武汉工程大学基础化学第七章分子结构1.ppt
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1、基基 础础 化化 学学 THE BASIC CHEMISTRYTHE BASIC CHEMISTRY 化工与制药学院基础化学学科部化工与制药学院基础化学学科部 程清蓉程清蓉90-10080-8970-7960-6960最高最低平均安工1116119923962安工205878891465环工115868904769环工2231414975374材物1057115884668材物20310105872766包材11415911914767有机2211876953173高材5611734984478采矿1 0 1 6 65 期末考试结果公布期末考试结果公布 7.1 离子键和离子晶体离子键和离子晶体
2、7.2 共价键和原子晶体共价键和原子晶体第七章第七章 分子结构分子结构7.3 分子间力、氢键和分子晶体分子间力、氢键和分子晶体本章要求本章要求1.1.掌握掌握离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体的内部结离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体的内部结构与性质的关系,从晶格点上离子间结合力的不同来理解晶构与性质的关系,从晶格点上离子间结合力的不同来理解晶体。体。掌握掌握四种典型的离子晶体的结构特征和晶格配位数,四种典型的离子晶体的结构特征和晶格配位数,理理解解离子极化对晶体键型、配位数、溶解度和颜色的影响。离子极化对晶体键型、配位数、溶解度和颜色的影响。2 2.了解共价键的饱和性和方向性及了解共
3、价键的饱和性和方向性及 键和键和 键的区别。键的区别。3 3.掌握掌握杂化轨道理论要点,并说明一些分子的构型。杂化轨道理论要点,并说明一些分子的构型。4 4.掌握掌握分子轨道理论的要点,应用同核双原子分子的分子分子轨道理论的要点,应用同核双原子分子的分子 轨道能级图说明分子的磁性、稳定性和键级。轨道能级图说明分子的磁性、稳定性和键级。5 5.掌握掌握分子的极化,分子间力(取向力、诱导力、色散力)分子的极化,分子间力(取向力、诱导力、色散力)及氢键的要领并能解释物质的性质。及氢键的要领并能解释物质的性质。7.1 7.1 离子键和离子晶体离子键和离子晶体 序序 言言 分子是由原子组成的,它是保持物
4、质基本化学性质的最小微分子是由原子组成的,它是保持物质基本化学性质的最小微粒,而且是参与化学反应的最小单元。分子的性质除取决于其化学粒,而且是参与化学反应的最小单元。分子的性质除取决于其化学组成外,还取决于其结构。分子结构包括两个方面:组成外,还取决于其结构。分子结构包括两个方面:(1)分子中相邻原子的相互作用力,即分子中相邻原子的相互作用力,即化学键化学键问题;问题;(2)分子中原子在空间的排布方式,即分子中原子在空间的排布方式,即空间构型空间构型问题。问题。此外,还有分子间力或范德华力、氢键等。因此,弄清化学键此外,还有分子间力或范德华力、氢键等。因此,弄清化学键的性质和分子的空间结构将对
5、理解化学反应及其变化规律、指导化的性质和分子的空间结构将对理解化学反应及其变化规律、指导化合物的合成等都有着重要的实际意义。合物的合成等都有着重要的实际意义。一、离子键理论一、离子键理论Na eNa +eCl-eCl+eNa+Cl-1、离子键的形成、离子键的形成:由上图可见,离子键的形成可分为两步进行,:由上图可见,离子键的形成可分为两步进行,第一步是在一定条件下形成正、负离子;第二第一步是在一定条件下形成正、负离子;第二 步是正负离子间形成离子键。步是正负离子间形成离子键。2、离子键的特征、离子键的特征:(:(1)本质是静电引力)本质是静电引力;(2)无方向性和无饱和性)无方向性和无饱和性
6、离子键的无方向性:离子可在空间的任何方向与带有相反电荷离子键的无方向性:离子可在空间的任何方向与带有相反电荷 的离子相互吸引。的离子相互吸引。离子键的无饱和性:每个离子可以尽可能多的吸引异号离子,离子键的无饱和性:每个离子可以尽可能多的吸引异号离子,只是这种作用随距离的增加,相互作用会只是这种作用随距离的增加,相互作用会 逐渐减弱。逐渐减弱。至于离子吸引异号离子的数目多少取决于晶体的结构、离子的相对大至于离子吸引异号离子的数目多少取决于晶体的结构、离子的相对大小、以及离子的电子层结构。小、以及离子的电子层结构。(1)电子层结构)电子层结构 不同原子可形成相同电子构型的离子,而同一种原子当处于不
7、不同原子可形成相同电子构型的离子,而同一种原子当处于不同价态时,会形成不同电子构型的离子。同价态时,会形成不同电子构型的离子。2e电子构型:电子构型:ns2;例如:例如:H-,Li+,Be2+8e电子构型:电子构型:ns2np6;例如:例如:9F-,Cl-,35Br-,I-,Na+(917)e电子构型:电子构型:ns2np6nd1-9;例如:例如:24Cr3+,Mn2+,Fe2+,26Fe3+,29Cu2+3、离子的三个主要特征、离子的三个主要特征:离子的电子层结构、离子所带的电荷和离子的电子层结构、离子所带的电荷和 离子半径的大小。离子半径的大小。(18+2)e电子构型:电子构型:(n-1)
8、s2(n-1)p6(n-1)d10ns2;例如:例如:Sn2+,82Pb2+,51Sb3+,Bi3+,Tl+18e电子构型:电子构型:ns2np6nd10;例如:例如:30Cu+,47Ag+,79Au+,Zn2+(3)离子半径)离子半径:规定离子之间的核间距为两离子半径之和。核间距可以通过规定离子之间的核间距为两离子半径之和。核间距可以通过X-射线测定射线测定.(2)离子所带电荷)离子所带电荷:离子所带电荷的多少是决定离子和离子型化合物性质的主要因离子所带电荷的多少是决定离子和离子型化合物性质的主要因素之一。通常电离能越大的原子越不容易失去电子而形成高价的正素之一。通常电离能越大的原子越不容易
9、失去电子而形成高价的正离子,而电子亲和能越大的原子却越容易获得电子形成高价负离子。离子,而电子亲和能越大的原子却越容易获得电子形成高价负离子。同一元素的原子和离子之间,以及同一元素带不同电荷的离子同一元素的原子和离子之间,以及同一元素带不同电荷的离子之间其性质明显不同。之间其性质明显不同。鲍林根据电荷数(鲍林根据电荷数(Z)和屏蔽常数()和屏蔽常数()的值推出了离子半径计)的值推出了离子半径计算公式:算公式:r=K/Z-1926年年,哥德希密特哥德希密特(Goldschmidt)用光学方法测定用光学方法测定,得到了得到了F-的的半径为半径为133pm,结合结合X射线衍射数据射线衍射数据,可得到
10、一系列离子半径,这种半可得到一系列离子半径,这种半径为哥德希密特半径径为哥德希密特半径.离子半径的变化规律:离子半径的变化规律:(a)同一周期中自左至右,同一价态的正离子半径随原子序数的同一周期中自左至右,同一价态的正离子半径随原子序数的增加而减小。同一价态的负离子半径随原子序数的增加而减小,随增加而减小。同一价态的负离子半径随原子序数的增加而减小,随所带负电荷的增加而增加。副族元素例外。例如:所带负电荷的增加而增加。副族元素例外。例如:(b)同主族元素的离子,所带电荷相同时,离子半径随原子序数的同主族元素的离子,所带电荷相同时,离子半径随原子序数的增大而增大。例如:增大而增大。例如:(c)同
11、一元素的正离子半径同一元素的正离子半径原子半径原子半径0.414r+/r-0.414 时,正、负离子接触,而负、时,正、负离子接触,而负、负离子不能接触;当负离子不能接触;当r+/r-r+/r-0.732时,离子晶体采用配位数为时,离子晶体采用配位数为8的的CsCl构型构型 当当0.732 r+/r-0.414时,离子晶体采用配位数为时,离子晶体采用配位数为6的的NaCl构型构型 当当0.414 r+/r-0.225时,离子晶体采用配位数为时,离子晶体采用配位数为4的的ZnS构型构型 例如:例如:MgO离子晶体,离子晶体,Mg2+的的r+为为65 pm;O2-的的r-为为140 pm,则:则:
12、r+/r-=65/140=0.464 ,r+/r-计算结果表明计算结果表明MgO离子晶体离子晶体应应为为NaCl型晶体,这与实际相吻合(型晶体,这与实际相吻合(NaCl型晶体)。型晶体)。(2)离子极化对晶体构型的影响离子极化对晶体构型的影响a、离子极化力和变形性、离子极化力和变形性 离子不论是正离子还是负离子,大部分是由原子核和电子组成,所以它们都离子不论是正离子还是负离子,大部分是由原子核和电子组成,所以它们都具有双重性。具有双重性。作为电场作为电场,能使周围异电荷离子发生极化而变形,即有极化力;,能使周围异电荷离子发生极化而变形,即有极化力;作为被极化的对象作为被极化的对象,它本身又有变
13、形性。,它本身又有变形性。离子极化离子极化:某离子使异号离子发生变形的作用,称为离子的极化作用。:某离子使异号离子发生变形的作用,称为离子的极化作用。变形性变形性:被异号离子极化而发生变形的性能,称为离子的变形性。:被异号离子极化而发生变形的性能,称为离子的变形性。离子的极化力离子的极化力:离子的极化力和离子的电荷、半径以及外电子层的离子的极化力和离子的电荷、半径以及外电子层的结构有关。离子的电荷愈大,半径愈小,所产生的电场强度愈大,结构有关。离子的电荷愈大,半径愈小,所产生的电场强度愈大,离子的极化力愈大,例如离子的极化力愈大,例如:Al3+Mg2+Na+;如果电荷相当,半径相近,则离子的极
14、化力决定于电子结构:如果电荷相当,半径相近,则离子的极化力决定于电子结构:18e (18+2)e 2e (9 17)e 8e离子的变形性离子的变形性:离子的变形性主要是决定于离子半径,离子半径大,:离子的变形性主要是决定于离子半径,离子半径大,核电荷对电子云的吸引力较弱,因此离子的变形性大。例如:核电荷对电子云的吸引力较弱,因此离子的变形性大。例如:I-Br-Cl-F-;对于离子的电荷相等、半径相当时,电子结构决定离子的变形性:对于离子的电荷相等、半径相当时,电子结构决定离子的变形性:18e (18+2)e 2e (9 17)e 8e负离子主要表现出变形性;正离子主要表现出极化力负离子主要表现
15、出变形性;正离子主要表现出极化力。注意,对于注意,对于18e、(18+2)e、(9 17)e、2e 构型的正离子,极化力构型的正离子,极化力和变形性都较大。和变形性都较大。b、离子极化对离子晶体的影响、离子极化对离子晶体的影响(a)对键型的影响对键型的影响 如果离子晶体中没有极化作用,则离子之间仅仅靠离子键结合如果离子晶体中没有极化作用,则离子之间仅仅靠离子键结合在实际的离子晶体中,由于离子极化的存在,使离子的电子云变形在实际的离子晶体中,由于离子极化的存在,使离子的电子云变形并互相重叠,在原有的离子键上附加一些共价键的成分。离子极化并互相重叠,在原有的离子键上附加一些共价键的成分。离子极化愈
16、愈强,共价键的成分愈多,强,共价键的成分愈多,这说明离子极化使离子晶体的键型从离这说明离子极化使离子晶体的键型从离子键向共价键过渡子键向共价键过渡。如图:。如图:例如:例如:NaCl 离子键离子键;MgCl2 离子键离子键;CuCl 过渡键过渡键;ZnS 共价键共价键 再如:再如:AgF离子键,离子键,AgCl过渡键,过渡键,AgBr共价键,共价键,AgI共价键。共价键。-离子极化离子极化+-(b)晶型的转变晶型的转变 由于离子极化,离子的电子云相互重叠,共价键的成分增加,由于离子极化,离子的电子云相互重叠,共价键的成分增加,键长也同时缩短。键长的缩短是由于正离子部分的钻入负离子的电键长也同时
17、缩短。键长的缩短是由于正离子部分的钻入负离子的电子云,这样使子云,这样使r+/r-变小。变小。离子极化使得离子的配位数向变小的方向离子极化使得离子的配位数向变小的方向变化变化,a.晶体中离子在平晶体中离子在平 衡位置振动衡位置振动b.极化力不强,极化力不强,晶体构型不变晶体构型不变b.极化力强,配位数极化力强,配位数 减小,晶体构型改变减小,晶体构型改变 例如:从例如:从AgF到到AgI,由于,由于AgI是是18e构型,极化作用较强,离构型,极化作用较强,离子的配位数由子的配位数由NaCl型的型的6变为变为ZnS型的型的4。-离子极化离子极化+-(d)晶体的熔点晶体的熔点 键型的改变也使晶体的
18、熔点发生变化,由于离子晶体的熔点一般较共价键构键型的改变也使晶体的熔点发生变化,由于离子晶体的熔点一般较共价键构成的分子所组成的晶体有较高的熔点。所以,成的分子所组成的晶体有较高的熔点。所以,离子极化使得晶体的熔点降低离子极化使得晶体的熔点降低。例。例如:如:NaCl的熔点为的熔点为8010C,而,而AgI的熔点只有的熔点只有4050C。(c)化合物的溶解度化合物的溶解度 键型的过渡引起离子晶体在水中溶解度的变化,离子晶体大都溶于水,键型的过渡引起离子晶体在水中溶解度的变化,离子晶体大都溶于水,当离当离子晶体由于离子极化转化为共价为主的化合物时,它在水中的溶解度就会降低子晶体由于离子极化转化为
19、共价为主的化合物时,它在水中的溶解度就会降低。例如例如AgF易溶于水,而易溶于水,而AgCl、AgI则难溶于水。则难溶于水。(e)化合物的颜色化合物的颜色 离子极化还会导致化合物的颜色加深离子极化还会导致化合物的颜色加深。例如,。例如,AgCl、AgBr、AgI由于离子极由于离子极化的增强,颜色由白色转变为黄色。化的增强,颜色由白色转变为黄色。在化合物中,阴、阳离子相互极化的结果,使电子能级在化合物中,阴、阳离子相互极化的结果,使电子能级改变,致使激发态和基态间的能量差变小。所以,只要吸收改变,致使激发态和基态间的能量差变小。所以,只要吸收可见光部分的能量即可引起激发,从而呈现颜色。极化作用愈
20、强,可见光部分的能量即可引起激发,从而呈现颜色。极化作用愈强,激发态和基态能量差愈小,化合物的颜色就愈深。激发态和基态能量差愈小,化合物的颜色就愈深。绿青赤橙黄蓝紫四、晶格能四、晶格能晶格能的定义:在标准状态下,使一摩尔的离子晶体变为气态的正晶格能的定义:在标准状态下,使一摩尔的离子晶体变为气态的正离子和气态的负离子所吸收的能量(反之亦然)。用符号离子和气态的负离子所吸收的能量(反之亦然)。用符号U表示:表示:MXn(s)Mn(g)+nX-(g)显然,晶格能愈大,破坏离子晶体时所需的能量愈多,离子晶显然,晶格能愈大,破坏离子晶体时所需的能量愈多,离子晶体愈稳定,熔点愈高,硬度愈大。如下表:体愈
21、稳定,熔点愈高,硬度愈大。如下表:离子晶体的晶格能也可以用玻恩和朗德公式计算:离子晶体的晶格能也可以用玻恩和朗德公式计算:晶格能晶格能式中:式中:R0 正、负离子半径之和,正、负离子半径之和,pm。Z1,Z2 正、负正、负离子电荷的绝对值;离子电荷的绝对值;A 马德隆常数,由晶体构型决定;马德隆常数,由晶体构型决定;晶体晶体晶格能晶格能/kJ mol-1熔点熔点NaI692660NaBr740747NaCl780801NaF920996CaO35132570MgO38902852课前复习课前复习一、离子键理论一、离子键理论二、离子的三个主要特征二、离子的三个主要特征三、离子晶体及其分类三、离子
22、晶体及其分类四、影响四、影响AB型离子晶体构型的因素型离子晶体构型的因素六、离子极化对离子晶体的影响六、离子极化对离子晶体的影响五、离子极化和变形性五、离子极化和变形性0123012014s4p4d4f l n主电子层主电子层分层分层0111s222s2p333s3p3d44原子结构知识的复习原子结构知识的复习1.主电子层中的分层主电子层中的分层ssssssspppppddddff122333444455566757p(1s )12345672 2s p,()33s p,()4 4 3s p d,()554spd,()6654spdf,()775 6sp)df6,(能能量量1223334444
23、555566677sssssssppppppddddff电子填充的顺序电子填充的顺序1s2s2p如:如:C原子的核外电子排布原子的核外电子排布C:1s22s22p2轨道表达式轨道表达式电子排布式电子排布式1s22s22p63s23p64s119K:1s22s22p63s23p65s23d104s24d24p640ZrS轨道轨道:xyxyxyxzxyyzxzxyxzp轨道轨道:d轨道轨道:zy+-xYpy+-xzYpx+-xYpzP轨道的角度分布图轨道的角度分布图:+-+-+-+-+-+-+-+-YdxyYdyzYdxzYdx-y22Yd z2d轨道轨道的角度分布图的角度分布图:S轨道的角度分布
24、图轨道的角度分布图:xy+30年代,美国化学家莫立根,德国化学家洪特提出了分子轨道理论,着重研年代,美国化学家莫立根,德国化学家洪特提出了分子轨道理论,着重研究分子中电子的运动规律,解释了氧分子的顺磁性、奇电子分子和稳定的离子等究分子中电子的运动规律,解释了氧分子的顺磁性、奇电子分子和稳定的离子等问题。问题。20世纪初,德国化学家柯塞尔根据稀有气体稳定结构的事实提出了离子键理世纪初,德国化学家柯塞尔根据稀有气体稳定结构的事实提出了离子键理论。说明了离子化合物中离子之间的相互作用力。论。说明了离子化合物中离子之间的相互作用力。7.2 共价键和原子晶体共价键和原子晶体 1916年美国化学家路易斯认
25、为分子的形成是由于原子共享电子对的结果年美国化学家路易斯认为分子的形成是由于原子共享电子对的结果,解解释了双原子分子和经典共价化合物分子中原子之间的相互作用力问题。释了双原子分子和经典共价化合物分子中原子之间的相互作用力问题。1927年德国人海特勒和美籍德国人伦敦首先用量子力学的薛定谔方程来研究年德国人海特勒和美籍德国人伦敦首先用量子力学的薛定谔方程来研究最简单的氢分子,从而发展了价键理论。最简单的氢分子,从而发展了价键理论。1931年,美国化学家鲍林提出了杂化轨道理论,解释了年,美国化学家鲍林提出了杂化轨道理论,解释了C的四面体结构。的四面体结构。化学键理论的发展史化学键理论的发展史 一一
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