化学键及分子结构.pptx
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1、4-1 4-1 4-1 4-1 离子键理论离子键理论离子键理论离子键理论1916年德国科学家年德国科学家Kossel(科塞尔科塞尔)提出离子键理论提出离子键理论1-11-1离子键的形成离子键的形成离子键的形成离子键的形成(以以NaCl为例为例)化学键化学键分子中的两个(或多个)原子之间的相互作用分子中的两个(或多个)原子之间的相互作用第一步第一步电子转移形成离子:电子转移形成离子:NaeNa+,Cl+eCl相应的电子构型变化:相应的电子构型变化:2s22p63s12s22p6,3s23p53s23p6形成形成Ne和和Ar的稀有气体原子的结构,形成稳定离子。的稀有气体原子的结构,形成稳定离子。第
2、四章第四章 化学键与分子结构化学键与分子结构第二步第二步靠静电吸引,靠静电吸引,形成化学键形成化学键。体系的势能与核间距之间的关系如图所示:体系的势能与核间距之间的关系如图所示:纵坐标的零点纵坐标的零点当当r无穷大时,即两核之间无限远时的势能。无穷大时,即两核之间无限远时的势能。下面来考察下面来考察Na+和和Cl彼此接近的过程中,势能彼此接近的过程中,势能V的变化。的变化。图中可见:图中可见:rr0,当当r减小时,正负离子靠静电相互吸引,减小时,正负离子靠静电相互吸引,势能势能V减小,体系趋于稳定。减小,体系趋于稳定。r 为核间距V为体系的势能V0Vr0r0rr=r0,V有极小值,有极小值,此
3、时体系此时体系最稳定,表明形成离子键。最稳定,表明形成离子键。r1.7,发生电子转移,产生正、负离子,形成离子键;发生电子转移,产生正、负离子,形成离子键;X1.7,实际实际上是指离子键的成分大于上是指离子键的成分大于50%)2.易形成稳定离子易形成稳定离子Na+2s22p6,Cl3s23p6,只转移少数的电子就只转移少数的电子就达到稀有气体式稳定结构。达到稀有气体式稳定结构。3.形成离子键时释放能量多形成离子键时释放能量多Na(s)+1/2Cl2(g)=NaCl(s)H=410.9kJmol1在形成离子键时,以放热的形式,释放较多的能量。在形成离子键时,以放热的形式,释放较多的能量。离子键离
4、子键离子键离子键由原子间发生电子的转移,形成正负离子,由原子间发生电子的转移,形成正负离子,由原子间发生电子的转移,形成正负离子,由原子间发生电子的转移,形成正负离子,并通过静电作用而形成的化学键并通过静电作用而形成的化学键并通过静电作用而形成的化学键并通过静电作用而形成的化学键n n离子型化合物离子型化合物离子型化合物离子型化合物由离子键形成的化合物由离子键形成的化合物由离子键形成的化合物由离子键形成的化合物 碱金属和碱土金属(碱金属和碱土金属(碱金属和碱土金属(碱金属和碱土金属(BeBe除外)的卤化物是典型的离子除外)的卤化物是典型的离子除外)的卤化物是典型的离子除外)的卤化物是典型的离子
5、型化合物型化合物型化合物型化合物1-2离子键的特征离子键的特征(1)作用力的实质是静电引力作用力的实质是静电引力 q1,q2分别为正负离子所带电量分别为正负离子所带电量,r为正负离子的核间距离为正负离子的核间距离,F为静电引力。为静电引力。(2)离子键没有方向性)离子键没有方向性与任何方向的电性不同的离子相吸引,所以无方向性与任何方向的电性不同的离子相吸引,所以无方向性(3)离子键没有饱和性)离子键没有饱和性只要是正负离子之间,则彼此吸引,即无饱和性。只要是正负离子之间,则彼此吸引,即无饱和性。(4 4)键的离子性与元素的电负性有关)键的离子性与元素的电负性有关)键的离子性与元素的电负性有关)
6、键的离子性与元素的电负性有关 X1.7,发生电子转移,形成离子键;发生电子转移,形成离子键;X1.7,不发生电子转移,形成共价键。不发生电子转移,形成共价键。但离子键和共价键之间,并非可以截然区分的。但离子键和共价键之间,并非可以截然区分的。可将离子键视为极性共价键的一个极端,可将离子键视为极性共价键的一个极端,而另一极端则为非极性共价键。而另一极端则为非极性共价键。1-3 1-3 离子的特征离子的特征离子的特征离子的特征从离子键的实质是静电引力从离子键的实质是静电引力F q1q2/r2出发,影响出发,影响离子键强度离子键强度的因素有:离子的电荷的因素有:离子的电荷q、离子的电子层构型离子的电
7、子层构型和离子半径和离子半径r(即离子的三个重要特征)即离子的三个重要特征)。(1)离子的电荷)离子的电荷(2)离子的电子层构型)离子的电子层构型电荷高,离子键强电荷高,离子键强离子的电子层构型大致有离子的电子层构型大致有离子的电子层构型大致有离子的电子层构型大致有5 5种种种种(1 1)2 2电子构型电子构型电子构型电子构型(2 2)8 8电子构型电子构型电子构型电子构型(3 3)1818电子构型电子构型电子构型电子构型(4 4)()()()(18+218+2)电子构型)电子构型)电子构型)电子构型(5 5)8 8 18 18电子构型电子构型电子构型电子构型在离子的半径和电荷大致相同条件下,
8、不同构型的正离子对在离子的半径和电荷大致相同条件下,不同构型的正离子对在离子的半径和电荷大致相同条件下,不同构型的正离子对在离子的半径和电荷大致相同条件下,不同构型的正离子对同种负离子的结合力的大小规律:同种负离子的结合力的大小规律:同种负离子的结合力的大小规律:同种负离子的结合力的大小规律:8 8电子层构型的离子电子层构型的离子电子层构型的离子电子层构型的离子881717电子层构型的离子电子层构型的离子电子层构型的离子电子层构型的离子1818或或或或18+218+2电子层构型的离子电子层构型的离子电子层构型的离子电子层构型的离子(3)离子半径)离子半径离子半径概念离子半径概念将离子晶体中的离
9、子看成是相切的球将离子晶体中的离子看成是相切的球体,正负离子的核间距体,正负离子的核间距d是是r+和和r之和之和。dr+r-d值可由晶体的值可由晶体的X射线衍射实验测定得到,射线衍射实验测定得到,例如例如MgOd=210pm。1926年,哥德希密特年,哥德希密特(Goldschmidt)用光学方法测得了用光学方法测得了F和和O2的半径,分别为的半径,分别为133pm和和132pm。结合结合X射线衍射所得的射线衍射所得的d值,得到一系列离子半径。值,得到一系列离子半径。=dMgO=210132=78(pm)这种半径为哥德希密特半径这种半径为哥德希密特半径。1927年,年,Pauling把最外层电
10、子到核的距离,定义为离把最外层电子到核的距离,定义为离子半径。并利用有效核电荷等数据,求出一套离子半径子半径。并利用有效核电荷等数据,求出一套离子半径数值,被称为数值,被称为Pauling半径半径。教材上两套数据均列出。在比较半径大小和讨论变化教材上两套数据均列出。在比较半径大小和讨论变化规律时,多采用规律时,多采用Pauling半径半径。离子半径的变化规律离子半径的变化规律a)同主族从上到下,电子层增加,具有相同电荷数的离子半径增加。同主族从上到下,电子层增加,具有相同电荷数的离子半径增加。Li+Na+K+Rb+Cs+FClBrMg2+Al3+K+Ca2+过渡元素,离子半径变化规律不明显过渡
11、元素,离子半径变化规律不明显。c)同一元素,不同价态的离子,电荷高的半径小。同一元素,不同价态的离子,电荷高的半径小。如如Ti4+Ti3+;Fe3+0.414r+/r0,DD2D3,为什么?为什么?ENH=390.5(kJmol1)(3)键长)键长分子中成键两原子核之间的距离叫键长。分子中成键两原子核之间的距离叫键长。一般键长越小,键越强。一般键长越小,键越强。键长键长/pm键能键能/kJmol-1CC154345.6C=C133602.0C C120835.1在不同化合物中,相同的键,键长和键能并不相等。在不同化合物中,相同的键,键长和键能并不相等。例如,例如,CH3OH中和中和C2H6中均
12、有中均有CH键,而它们的键长和键能不同。键,而它们的键长和键能不同。(4)键角)键角键角是分子中键与键之间的夹角,在多原子分子中才涉及键角。键角是分子中键与键之间的夹角,在多原子分子中才涉及键角。如如H2S,HSH键角为键角为92,决定了,决定了H2S分子的分子的构型为构型为“V”字形字形又如又如CO2,OCO的键角为的键角为180,则,则CO2分子为直分子为直线形线形。键角是决定分子几何构型的重要因素。键角是决定分子几何构型的重要因素。(5)键的级性)键的级性2-6分子晶体和原子晶体分子晶体和原子晶体在分子晶体的晶格结点上排列的都是中性分子。虽然分子内部各原子是在分子晶体的晶格结点上排列的都
13、是中性分子。虽然分子内部各原子是以强的共价键相结合,但分子之间是以较弱的范德华力相结合的。以二氧化以强的共价键相结合,但分子之间是以较弱的范德华力相结合的。以二氧化碳晶体(图碳晶体(图5-29)为例,它呈面心结构,)为例,它呈面心结构,CO2分子分别占据立方体的分子分别占据立方体的8个顶点个顶点和和6个面的中心位置,分子内部是以个面的中心位置,分子内部是以C=O共价键结合,而在晶体中共价键结合,而在晶体中CO2分子分子间只存在色散力。而另一些如固体氯化氢、氨、三氯化磷、冰等由极性键构间只存在色散力。而另一些如固体氯化氢、氨、三氯化磷、冰等由极性键构成的极性分子,晶体中分子间存在色散力、取向力、
14、诱导力,有的还有氢键,成的极性分子,晶体中分子间存在色散力、取向力、诱导力,有的还有氢键,所以它们的结点上的粒子间作用力大于相对分子质量相近的非极性分子之间所以它们的结点上的粒子间作用力大于相对分子质量相近的非极性分子之间的引力。分子晶体与离子晶体、原子晶体有所不同,它是以独立的分子出现,的引力。分子晶体与离子晶体、原子晶体有所不同,它是以独立的分子出现,因此,化学式也就是它的分子式。属于分子晶体的有非金属单质,如卤素、因此,化学式也就是它的分子式。属于分子晶体的有非金属单质,如卤素、H2、N2、O2;也有非金属化合物,如也有非金属化合物,如CO2、H2S、HCl、HN3等,以及绝大部等,以及
15、绝大部分的有机化合物。在稀有气体的晶体中,虽然在晶格结点上是原子,但这些分的有机化合物。在稀有气体的晶体中,虽然在晶格结点上是原子,但这些原子间并不存在化学键,所以称为单原子分子晶体。原子间并不存在化学键,所以称为单原子分子晶体。(1)分子晶体)分子晶体n n由于分子之间引力很弱,只要供由于分子之间引力很弱,只要供由于分子之间引力很弱,只要供由于分子之间引力很弱,只要供给较少的能量,晶体就会被破坏,给较少的能量,晶体就会被破坏,给较少的能量,晶体就会被破坏,给较少的能量,晶体就会被破坏,所以分子晶体的硬度较小,熔点所以分子晶体的硬度较小,熔点所以分子晶体的硬度较小,熔点所以分子晶体的硬度较小,
16、熔点也较低,挥发性大,在常温下以也较低,挥发性大,在常温下以也较低,挥发性大,在常温下以也较低,挥发性大,在常温下以气体或液体存在。即使在常温下气体或液体存在。即使在常温下气体或液体存在。即使在常温下气体或液体存在。即使在常温下呈固态的,其挥发性大,蒸气压呈固态的,其挥发性大,蒸气压呈固态的,其挥发性大,蒸气压呈固态的,其挥发性大,蒸气压高,常具有升华性,如碘(高,常具有升华性,如碘(高,常具有升华性,如碘(高,常具有升华性,如碘(I I2 2)、)、)、)、萘(萘(萘(萘(C C1010HH8 8)等。分子晶体结点等。分子晶体结点等。分子晶体结点等。分子晶体结点上是电中性分子,故固态和熔融上
17、是电中性分子,故固态和熔融上是电中性分子,故固态和熔融上是电中性分子,故固态和熔融态时都不导电,它们都是性能较态时都不导电,它们都是性能较态时都不导电,它们都是性能较态时都不导电,它们都是性能较好的绝缘材料,尤其键能大的非好的绝缘材料,尤其键能大的非好的绝缘材料,尤其键能大的非好的绝缘材料,尤其键能大的非极性分子如极性分子如极性分子如极性分子如SFSF6 6等是工业上极好等是工业上极好等是工业上极好等是工业上极好的气体绝缘材料。的气体绝缘材料。的气体绝缘材料。的气体绝缘材料。(2)原子晶体)原子晶体在原子晶体的晶格结点上排列着中在原子晶体的晶格结点上排列着中性原子,原子间以坚强的共价键相性原子
18、,原子间以坚强的共价键相结合,如单质硅(结合,如单质硅(Si)、)、金钢石金钢石(C)、)、二氧化硅(二氧化硅(SiO2)、)、碳化碳化硅(硅(SiC)金刚砂、金刚石(金刚砂、金刚石(C)和氮化硼和氮化硼BN(立方)等。以典型立方)等。以典型原子晶体二氧化硅晶体(原子晶体二氧化硅晶体(SiO2方石方石英)为例,每一个硅原子位于正四英)为例,每一个硅原子位于正四而体的中心,氧原子位于正四面体而体的中心,氧原子位于正四面体的顶点,每一个氧原子和两硅原子的顶点,每一个氧原子和两硅原子相连。如果这种连接向整个空间延相连。如果这种连接向整个空间延伸,就形成了三维网状结构的巨型伸,就形成了三维网状结构的巨
19、型“分子分子”。原子晶体具有很大的硬度、很高原子晶体具有很大的硬度、很高的熔点、不导电、不易溶于任何溶的熔点、不导电、不易溶于任何溶剂,化学性质十分稳定。例如金刚剂,化学性质十分稳定。例如金刚石,由于碳原子半径较小,共价键石,由于碳原子半径较小,共价键的强度很大,要破坏的强度很大,要破坏4个共价键或个共价键或扭歪键角都需要很大能量,所以金扭歪键角都需要很大能量,所以金刚石的硬度最大,熔点达刚石的硬度最大,熔点达3570,是所有单质中最高的。又如立方是所有单质中最高的。又如立方BN的硬度近于金刚石。因此,原的硬度近于金刚石。因此,原子晶体在工业上多被用作耐磨、耐子晶体在工业上多被用作耐磨、耐熔或
20、耐火材料。金刚石、金刚砂都熔或耐火材料。金刚石、金刚砂都是极重要的磨料;是极重要的磨料;SiO2是应用极广是应用极广的耐火材料;石英和它的变体,如的耐火材料;石英和它的变体,如水晶、紫晶、燧石和玛瑙等,是工水晶、紫晶、燧石和玛瑙等,是工业上的贵重材料;业上的贵重材料;SiC、BN(立方)立方)、Si3N4等是性能良好的高温结构等是性能良好的高温结构材料。材料。4-3金属键理论金属键理论3-1金属键的改性共价键理论金属键的改性共价键理论金属键的形象说法是,失去电子的金属离子浸在自由电子的金属键的形象说法是,失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中。海洋中。金属离子通过吸引自由电子联系在一起,形成金
21、属晶体金属离子通过吸引自由电子联系在一起,形成金属晶体。这。这就是金属键。就是金属键。金属键无方向性,无固定的键能,金属键的强弱和自由电金属键无方向性,无固定的键能,金属键的强弱和自由电子子的多少有关,也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关,的多少有关,也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关,很复杂。很复杂。金属键的强弱可以用金属原子化热等来衡量。金属键的强弱可以用金属原子化热等来衡量。金属原子化热金属原子化热是指是指1mol金属变成气态原子所需要的热量。金属原子化热数值金属变成气态原子所需要的热量。金属原子化热数值小时小时,其熔点低其熔点低,质地软质地软;反之则熔点高反之则熔点高,硬
22、度大。硬度大。例如例如NaAl原子化热原子化热108.4kJmol1326.4kJmol1m.p.97.5660b.p.8801800金属可以吸收波长范围极广的光,并重新反射出,故金属晶金属可以吸收波长范围极广的光,并重新反射出,故金属晶体不透明,且有金属光泽。体不透明,且有金属光泽。金属受外力发生变形时,金属键不被破坏,故金属有很好的金属受外力发生变形时,金属键不被破坏,故金属有很好的延展性,与离子晶体的情况相反。延展性,与离子晶体的情况相反。在外电压的作用下,自由电子可以定向移动,故有导电性在外电压的作用下,自由电子可以定向移动,故有导电性。受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞
23、,传递能受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞,传递能量。故金属是热的良导体。量。故金属是热的良导体。自由电子自由电子+金属离子金属离子金属原子金属原子位错位错+3-2金属键的能带理论金属键的能带理论理论要点理论要点(1)电子是离域的)电子是离域的所有电子属于金属晶体,或说为整个金属大分子所共有,不所有电子属于金属晶体,或说为整个金属大分子所共有,不再属于哪个原子。我们称电子是离域的再属于哪个原子。我们称电子是离域的。(2)组成金属能带)组成金属能带(EnergyBand)Na2有分子轨道有分子轨道3s3s 3s 3s*也可以写成也可以写成3s3s 3s 3s*Na晶体中晶体中,n个
24、个3s轨道组成轨道组成n条分子轨道条分子轨道。这这n条分子轨条分子轨道之间能量差小道之间能量差小,电子跃迁所需能量小电子跃迁所需能量小。这些能量相近的能级组这些能量相近的能级组成能带。成能带。能带的能量范围很宽能带的能量范围很宽,有时可达数百有时可达数百kJmol1。Na的的n个个3s轨道,形成轨道,形成n个个Na金属的分子轨道金属的分子轨道3s能带。能带。.能带如下图所示能带如下图所示(3)满带)满带导带和空带导带和空带以以Li为例为例,1s22s12p01s轨道充满电子轨道充满电子,故组成的能带充满电子故组成的能带充满电子,称为满带。称为满带。2s轨道电子半充满轨道电子半充满,组成的能带电
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