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第3章
化学键与分子结构
1
本章教学要求
基本要求： 掌握化学键和分子结构的基本概念和有关
理论，了解化学键的成键本质。 重 点： 共价键的基本理论。 难 点： 分子轨道理论。
2
2.1 化学键的分类 2.2 共价键的成键理论 2.3 分子间作用力
3
分子是物质能独立存在并保持其化学特性的 最小微粒，而分子又是由原子组成的。迄今，人 们发现112种元素。正是由这些元素的原子构成 分子，从而构成了整个物质世界。那么原子与原 子如何结合成分子；分子和分子又如何结合成宏 观物体？前者是化学键问题，后者是分子间力的 问题。
13
金属晶体的结构与金属性质的内在联系
【讨论1】 金属为什么易导电？ 在金属晶体中，存在着许多自由电子，
这些自由电子的运动是没有一定方向的， 但在外加电场的条件下自由电子就会发 生定向运动，因而形成电流，所以金属 容易导电。
14
【讨论2】金属为什么易导热？
金属容易导热，是由于自由电子 运动时与金属离子碰撞把能量从温 度高的部分传到温度低的部分，从 而使整块金属达到相同的温度。
21
22
能带理论的基本要点
（1）成键时价电子必须是“离域”的，属于整个金属晶 格 的原子所共有； （2）金属晶格中原子密集，能组成许多分子轨道，相邻
的分子轨道间的能量差很小 ，以致形成“能带 ”； （3）“能带”也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子 能级发生的重叠， 这种能带是属于整个金属晶体的；
不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表 现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式 等因素有关。
一般说来，价电子多的金属元素单质的电导率、硬度和 熔沸点都比较高。
18
由于金属的自由电子模型过于简单化， 不能解释金属晶体为什么有结合力，也不 能解释金属晶体为什么有导体、绝缘体和 半导体之分。随着科学和生产的发展，主 要是量子理论的发展，建立了能带理论。
15
【讨论3】金属为什么具有较好的延 展性？
金属晶体中由于金属离子与自由电子间的 相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对 滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使 在外力作用下，发生形变也不易断裂。
16
金属的源自文库展性
➢金属晶体受外力时，金属阳离子因自由电子的环绕而不断裂。 ➢离子晶体受外力时，产生同性离子间的斥力而崩裂 17
5
化学键理论是当代化学的一个中心问题。研究分子内 部的结构对探索物质的性质和功能都具有重要的意义。本 章将在原子结构的基础上，着重讨论分子形成过程以及有 关化学键理论。如：离子键理论、共价键理论（包括：电 子配对法、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论、分子轨 道理论）以及金属能带理论等。同时对分子间作用力、氢 键、分子的结构与物质性质之间的关系做初步讨论。
19
金属能带理论
分子轨道理论将金属晶体看作一个巨大分子，结合在 一起的无数个金属原子形成无数条分子轨道，某些电子就 会处在涉及构成整块金属原子在内的轨道，这样就产生了 金属的能带理论（金属键的量子力学模型）。
20
能能带带理理论论中中的的一一些些重重要要概概念念
能带: 一组连续状态的分子轨道 导带: 电子在其中能自由运动的能带 满带: 完全充满电子的能带 禁带: 能带和能带之间的区域 空带：没有电子的能带
6
3.1 化学键的分类
7
1 金属键
在一百多种化学元素中，金属元素约占80% 。它们都 具有金属光泽、有很好的传热导电性，金属的这些性质是 它们内部结构的反映。
金属的单质一般以金属晶体的形式存在,其中金属原 子通过金属键联系在一起,属于“大分子”。
化学式:构成分子的各种元素原子的整数比 分子式:构成分子的各种元素原子的真实数量
（4）以原子轨道能级的不同，金属晶体中可有不同的能 带，例如导带、禁带等；
（5）金属中相邻的能带有时可以互相重叠。
23
Mg的外层电子构 型为3s2，其3s能带是 满带，没有空轨道， 似乎不能导电。但Mg 的相邻能带之间的能 量间隔很小，使Mg的 3s和3p能带发生部分 重叠，从而形成一个 更大的导带。
25
导体中存在导带，在电场作用下，导带中的电子很容易跃入导
由于每个锂原子只有1 个价电子，该离域轨道应处 于半满状态。电子成对地处 于能带内部能级最低的轨道 上，使能级较高的一半轨道 空置。在充满了的那一半能 带的最高能级上,电子靠近 能量较低的空能级,从而很 容易离开原来能级,进入能 量略高的空能级。
24
根据能带结构中禁带宽度和能带中电子填充 状况，可把物质分为导体、绝缘体和半导体。
一个形象的说法就是，在金属晶体中，金属原子整齐 的排列在一起，并浸泡在自由电子的海洋中。
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图：金属的电子海模型，带正电的球表示内层电子原 子核，周围的著色表示非定域电子构成的电子海
11
特点： 无方向性、无饱和性
12
金属特性：
•导电性:自由电子在外电场作用下可定向流动； •导热性:不断碰撞的自由电子可将热量交换和递； •延展性:金属可以在不破坏晶体结构，受力作用时整 层滑动。 •金属光泽:自由电子能够吸收并重新发射很宽波长范 围的光线，使金属不透明而具有金属光泽。 •金属易形成合金：硬度、強度、韧性及熔沸点发生 改变(如加碳、磷、硫等) •较高熔沸点:强静电作用
8
金属键理论主要有两种：
改性共价键理论 ，能带理论
9
改性共价键理论
金属元素的电负性较小，电离能也较小，最外层价电 子容易脱离原子核的束缚，形成“自由电子”或“离域电 子”。在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于 某个金属离子而为整个金属晶体所共有（自由电子模型）。 这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结 合，这种作用称为金属键。
4
原子结合形成分子则是通过化学键的形式来实现的。 化学键的定义：一种存在于分子内的强烈的相互作用力。 化学键根据形成机理的不同，可分为:金属键、离子键和共价 键。 在分子和分子之间还存在分子间作用力:范德华力、氢键。 分子内和分子间的作用力结合起来，决定了物质的结构，在 宏观上表现为世界上形形色色的各种物质。结构决定性质，所 以很多物质的物理性质都可通过分子结构得到解释和说明。
化学键与分子结构
1
本章教学要求
基本要求： 掌握化学键和分子结构的基本概念和有关
理论，了解化学键的成键本质。 重 点： 共价键的基本理论。 难 点： 分子轨道理论。
2
2.1 化学键的分类 2.2 共价键的成键理论 2.3 分子间作用力
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分子是物质能独立存在并保持其化学特性的 最小微粒，而分子又是由原子组成的。迄今，人 们发现112种元素。正是由这些元素的原子构成 分子，从而构成了整个物质世界。那么原子与原 子如何结合成分子；分子和分子又如何结合成宏 观物体？前者是化学键问题，后者是分子间力的 问题。
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金属晶体的结构与金属性质的内在联系
【讨论1】 金属为什么易导电？ 在金属晶体中，存在着许多自由电子，
这些自由电子的运动是没有一定方向的， 但在外加电场的条件下自由电子就会发 生定向运动，因而形成电流，所以金属 容易导电。
14
【讨论2】金属为什么易导热？
金属容易导热，是由于自由电子 运动时与金属离子碰撞把能量从温 度高的部分传到温度低的部分，从 而使整块金属达到相同的温度。
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22
能带理论的基本要点
（1）成键时价电子必须是“离域”的，属于整个金属晶 格 的原子所共有； （2）金属晶格中原子密集，能组成许多分子轨道，相邻
的分子轨道间的能量差很小 ，以致形成“能带 ”； （3）“能带”也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子 能级发生的重叠， 这种能带是属于整个金属晶体的；
不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表 现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式 等因素有关。
一般说来，价电子多的金属元素单质的电导率、硬度和 熔沸点都比较高。
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由于金属的自由电子模型过于简单化， 不能解释金属晶体为什么有结合力，也不 能解释金属晶体为什么有导体、绝缘体和 半导体之分。随着科学和生产的发展，主 要是量子理论的发展，建立了能带理论。
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【讨论3】金属为什么具有较好的延 展性？
金属晶体中由于金属离子与自由电子间的 相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对 滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使 在外力作用下，发生形变也不易断裂。
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金属的源自文库展性
➢金属晶体受外力时，金属阳离子因自由电子的环绕而不断裂。 ➢离子晶体受外力时，产生同性离子间的斥力而崩裂 17
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化学键理论是当代化学的一个中心问题。研究分子内 部的结构对探索物质的性质和功能都具有重要的意义。本 章将在原子结构的基础上，着重讨论分子形成过程以及有 关化学键理论。如：离子键理论、共价键理论（包括：电 子配对法、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论、分子轨 道理论）以及金属能带理论等。同时对分子间作用力、氢 键、分子的结构与物质性质之间的关系做初步讨论。
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金属能带理论
分子轨道理论将金属晶体看作一个巨大分子，结合在 一起的无数个金属原子形成无数条分子轨道，某些电子就 会处在涉及构成整块金属原子在内的轨道，这样就产生了 金属的能带理论（金属键的量子力学模型）。
20
能能带带理理论论中中的的一一些些重重要要概概念念
能带: 一组连续状态的分子轨道 导带: 电子在其中能自由运动的能带 满带: 完全充满电子的能带 禁带: 能带和能带之间的区域 空带：没有电子的能带
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3.1 化学键的分类
7
1 金属键
在一百多种化学元素中，金属元素约占80% 。它们都 具有金属光泽、有很好的传热导电性，金属的这些性质是 它们内部结构的反映。
金属的单质一般以金属晶体的形式存在,其中金属原 子通过金属键联系在一起,属于“大分子”。
化学式:构成分子的各种元素原子的整数比 分子式:构成分子的各种元素原子的真实数量
（4）以原子轨道能级的不同，金属晶体中可有不同的能 带，例如导带、禁带等；
（5）金属中相邻的能带有时可以互相重叠。
23
Mg的外层电子构 型为3s2，其3s能带是 满带，没有空轨道， 似乎不能导电。但Mg 的相邻能带之间的能 量间隔很小，使Mg的 3s和3p能带发生部分 重叠，从而形成一个 更大的导带。
25
导体中存在导带，在电场作用下，导带中的电子很容易跃入导
由于每个锂原子只有1 个价电子，该离域轨道应处 于半满状态。电子成对地处 于能带内部能级最低的轨道 上，使能级较高的一半轨道 空置。在充满了的那一半能 带的最高能级上,电子靠近 能量较低的空能级,从而很 容易离开原来能级,进入能 量略高的空能级。
24
根据能带结构中禁带宽度和能带中电子填充 状况，可把物质分为导体、绝缘体和半导体。
一个形象的说法就是，在金属晶体中，金属原子整齐 的排列在一起，并浸泡在自由电子的海洋中。
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图：金属的电子海模型，带正电的球表示内层电子原 子核，周围的著色表示非定域电子构成的电子海
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特点： 无方向性、无饱和性
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金属特性：
•导电性:自由电子在外电场作用下可定向流动； •导热性:不断碰撞的自由电子可将热量交换和递； •延展性:金属可以在不破坏晶体结构，受力作用时整 层滑动。 •金属光泽:自由电子能够吸收并重新发射很宽波长范 围的光线，使金属不透明而具有金属光泽。 •金属易形成合金：硬度、強度、韧性及熔沸点发生 改变(如加碳、磷、硫等) •较高熔沸点:强静电作用
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金属键理论主要有两种：
改性共价键理论 ，能带理论
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改性共价键理论
金属元素的电负性较小，电离能也较小，最外层价电 子容易脱离原子核的束缚，形成“自由电子”或“离域电 子”。在金属晶体中，自由电子作穿梭运动，它不专属于 某个金属离子而为整个金属晶体所共有（自由电子模型）。 这些自由电子与全部金属离子相互作用，从而形成某种结 合，这种作用称为金属键。
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原子结合形成分子则是通过化学键的形式来实现的。 化学键的定义：一种存在于分子内的强烈的相互作用力。 化学键根据形成机理的不同，可分为:金属键、离子键和共价 键。 在分子和分子之间还存在分子间作用力:范德华力、氢键。 分子内和分子间的作用力结合起来，决定了物质的结构，在 宏观上表现为世界上形形色色的各种物质。结构决定性质，所 以很多物质的物理性质都可通过分子结构得到解释和说明。