第二章分子结构

第二章分子结构

教学要求

1、认识化学键的本质；

2、掌握价键理论的内容；会用价键理论解释共价键的特征，会用价电子对互斥理论和杂化轨道理论解释简单的分子结构；

3、初步认识分子轨道理论；

4、认识分子间作用力和氢键的本质，会用其解释对物质性质的影响。

教学重点

共价键的形成和本质；现代价键理论，价层电子对互斥模型和杂化轨道理论，同核双原子分子的分子轨道构成与意义；分子间的作用力和氢键。

教学难点

价层电子对互斥理论，分子轨道理论。

教学时数

9学时

教学内容

2.1 经典的Lewis学说

2.2 价键理论

2.3杂化轨道理论

2.4分子轨道理论

2.5价层电子对互斥理论

2.6共价分子的性质

2.7分子间力和氢键

教学方法与媒体

讲解，ppt展示。

引言

通过上一章的学习，我们知道只有研究物质的微观结构，才能从本质上更深入的理解物质的性质及其变化规律。

本章内容是在原子结构的基础上，围绕以共价键结合的分子讨论有关共价键的各种理论模型以及分子的各种性质。

化学键：通常把分子或晶体中相邻原子之间（或离子）强烈的相互作用。化学键有共价键、离子键、金属键。

分子结构通常包括：分子中原子的化学键，分子的空间构型，分子的结构与物质的物理性质、化学性质。

2.1 Lewis理论（路易斯1916年）

1、电子配对理论---共用电子对成键。

1916年，美国的Lewis提出共价键理论，认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势，求得本身的稳定。而达到这种结构，并非通过电子转移形成离子键来完成，分子中原子之间通过共享电子对而使每一个原子都具有稀有气体的稳定的电子结构，也称为八隅律规则。

路易斯结构式：把用短棍表示共价键，同时用小黑点表示非键合的“孤对电子”的结构式叫做路易斯结构式。

2、Lewis学说成绩：⑴解释了一些简单的非金属单质和化合物分子的形成过程；⑵指出了共价键与离子键的差异。

3、Lewis学说的局限性：⑴未能阐明共价键的本质及特征，为什么都带负电荷的2个电子不是互相排斥，而配对成键？为什么共价键有方向性？⑵八偶体规则，例外很多。⑶不能解释一些分子的性质，如O2的顺磁性。

2.2 价健理论（Valence Bond Theory, VB法，1927年）

Heitler 和London 用量子力学处理氢气分子H2, 解决了两个氢原子之间化学键的本质问题，使共价键理论从经典的Lewis理论发展到今天的现代共价键理论。

2.2.1共价键的形成和本质

1、H

分子的形成

量子力学计算表明, 两个具有1s1电子构型

的H彼此靠近, 两个1s电子以自旋相反的方式

形成电子对, 使体系的能量降低。核间电子云

密度增大，形成了共价键。

2、共价键的本质

①价键理论继承Lewis共用电子对的概

念。

②价键理论是以量子力学为基础。

③共价键的本质——成键原子的原子轨道发生了重叠。共价键的本质是电性的。

3、价键理论的基本要点

⑴电子配对原理——键合双方各提供自旋方向相反的未成对电子。

N≡N H－O－H

⑵能量最低原理——自旋相反的电子配对时释放能量。

⑶最大重叠原理——键合双方原子轨道应尽可能最大程度地重叠。

4、共价键特征

⑴饱和性：因为每个原子的价轨道数目和未成对电子数目都是一定的。

H－H H－O－H N≡N

⑵方向性：满足原子轨道最大重叠原理，轨道重叠越多，电子在两核之间出现的机会就越大，形成的共价键就越稳定。原子轨道重叠只有沿着一定方向重叠，才能实现最大重叠，这就是共价键有方向性的原因。

5、共价键的类型

⑴σ键：成键时两原子轨道沿键轴（两个原子核的联线）方向，以“头碰头”的方式发生重叠。如s-s、s-p、p-p 等。重叠轨道的电子云密度沿键轴方向的投影为圆形，表明电子云密度绕键轴（原子核之间的连线）对称。由于共价键在形成时各个原子提供的轨道类型不同，所以形成的共价键的键型也有不同。例如：有σ 键，π键和δ键等。本章只要求熟知前两种。

⑵π键：重叠轨道的电子云密度饶键轴不完全对称，形象的称为“肩并肩”。

例: N2的三重键的形成：

N 2s2 2px1 2py1 2pz1: N ≡N :

N 2s2 2px1 2py1 2pz1

⑶配位键：

考察CO分子：C 2s22p2；

O 2s22p4

形成CO分子时, 与N2相仿, 同样用了三对电子, 形成三个共价键，不同之处是, 其中一对电子在形成共价键时具有特殊性：C和O各出一个2p轨道重叠, 但其中的电子是由O单独提供的。这样的共价键称为共价配位键。于是, CO可表示成：

配位键形成条件：成键原子一方有孤对电子，另一方有空轨道。

6、早期VB法的优缺点：说明了共价健的本质和特点；但不能说明一些分子的成键数目及几何构型。如：C 2s 22p 2，仅2个成单电子，如何形成CH4?

思考1：根据VB 理论，水的分子O-H之间的夹角应为90℃，但实验测量的却为104.5℃，为什么？

思考2：C 原子核外只有两个未成对电子，根据VB 理论它只能形成两个共价键，为什么有CH4？

2.3 杂化轨道理论

1、杂化与杂化轨道：

1931年，由L.Pauling提出，杂化轨道理论要点有：

杂化轨道理论认为，在同一原子中能量相近的不同类型的几条原子轨道混杂起来，重新组成同等数目的能量完全相同的杂化原子轨道。在原子形成分子的过程中，经过激发、杂化、轨道重迭等过程，这就是杂化轨道理论的基本要点。

(1)激发。如在CH4形成的分子时，碳原子欲与4个氢结合，必定要从2s 轨道的一个电子激发到2pz轨道上，才有4个未成对电子分别与四个氢结合成键。在成键过程中，激发和成键是同时发生的，从基态变为激发态所需的能量，可由形成更多的共价键而放出更多的能量来补偿。

(2)杂化。处于激发态的几条不同类型的原子轨道进一步线性组合成一组新的轨道，这种轨道重新组合的过程叫杂化。杂化后形成的新轨道称为杂化轨道。

(3)轨道重叠。杂化轨道的电子云分布更为集中，故杂化轨道的成键能力比未杂化的原子轨道的成键能力强。杂化轨道与其它原子成键时，同样要满足原子轨道最大重叠原理，原子轨道重叠愈多，形成的化合物愈稳定。化合物的空间构型也是由满足原子轨道最大重叠的方向决定的。

杂化后原子轨道的形状发生了变化，使得一端特别肥大，这更有利于成键。杂化轨道的方向也发生了变化，使得成键电子云之间的距离最远，减少了电子之间的排斥力，有利于成键。