基础化学共价键与分子间力省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第九章第九章 共价键与分子间力共价键与分子间力Covalent Bond and Intermolecular Forces第1页内容提要内容提要一、当代价一、当代价键键理理论论 氢氢分子形成分子形成 当代价当代价键键理理论论关关键键点点 共价共价键类键类型型 键键参数参数二、二、杂杂化化轨轨道理道理论论 杂杂化化轨轨道理道理论论关关键键点点 轨轨道道杂杂化化类类型及型及实实例例第2页内容提要内容提要三、分子间作用力三、分子间作用力 分子极性与分子极化分子极性与分子极化 van der Waals力力 氢键氢键第3页教学基本要求1、掌握当代价键理论关键点和、掌握当代价键理论关键点和键、键、健特
2、征。健特征。2、掌握杂化轨道理论基本关键点,杂化类型,、掌握杂化轨道理论基本关键点,杂化类型,特征;等性、不等性杂化概念及应用。特征;等性、不等性杂化概念及应用。3、了解分子极性,熟悉分子间力类型、特点、了解分子极性,熟悉分子间力类型、特点、产生原因;氢键形成条件、特征、应用。产生原因;氢键形成条件、特征、应用。第4页 物质性质主要由分子性质决定,而分子性物质性质主要由分子性质决定,而分子性质又是由分子结构所决定。质又是由分子结构所决定。分子或晶体中相邻原子间强烈相互作用力分子或晶体中相邻原子间强烈相互作用力称为化学键称为化学键(chemical bond)。成键能量约为几成键能量约为几十到几
3、百千焦每摩。十到几百千焦每摩。chemical bond 共价键共价键(配位键配位键)离子键离子键金属键金属键第5页 经典共价键诞生于19,首先由 G.N.Lewis提出。也就是我们中学所学电子配对理论。其理论认为成键双方各拿一个电子形成共用状态,如:HH;HCl;这种结构称为路易斯电子式。也有用短横或小黑点表示。假如成键电子(一对电子)仅由某一个原子所提供,就形成配位共价键。+9.1 共价键第6页 由经典共价键形成分子普通要求含有八电子稳定结构。也就是稀有气体结构。经典共价键无法解释经典共价键无法解释(1 1)带负电荷二个电子为何不排斥?)带负电荷二个电子为何不排斥?(2 2)为何共价键含有
4、方向性?)为何共价键含有方向性?(3 3)许多物质不具备有稀有气体结构)许多物质不具备有稀有气体结构也能稳定存在也能稳定存在 PCl PCl5 ;5 ;BFBF3 3 等。等。第7页 1927年年Heitler和和London用量子力学用量子力学方法处理氢分子体系取得成功,在此基方法处理氢分子体系取得成功,在此基础上,础上,L Pauling等人建立了当代共价键等人建立了当代共价键理论理论当代价键理论当代价键理论(Valence bond theory)和分子轨道理论和分子轨道理论(Molecular orbital theory)。第8页9.1.1 当代价键理论 1.氢分子形成r/pm74.
5、1E/kJmol-1 氢分子两种状态两个氢原子靠近时能量改变曲线第9页2.当代价键理论当代价键理论(valence bond theory,VB法法)(1)两个原子自旋相反单电子配对,原子轨道两个原子自旋相反单电子配对,原子轨道重合,核间电子云密集,系统能量降低,重合,核间电子云密集,系统能量降低,形成稳定共价键。形成稳定共价键。(2)原子中只有未成对电子才能配对。所以每原子中只有未成对电子才能配对。所以每个原子形成共价键数目等于单电子数目。个原子形成共价键数目等于单电子数目。这就是共价键饱和性。这就是共价键饱和性。(3)原子轨道重合愈多,核间电子云愈密集,原子轨道重合愈多,核间电子云愈密集,
6、共价键愈牢靠,称为原子轨道共价键愈牢靠,称为原子轨道最大重合原最大重合原理理。所以原子轨道将沿最大程度方向重合,。所以原子轨道将沿最大程度方向重合,决定了共价键方向性。决定了共价键方向性。第10页键合双方各提供键合双方各提供自旋方向相反自旋方向相反未成对电子未成对电子.键合双方原子轨道应尽可能最大程度地重合键合双方原子轨道应尽可能最大程度地重合(最大重合原理最大重合原理).VB法基本关键点法基本关键点:饱和性饱和性:普通成键电子原子轨道只有沿着轨普通成键电子原子轨道只有沿着轨道伸展方向进行重合才能实现最大道伸展方向进行重合才能实现最大程度重合程度重合.方向性方向性:共价键特征共价键特征:一个原
7、子形成共价键能力是有限一个原子形成共价键能力是有限第11页对称性相同指产生重合两个原子轨道符号相对称性相同指产生重合两个原子轨道符号相同同(即波函数相加即波函数相加).重合类型重合类型:-+-+-同号重合部分与异号重合部分恰好抵消同号重合部分与异号重合部分恰好抵消.不一样符号部分重合不一样符号部分重合(或认为波函数相减或认为波函数相减).+零重合零重合(无效重合无效重合)正重合正重合(有效重合有效重合)负重合负重合(无效重合无效重合)同符号部分重合同符号部分重合.原子轨道重合原子轨道重合:对称性标准对称性标准:只有当原子轨道对称性相只有当原子轨道对称性相同部分重合同部分重合,才能形成化学键。才
8、能形成化学键。第12页图图9-3 氯化氢分子成键示意图氯化氢分子成键示意图第13页3.共价共价键类键类型型 键键 按成键重合方式:按成键重合方式:键键 正常共价正常共价键键 按按电电子子对对起源起源:配位共价配位共价键键 第14页1.键和键和键键 键:原子轨道沿键轴(成键核间连线,设为键:原子轨道沿键轴(成键核间连线,设为键:原子轨道沿键轴(成键核间连线,设为键:原子轨道沿键轴(成键核间连线,设为x x轴)以轴)以轴)以轴)以“头碰头头碰头头碰头头碰头”方式进行重合,重合部分沿键轴呈圆柱形对称分布,形成方式进行重合,重合部分沿键轴呈圆柱形对称分布,形成方式进行重合,重合部分沿键轴呈圆柱形对称分
9、布,形成方式进行重合,重合部分沿键轴呈圆柱形对称分布,形成 共价键。如共价键。如共价键。如共价键。如s-ss-s、s-ps-px x 和和和和p px x-p-px x 轨道重合。轨道重合。轨道重合。轨道重合。第15页键:例键:例 第16页键特点:键特点:1、键轨道重合程度比键轨道重合程度比键轨道重合程度大,键轨道重合程度大,因而因而键比键比键牢靠。键牢靠。2、键可单独存在于两原子间,是组成份键可单独存在于两原子间,是组成份子骨架,两原子间只可能有子骨架,两原子间只可能有1个个键。键。3、普通地,、普通地,p-p重合形成重合形成键键(记为记为p-p)比比s-s重合形成重合形成键键(记为记为s-
10、s)牢靠。牢靠。第17页键:相互平行键:相互平行py或或pz轨道则以轨道则以“肩并肩肩并肩”方式进行方式进行重合,重合部分垂直于键轴并呈镜面反对称。重合,重合部分垂直于键轴并呈镜面反对称。第18页键:例第19页键特点:键特点:1、键较易断开,化学活泼性强。键较易断开,化学活泼性强。2、普通它是与、普通它是与键共存于含有双键键共存于含有双键或叁键分子中。或叁键分子中。3、因为、因为键存在,原子不可绕键存在,原子不可绕键转键转动。动。第20页N2分子形成示意图第21页2.正常共价键和配位共价键正常共价键和配位共价键 假如共价键是由成键两原子各提供假如共价键是由成键两原子各提供1个电子个电子配对成键
11、,称为正常共价键,配对成键,称为正常共价键,假如共价键形成是由成键两原子中一个原假如共价键形成是由成键两原子中一个原子单独提供电子对进入另一个原子空轨道子单独提供电子对进入另一个原子空轨道共用而成键,这种共价键称为配位共价键共用而成键,这种共价键称为配位共价键(coordinate covalent bond),简称),简称 配位配位键(键(coordination bond)。)。配位键用配位键用“”表示,箭头从提供电子正表示,箭头从提供电子正确原子指向接收电子正确原子。确原子指向接收电子正确原子。第22页例:第23页9.1.2 键参数键参数表征化学键性质物理量称为键参数表征化学键性质物理量
12、称为键参数(bond parameter)共价键键参数主要有键能、键长、共价键键参数主要有键能、键长、键角及键极性。键角及键极性。第24页1.键能(键能(bond energy)从能量原因来衡量从能量原因来衡量共价键强度物理量共价键强度物理量双原子分子键能双原子分子键能(E)就等于分子解离能就等于分子解离能(D)。在在 100kPa和和298.15K下,将下,将1摩尔理想气态分子摩尔理想气态分子AB解离为理想气态解离为理想气态A、B原子所需要能量,原子所需要能量,称为称为AB解离能,单位为解离能,单位为 kJmol-1。比如,对于比如,对于H2分子分子H2(g)2H(g)E(HH)D(HH)4
13、36 kJmol-1 第25页对于多原子分子,键能和解离能不一样。比如,H2O分子中有两个等价O-H键 H2O(g)OH(g)+H(g)H1=502kJmol-1 OH(g)O(g)+H(g)H2=423.7kJmol-1 E(O-H)=462.8kJmol-1同一个共价键在不一样多原子分子中键能虽有差异,但差异不大。我们可用不一样分子中同一个键能平均值即平均键能作为该键键能。普通键能愈大,键愈牢靠。第26页一些双原子分子键能和一些键平均键能一些双原子分子键能和一些键平均键能 triple bonddouble bondsingle bond第27页2.键长(键长(bond length)分子
14、中两成分子中两成键原子核间平衡距离。键原子核间平衡距离。键长愈短键长愈短,键愈牢靠;键愈牢靠;相同两原子形成键长:单键键长双相同两原子形成键长:单键键长双键键长叁键键长。键键长叁键键长。例:例:CC键长为键长为154 pm;CC键长键长为为134 pm;CC键长为键长为120 pm 第28页3.键角(键角(bond angle)分子中同一原分子中同一原子形成两个化学键间夹角子形成两个化学键间夹角它是反应分子空间构型一个主要参数。它是反应分子空间构型一个主要参数。如如H2O分子中键角为分子中键角为104o45,分子为,分子为V形结构;形结构;CO2分子中键角为分子中键角为180o,分,分子为直线
15、形结构。子为直线形结构。普通而言,依据分子中键角和键长可普通而言,依据分子中键角和键长可确定分子空间构型。确定分子空间构型。第29页4.键极性(键极性(polarity of covalent bond)由成键原子电负性不一样引发由成键原子电负性不一样引发 若成键二原子电负性不一样,成键电若成键二原子电负性不一样,成键电子云不可能均匀分布在二核之间,必定要子云不可能均匀分布在二核之间,必定要使共价键带有极性。使共价键带有极性。分子是否有极性取决于整个分子正负分子是否有极性取决于整个分子正负电荷中心是否重合电荷中心是否重合.第30页 对于同种原子形成共价键,公用电子由两个原子核均等“享用”:两个
16、成键原子既不带正电荷,也不带负电荷,这种键没有极性,叫非极性共价键非极性共价键。H3C CH30 0第31页 当两个不一样原子成键时,因为两个原子拉电子能力不一样,(定义:分子中键合原子吸电子能力叫电电负负性性)共用电子对发生偏移,使一方原子带部分负电荷(以d d表示),另一方带微量正电荷(d d+),如:H3CCl 这种电子云分布不对称共价键称为极极性性(共共价价)键键。两成键原子电负性差越大,键极性也越强。第32页 离子键和共价键是有本质差异,然而离子键和共价键是有本质差异,然而依据键极性概念,二者又没有严格界限。依据键极性概念,二者又没有严格界限。离子键可了解为共用电子对发生完全偏移离子
17、键可了解为共用电子对发生完全偏移极性键,亦即最强极性键,而极性共价键极性键,亦即最强极性键,而极性共价键也可了解为离子键与非极性共价键之间一也可了解为离子键与非极性共价键之间一个过渡状态,见表个过渡状态,见表9-3。第33页键型与成键原子电负性差值关系键型与成键原子电负性差值关系 物 质NaClHFHClHBrHICl2电负性差值2.11.90.90.70.40键型离子键极 性 共 价 键非极性共价键第34页按极性大小按极性大小:1)极性键极性键2)非极性键非极性键:强极性键强极性键:弱极性键弱极性键:如如H2O,HCl中中共价键共价键如如H2S,HI中共中共价键价键如如N2,H2中共价键中共
18、价键第35页价价键键理理论论说说明明了了共共价价键键形形成成,解解释释了了共共价价键键方方向向性性和和饱饱和和性性,但但说说明明多多原原子子分分子子空空间间构构型却碰到困难。型却碰到困难。Pauling L等等人人在在价价键键理理论论基基础础上上提提出出了了杂杂化化轨道理论(轨道理论(hybrid orbital theory)。)。杂杂化化轨轨道道理理论论实实质质上上仍仍属属于于当当代代价价键键理理论论,但但在在成成键键能能力力、分分子子空空间间构构型型等等方方面面丰丰富富和和发展了价键理论。发展了价键理论。第36页9.1.3 9.1.3 杂化轨道理论杂化轨道理论 1:试验事实:试验事实:C
19、H4 四价四价 正四面体结构正四面体结构 10928 此结论在1857年Kekule就提出了,但其无法解释只有二个未成对电子碳原子为何能形成四个共价键。第37页Pauling认为:认为:C(基态)(基态)1s22s22px12py1 C(激发)(激发)1s22s12px12py12pz1激发1s2s2pEnergy升高升高1s22s12px12py1 2pz1 (激发态)1s2s 2px 2py 2pz1s22s22px12py1 (基态)第38页 碳原子四个原子规轨道重新组合,沿正四面体碳原子四个原子规轨道重新组合,沿正四面体方向组成四个新等价轨道,称为方向组成四个新等价轨道,称为sp3 轨
20、道。轨道。(即由一个(即由一个s轨道和三个轨道和三个p轨道共同组合而成)轨道共同组合而成)每个轨道有每个轨道有1/4 s 成份;成份;3/4 p 成份。成份。这在当初提出时是任意,以后被量子力学证实是合这在当初提出时是任意,以后被量子力学证实是合理,即它也是薛定谔方程一个合了解。理,即它也是薛定谔方程一个合了解。第39页 但结果能够多形成二个但结果能够多形成二个CH键,每一个键,每一个CH键键又可放出又可放出4.29eV能量,总能量为能量,总能量为8.58eV。从能量角度来看,从能量角度来看,2p比比2s能量高,激发需要能能量高,激发需要能量,激发所需能量为量,激发所需能量为8.26eV。第4
21、0页 经过这种方式组合后新轨道称为杂化轨道,而它组合(重迭)过程称为杂化。杂化后原子轨道形状(角度部分图像)、能量、空间伸展方向、成键能力完全不一样与组合前各个原子轨道。它与VB法区分在于:VB法是发生在二个原子之间原子轨道组合,而杂化是在同一原子内几个能量相近原子轨道间组合。杂化(HybridHybrid):原子轨道线性组合。第41页2.杂化轨道理论基本关键点杂化轨道理论基本关键点(1)成键过程中,)成键过程中,同一原子中同一原子中几个几个能量相近能量相近类类型不一样原子轨道线性组合,重新分配能量型不一样原子轨道线性组合,重新分配能量和空间方向,组成等数目标杂化轨道和空间方向,组成等数目标杂
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