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1、第3章 化学键,化学键：两个相邻原子之间强烈的相互 作用力。,2H2 O2 2H2O,化学键的定义和分类,离子的外层电子结构 (1),2电子结构：最外层有2个电子的离子 Li+, Be2+ : 1s2 8电子结构：最外层有8个电子的离子 Na+,Mg2+ : 1s2 2s22p6 18电子结构：最外层有18个电子的离子 Cu+, Zn2+ : 1s2 2s22p6 3s23p63d10,(18+2)电子结构：次外层有18个电子，最 外层还有2个电子的离子 Sn2+:1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d105s2 (917)电子结构：最外层电子数在917之 间的离子 Ti

2、2+: 1s2 2s22p6 3s23p63d2 Fe3+: 1s2 2s22p6 3s23p63d5 一般简单的负离子为8电子结构,离子的外层电子结构 (2),3.1 离子键和离子化合物,两元素电负性相差大于1.7，习惯上把所成的键看成离子键（活泼金属和活泼非金属）。 当这两种元素相遇时，发生电荷的转移，形成带相反电荷的离子，正、负离子之间引力与核外电子之间斥力达到平衡后，整个体系的能量降到最低，形成离子键和稳定的离子型化合物。,离子键：正、负离子之间强烈的静电作用力。,3.1 离子键和离子化合物,离子化合物：由离子键结合而形成的化合物。,离子键的特点：没有方向性和饱和性。,电价数: 得电子

3、或失电子的数目。,NaCl 晶体中Na+和Cl- 的堆积,(红球Na+ , 绿球Cl-),NaCl的晶体结构,离子晶体,88 66 44,1个Na+周围只能配置6个Cl- 1个Cs+周围只能配置8个Cl-,12Mg: 1s2 2s22p6 3s2 12Mg2+:1s2 2s22p6 17Cl : 1s2 2s22p6 3s23p5 17Cl-:1s2 2s22p6 3s23p6 8O: 1s2 2s22p4 8O2-:1s2 2s22p6,电负性差别越大的原子间越容易形成离子化合物。( 1.7),(Mg)=1.2， (O)=3.5 ， (Cl)=3.0,MgCl2-MgO:,正、负离子的形成,

4、晶格能越大，晶体的熔点越高，硬度也越大。,晶格能U：1mol离子晶体解离成自由气态离子 所吸收的能量。,离子键的强度,晶格能与晶体性质,3.2 共价键和共价化合物,定义： 原子间靠共用电子对使原子结合起来的化学键称为共价键 由共价键结合成的化合物称为共价化合物 共价化合物的分类 分子型共价化合物 H2O 分子型共价单质 I2 P4 原子型共价化合物 SiC,共价键理论：,经典的Lewis八隅体规则 价键理论 杂化轨道理论,3.2.1经典的Lewis八隅体规则,共价键：同种原子或电负性相差不大的原子之间通过共用电子对形成八电子稳定结构，这种原子间的作用力称为共价键。,双键：共用2对电子 三键：共

5、用3对电子,ClCl HOH,原子通过共用电子对形成八电子稳定结构,3.2.2 价键理论(1),共价键的本质是两个原子有自旋方向相反的未成对电子，它们的原子轨道发生了重叠，使体系能量降低而成键。 一个电子与另一自旋相反的电子配对成键后，就不能与第三个电子配对成键,氢分子形成过程的能量曲线,如果两个氢原子的电子自旋方向相同（斥态），则系统能量在二原子靠近时一直上升，系统不稳定，不能形成氢分子。,价键理论(2),74pm 2a0（106pm）,成键原子的未成对电子自旋相反；,最大重叠原理：成键原子的原子轨道重叠程度（面积）越大，键越牢。,于是形成了价键理论，其要点：,当稳定的氢分子形成时，二核间距

6、为：,说明原子轨道发生了重叠。,价键理论(3),共价键的特点饱和性,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，这就是共价键的“饱和性”。,共价键的特点方向性,除s轨道外，p 、d等轨道都 有一定的空间 取向，所以共 价键具有方向 性。,N2 分子的成键,1928年Pauling提出： 在同一原子中，能量相近的不同类型的几个原子轨道在成键时，可以互相叠加重组，成为相同数目、能量相等的新轨道，这种新轨道叫杂化轨道。,3.2.3 杂化轨道理论,Be：2s2,BeH2（氢化铍）的空间构型为直线形,HBeH,sp杂化（1）,Be采用sp杂化 生成BeH2,sp杂化（2）,两个sp杂化轨

7、道,sp杂化（3）,每个sp杂化轨道各含有1/2s和1/p成分，两个杂化轨道伸展方向正好相反，成180夹角。, 杂化轨道,BeCl2示意图,B： 2s22p1,sp2杂化（1）,BF3（三氟化硼）的空间构型为平面正三角形,sp2杂化（2）,一个2s轨道和 两个2p轨道进行杂化，形成三个sp2 杂化轨道，对称地分布在周围，在同一平面内互成120角,CH4的空间构型为正四面体,C：1s22s22p2,sp3杂化（1）,sp3杂化（2）,四个sp3杂化轨道,sp3杂化（3）,sp2杂化态,激发态,C的基态,乙烯的分子结构,碳的sp2杂化（1）,碳的sp2杂化（2）,sp杂化态,激发态,2s1,C的基

8、态,乙炔的分子结构,碳的sp杂化（1）,碳的sp杂化（2）,不等性sp3杂化NH3分子的形成,NH3分子构型是三角锥。,不等性sp3杂化 H2O分子的形成,所以，水分子构型是V 字形。,小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型,直线形 平面正三角形 正四面体 三角锥 V形,杂化轨道类型,参加杂化的轨道,杂化轨道数,成键轨道夹角,分子空间构型,实例,sp sp2 sp3 不等性sp3,中心原子,共价键的类型 键,键（西格码） ：原子轨道沿键轴方向“头碰头”的方式重叠成键。,共价键的类型 键,键：原子轨道沿键轴方向“肩并肩”的方式重叠成键。,共价键的类型键,键：p轨道（肩并肩）,键与键,AO为原子轨道

9、Atomic Orbital的缩写,碳碳键分类,碳碳单键 仅有一个键 碳碳双键 由一个键和一个键组成，双键中两个键不等同 碳碳三键 由一个键和两个键组成,分子型共价化合物 H2O, NH3, CH4 分子型共价单质 I2 , P4 , S8 原子型共价化合物 SiC,共价化合物的分类,分子型共价化合物在固态时称为分子晶体。 分子晶体的特性：硬度小，熔、沸点低（一般在400以下），并具有较大的挥发性，在晶格中存在着独立的分子。分子晶体在固态和熔融态都不导电，但有些分子晶体的水溶液可以导电，如：HAc、HCl。,原子型共价化合物在固态时称为原子晶体。 如：金刚石、单晶硅和锗、SiC、GaAs、Si

10、O2等。 原子晶体的特性：原子晶体一般具有很高的熔点和硬度，通常是电的绝缘体，但有些原子型晶体如Si、Ga、SiC、GaAs等可以作成优良的半导体材料，原子型晶体在一般的溶剂中都不溶解。,金刚石的结构 与金刚砂的结构类似,正、负电荷中心重合的分子是非极性分子;,分子中有正电荷、负电荷。,正、负电荷中心不重合的分子是极性分子。,分子的极性 ：,3.2.4 键的极性和分子的极性,分子极性的强弱决定于正、负电荷中心的距离和电荷量。,分子的电偶极矩,p = d,德尔塔 极上电荷； d 偶极长度。 单位：Cm（库米）,p0 ，非极性分子； p，分子极性,分子的极性源于键的极性成键原子间电子云的分布，这种

11、分布依原子的电负性来判断。,键的极性（1）,非极性共价键：由电负性相同的两个原子形成的共价键为非极性共价键； 极性共价键：由电负性不同的两个原子形成的共价键为极性共价键。,极性共价键：0 1.7,键的极性（2）,极性键构成的分子：,双原子分子分子和键的极性相一致；,多原子分子,分子空间结构对称，非极性分子； 分子空间结构不对称，极性分子。,非极性键构成的分子，必是非极性分子。,分子的极性与键的极性,双原子分子的极性,异核: CO,p=0.33,同核：H2， N2,p=0,(非极性分子),(极性分子),多原子分子的极性(1),同核： O3 P4 S8 （V字形） p=0,(非极性分子),BF3

12、(平面三角形) NH3 (三角锥形) CO2 (直线形),异核: BF3(p=0) NH3 (p=4.34) CO2 (p=0),多原子分子的极性(2),(非极性分子),(非极性分子),(极性分子),用微波炉能加热食物，就是由于食物中含有强极性的水分子。当微波通过的时候，水分子在超高频电磁场中反复交变极化，在此过程中完成电磁能向热能的转化，食物被加热。,分子是否有极性对物质的一些性质有明显的影响。例如：极性物质易溶于极性溶剂中，非极性物质易溶于非极性溶剂中。,分子的极性对物质的一些性质的影响,3.3 共价键的键能,键能: 在298K(25)和100kPa条件下,气态分子断开1mol化学键所需的

13、能量。,1mol的CH4中有4mol CH键 1mol的H2O中有2mol OH键,化学变化的热效应来源于化学键改组时的键能变化。,键能不是直接测定的实验值,而是平均近似值。,CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O,断开4mol CH键需吸收的能量为4415kJ1660kJ,形成2mol CO键放出的能量为2798kJ1596kJ,断开2mol OO键需吸收的能量为2498kJ996kJ,形成4mol OH键放出的能量为4465kJ1860kJ,由键能数据计算反应的热效应（1）,H=1660+996+(-1596)+(-1860) =-800(kJmol-1),方法二：,H2O H2 + 1

14、/2O2,断开2mol HO键需吸收的能量为2465kJ930kJ,生成1mol H H键放出的能量为436kJ,生成0.5mol O O键放出的能量为0.5498kJ249kJ,H=930+(-436)+(-249)=245(kJmol-1),由键能数据计算反应的热效应（2）,硫酸铜无论其是水溶液还是晶体，天蓝色都是四水合铜离子Cu(H2O)42+产生的颜色。 向硫酸铜溶液滴加过量氨水，得到深蓝色的透明溶液，若蒸发结晶，可以得到深蓝色的四氨合硫酸铜晶体。 无论在氨水溶液里还是在晶体里，深蓝色都是四氨合铜离子Cu(NH3)42+产生的颜色。,3.4 配位键和配位化合物,把像Cu(H2O)42+

15、、Cu(NH3)42+这样的由一个简单正离子和几个中性分子或负离子结合形成的复杂离子叫配位离子(络离子)，含配离子的化合物叫配位化合物。,Cu基态:3d104s1,Cu2+基态:3d9,Cu2+激发态:3d84p1,Cu2+dsp2杂化态:3d84p1,N sp3杂化态:,N基态:2s22p3,Cu(NH3)42+,Cu(NH3)4SO4的组成,内界即配离子；配离子以外的其他离子属于外界。内、外界合称配合物。,在配位化合物的内界，有一个带正电荷的离子（或原子）位于中心位置，是配合物的核心部分。将其称为配合物的中心体。,中心体,中心体通常是金属离子（或原子），尤以过渡金属离子居多。例如：Cu2+

16、，Ag+，Fe3+，Fe，Ni，Al(A)，,配位体：与中心体结合的离子或分子。,配位原子：配位体中向中心体提供电子 对的原子。如：Ag(NH3)22+中NH3,配位体、配位原子、配位数,F-, OH-, NH3,配位体通常是非金属的阴离子或分子。,配位数：在配位体中，直接与中心离子（或原子）结合成键的配位原子的数目。,组成:,Ag(NH3)2 + Cl-,配离子电荷,配位数,配位体,中心体（中心离子）,内界,外界,在形成配位键时，共用电子对由配位体的配位原子给予，中心体提供空轨道接受电子。 一方有孤对电子，是电子给体。 另一方有空轨道，是电子受体。 配位键具有方向性和饱和性。,配位键的形成及

17、特点,Na3AlF6的组成,血红蛋白活性中心,血红细胞,亚铁血红素,3.5 金属键,金属中原子的外层电子受核的引力较小，很容易地从金属原子上脱落下来，自由地从一个原子移向另外一个原子，成为自由电子，原子变成正离子，似乎电子为金属中许多原子或正离子所共有。 将金属中自由电子与原子或正离子之间的作用力叫做金属键。 特点：无饱和性和方向性。,铁 银 镁,特点：无饱和性和方向性。,分子间力分为色散力、诱导力和取向力，也叫范德华力。,3.6 分子间作用力和氢键,分子间作用力：是由分子之间很弱的静 电引力所产生的。,色散力:非极性分子与非极性分子之间的作用力来自电子在不停运动瞬间总会偏于这一端或那一端而产

18、生的瞬间静电引力。,分子的极化：,(2) 极性分子在外电场的作用下：,诱导力：极性分子与非极性分子之间的作用力。是极性分子的偶极电场使邻近的非极性分子发生电子云变形而相互作用产生的。,诱导力,取向力：极性分子是一种偶极子，具有正负极。当它们靠近到一定距离时，就有同极相斥，异极相吸的静电引力。,取向力,分子间作用力特点：无饱和性和方向性。,分子间作用力没有饱和性、方向性，其强度比共价键的键能小1-2个数量级。 分子间力对物质熔沸点的影响：对于相同类型的共价型化合物，其分子间力的大小随着分子量的增大而增大，熔、沸点也随之递增。,由氦(He) 到(Xe)氙半径依次递增，瞬间的静电作用力也依次递增，沸

19、点依次升高。,分子间力对物质沸点的影响,在某些化合物分子内或分子间存在着的，与分子间力大小接近的另外一种作用力。 氢原子和电负性强的X原子形成共价键之后，又与另外一个电负性强的Y原子产生较弱的静电引力，这种作用力叫氢键。,氢 键,氢键通常可以用XHY表示，其中X，Y代表F，O，N等电负性强、半径小的原子。X和Y可以是同种元素也可以是不同种元素。,氢键是一种特殊的分子间作用力。氢键基本上还是属于静电吸引作用。 氢键的键能约在10 30kJmol-1 比化 学键的键能小的多，比分子间作用力 要大一些。 具有饱和性和方向性,氢键的特点,水分子间的氢键：,分子间氢键,硝酸的分子内氢键,分子内氢键,氢键使物质熔、沸点升高，溶解度增大，液体的密度增大。,氢键对物质性质的影响,各种作用力对比,