高中化学竞赛课件,知识点及练习-分子结构

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436 kJmol1,两个氢原子之间形成了稳定的 共价键,形成了氢分子。
自旋方向相同
自旋方向相反
• 由于两个氢原子的1s原子轨道互相叠加,两
个1s 都是正值,叠加后使核间的电子云密
度加大,这叫做原子轨道的重叠,在两个原 子之间出现了一个电子云密度较大的区域。
一方面降低了两核间的正电排斥,另一 方面又增强了两核对电子云密度大的区域的 吸引,这都有利于体系势能的降低,有利于 形成稳定的化学键。
共价键性质
1) 头碰头——σ键 ,肩并肩——π键 2) π键的重叠程度不及σ键,键能较小,键的
活泼性较大,是化学反应的积极参与者。 3) 所有共价单键均为σ键,共价双键中有一个
σ键和一个π键。 4) 普通σ键和π键为
定域键,多个原子 间构成的大π键为 离域键。
O原子的电子构型: 1s2、2s2 、 2px2 、 2py1 、 2pz1
共价键的键型
(1)σ键:原子轨道沿两核间的联线
(键轴)方向进行同号重叠(头碰头)
ss
sp
pp
(2)π键:两原子轨道垂直核间联线并相 互平行进行同号重叠(肩并肩)。
共价键的类型
共价键有两种——σ键和π键,按对称性匹配原则
处理。
σ键
绕键轴运动不破坏键
π键
轨道侧面不能转动
用VB法讨论N2的形成
• N原子的电子构型为1s2、2s2 、 2px1 、 2py1 、 2pz1,有三个未成对电子,分别密集于三个互相垂 直的对称轴上。当两个N原子相化合时,每个N原 子以一个p电子(如px电子),沿着px轨道对称 轴的方向(即x轴)“头碰头”地重叠,形成一 个σ键。这时每个N原子其余的2个p电子,就不 能再沿着px对称轴方向“头碰头”地重叠了,而 只能让p轨道对称轴相互平行,采取“肩并肩” 的方式重叠,形成2个π键。
单键的离子性百分数与电负性差值之间的关系
xA-xB
离子性百分数 (%)
xA-xB
离子性百分数 (%)
0.2
1
1.8
55
0.4
4
2.0
63
0.6
9
2.2
70
0.8
15
2.4
76
1.0
22
2.6
82
1.2
30
2.8
86
1.4
39
3.0
89
1.6
47
3.2
92
当电负性差值为1.7时,单键约具有50%的离子 性。所以如果电负性差值大于1.7时,一般可把 此物质认为是离子型结构;若小于此值,则可认 为是共价结构。NaCl元素电负性差值为2.23, 其离子性百分数为~70%,因此,NaCl为典型 的离子性化合物。
之间直接的、主要的和强烈的相互作用。 125-900 kJ/mol
通常把电负性、键能、键长、键角等这些表 征化学键性质的物理量叫做键参数。
一、离子键
• 离子键(ionic bond)理论是1916年德国 化学家柯塞尔(W.Kossel)提出的,他认 为原子在反应中失去或得到电子以达到 稀有气体的稳定结构,由此形成的正离 子(positive ion)和负离子(negative ion)以静电引力相互吸引在一起。
从量子力学的观点来看,联系两原子 核的共用电子对之所以能形成,是因 为两个电子的自旋相反,这是保里不 相容原理在分子结构中的自然结果。 根据这一原理,只有自旋相反的电子 才能占据同样的空间轨道;而分子中 两个电子要取同样的空间运动状态, 必须自旋相反。下面以H2的形成过程 为例,进一步说明现代价键理论的基 本观点。
• 离子键的本质就是正、负离子间的静电
作用。
离子键的本质
• 在离子模型中,可以近似地将正负离子视 为球形电荷。这样根据库仑定律,两种带 相反电荷(q+和q-)的离子间的静电引力F 则与离子电荷的乘积成正比,而与离子的 核间距d的平方成反比。即:
q q F d2
离子键的特征
由于离子键是正负离子通过静电引力作用相连
鲍林 Linus Pouling
美国化学家。1901年2月28日 出生于一个药剂师家中。自幼 对父亲在药房配药发生兴趣。 在中学时代他就喜欢做化学实 验。由于化学成绩优秀,老师 破格让他做高一级的化学实验 并参加老师的研究工作。 1922年毕业于俄勒冈州立大 学化工系,加州理工学院攻读 化学。1925年获博士位,曾 到欧洲各国作访问学者。 1927年回到加州大学理工学 院,1931年升任教授。1969 年任斯坦福大学化学教授一职 直到退休。1974年任该校荣 誉教授。
R=R0,出现能量最低值, 原子间的相互作用主要表
现为吸引。这种吸引作用
使生成H2分子时放出能量, 达到稳定结构,形成氢分
子。
R0为H2的核间距离,等于H2
共价键的键长:R=R0=74pm
量子力学从理论上解释了共价键形成原因: ➢ 若核外电子自旋平行的两个氢原子靠近时,原
子间的相互作用总是推斥的,两核间电子云密
1927年英国物理学家海特勒(W Heitler)和德国 物理学家伦敦(F London)首先把量子力学理论应 用到分子结构中,成功地用量子力学处理H2分 子的结构。后来, 1931年美国化学家鲍林(L Pauling)和斯莱特等人又发展了这一成果,建立 了现代价键理论(Valence Bond Theory)简称VB 法,又叫做电子配对法。
分子结构
• 分子结构。路易斯结构式(电子式)。价层电 子对互斥模型对简单分子(包括离子)几何构 型的预测。杂化轨道理论对简单分子(包括离 子)几何构型的解释。共价键。键长、键角、 键能。σ 键和π 键。离域π 键。共轭(离域) 的一般概念。等电子体的一般概念。分子的极 性。
• 分子间作用力。范德华力。氢键。其他分子间 作用力的一般概念。
分子结构
分子的组成 化学键 空间构型 分子间力
第一节 分子结构的基础知识
本节主要讨论分子中直接相邻的原子间的强 相互作用力,即化学键问题和分子的空间 构型(即几何形状)问题。
按照化学键形成方式与性质的不同,化学键 可分为三种基本类型:离子键﹑共价键和 金属键。
百度文库
化学键——分子或晶体中原子(或离子)
2、VB法基本要点
*自旋相反的未成对电子相互配对时,因其波函数符号相 同,此时系统的能量最低,可以形成稳定的共价键。
*若A﹑B两原子各有一未成对电子且自旋反平行,则互 相配对构成共价单键,如H—H单键。如果A、B两原 子各有两个或三个未成对电子,则在两个原子间可以 形成共价双键或共价三键。如N≡N分子以三键结合, 因为每个N原子有3个未成对的2p电子。
度小,系统能量E 始终高于两个孤立氢原子的能
量之和Ea+Eb,称为推斥态,氢的推斥态不可能
形成稳固的H2分子。 ➢ 若电子自旋反平行的两个氢原子靠近时,原子
间的相互作用是吸引,两核间的电子云密度大,
系统的能量E 逐渐降低,并低于两个孤立氢原子
的能量之和,称为吸引态。当两个氢原子的核
间距R0 = 74 pm时,其能量达到最低点,Es =
Lewis
1875年10月25日路易斯出生于 美国麻萨诸塞州的西牛顿市。 他从小聪明过人,在三岁时, 父母就开始在家里让他接受教 育 。 1893 年 进 入 著 名 的 哈 佛 大 学 学 习 , 1896 年 获 理 学 士 学位,以后在T.W.理查兹 指导下继续研究化学,于 1899 年 24 岁 时 获 哲 学 博 士 学 位。
• 周期表左边的碱金属元素电负性最低,右边的 卤素电负性高,所以碱金属和碱土金属卤化物 (除铍外),是典型的离子型化合物。但是近 代实验指出,即使是碱金属铯离子与最典型的 阴离子、电负性最高的氟离子结合,也不是纯 静电作用,氟化铯中也有约8%的共价性,只 有92%的离子性。
• 元素的电负性差别越大,它们之间键的 离子性也就越大。对于AB型化合物单键 离 关子系性列百于分下数表和中电:负性(xA-xB)之间的
4 3
CH2=CH-CH=CH2
4 4
C原子的电子构型: 1s2、2s2 、 2px1、 2py1
离域大π键
三、 杂化轨道理论
根据价键理论,共价键是成键原子通过电子配对 形成的。例如H2O分子的空间构型,根据价键 理论两个H―O键的夹角应该是90°,但实测结果 是 104.5° 。 又 如 C 原 子 , 其 价 电 子 构 型 为 2s22px12p1y,只有两个未成对电子,按电子 配对法,只能形成两个共价键,且键角应为 90,显然,与实验事实不符。
氢分子的形成
当具有自旋状态反平行的未成对电子的两个 氢原子相互靠近时,它们之间产生了强烈的 吸引作用,形成了共价键,从而形成了稳定 的氢分子。
1 量子力学处理H2分子的结果
若两个氢原子电子自
旋方式相反,当逐渐靠近
时,电子运动的空间轨道
发生重叠,核间形成一个
电子概率密度较大的区域,
系统能量逐渐降低,直到
方向性
根据最大重叠原理,在形成共价键时,原子 间总是尽可能的沿着原子轨道最大重叠的方向 成键。成键电子的原子轨道重叠程度愈高,电 子在两核间出现的概率密度也愈大,形成的共 价键就越稳固。
我们知道,原子轨道在空间是有一 定取向的,除了s轨道呈球形对称 之下,其它的p、d、f轨道都有着 一定的空间伸展方向。因此,除了 s轨道与s轨道成键没有方向限制外, 为了形成稳定的共价键,原子轨道 的重叠只有沿着一定的方向进行, 才会有最大的重叠,这就是共价键 有方向性的原因。
1.根据经典静电理论,同性电荷应该相斥,而两个电 子皆带负电荷,为何不相斥,反而互相配对? 2.计算结果表明,对于H2共用电子对的负电荷和原子 核的静电作用的结合能只占共价键键能的≈5%。那么, H2中大部分的键能是怎样产生的? 3.如何说明共价键和离子键不同,有方向性? 4.许多化合物中心原子最外层电子数已超过8个,但仍 然相当稳定,这是为什么?如PCl5,它有10个公用电子 学,而不是8个。
1、路易斯结构式(电子式)
确定步骤 1)计算可用价电子的数目。 2)画出结构草图。 3)计算所画结构的电子总数。 4)画出双键或三键。
经典共价理论初步揭示了共价键不同于离子键的本质,对 分子的认识前进了一步。但是,这一理论是根据经典静电 理论把电子看成是静止不动的负电荷,所以遇到了很多不 能解决的矛盾。例如:
饱和性 一个原子有几个未成对电子,便可和几个自旋
相反的电子配对成键,这便是共价键的“饱和 性”。而每个原子的未成对电子数是一定的,所 以形成共用电子对的数目也就一定。
例如,H原子的未成对电子和另一H原子的电 子配对后形成H2分子,H2不能再与第三个原子配 对了,所以不可能有H3分子。N原子有三个未成对 电子,则只能形成叁键结合成分子。Be原子中没 有未成对电子学,则不能形成Be2。所以按照价键 理论,未成对的电子数,就是原子的化合价,它 应等于形成共价键的数目。
接的,从而决定了离子键的特点是没有方向性 和饱和性。正负离子近似看作点电荷,所以其作
用不存在方向问题。没有饱和性是指在空间条件 许可的情况下,每个离子可吸引尽可能多的相反
在NaCl晶体中,每个Na+离子以最可能接近的距 离同时吸引着6个Cl-离子;每个Cl-离子最邻近的也 有6个Na+离子。其化学式仅表示Na+与Cl-的离子 数目之比为1∶1,并不是其分子式。
鲍 林 ( L.Pauling ) 和 斯 莱 特 (J.C.Slater) 于 1931年提出了杂化轨道理论。
1) 杂化轨道理论要点
* 在原子间相互作用形成分子的过程中,同一原子中
能量相近的不同类型的原子轨道(即波函数)可以相 互叠加,重新组成同等数目、能量完全相等且成键 能力更强的新的原子轨道,这些新的原子轨道称为 杂化轨道(hybrid orbital)。杂化轨道的形成过程 称为杂化(hybridization)。 *定义——同一原子中能量相近的原子轨道组合成新 的轨道的过程。
二、 价键理论
同核双原子分子H2、O2、N2为什么会形成? 是什么作用使相同的原子结合成分子?曾经 有人企图用离子键的生成方式来回答这个问 题,但失败了。因为,若参加成键的是同一 种原子,其电离势和电子亲合势皆相同,电 负性之间没有差别很难形成稳定的正负离子。
1916年美国化学家路易斯(G N Lewis,1875~1946)提 出了共价学说,建立了经典的共价键理论。原子间 可共用一对或几对电子,以形成稳定的分子。这是 早期的共价键理论 。
*若原子A有能量合适的空轨道,原子B有孤电子对,原 子B的孤电子对所占据的原子轨道和原子A的空轨道能 有效地重叠,则原子B的孤电子对可以与原子A共享, 这样形成的共价键称为共价配键,以符号AB表示。
共价键的特征
1. 有饱和性——未成对电子决定 2. 有方向性——电子云重叠最大的
方向即共价键的方向。
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