物质结构与性质全套课件(第二章分子结构与性质).ppt
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1、2020世纪初,在原子结构理论的基础上,世纪初,在原子结构理论的基础上,建立了化学键的电子理论。共价键是建立了化学键的电子理论。共价键是现代化学键的理论核心现代化学键的理论核心定义定义:成键元素成键元素:类型类型:本质本质:表示方法表示方法:原子之间通过原子之间通过共用电子对共用电子对所形成的相互作所形成的相互作用,叫做用,叫做共价键。共价键。原子间的静电作用原子间的静电作用共价键共价键极性共价键极性共价键非极性共价键非极性共价键非金属与非金属非金属与非金属用电子式表示用电子式表示知识回顾知识回顾存在存在:不仅存在于非金属单质和共价化合不仅存在于非金属单质和共价化合物中,也存在于有些离子化合物
2、中物中,也存在于有些离子化合物中第一节第一节 共价键共价键共价键的形成共价键的形成共价键的形成共价键的形成(以氢分子的形成为例)(以氢分子的形成为例)(以氢分子的形成为例)(以氢分子的形成为例)(以氢分子的形成为例)(以氢分子的形成为例)按共价键的共用电子对理论,有没有可能存在按共价键的共用电子对理论,有没有可能存在 HH3 3 、ClCl3 3 、H H2 2ClCl分子?为什么?分子?为什么?用电子式表示用电子式表示H2、HCl、Cl2分子的形成过程分子的形成过程共价键共价键具有具有饱和性饱和性问题与讨论问题与讨论H H2 2 N N2 2 HCl HHCl H2 2O HF O HF 等
3、均以共价键形成分子等均以共价键形成分子HHN三三NHClHOHHF共价键的特征共价键的特征共价键的特征共价键的特征()共价键具有饱和性()共价键具有饱和性()共价键具有饱和性()共价键具有饱和性自旋方向相反的未成对电子配对形成共价键后,自旋方向相反的未成对电子配对形成共价键后,自旋方向相反的未成对电子配对形成共价键后,自旋方向相反的未成对电子配对形成共价键后,就不能再和其他原子中的未成对电子配对所以就不能再和其他原子中的未成对电子配对所以就不能再和其他原子中的未成对电子配对所以就不能再和其他原子中的未成对电子配对所以每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中每个原子所能形成共价键的数目取决于该
4、原子中每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中的未成对电子的数目这就是共价键的饱和性的未成对电子的数目这就是共价键的饱和性的未成对电子的数目这就是共价键的饱和性的未成对电子的数目这就是共价键的饱和性()共价键具有方向性()共价键具有方向性()共价键具有方向性()共价键具有方向性当原子通过原子轨道重叠形成共价键时,两原子当原子通过原子轨道重叠形成共价键时,两原子当原子通过原子轨道重叠形成共价键时,两原子当原子通过原子轨道重叠形成共价键时,两原子轨道重叠的越多,两核间电子云越密集,形成的轨道重叠的越多,两核间电子云越密集,形成的轨道重叠的越多,两核间电子
5、云越密集,形成的轨道重叠的越多,两核间电子云越密集,形成的共价键就越牢固,这称为原子轨道的共价键就越牢固,这称为原子轨道的共价键就越牢固,这称为原子轨道的共价键就越牢固,这称为原子轨道的最大重叠原最大重叠原最大重叠原最大重叠原理理理理因此,共价键具有方向性因此,共价键具有方向性因此,共价键具有方向性因此,共价键具有方向性价键理论的要点1.电子配对原理电子配对原理2.最大重叠原理两原子各自提供两原子各自提供1个自旋方向相反个自旋方向相反的电子彼此配对的电子彼此配对。现代物质结构理论认为现代物质结构理论认为:共价键的形成是共价键的形成是由于成键原子电子云的重叠由于成键原子电子云的重叠.两个原子轨道
6、重叠部分越大,两核间电子两个原子轨道重叠部分越大,两核间电子的概率密度越大,形成的共价键越牢固,的概率密度越大,形成的共价键越牢固,分子越稳定。分子越稳定。方向性方向性1 1、H H2 2分子的形成过程分子的形成过程用电子云来描述共价键的形成过程用电子云来描述共价键的形成过程HH键键的的特征:以形成化学键的两原子核的特征:以形成化学键的两原子核的连线做为轴旋转操作,共价键电子云的连线做为轴旋转操作,共价键电子云的图形不变图形不变,称为称为轴对称轴对称。(s-s键)键)HClHCl3.Cl3.ClClCl的的p-p p-p 键的形成键的形成2.H2.HClCl的的s-p s-p 键的形成键的形成
7、ClClClClS-S重叠重叠S-PS-P重叠重叠小结小结:键成键方式键成键方式“头碰头头碰头”P P-P-P重叠重叠用电子云来描述共价键的形成过程用电子云来描述共价键的形成过程4 4、p-pp-p键形成过程键形成过程 键键特点特点:两个原子轨道以平行或两个原子轨道以平行或“肩并肩肩并肩”方式重叠;原子重叠的部分分别位于两方式重叠;原子重叠的部分分别位于两原子核构成平面的两侧,如果以它们之间包原子核构成平面的两侧,如果以它们之间包含原子核的平面为镜面,它们互为镜像,称含原子核的平面为镜面,它们互为镜像,称为为镜像对称镜像对称由于由于 键重叠程度要比键重叠程度要比 键小键小,所以所以 键的强度要
8、比键的强度要比 键大。键大。“肩并肩肩并肩”形成 键的电子称为 电子。键键键键成键方向成键方向电子云形状电子云形状牢固程度牢固程度成键判断规律成键判断规律项目项目键型键型键与键与键的对比键的对比沿轴方向沿轴方向“头碰头头碰头”平行或平行或“肩并肩肩并肩”轴对称轴对称镜像对称镜像对称键强度大键强度大,不容易断裂不容易断裂键强度较小键强度较小,容易断裂容易断裂共价单键是共价单键是键键,共价双键中一个是共价双键中一个是键键,另一个是另一个是键键,共价三键中一个是共价三键中一个是键键,另两个为另两个为键键以上原子轨道相互重叠形成的以上原子轨道相互重叠形成的键和键和键键 ,总称价键轨道,总称价键轨道1、
9、N2中中p-p键和键和p-p键的形成过程键的形成过程科学探究科学探究yNNzzyN2NNNN分子结构分子结构共价键的类型共价键的类型共价键的类型共价键的类型 键:键:键:键:“头碰头头碰头头碰头头碰头”形成形成 键的电子键的电子称为称为 电子。电子。s-ss-s 键键键键(如如如如HH2 2)s-ps-p 键键键键(如如如如HCl)HCl)p-pp-p 键键键键(如如如如ClCl2 2)电子云形状呈轴对称电子云形状呈轴对称键:键:键:键:“肩并肩肩并肩肩并肩肩并肩”电子云形状呈镜像对称电子云形状呈镜像对称2 2、键的类型与成键原子电负性的关系:、键的类型与成键原子电负性的关系:科学探究科学探究
10、原子原子Na ClNa ClH Cl H Cl C OC O电负性电负性电负性之差电负性之差(绝对值)(绝对值)结论:当原子的电负性相差很大,化学反应形成的结论:当原子的电负性相差很大,化学反应形成的电子对不会被共用,形成的将是电子对不会被共用,形成的将是 键;而键;而 键键是电负性相差不大的原子之间形成的化学键。是电负性相差不大的原子之间形成的化学键。0.93.02.12.1 3.00.92.5 3.51.0离子离子共价科学探究科学探究3 3、乙烷、乙烯、乙炔分子中的共价键分、乙烷、乙烯、乙炔分子中的共价键分别是由几个别是由几个 键和几个键和几个 键组成。键组成。乙乙烷烷:7 7个个键键 乙
11、乙烯烯 :5 5个个键键一一个个键键 乙炔:乙炔:3 3个个键两个键两个键键课堂反馈课堂反馈1 1、键与键与 键的形成方式有何不同,有何形象的比喻?键的形成方式有何不同,有何形象的比喻?2 2、键与键与 键在对称上有何不同键在对称上有何不同?3 3、键与键与 键谁更牢固键谁更牢固?4 4、形成共价键的电子云是指成对电子还是未成对电子?、形成共价键的电子云是指成对电子还是未成对电子?5 5、哪些共价键是、哪些共价键是 键,哪些共价键是键,哪些共价键是 键键?二、键参数二、键参数:键长、键能、键角键长、键能、键角键长与键能的关系?键长与键能的关系?键长越短,键长越短,往往往往键能越大,共价键越稳定
12、。键能越大,共价键越稳定。键能:键能:键长:键长:气态基态原子形成气态基态原子形成1mol化学键化学键释放的最低能量释放的最低能量形成共价键的两个原子之间的核形成共价键的两个原子之间的核间距间距键角:键角:在原子数超过在原子数超过2的分子中,两个共价的分子中,两个共价键之间的夹角键之间的夹角思考与交流思考与交流试利用键能数据进行计算,试利用键能数据进行计算,1molH2分别跟分别跟1molCl2、1molBr2(g)反应,分别生成反应,分别生成2molHCl分子分子和和2molHBr分子,哪一个反应释放的能量更多分子,哪一个反应释放的能量更多?如何用计算结果说明?如何用计算结果说明HCl分子和
13、分子和HBr分子哪个更分子哪个更容易发生热分解反应生成相应的单质?容易发生热分解反应生成相应的单质?N2、O2、F2跟跟H2的反应能力依次增强,从键能的的反应能力依次增强,从键能的角度应如何理解这一化学事实?角度应如何理解这一化学事实?通过上例子,你认为键长、键能对分子的化学性通过上例子,你认为键长、键能对分子的化学性质有什么影响?质有什么影响?1 1、形形成成2 2 mo1HClmo1HCl释释放放能能量量:2 2431.8 431.8 kJ kJ(436.0kJ+242.7kJ)=184.9 kJ(436.0kJ+242.7kJ)=184.9 kJ形形 成成 2 2 mo1HBrmo1HB
14、r释释 放放 能能 量量:2 2366kJ 366kJ(436.0kJ+193.7kJ)=102.97kJ(436.0kJ+193.7kJ)=102.97kJHClHCl释释放放能能量量比比HBrHBr释释放放能能量量多多,因因而而生生成成的的HClHCl更稳定更稳定,即即HBrHBr更容易发生热分解生成相应的单质更容易发生热分解生成相应的单质.2 2、键能大小是:、键能大小是:F-HO-HN-HF-HO-HN-H3 3、键键长长越越长长,键键能能越越小小,键键越越易易断断裂裂,化化学学性性质越活泼。如质越活泼。如 键长键长I-HBr-HCl-HF-H汇报汇报H2O 105NH3 107CH2
15、CH2分子结构分子结构CHCH分子结构分子结构CO2 180CH4 10928CH3CH3分子结构分子结构73分子中最多几个原子共面,几个共线?最少呢?分子中最多几个原子共面,几个共线?最少呢?三、等电子体原理三、等电子体原理等电子体:原子总数、价电子总数相同的分子等电子体:原子总数、价电子总数相同的分子等电子体原理:原子总数、价电子总数相同等电子体原理:原子总数、价电子总数相同的分子具有相似的化学键特征,它们的许多的分子具有相似的化学键特征,它们的许多性质相近。性质相近。分子熔点/水中溶解度(室温)分子解离能(kJ/mol)分子的价电子总数CO-205.052.3 mL10N2沸点/-210
16、.00-190.49-195.811.6 mL107594610例举一些常见的等电子体:SO2O3NO2-SO3NO3-SiO32-C6H6B3N3H6NO2-NO2N2COC22-CO2N2OCS2NH3H3O+CH4NH4+CNAlO2-例题例题:20022002年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖表表彰彰的的是是在在“看看清清”生生物物大大分分子子真真面面目目方方面面的的科科技技成成果果,一一项项是是美美国国科科学学家家约约翰翰芬芬恩恩与与日日本本科科学学家家田田中中耕耕一一“发发明明了了对对生生物物大大分分子子的的质质谱谱分分析析法法”;另另一一项项是是瑞瑞士士科科学学家家库库尔尔特特维维特特
17、里里希希“发发明明了了利利用用核核磁磁共共振振技技术术测测定定溶溶液液中中生生物物大大分分子子三三维维结结构构的的方方法法”。质质子子核核磁磁共共振振(PMRPMR)是是研研究究有有机机物物结结构构的的有有力力手手段段之之一一,在在所所有有研研究究的的化化合合物物分分子子中中,每每一一结结构构中中的的等等性性氢氢原原子子在在PMRPMR中中都都给给出出了了相相应应的的峰峰(信信号号),谱谱中中峰峰的的强强度度与与结结构构中中的的等等性性H H原原子子个个成成正正比比。例例如如乙乙醛醛的的结结构构简简式式为为CHCH3 3CHOCHO,在在PMRPMR中中有有两两个个信信号号,其强度之比为其强度
18、之比为3:13:1。(1)结构式为)结构式为的有机物,在的有机物,在PMR谱上谱上观察峰给出的强度之比为观察峰给出的强度之比为;(2)某某含含氧氧有有机机物物,它它的的相相对对分分子子质质量量为为46.0,碳碳的的质质量量分分数数为为52.2%,氢氢的的质质量量分分数数为为13.0%,PMR中中只有一个信号,请写出其结构简式只有一个信号,请写出其结构简式。(3)实实践践中中可可根根据据PMR谱谱上上观观察察到到氢氢原原子子给给出出的的峰峰值值情情况况,确确定定有有机机物物的的结结构构。如如分分子子式式为为C3H6O2的的链链状状有有机机物物,有有PMR谱谱上上峰峰给给出出的的稳稳定定强强度度仅
19、仅有有四四种种,其其对对应应的的全全部部结结构构,它它们们分分别别为为:3 33 2 13 1 1 12 2 1 1,请分别推断出结构简式,请分别推断出结构简式。第二节第二节 分子立体结构分子立体结构复复 习习 回回 顾顾共价键共价键键键键键键参数键参数键能键能键长键长键角键角衡量化学键稳定性衡量化学键稳定性衡量化学键稳定性衡量化学键稳定性描述分子的立体结构的重要因素描述分子的立体结构的重要因素描述分子的立体结构的重要因素描述分子的立体结构的重要因素成键方式成键方式成键方式成键方式 “头碰头头碰头头碰头头碰头”,呈轴对称呈轴对称呈轴对称呈轴对称成键方式成键方式成键方式成键方式 “肩并肩肩并肩肩
20、并肩肩并肩”,呈镜像对称呈镜像对称呈镜像对称呈镜像对称一、形形色色的分子一、形形色色的分子OO2 2HClHClH H2 2OOCOCO2 21 1 1 1、双原子分子(直线型)、双原子分子(直线型)、双原子分子(直线型)、双原子分子(直线型)2 2 2 2、三三三三原原原原子子子子分分分分子子子子立立立立体体体体结结结结构(有直线形和构(有直线形和构(有直线形和构(有直线形和V V V V形)形)形)形)、四四原原子子分分子子立立体体结结构构(直直线线形形、平平面面三三角形、三角锥形、正四面体)角形、三角锥形、正四面体)C C2 2H H2 2CHCH2 2OOCOClCOCl2 2NHNH
21、3 3P P4 4、五原子分子立体结构、五原子分子立体结构最常见的是正四面体最常见的是正四面体CHCH4 4CHCH3 3CHCH2 2OHOHCHCH3 3COOHCOOHC C6 6H H6 6C C8 8H H8 8CHCH3 3OHOH5 5、其它:、其它:C60C20C40C70资料卡片:资料卡片:形形色色的分子形形色色的分子分子世界如此形形色色,异彩分子世界如此形形色色,异彩纷呈,美呈,美不不胜收,常使人流收,常使人流连忘返。忘返。那么分子那么分子结构又是怎么构又是怎么测定的呢定的呢早早年年的的科科学学家家主主要要靠靠对对物物质质的的宏宏观观性性质质进进行行系系统统总总结结得得出出
22、规规律律后后进进行行推推测测,如如今今,科科学学家家已已经经创创造造了了许许许许多多多多测测定分子结构的现代仪器,定分子结构的现代仪器,红外光谱红外光谱就是其中的一种。就是其中的一种。分分子子中中的的原原子子不不是是固固定定不不动动的的,而而是是不不断断地地振振动动着着的的。所所谓谓分分子子立立体体结结构构其其实实只只是是分分子子中中的的原原子子处处于于平平衡衡位位置置时时的的模模型型。当当一一束束红红外外线线透透过过分分子子时时,分分子子会会吸吸收收跟跟它它的的某某些些化化学学键键的的振振动动频频率率相相同同的的红红外外线线,再再记记录录到到图图谱谱上上呈呈现现吸吸收收峰峰。通通过过计计算算
23、机机模模拟拟,可可以以得得知知各各吸吸收收峰峰是是由由哪哪一一个个化化学学键键、哪哪种种振振动动方方式式引引起起的的,综综合合这这些些信信息息,可可分分析析出出分子的立体结构。分子的立体结构。科学视野科学视野分子的立体结构是怎样测定的分子的立体结构是怎样测定的?(指导阅读(指导阅读P39P39)测分子体结构:红外光谱仪测分子体结构:红外光谱仪吸收峰吸收峰分析。分析。同为三原子分子,同为三原子分子,CO2和和H2O分子的空间结分子的空间结构却不同,什么原因?构却不同,什么原因?直线形直线形V形形三角锥形三角锥形平面三角形平面三角形同为四原子分子,同为四原子分子,CH2O与与NH3分子的的空分子的
24、的空间结构也不同,什么原因?间结构也不同,什么原因?二、价层电子对互斥模型二、价层电子对互斥模型 1 1、一一类类是是中中心心原原子子上上的的价价电电子子都都用用于于形形成成共共价价键键,如如COCO2 2、CHCH2 2OO、CHCH4 4等等分分子子中中的的碳碳原原子子,它它们们的的立立体体结结构构可可用用中中心心原原子子周周围围的的原原子子数数n n来预测,概括如下:来预测,概括如下:ABABn n 立体结构立体结构 范例范例 n=2 n=2 直线形直线形 CO CO2 2、CS CS2 2 n=3 n=3 平面三角形平面三角形 CH CH2 2OO、BFBF3 3 n=4 n=4 四面
25、体形四面体形 CH CH4 4、CClCCl4 4 n=5 n=5 三角双锥形三角双锥形 PCl PCl5 5 n=6 n=6 八面体形八面体形 SCl SCl6 6分子分子CO2CH2OCH4电子式子式结构式构式中心原子中心原子有无有无孤孤对电子子空空间结构构OCO:HCH:HHO=C=OH-C-H=OH-C-H-HH无无无无无无直线形直线形平面平面三角形三角形正正四面体四面体:HCH:O:2 2、另另一一类类是是中中心心原原子子上上有有孤孤对对电电子子(未未用用于于形形成成共共价价键键的电子对的电子对)的分子。的分子。ABn立体结构立体结构范例范例n=2V形形H2On=3三角锥形三角锥形N
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