《化学键和分子结构》PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
稳定的稀有气体结构 ，即8电子构型。
最外层为2个电子的正离子。 如Li+等。
最外层为8个电子的正离子。如K+等。 2.拟稀有气体组态(18电子组态)
最外层为18个电子的正离子。如Cu+ 、Ag+、Zn2+ Cd2+ 、Sn4+、Pb4+等。 3.含惰性电子对的组态(18＋2电子组态)
次外层为18个电子, 最外层为2个电子的离子。 如Pb2+、Sn2+、Ga+等。
上页 下页 目录 返回
3. 晶格能 (lattice energy)
◆ 定义 1mol 的离子晶体解离为自由气态离子时所吸收
的能量，以符号U 表示。
MX (S)
M+ (g) + X- (g)
◆ 作用 度量离子键的强度。晶格类型相同时，U与正、
负离子电荷数成正比，与离子间距离r0成反比。
化合物
NaF NaCl NaBr NaI
上页 下页 目录 返回
量子力学处理H2分子的结果：
两个氢原子电子自旋方 式相反，靠近、重叠， 核间形成一个电子概率 密度较大的区域。 系统能量降低，形成氢 分子。
形成条件 XA – XB > 2.0
形成化学键 -450 kJ·mol-1
上页 下页 目录 返回
2. 离子键的特点
●
本质是静电引力（库仑引力） f
q q R2
● 没有方向性和饱和性（库仑引力的性质所决定）
● 键的极性与元素的电负性有关
NaCl
CsCl
上页 下页 目录 返回
离子键中键的极性
xA-xB 离子性百分率(%)
上页 下页 目录 返回
Question 3 写出 BF4- 离子的 Lewis 结构。
Solution
各原子共提供3+4×7=31个价电子；离子的一价负电 荷表明还应加一个电子。因此必须在5个原子周围画上 16 对电子的 32 个圆点。
F
F
FB F
FB F
F
F
负电荷属于整个离子而不是个别原子！
上页 下页 目录 返回
3. 有些物种的合理结构能写出不止一个。鲍林的共振
论应运而生 。
O
O
N+
O
O
O
N
O
上页 下页 目录 返回
O
O
N
O
8.4 原子轨道的重叠—价键理论
Superposition of atomic orbital — valence bond theory
有关共价键的疑问
Question Question
上页 下页 目录 返回
8.1 化学键的定义 Definition of chemical bond
1. 什么是化学键
2Na (s) + Cl2 (g) 颜色 银灰色 黄绿色 状态 固体 气体 导电性 极强 极弱
2NaCl (s)
无色 晶体 极弱，熔融导电
通电下 无变化 无变化 熔融下反应逆转
上页 下页 目录 返回
● 电子对的享用与提供电子的原子轨道间存在什么 关系？
● 怎样解释形成双键和叁键的原子间共享 2 对、3 对电子？
● 能否用原子轨道在空间的取向解释分子的几何形 状？
解决了这些问题才能揭示成键本质
上页 下页 目录 返回
一.共价作用力的本质和共价键的特点
(Nature of the covalenc force of characterizations of the covalence bond )
4. 1932年Millikan and Hund 提出了分子轨道理论(molecularorbital theroy)(非定域共价键)。
上页 下页 目录 返回
二.路易斯结构式(Lewis structural formula)
1. 按原子的键合关系写出元素符号并将相邻原子用单 键连接。在大多数情况下,原子间的键合关系是已知 的, 例如, NO2中的键合关系不是N—O—O, 而是O— N—O。
第8章
化学键与分子结构
Chapter 8 Chemical Bond and Molecular Structure
8.1 化学键的定义 8.2 离子键理论 8.3 共价键的概念与路易斯结构式 8.4 原子轨道的重叠 — 价键理论 8.5 价层电子对互斥理论 8.6 分子轨道理论 8.7 金属键理论 8.8 分子的极性 8.9 分子间作用力和氢键 8.10 晶体结构简介
1. 价键理论(valence bond theory)基本观点
带有相反电荷的两个离子(例如A+和B-)彼引接近的过 程中, 系统能量的变化可表示为两核之间距离的函数。
曲线的最低点相应于吸引力等于 排斥力的状态, 该状态下两核间的平 衡距离 R0 叫做核间距(符号为 d )，与 核间距 d 对应的势能(Ed)则是由气态 正、负离子形成离子键过程中放出的 能量。Biblioteka 计算值 (波恩-兰达公式)
1008 811.3 766.1 708.4 902.0 755.2 718.8 663.2 797.5 687.4 659.8 623.0
最佳值
1033 845.2 797.9 739.7 915.0 788.0 739.3 692.0 813.4 708.8 679.5 640.2
上页 下页 目录 返回
4. 不规则组态(9～17电子组态) 不饱和电子构型, 最外层为9～17个电子的离子。
如Fe2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等。
不同类型的正离子对同种负离子的结合力大小:
< 8 电子构
型的离子
9～17电子层
构型的离子 <
18或18+2 电子
层构型的 离子
NaCl中的Na+属于8电子构型，CuCl中的Cu+属于 18电子构型，这是造成它们性质上差异的主要原因。 值得注意的是：90%以上的化合物不属于离子化合物，
一. 离子键及其特点
1. 离子键的形成
-ne-
nNa 1) ( I3 1 4 s 9 km J 6 1o lnN(a2 22s6p ) 静 电 引 力nNaCl
n e-
n Cl23 (5 3 ) p s E 3 4 k8 m J . 1 7 o ln C (l3 23s6p )
3 223
256
3 054
2 852 2 614 2 430 1 918
上页 下页 目录 返回
晶格能可以通过各种 方法计算得到（本课程不 要求），最常用的有以下 几种方法：
● 波恩-哈勃循环 ● 玻恩-兰达公式
● 水合能循环法
f Hθ
SI 1D(E)(U) 2
Uf
Hθ
SI
1DE 2
上页 下页 目录 返回
离子电荷
+1,-1 +1,-1 +1,-1 +1,-1
ro/pm ΔU/kJ·mol-1
231
923
282
786
298
747
323
704
t (m. p.)/℃
993 801 747 661
MgO CaO SrO BaO
+2,-2 +2,-2 +2,-2 +2,-2
210
3 791
240
3 401
257
不存在电子转移，产生正负离子。
上页 下页 目录 返回
8.3 共价键的概念与路易斯结构式
Concept of the covalent bon theory and
Lewis structura formula
一.共价键的相关概念
(Concepts of the covalent bond theory)
晶格能主要用来衡量离子键的强弱。其值越大, 晶格 越稳定, 该化合物熔点越高, 硬度越大。
上页 下页 目录 返回
二. 离子化合物主要通性:
1. 离子间静电引力较强, 且无方向性和饱和性因此离子键一般 都比较强。
2. 由于上述原因, 表现在离子化合物有较高的熔点和沸点, 且离 子半径小, 离子电荷高, 离子键就越强, 其化合物有更高的熔 点和沸点。 如: NaF(1268K), NaCl(1073K), NaBr(1023K), NaI (924K)。
3. 有较大的硬度。 4. 在极性溶剂中有较大的溶解度。 5. 固体是几乎不导电, 熔融时或在水溶液中有明显的导电能力。
上页 下页 目录 返回
三.离子的电子构型 (electronic configuration)
1.稀有气体组态(8电子和2电子组态) 一般简单的负离子, 如F-, Cl-, O2-, 等的最外层都为
不同的外在性质反映了不同的内部结构
各自内部的结合力不同
Pauling L在《The Nature of The Chemical Bond》中 提出了用得最广泛的化学键定义：如果两个原子（或原子 团）之间的作用力强得足以形成足够稳定的、可被化学家 看作独立分子物种的聚集体，它们之间就存在化学键。简 单地说，化学键是指分子内部原子之间的强相互作用力。
上页 下页 目录 返回
Question 2 写出 NO+ 离子的路易斯结构式。
Solution
NO+ 离子只可能有一种排布方式，见下图最右边一个：
+ NO NO
+ NO
+ NO
NO +
NO+ 离子中价电子总数等于10 ，扣除 1 个单键的 2 个电子， 余下的 8 个电子无论按上图中第一个那样以 孤对方式分配给两个原子，还是按上图中第二或第三个 那样将 N－O 单键改为双键，都不能使两个原子同时满 足八隅律的要求。这一要求只有将单键改为叁键才能满 足。
2. 将各原子的价电子数相加, 算出可供利用的价电子总 数。如果被表达的物种带有电荷, 则价电子总数应减 去正、负电荷数。
3. 扣除与共价单键相应的电子数(单键数×2)后，将 剩余的价电子分配给每个原子, 使其占有适当数目 的非键合电子。
4. 如果剩余的电子不够安排，可将一些单键改为双键 或叁键。
上页 下页 目录 返回
上页 下页 目录 返回
2. 已明确了的化学键类型
电
离子配键
价 键
离子键 电价配键 离子偶极配键
配
电子对键 极 性 键 共价配键 键
化 学 键
共 价 键
双原 子共 价键
多原 子共
（单、双、 叁键）
非极性键
单电子键
三电子键
共轭 π 键
金 价键 多中心键
属
键
上页 下页 目录 返回
8.2 离子键理论 Ionic bond theory
1. 1916年G. N. Lewis 在假定化学键所涉及 的每一对电子处于两个相邻原子之间为其 共享，用A—B表示。双键和叁键相应于两 对或三对共享电子。分子的稳定性是因为 共享电子对服从“八隅律”(octet rule)。建 立了经典的共价键理论。
上页 下页 目录 返回
Gilbert Newton Lewis (1875-1946)
路易斯结构式的局限性
limitations
1. [SiF6]2-，PCl5 和 SF6 中的中心原子价层 电子数分 别为 12，10 和 12 (超价化合物)。
2. 对于 氧分子的结构，显然后两种表示方法对。
•• ••
O O • •
•
•
•••
O O •
•
•
•
•••
O O • • • • •
• ••• •
美国物理化学家
2. 1927年Heitler-London用量子力学处理H2获得成功, 阐明了 共价键 的本质。
3. 1931年Pauling和Slater提出了现代价键理论(Valence bond theory)VB法和杂化轨道理论(hybrid orbital theory)(定域 共价键)。
Question 1
写出氯酸根离子
Cl
O
3
的路易斯
结构式。
Solution
Cl 原子的电负性小于 O 原子，意味着不存在 O－O
之间的键合. 合理的排布应该如下所示：
O
O
Cl
O
O
Cl
O
O
ClO3 离子中价电子总数等于26，扣除3个单键的6 个电子，余下的20个电子以孤对方式分配给四个原子, 使
它们均满足八隅律的要求。
92
上页 下页 目录 返回
绝对的, 百分之百的离子型化合物是没有的。 在CsF中, 离子性约占92%. 一般用离子性的百分数来表示键的离子性相对于共价性 的大小. 元素电负性差越大, 它们之间形成的化学键的离子性成分 也越大。 电负性差为1.7时, 单键约有50%的离子性。 NaCl的电负性差为2.23, 是典型的离子型化合物(72%)。
碱金属卤化物的晶格能
Lattice energy
卤化物
实验值 (热化学循环 )
LiF LiCl LiBr LiI NaF NaCl NaBr NaI KF KCl KBr KI
1004 840.1 781.2 718.4 914.2 770.3 728.4 680.7 812.1 701.2 671.1 632.2
与 0.2
元素电负性的关系
0.4 0.6
01 04 09
0.8
15
1.0
22
1.2
30
1.4
39
1.6
47
1.8
55
2.0
63
2.2
70
2.4
76
也可用 Hannay & Smyth 公式 2.6
82
来计算键的离子性。
2.8
86
3.0
89
离子性=[16(△x)+3.5 (△x)2]×100% 3.2
最外层为2个电子的正离子。 如Li+等。
最外层为8个电子的正离子。如K+等。 2.拟稀有气体组态(18电子组态)
最外层为18个电子的正离子。如Cu+ 、Ag+、Zn2+ Cd2+ 、Sn4+、Pb4+等。 3.含惰性电子对的组态(18＋2电子组态)
次外层为18个电子, 最外层为2个电子的离子。 如Pb2+、Sn2+、Ga+等。
上页 下页 目录 返回
3. 晶格能 (lattice energy)
◆ 定义 1mol 的离子晶体解离为自由气态离子时所吸收
的能量，以符号U 表示。
MX (S)
M+ (g) + X- (g)
◆ 作用 度量离子键的强度。晶格类型相同时，U与正、
负离子电荷数成正比，与离子间距离r0成反比。
化合物
NaF NaCl NaBr NaI
上页 下页 目录 返回
量子力学处理H2分子的结果：
两个氢原子电子自旋方 式相反，靠近、重叠， 核间形成一个电子概率 密度较大的区域。 系统能量降低，形成氢 分子。
形成条件 XA – XB > 2.0
形成化学键 -450 kJ·mol-1
上页 下页 目录 返回
2. 离子键的特点
●
本质是静电引力（库仑引力） f
q q R2
● 没有方向性和饱和性（库仑引力的性质所决定）
● 键的极性与元素的电负性有关
NaCl
CsCl
上页 下页 目录 返回
离子键中键的极性
xA-xB 离子性百分率(%)
上页 下页 目录 返回
Question 3 写出 BF4- 离子的 Lewis 结构。
Solution
各原子共提供3+4×7=31个价电子；离子的一价负电 荷表明还应加一个电子。因此必须在5个原子周围画上 16 对电子的 32 个圆点。
F
F
FB F
FB F
F
F
负电荷属于整个离子而不是个别原子！
上页 下页 目录 返回
3. 有些物种的合理结构能写出不止一个。鲍林的共振
论应运而生 。
O
O
N+
O
O
O
N
O
上页 下页 目录 返回
O
O
N
O
8.4 原子轨道的重叠—价键理论
Superposition of atomic orbital — valence bond theory
有关共价键的疑问
Question Question
上页 下页 目录 返回
8.1 化学键的定义 Definition of chemical bond
1. 什么是化学键
2Na (s) + Cl2 (g) 颜色 银灰色 黄绿色 状态 固体 气体 导电性 极强 极弱
2NaCl (s)
无色 晶体 极弱，熔融导电
通电下 无变化 无变化 熔融下反应逆转
上页 下页 目录 返回
● 电子对的享用与提供电子的原子轨道间存在什么 关系？
● 怎样解释形成双键和叁键的原子间共享 2 对、3 对电子？
● 能否用原子轨道在空间的取向解释分子的几何形 状？
解决了这些问题才能揭示成键本质
上页 下页 目录 返回
一.共价作用力的本质和共价键的特点
(Nature of the covalenc force of characterizations of the covalence bond )
4. 1932年Millikan and Hund 提出了分子轨道理论(molecularorbital theroy)(非定域共价键)。
上页 下页 目录 返回
二.路易斯结构式(Lewis structural formula)
1. 按原子的键合关系写出元素符号并将相邻原子用单 键连接。在大多数情况下,原子间的键合关系是已知 的, 例如, NO2中的键合关系不是N—O—O, 而是O— N—O。
第8章
化学键与分子结构
Chapter 8 Chemical Bond and Molecular Structure
8.1 化学键的定义 8.2 离子键理论 8.3 共价键的概念与路易斯结构式 8.4 原子轨道的重叠 — 价键理论 8.5 价层电子对互斥理论 8.6 分子轨道理论 8.7 金属键理论 8.8 分子的极性 8.9 分子间作用力和氢键 8.10 晶体结构简介
1. 价键理论(valence bond theory)基本观点
带有相反电荷的两个离子(例如A+和B-)彼引接近的过 程中, 系统能量的变化可表示为两核之间距离的函数。
曲线的最低点相应于吸引力等于 排斥力的状态, 该状态下两核间的平 衡距离 R0 叫做核间距(符号为 d )，与 核间距 d 对应的势能(Ed)则是由气态 正、负离子形成离子键过程中放出的 能量。Biblioteka 计算值 (波恩-兰达公式)
1008 811.3 766.1 708.4 902.0 755.2 718.8 663.2 797.5 687.4 659.8 623.0
最佳值
1033 845.2 797.9 739.7 915.0 788.0 739.3 692.0 813.4 708.8 679.5 640.2
上页 下页 目录 返回
4. 不规则组态(9～17电子组态) 不饱和电子构型, 最外层为9～17个电子的离子。
如Fe2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等。
不同类型的正离子对同种负离子的结合力大小:
< 8 电子构
型的离子
9～17电子层
构型的离子 <
18或18+2 电子
层构型的 离子
NaCl中的Na+属于8电子构型，CuCl中的Cu+属于 18电子构型，这是造成它们性质上差异的主要原因。 值得注意的是：90%以上的化合物不属于离子化合物，
一. 离子键及其特点
1. 离子键的形成
-ne-
nNa 1) ( I3 1 4 s 9 km J 6 1o lnN(a2 22s6p ) 静 电 引 力nNaCl
n e-
n Cl23 (5 3 ) p s E 3 4 k8 m J . 1 7 o ln C (l3 23s6p )
3 223
256
3 054
2 852 2 614 2 430 1 918
上页 下页 目录 返回
晶格能可以通过各种 方法计算得到（本课程不 要求），最常用的有以下 几种方法：
● 波恩-哈勃循环 ● 玻恩-兰达公式
● 水合能循环法
f Hθ
SI 1D(E)(U) 2
Uf
Hθ
SI
1DE 2
上页 下页 目录 返回
离子电荷
+1,-1 +1,-1 +1,-1 +1,-1
ro/pm ΔU/kJ·mol-1
231
923
282
786
298
747
323
704
t (m. p.)/℃
993 801 747 661
MgO CaO SrO BaO
+2,-2 +2,-2 +2,-2 +2,-2
210
3 791
240
3 401
257
不存在电子转移，产生正负离子。
上页 下页 目录 返回
8.3 共价键的概念与路易斯结构式
Concept of the covalent bon theory and
Lewis structura formula
一.共价键的相关概念
(Concepts of the covalent bond theory)
晶格能主要用来衡量离子键的强弱。其值越大, 晶格 越稳定, 该化合物熔点越高, 硬度越大。
上页 下页 目录 返回
二. 离子化合物主要通性:
1. 离子间静电引力较强, 且无方向性和饱和性因此离子键一般 都比较强。
2. 由于上述原因, 表现在离子化合物有较高的熔点和沸点, 且离 子半径小, 离子电荷高, 离子键就越强, 其化合物有更高的熔 点和沸点。 如: NaF(1268K), NaCl(1073K), NaBr(1023K), NaI (924K)。
3. 有较大的硬度。 4. 在极性溶剂中有较大的溶解度。 5. 固体是几乎不导电, 熔融时或在水溶液中有明显的导电能力。
上页 下页 目录 返回
三.离子的电子构型 (electronic configuration)
1.稀有气体组态(8电子和2电子组态) 一般简单的负离子, 如F-, Cl-, O2-, 等的最外层都为
不同的外在性质反映了不同的内部结构
各自内部的结合力不同
Pauling L在《The Nature of The Chemical Bond》中 提出了用得最广泛的化学键定义：如果两个原子（或原子 团）之间的作用力强得足以形成足够稳定的、可被化学家 看作独立分子物种的聚集体，它们之间就存在化学键。简 单地说，化学键是指分子内部原子之间的强相互作用力。
上页 下页 目录 返回
Question 2 写出 NO+ 离子的路易斯结构式。
Solution
NO+ 离子只可能有一种排布方式，见下图最右边一个：
+ NO NO
+ NO
+ NO
NO +
NO+ 离子中价电子总数等于10 ，扣除 1 个单键的 2 个电子， 余下的 8 个电子无论按上图中第一个那样以 孤对方式分配给两个原子，还是按上图中第二或第三个 那样将 N－O 单键改为双键，都不能使两个原子同时满 足八隅律的要求。这一要求只有将单键改为叁键才能满 足。
2. 将各原子的价电子数相加, 算出可供利用的价电子总 数。如果被表达的物种带有电荷, 则价电子总数应减 去正、负电荷数。
3. 扣除与共价单键相应的电子数(单键数×2)后，将 剩余的价电子分配给每个原子, 使其占有适当数目 的非键合电子。
4. 如果剩余的电子不够安排，可将一些单键改为双键 或叁键。
上页 下页 目录 返回
上页 下页 目录 返回
2. 已明确了的化学键类型
电
离子配键
价 键
离子键 电价配键 离子偶极配键
配
电子对键 极 性 键 共价配键 键
化 学 键
共 价 键
双原 子共 价键
多原 子共
（单、双、 叁键）
非极性键
单电子键
三电子键
共轭 π 键
金 价键 多中心键
属
键
上页 下页 目录 返回
8.2 离子键理论 Ionic bond theory
1. 1916年G. N. Lewis 在假定化学键所涉及 的每一对电子处于两个相邻原子之间为其 共享，用A—B表示。双键和叁键相应于两 对或三对共享电子。分子的稳定性是因为 共享电子对服从“八隅律”(octet rule)。建 立了经典的共价键理论。
上页 下页 目录 返回
Gilbert Newton Lewis (1875-1946)
路易斯结构式的局限性
limitations
1. [SiF6]2-，PCl5 和 SF6 中的中心原子价层 电子数分 别为 12，10 和 12 (超价化合物)。
2. 对于 氧分子的结构，显然后两种表示方法对。
•• ••
O O • •
•
•
•••
O O •
•
•
•
•••
O O • • • • •
• ••• •
美国物理化学家
2. 1927年Heitler-London用量子力学处理H2获得成功, 阐明了 共价键 的本质。
3. 1931年Pauling和Slater提出了现代价键理论(Valence bond theory)VB法和杂化轨道理论(hybrid orbital theory)(定域 共价键)。
Question 1
写出氯酸根离子
Cl
O
3
的路易斯
结构式。
Solution
Cl 原子的电负性小于 O 原子，意味着不存在 O－O
之间的键合. 合理的排布应该如下所示：
O
O
Cl
O
O
Cl
O
O
ClO3 离子中价电子总数等于26，扣除3个单键的6 个电子，余下的20个电子以孤对方式分配给四个原子, 使
它们均满足八隅律的要求。
92
上页 下页 目录 返回
绝对的, 百分之百的离子型化合物是没有的。 在CsF中, 离子性约占92%. 一般用离子性的百分数来表示键的离子性相对于共价性 的大小. 元素电负性差越大, 它们之间形成的化学键的离子性成分 也越大。 电负性差为1.7时, 单键约有50%的离子性。 NaCl的电负性差为2.23, 是典型的离子型化合物(72%)。
碱金属卤化物的晶格能
Lattice energy
卤化物
实验值 (热化学循环 )
LiF LiCl LiBr LiI NaF NaCl NaBr NaI KF KCl KBr KI
1004 840.1 781.2 718.4 914.2 770.3 728.4 680.7 812.1 701.2 671.1 632.2
与 0.2
元素电负性的关系
0.4 0.6
01 04 09
0.8
15
1.0
22
1.2
30
1.4
39
1.6
47
1.8
55
2.0
63
2.2
70
2.4
76
也可用 Hannay & Smyth 公式 2.6
82
来计算键的离子性。
2.8
86
3.0
89
离子性=[16(△x)+3.5 (△x)2]×100% 3.2