“混合混合”或或“杂化杂化”,就是能量相近的,就是能量相近的的线性的线性组合。组合。杂化轨道理论的要点杂化轨道理论的要点1.同一原子中能量相近的原子轨道之间可以通过同一原子中能量相近的原子轨道之间可以通过叠加混杂,形成成键能力更强的新轨道,即杂化轨叠加混杂,形成成
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