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化学竞赛讲义专题分子结构省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、无机化学讲义第二章:分子结构主讲:莫尊理 教授第1页本本章章围围绕绕以以共共价价键键结结合合分分子子讨讨论论相相关关共共价价键键各各种种理论模型以及分子各种性质。理论模型以及分子各种性质。分子结构通常包含:分子结构通常包含:1.分子化学组成分子化学组成2.分子构型分子构型3.分子中原子化学键。分子中原子化学键。概述概述第2页路易斯观点:1.两个原子各取出一个电子配成对,经过共用电子对 来形成物质。2.8电子稳定构型八隅律。3.“共用电子对”共价键。即路易斯共价键理论。4.分子中还存在未用于形成共价键非键合电子,又称孤对电子。添加了孤对电子结构式叫路易斯 结构式。路易斯结构式路易斯结构式第3页
2、键特点:两个原子轨道沿键轴方向以“头碰头”方式重合,重合部分沿着键轴呈圆柱形对称。这种方式重合程度大,键键能大,稳定性高。价键理论价键理论(一一)第4页 键特点:两个原子轨道以平行即“肩并肩”方式重合,重叠部分对经过一个键轴平面呈镜面反对称。它重合程度较小,键能比较小,稳定性较差。第5页 假如原子之间只有假如原子之间只有1 1对电子,共价键是对电子,共价键是单键单键,通常总是通常总是s s键键;假如原子间共价键是;假如原子间共价键是双键双键,由,由一一个个s s键一个键一个p p键键组成;假如是组成;假如是叁键叁键,则,则由一个由一个s s键键和两个和两个p p键组成键组成。大量化学事实表明,
3、上述大量化学事实表明,上述s s键和键和p p键只是共键只是共价键中最简单模型,另外还存在十分多样共价键价键中最简单模型,另外还存在十分多样共价键类型,如苯环类型,如苯环p-p大大 键键等等。第6页价层电子互斥模型价层电子互斥模型 分子构型主要取决于中心原于价电子层中电子对(包含成键电子对和孤电子对)相互排斥作用。而分子构型总是采取电子对之间斥力最小那种。假如中心原子价层电子对全是成键电子对,则判断构型十分简单。电子对数构型实例2直线型BeCl2、HgCl23平面三角形BF3、BCl34正四面体CH4、NH4+、CCl4、SiCl4、5三角双锥PCl5、PF3Cl2、SbCl56正八面体SF6
4、、MoF6第7页 假如中心原子价层电子对中含有孤电子对,则每个孤电子对占有相当一个单键电子正确位置(对等同单键位置,可任意选取,对不等同单键则要按电子对之间斥力最小标准选取。如三角双锥形中,孤电子对只允许占据平面三角形中任意单键位置)。SO32-第8页 假如分子中有双键或叁键,则电子对互斥理论仍适用,把重键视作一个单键对待。如CO2分子为直线型OCO。第9页 价电子对之间斥力大小,决定于电子对之间夹角和电子正确成键情况。电子对之间夹角越小,斥力越大。电子对之间斥力大小次序为孤电子对-孤电子对之间斥力孤电子对-成键电子对之间斥力成键电子对-成键电子对之间斥力。中心原子价电子层电子对数计数,即中心
5、原子价电子数加配体供给电子数之和被2除。而氧族原子作为配体时可认为不提供共用电子,但当氧族原子作为中心原子时,可认为它提供6个价电子。假如讨论物质是阳离子,如NH4+,中心原子N价电子2s22p3共5个加上四个配体各提供一个电子,减去一个电荷共8个电子,即4对价电子。第10页例例:NH3和和PH3都是三角锥型。都是三角锥型。实测实测:氨分子中氨分子中H-N-H为为106.7,膦分子中,膦分子中H-P-H为为93.5,为何这两种分子角度有这种差异为何这两种分子角度有这种差异?第11页例例:ClF3,试预测其分子几何构型。试预测其分子几何构型。第12页例例:SF4,其其VSEPR理想模型为三角双锥
6、体,排除理想模型为三角双锥体,排除孤对电子分子立体结构因为孤对电子位置不一样有两孤对电子分子立体结构因为孤对电子位置不一样有两种可能模型种可能模型:哪一个结构更合理呢?哪一个结构更合理呢?第13页一、关键点一、关键点 为了解释分子或离子立体结构,泡林以量子力学为基础提出了杂化轨道理论。关键点:在形成份子时,因为原子相互影响,能量相近不一样类型原子轨道混合起来,重新组成一组能量等同新杂化轨道。1.杂化轨道数目与组成杂化轨道各原子轨道数目相等2.杂化轨道又分为等性和不等性杂化两种3.杂化轨道成键时要求轨道最大重合,键与键之间斥力最小。杂化轨道理论杂化轨道理论价键理论价键理论(二二)第14页泡林假设
7、:泡林假设:甲烷中心原子甲烷中心原子碳原子在形成化学键时碳原子在形成化学键时,4个价电子层原子轨道并不维持原来形状个价电子层原子轨道并不维持原来形状,而是发生而是发生“杂化杂化”,得到,得到4个等同轨道个等同轨道,总称总称sp3杂化杂化轨道,每个轨轨道,每个轨道为等价道为等价sp3轨道轨道。如:如:甲烷分子实测和甲烷分子实测和VSEPR模型预测立体结模型预测立体结构都是正四面体。若认为构都是正四面体。若认为CH4分子里中心原子碳分子里中心原子碳4个价电子层原子轨道个价电子层原子轨道2s和和2px,2py,2pz分别跟分别跟4个氢个氢原子原子1s原子轨道重合形成原子轨道重合形成键键,无法解释甲烷
8、无法解释甲烷4个个C-H键是等同键是等同,因为碳原子因为碳原子3个个2p轨道是相互正交轨道是相互正交(90 夹角夹角),而,而2s轨道是球形。轨道是球形。第15页除除sp3杂化,还有两种由杂化,还有两种由s轨道和轨道和p轨道杂化类型,轨道杂化类型,一个是一个是1个个s轨道和轨道和2个个p轨道杂化,杂化后得到平面轨道杂化,杂化后得到平面三角形分布三角形分布3个轨道,总称个轨道,总称sp2杂化轨道杂化轨道;另一个是;另一个是1个个s轨道和轨道和1个个p轨道杂化,杂化后得到呈直线分布轨道杂化,杂化后得到呈直线分布2个轨道,总称个轨道,总称sp杂化轨道杂化轨道。第16页等性杂化轨道类型夹角分子空间构型
9、实例sp杂化1080直线型BtCl3sp2杂化1200平面三角形HgCl2sp3杂化109028/正四面体CH4、SiH4、NH4+sp3d2杂化900及1800正八面体SF6不等性杂化轨道类型(杂化轨道中有孤对电子存在)不等性sp3杂化104045/角形 H2O H2S10705/三角棱锥 NH3 PH3第17页 讨论分子中中心原子杂化轨道类型基础是:讨论分子中中心原子杂化轨道类型基础是:预先预先知道它立体结构。假如没有试验数据,能够借助知道它立体结构。假如没有试验数据,能够借助VSEPR模型对分子立体结构作出预言。模型对分子立体结构作出预言。注意:注意:假如分子中心原子上有采取假如分子中心
10、原子上有采取s-s-轨道孤对电轨道孤对电子存在,确定中心原子杂化轨道类型必须考虑包含孤对子存在,确定中心原子杂化轨道类型必须考虑包含孤对电子在内整个分子电子在内整个分子s s-轨道骨架。轨道骨架。杂化轨道类型与杂化轨道类型与VSEPR模型关系以下表所表示:模型关系以下表所表示:杂化类型杂化类型sp3sp2spsp3d或或dsp3sp3d2或或d2sp3 立体构型立体构型正四面体正四面体正三角形正三角形直线形直线形三角双锥体三角双锥体正八面体正八面体 VSEPR模型模型AY4AY3AY2AY5AY6第18页二、二、spsp3 3杂化杂化凡凡属属于于VSEPR模模型型AY4分分子子中中心心原原子子
11、A都都采采取取sp3杂杂化化类类型型。比比如如,CH4、CCl4、NH4+、CH3Cl、NH3、H2O等等。等等。与中心原子键合是同一个原子,分子呈高度对称与中心原子键合是同一个原子,分子呈高度对称正四面体构型,其中正四面体构型,其中4个个sp3杂化轨道自然没有差异,杂化轨道自然没有差异,这种杂化类型叫做这种杂化类型叫做等性杂化等性杂化。中心原子中心原子4个个sp3杂化轨道用于构建不一样杂化轨道用于构建不一样s s轨道,轨道,如如CH3Cl中中C-H键和键和C-Cl键键长、键能都不相同,显键键长、键能都不相同,显然有差异,然有差异,4个个s s键键角也有差异,又如键键角也有差异,又如NH3和和
12、H2O中中心原子心原子4个杂化轨道分别用于个杂化轨道分别用于s s键和孤对电子对,这么键和孤对电子对,这么4个杂化轨道显然有差异,叫做个杂化轨道显然有差异,叫做不等性杂化不等性杂化。第19页p能级总共只有能级总共只有3个个p轨道,当这些轨道,当这些p轨道全部以轨道全部以sp3杂化轨道去构建杂化轨道去构建s s轨道,中心原子就没有多出轨道,中心原子就没有多出p轨道去轨道去与键合原子之间形成与键合原子之间形成p-pp p键了。所以,像键了。所以,像SO42、SO2Cl2、PO43等等中心原子取等等中心原子取sp3杂化轨道杂化轨道“物种物种”,其路易斯结构式中双键其路易斯结构式中双键中中p p键是由
13、中心原子键是由中心原子d轨道和端位轨道和端位原子原子p轨道形成,叫做轨道形成,叫做d-pp p键。键。第20页sp3非平面性难以用画在平面上路易斯结构表示,非平面性难以用画在平面上路易斯结构表示,最好画立体结构图,常见分子立体结构图许各种,侧最好画立体结构图,常见分子立体结构图许各种,侧重点互不相同,如:重点互不相同,如:第21页第22页三、三、sp2杂化杂化凡符合凡符合VSEPR模型模型AY3通式分子或离子中心原子大通式分子或离子中心原子大多数采取多数采取sp2杂化轨道杂化轨道。比如,。比如,BCl3、CO32、NO3、H2C=O、SO3等等。烯烃等等。烯烃C=Cd(C=C)d(CC);d(
14、HF)d(HCl)d(HBr)d(HI);CO分子中分子中C=O键介键介乎碳乎碳-碳双键和碳碳双键和碳-碳三键之间;碳三键之间;O2+、O2、O2、O22中氧中氧-氧键依次增加;等等。氧键依次增加;等等。第39页2 2、共价半径、共价半径共价键键长能够分解成键合原子共价半径之和。共价键键长能够分解成键合原子共价半径之和。用同核共价键之半能够求出许多元素共价半径,已知用同核共价键之半能够求出许多元素共价半径,已知rA求求rB还能够借差减法由还能够借差减法由d(AB)测定值估算。测定值估算。共价半径通用数据总是经过经验或理论校正平均共价半径通用数据总是经过经验或理论校正平均值,不一样方法得到数据并
15、不一定相等。值,不一样方法得到数据并不一定相等。为比较不一样原子共价半径,共价键性质必须相为比较不一样原子共价半径,共价键性质必须相同,为此建立了同,为此建立了单键共价半径单键共价半径概念。概念。经常呈重键而不呈单键元素单键共价半径需经理经常呈重键而不呈单键元素单键共价半径需经理论计算取得。主族元素共价半径显示很好周期性论计算取得。主族元素共价半径显示很好周期性从从上到下上到下半径半径增大,从左到右半径减小。图表中增大,从左到右半径减小。图表中He、Ne、Ar无数据,因还未合成其共价化合物。无数据,因还未合成其共价化合物。第40页第41页第二周期元素单键共价半径与有效核电荷线第二周期元素单键共
16、价半径与有效核电荷线性关系性关系图图,共价半径,共价半径(单位单位pm)和将和将1/Z*X100得到得到数据,结果发觉数据,结果发觉r-Z曲线与曲线与1/Z*-Z曲线平行性甚佳,曲线平行性甚佳,可见共价半径大小确与原子有效核电荷倒呈数线可见共价半径大小确与原子有效核电荷倒呈数线性相关。性相关。利用共价半径数据能够估算键长,比如,利用共价半径数据能够估算键长,比如,CCl键长为键长为77pm+99pm=176pm,试验测定,试验测定CF3Cl分子中分子中CCl键长为键长为175.5pm,估算值与试,估算值与试验值吻合得很好。验值吻合得很好。第42页第43页三、键能三、键能键键能能概概念念是是为为
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