无机化学第十章省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第一节 当代价键理论第二节 价层电子对互斥理论第三节 杂化轨道理论第四节 分子轨道理论第五节 离域键第六节 分子间作用力和氢键第七节 原子晶体和分子晶体第十章 共价键与分子结构第1页第一节当代价键理论一、共价键本质二、价键理论基本关键点三、共价键类型四、配位共价键五、共价键参数第2页 1916 年,美国化学家路易斯提出了早期共价键理论。路易斯认为:分子中每个原子都有达到稳定稀有气体结构倾向,在非金属原子组成分子中,原子到达稀有气体稳定结构是经过共用一对或几对电子实现。这种由共用电子对所形成化学键称为共价键。海特勒和伦敦用量子力学处理氢原子形成氢分子形成过程,得到氢分子能量与核间距之间关系曲线。
2、一、共价键本质第3页图 10-1 氢分子形成过程中能量随 核间距离改变示意图第4页 假如两个氢原子电子自旋相反,当它们相互靠近时,伴随核间距减小,两个氢原子 1s 轨道发生重合,两个原子核间形成一个电子出现概率密度较大区域,既降低了两个原子核间正电排斥,又增加了两个原子查对核间电子出现概率密度较大区域吸引,系统能量逐步降低,当核间距减小到平衡距离时,能量降低到最低值,两个氢原子形成氢分子。第5页 假如两个氢原子电子自旋相同,伴随核间距减小,两个原子核间电子出现概率密度降低,增大了两个原子核排斥力,系统能量逐步升高,而且比两个远离氢原子能量还高,不能形成氢分子。第6页图 10-2 两个氢原子相互
3、靠近时 原子轨道重合示意图第7页 二、价键理论基本关键点 价键理论基本关键点是:(1)两个原子靠近时,自旋相反两个未成对电子能够配对形成共价键。(2)一个原子含有几个未成对电子,就能与其它原子几个自旋相反未成对电子配对形成共价键。一个原子所形成共价键数目,受未成对电子数目标限制,这就是共价键饱和性。(3)成键原子轨道重合越多,两核间电子出现概率密度就越大,形成共价键就越牢靠。在可能情况下,共价键总是沿着原子轨道最大重合方向形成,这就是共价键方向性。第8页图 10-3 H 原子1s 轨道与 Cl 原子 3px 轨道重合示意图第9页三、共价键类型 (一)键 原子轨道沿键轴(两原子核间联线)方向以
4、“头碰头”方式重合所形成共价键称为键。形成键时,原子轨道重合部分对于键轴呈圆柱形对称,沿键轴方向旋转任意角度,轨道形状和符号均不改变。第10页第11页 (二)键 原子轨道垂直于键轴以“肩并肩”方式重合所形成共价化学键称为键。形成键时,原子轨道重合部分对等地分布在包含键轴在内平面上、下两侧,形状相同,符号相反,呈镜面反对称。第12页第13页 从原子轨道重合程度来看,键重合程度比键重合程度小,键键能小于键键能,所以键稳定性低于键,它是化学反应主动参加者。两个原子形成共价单键时,原子轨道总是沿键轴方向到达最大程度重合,所以单键都是键;形成共价双键时,有一个键和一个键;形成共价三键时,有一个键和两个键
5、。第14页图 10-5 N2 中共价三键示意图第15页N2 中共价三键示意图第16页 四、配位共价键 按共用电子对提供方式不一样,共价键又可分为正常共价键和配位共价键。由一个原子单独提供共用电子对而形成共价键称为配位共价键。配位键用箭号“”表示,箭头方向由提供电子正确原子指向接收电子正确原子。形成配位键条件是:(1)电子对给予体最外层有孤对电子;(2)电子对接收体最外层有可接收孤对电 子空轨道。第17页 五、共价键参数 (一)键能 在标准状态下,使单位物质量气态分子 AB 解离成气态原子 A 和 B 所需要能量称为键解离能。对双原子分子,键能等于键解离能。对多原子分子,键能等于键解离能平均值。
6、(二)键长 分子中两个成键原子核间平衡距离称为键长。第18页表 10-1 一些共价键键能和键长第19页 (三)键角 在多原子分子中,键与键之间夹角称为键角。(四)共价键极性 按共用电子对是否发生偏移,共价键可分为非极性共价键和极性共价键。当两个相同原子以共价键结合时,两个原子对共用电子正确吸引能力相同,共用电子对不偏向于任何一个原子。这种共价键称为非极性共价键。当两个不一样元素原子以共价键结合时,共用电子对偏向于电负性较大原子。电负性较大原子带部分负电荷,电负性较小原子带部分正电荷。这种共价键称为极性共价键。共价键极性与成键两原子电负性差相关,电负性差越大,共价键极性就越大。第20页 第二节
7、价层电子对互斥理论一、价层电子对互斥理论基本关键点二、价层电子对互斥理论应用实例第21页一、价层电子对互斥理论基本关键点 价层电子对互斥理论基本关键点:(1)多原子分子或多原子离子空间构型取决于中心原子价层电子对。(2)中心原子价层电子对之间尽可能远离,以使斥力最小。表 10-2 静电斥力最小价层电子正确分布方式 价层电子对数 23456电子对排布方式直线形平面三角形四面体三角双锥八面体第22页 (3)价层电子对之间斥力与价层电子正确类型相关:孤对电子-孤对电子 孤对电子-成键电子对成键电子对-成键电子对 (4)中心原子若形成共价双键或共价三键,仍按共价单键处理。但因为双键或三键中成键电子多,
8、对应斥力也大:三键双键单键 (5)与中心原子结合配位原子电负性越大,成键电子对离中心原子越远,降低了成键电子正确斥力,键角对应减小。第23页 利用价层电子对互斥理论预测分子或离子空间构型步骤以下:(1)确定中心原子价层电子对数。(2)依据中心原子价层电子对数,找出对应电子对排布。(3)依据中心原子价层电子正确排布方式,把配位原子排布在中心原子周围,每一对电子连接一个配位原子,未结合配位原子电子对是孤对电子。若中心原子价层电子对全部是成键电子对,则分子或离子空间构型与中心原子价层电子正确分布方式相同;若价层电子对中有孤对电子,应选择静电斥力最小结构,即为分子或离子空间构型。第24页二、价层电子对
9、互斥理论应用实例(一)CCl4 分子空间构型第25页(二)离子空间构型第26页(三)PCl5 分子空间构型第27页 (四)离子空间构型 在 中,中心原子共有 5 对价层电子对,价层电子正确分布为三角双锥形。在中心原子 5 对价层电子对中,有 2 对成键电子对和 3 对孤对电子,有以下三种可能结构:第28页 (a)中没有 90孤对电子-孤对电子排斥作用,是最稳定构型。所以,空间构型为直线形。利用价层电子对互斥理论,能够预测大多数主族元素原子形成共价分子或离子空间构型。电子对之间夹角有 90o、120o 和 180o,只需考虑夹角为 90o 静电斥力。第29页表10-3 中心原子价层电子正确排布和
10、 ABn 型共价分子构型价层电子对数价层电子对排布 成键电子对数孤对电子对数分子类型 电子正确排布方式 分子构型 实 例 直线形20AB2直线形HgCl230AB3平面正三角形BF321AB2V 形PbCl223平面正三角形第30页价层电子对数 价层电子对排布成键电子对数 孤对电子对数 分子类型 电子正确排布方式分子构型 实 例4四面体4 0 AB43 1 AB32 2 AB2正四面体 CH4三角锥形 NH3V 形H2O第31页价层电子对数 价层电子对排布成键电子对数 孤对电子对数 分子类型 电子正确排布方式分子构型 实 例5三角双锥50 AB54 1 AB43 2 AB32 3 AB2三角双
11、锥 PCl5变形四面体 SF4T 形 ClF3直线形第32页价层电子对数 价层电子对排布成键电子对数 孤对电子对数 分子类型 电子正确排布方式分子构型 实 例6八面体60 AB651 AB542 AB4正八面体 SF6四方锥形IF5平面正方体第33页第三节 杂化轨道理论一、杂化轨道理论基本关键点二、s-p 杂化轨道及相关分子空间构型三、d-s-p 杂化轨道及相关分子空间构型第34页一、杂化轨道理论基本关键点 同一原子中能量相近原子轨道重新组合成新原子轨道,称为原子轨道杂化,得到原子轨道称为杂化轨道。轨道杂化理论基本关键点:(1)只有在形成份子过程中,中心原子能量相近原子轨道才能进行杂化。(2)
12、杂化轨道成键能力比未杂化原子轨道成键能力强。(3)原子轨道进行杂化时,轨道数目不变,但轨道在空间伸展方向发生改变。(4)组合得到杂化轨道与其它原子形成 键或排布孤对电子,而不能以空轨道形式存在。(5)中心原子采取杂化类型决定了杂化轨道分布形状及所形成分子空间构型。第35页二、s-p 杂化轨道及相关分子空间 构型 (一)sp 杂化轨道及相关分子空间构型 由一个 n s 轨道和一个 n p 轨道参加杂化称为 sp 杂化,形成两个杂化轨道称为 sp 杂化轨道。每个 sp 杂化轨道中含有 1/2 s 轨道成份和 1/2 p 轨道成份,杂化轨道间夹角为 。图 10-6 sp 杂化示意图第36页第37页(
13、二)sp2 杂化轨道及相关分子空间构型 由一个 ns 轨道和两个 np 轨道参加杂化称为 sp2 杂化,形成三个杂化轨道称为 sp2 杂化轨道。每个 sp2 杂化轨道中含有 1/3 s 轨道成份和 2/3 p 轨道成份,杂化轨道间夹角为120,呈平面正三角形。图 10-8 sp2 杂化轨道示意图第38页BF3 形成示意图第39页BF3 空间构型第40页(三)sp3 等性杂化轨道及相关分子空间 构型 由一个 ns 轨道和三个 np 轨道参加等性杂化称为 sp3 等性杂化,形成四个杂化轨道称为 sp3 等性杂化轨道。每个 sp3 杂化轨道中含有 1/4 s 轨道成份和 3/4 p 轨道成份,杂化轨
14、道间夹角为 。图 10-9 sp3 等性杂化轨道第41页CH4 形成示意图第42页(四)sp3 不等性杂化轨道及相关分子 空间构型 对于价层含孤对电子中心原子,因为孤对电子要占据杂化轨道,而又不参加成键,将使形成分子能量升高。若采取 sp3 等性杂化,则因为孤对电子占据 sp3 杂化轨道中 s 成份较少,所以能量较高,分子稳定性较低。为了使分子能量尽可能低,含孤对电子中心原子最好采取 sp3 不等性杂化,在满足成键杂化轨道有尽可能大成键能力前提下,尽可能增加非键杂化轨道中 s 轨道成份和减小 p 轨道成份,并对应降低成键杂化轨道中 s 轨道成份和增大 p 轨道成份,使形成分子能量比等性杂化时有
15、所降低。第43页 基态 N 外层电子组态为 2s22p3,在 H 影响下,N 一个 2s 轨道和三个 2p 轨道进行 sp3 不等性杂化,形成两组能量不相等 sp3 杂化轨道。其中三个 sp3 成键杂化轨道能量相等,每个杂化轨道含 0.226 s 轨道成份和 0.774 p 轨道成份;sp3 非键杂化轨道中含 0.322 s 轨道成份和 0.678 p 轨道成份。N 原子用三个各含一个未成对电子 sp3 成键杂化轨道分别与三个 H 1s 轨道重合,形成三个 NH 键,孤对电子则占据 s 轨道成份较高 sp3 非键杂化轨道。所以,NH3 空间构型为三角锥形。第44页NH3 空间构型第45页 基态
16、 O 外层电子组态为 2s22p4,在 H 影响下,O 采取 sp3 不等性杂化,形成两组能量不一样 sp3 杂化轨道,其中两个成键 sp3 杂化轨道含 0.20 s 轨道成份和 0.80 p 轨道成份,两个 sp3 非键杂化轨道含 0.30 s 轨道成份和 0.70 p 轨道成份。O 原子用两个各含有一个未成对电子 sp3 成键杂化轨道分别与两个 H 原子 1s 轨道重合,形成两个 OH 键,两对孤对电子各占据一个 sp3 非键杂化轨道。所以,H2O 空间构型为 V 型。第46页 空间构型第47页 三、d-s-p 杂化轨道及相关分子空 间构型 为了有效组成杂化轨道,参加杂化轨道能量必须相近。
17、对于周期表中 d 区元素,中心原子 ns 和 np 轨道与(n-1)d 轨道或 nd 轨道能量相近,它们能够组合成 d-s-p 杂化轨道,也能够组合成 s-p-d 杂化轨道。p 区元素没有(n1)d 轨道或(nl)d 轨道已填满,ns 和 np 与 nd 轨道能量比较靠近,它们只能组合成 s-p-d 杂化轨道。第48页 (一)dsp2 杂化轨道及相关分子或离子 空间构型 由一个(nl)d 轨道、一个 ns 轨道和两个 np 轨道参加杂化称为 dsp2 杂化。组合成四个轨道称为 dsp2 杂化轨道。每个 dsp2 杂化轨道均含有1/4 d 轨道成份、1/4 s 轨道成份和1/2 p 轨道成份。四
18、个 dsp2 杂化轨道在一个平面上,指向平面正方形四个角相邻杂化轨道间夹角为 90。图 10-11 dsp2 杂化轨道,+第49页基态 Ni2+外层电子组态为 3s23p23d8,在形成Ni(CN)42配离子时,在 CN 影响下,Ni2+用一个 3d 空轨道、一个 4s 空轨道和两个 4p 空轨道进行 dsp2 杂化,组合成四个空 dsp2 成键杂化轨道,并与四个 CN中含有孤对电子 C 原子 sp 杂化轨道重合,形成四个配位键。因为 Ni2+四个空 dsp2 成键杂化轨道构型为平面正方形,所以形成 Ni(CN)42 配离子空间构型为平面正方形。第50页 (二)sp3d 不等性杂化及相关分子空
19、间 构型 由一个 ns 轨道、三个 np 轨道和一个 nd 轨道参加不等性杂化称为 sp3d 不等性杂化,组合成五个 sp3d 杂化轨道分为能量不等两组杂化轨道,其中有三个杂化轨道位于一个平面上,能量相等,而 另外两个能量相等杂化轨道垂直于这个平面,五个杂化轨道构型为三角双锥形。两组杂化轨道成键能力不一样,有时处于一个平面上三个杂化轨道成键能力比键较强,而有时成键能力却比较弱。第51页图 10-12 sp3d 杂化轨道+第52页 基态 P 外层电子组态为 3s23p3,在形成 PF5 分子时,在 F 原子影响下,P 原子用一个 3s 轨道、三个 3p 轨道和一个 3d 轨道进行 sp3d 杂化
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