第6章 化学键与分子结构(讲授4学时)
Chapter 6 Chemical bond & molecular structure
本章教学内容：
离子键与离子化合物。
共价键与分子结构。价键理论。杂化轨道与分子空间构型。
分子间力和氢键。分子的极性，电偶极矩。
本章教学要求：
了解共价键的价键理论的基本要点以及共价键的特征、共价键的类型。
能联系杂化轨道理论(s-p型)说明一些典型分子的空间构型。
了解分子电偶极矩的概念，能判断分子的极性。
明确分子间力(以及氢键)的本质及特性。
本章教学重点：
H2共价键的形成，价键理论，共价键的特征、类型；
杂化轨道理论及分子的空间构型
本章习题,P160 9,10,11,13,14
6.1 离子键与离子的结构(Ionic bond and structure of ion)
6.1.1离子键的形成
NaCl分子
11Na (X=1.01) 1s2 2s2 2p6 3s1 Na+ 1s2 2s2 2p6
17Cl (X=3.16) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Cl- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
离子键——正负离子间通过静电作用力而形成的化学键。
6.1.2离子键的特征离子键的本质是静电作用力，只有电负性相差较大的元素之间才能形成离子键。
离子键无方向性，无饱和性。
离子键是极性键。
电子失去的顺序:np-ns-(n-1)d-(n-2)f
用n+0.4l做判据,其数值越大，越易失去电子。
6.1.3各种简单离子构型(负离子anion一般仅有外层8电子结构,正离子cation有外层多种结构)
6.2共价键与分子结构(covalence bond &molecular structure)
6.2.1价键理论(valence bond theory)
（1）共价键形成的本质氢分子共价键的形成
1927年，Heitler and London将量子力学成果应用于H2分子结构的研究,使共价键的本质得到初步解决。他们的结果认为:当两个氢原子相互靠近，且它们的1s电子处于自旋状态反平行时,两个电子才能配对成键;当两个氢原子的1s电子处于自旋状态平行时,两电子不能配对成键。
ψA——两个1s电子自旋平行（推斥态）
ψS——两个1s电子自旋反向（基态）
2）共价键的本质——原子间由于成键电子原子轨道重叠而形成的化学键。
3）价键理论基本要点具有自旋反向的未成对电子的原子接近时，可因原子轨道的重叠而形成共价键 ——电子配对原理一个电子与另一个自旋反向的电子配对成键后，不能再与第三个电子配对成键原子轨道重叠程度越大，共价键越牢固——原子轨道最大重叠原理
（2）共价键的特征饱和性——一个电子与另一个自旋反向的电子配对后，不能再与第三个电子配对成键共价键的饱和性是和离子键相比较而言，离子化合物中正负离子都为S2P6结构，其电荷分布呈球形对称，所以，它们可以从各个方向相互接触，并且尽可能地和异性离子相接触（配位），配位数的多少决定于正负离子的大小。
方向性——沿轨道的伸展方向重叠，同号重叠。
由于电子运动状态在空间分布是有一定取向的，原子轨道的重叠也是有一定取向的.如N原子有3个未成对电子,其取向分别为px,py,pz。N2分子中的三对电子并不在同一个平面上，而是在X，Y，Z三个互相垂直的方向。这就是所谓的共价键的方向性。
↑↓ ↑↓ ↑↓
例 N2 7N,1s2 2s2 2p3 ↑↓ 2px 2py 2pz
↑↓ 2s
1s
H2S 16S,3s2 3p4
↑↓↑↓ ↑↓
↑↓ 3px 3py 3pz
3s
共价键的极性
极性共价键——成键原子的电负性不同 HCl H2O
共价键
非极性共价键——成键原子的电负性相同 H2 Cl2
（3）共价键类型
键:头碰头(end-on manner)
键:肩并肩(sideways manner)
（4）共价键参数
共价键的键能
定义：在298K和100kpa条件下，气态分子断开1mol化学键所需的能量。
键能是一个平均值
例 H2O：O-H的键能 H2O(g) = H (g) + OH (g) E = 502kj·mol-1
OH(g) = H（g）+ O (g) E = 426kj·mol-1
O-H,E = 465kj·mol-1
应用键能可以估算化学反应的能量变化
6.2.2杂化轨道(hybridization orbital)与分子的空间构型价键理论成功地解释了许多共价键分子的形成，阐明了共价键的本质及特征。但在解释许多分子的空间结构方面遇到了困难。Pauling and Slater从电子具有波动性，电子波可以叠加的观点出发提出了杂化轨道理论，进一步发展了价键理论。
（1）杂化轨道理论基本要点：
在共价键的形成过程中，同一原子中能量相近的若干不同类型的原子轨道可以”混合”起来，重新组合形成一组成键能力更强的新的原子轨道。过程称为原子轨道的杂化。所组成的新的原子轨道称为杂化轨道.
注意：杂化过程中;
能量相近的轨道杂化；
2）杂化后轨道数目不变;
3）杂化发生在分子形成过程中，单个原子不发生杂化。
·s-p杂化的几种类型
p3杂化,
p2杂化
sp杂化不等性sp3杂化
s-p杂化的几种类型杂化类型
成分
空间构型
(Geometry)
键角
杂化轨道数
实例
Sp3
1/4s,3/4p
正四面体
109o28`
4
CH4,SiH4
Sp2
1/3s,2/3p
平面三角形
120o
3
BF3,BCl3
Sp
1/2s,1/2p
直线
180o
2
BeCl2 HgCl2
Sp3d2
s,1/2p,1/3d
正八面体
6
SF6
不等性Sp3
1/4s,3/4p
三角锥,
1070
104．50
4
NH3,PH3
V字型
H2O,H2S
6.4分子间力和氢键(Intermolecular force & hydrogen bond)
分子间力本质是静电力.
6.4.1分子的极性(Molecular polarity)
分子正负电荷中心
极性分子中，由于原子的电负性的差异，分子中的正负电荷中心分别形成正负两极。
分子偶极矩(dipole moment):偶极长度和偶极上电荷的乘积.
P=l·q (矢量,正 负)
分子极性的实质是电子云在空间分布不对称,键的极性是分子产生极性的内因。极性分子P>0,非极性分子p=0
6.4.2 分子间力
·色散力：非极性分子瞬间产生的偶极称为瞬时偶极(instantaneous dipole moment),瞬时偶极产生的作用力称为色散力,
·诱导力(inductive force)：非极性分子受极性分子电场的作用，原来重合的正负电荷中心分离开来，产生诱导偶极.诱导偶极与极性分子固有偶极间的作用力叫诱导力.另一方面,诱导偶极又反作用于极性分子，使其偶极长度增加，进一步增强了相互吸引力.极性分子之间由于变形而产生诱导偶极，使分子极性增加，使分子之间的相互作用力也进一步增强。
· 取向力：当极性分子相互靠近时,它们的固有偶极相互作用,两个分子在空间按照异极相邻的状态取向.由于固有偶极的取向而引起的分子间作用力叫取向力.(dipole-dipole forces)
分子间力类型分子类型
作用力
非极性分子间
色散力
极性-非极性分子间
色散力、诱导力
极性分子间
取向力,诱导力，色散力
·分子间力无饱和性、方向性；分子间力强度比化学键强度小1—2个数量级。
·大多数分子间力以色散力为主,且随摩尔质量的增大而增强；只有极性很强的分子才以取向力为主。
6.4.3 氢键(hydrogen bond)
· 氢键：由氢原子参与成键的特殊形式的分子间作用力。
氢原子与电负性较大的X原子以极性共价键相结合时,还能吸引另一个电负性较大，而半径又较小的Y原子(X原子可以与Y原子相同)的孤对电子所形成的分子间或分子内的键.
氢键的形成 H2O O的电负性 = 3.5
H的电负性 = 2.1
氢键表示为 X—H…Y
例 F—H…F N—H…O
·特点：(1)大于分子间力，小于化学键
(2)有饱和性和方向性。
分子间力的应用：相似相溶原理; 能形成氢键的，一般也易于相互溶解(如乙醇溶于水).
·本章学习要点：
了解共价键的价键理论的基本要点以及键长,键角和键能的概念。了解分子电偶极矩的概念及其应用于区分极性分子和非极性分子。能联系杂化轨道理论(s-p型)说明一些典型分子的空间构型。
在明确化学键,分子间力(以及氢键)的本质及特性的基础上，了解晶体结构及其对物质性质的影响
作业P128
10,13,14
思考题:
Chapter 6 Chemical bond & molecular structure
本章教学内容：
离子键与离子化合物。
共价键与分子结构。价键理论。杂化轨道与分子空间构型。
分子间力和氢键。分子的极性，电偶极矩。
本章教学要求：
了解共价键的价键理论的基本要点以及共价键的特征、共价键的类型。
能联系杂化轨道理论(s-p型)说明一些典型分子的空间构型。
了解分子电偶极矩的概念，能判断分子的极性。
明确分子间力(以及氢键)的本质及特性。
本章教学重点：
H2共价键的形成，价键理论，共价键的特征、类型；
杂化轨道理论及分子的空间构型
本章习题,P160 9,10,11,13,14
6.1 离子键与离子的结构(Ionic bond and structure of ion)
6.1.1离子键的形成
NaCl分子
11Na (X=1.01) 1s2 2s2 2p6 3s1 Na+ 1s2 2s2 2p6
17Cl (X=3.16) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Cl- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
离子键——正负离子间通过静电作用力而形成的化学键。
6.1.2离子键的特征离子键的本质是静电作用力，只有电负性相差较大的元素之间才能形成离子键。
离子键无方向性，无饱和性。
离子键是极性键。
电子失去的顺序:np-ns-(n-1)d-(n-2)f
用n+0.4l做判据,其数值越大，越易失去电子。
6.1.3各种简单离子构型(负离子anion一般仅有外层8电子结构,正离子cation有外层多种结构)
6.2共价键与分子结构(covalence bond &molecular structure)
6.2.1价键理论(valence bond theory)
（1）共价键形成的本质氢分子共价键的形成
1927年，Heitler and London将量子力学成果应用于H2分子结构的研究,使共价键的本质得到初步解决。他们的结果认为:当两个氢原子相互靠近，且它们的1s电子处于自旋状态反平行时,两个电子才能配对成键;当两个氢原子的1s电子处于自旋状态平行时,两电子不能配对成键。
ψA——两个1s电子自旋平行（推斥态）
ψS——两个1s电子自旋反向（基态）
2）共价键的本质——原子间由于成键电子原子轨道重叠而形成的化学键。
3）价键理论基本要点具有自旋反向的未成对电子的原子接近时，可因原子轨道的重叠而形成共价键 ——电子配对原理一个电子与另一个自旋反向的电子配对成键后，不能再与第三个电子配对成键原子轨道重叠程度越大，共价键越牢固——原子轨道最大重叠原理
（2）共价键的特征饱和性——一个电子与另一个自旋反向的电子配对后，不能再与第三个电子配对成键共价键的饱和性是和离子键相比较而言，离子化合物中正负离子都为S2P6结构，其电荷分布呈球形对称，所以，它们可以从各个方向相互接触，并且尽可能地和异性离子相接触（配位），配位数的多少决定于正负离子的大小。
方向性——沿轨道的伸展方向重叠，同号重叠。
由于电子运动状态在空间分布是有一定取向的，原子轨道的重叠也是有一定取向的.如N原子有3个未成对电子,其取向分别为px,py,pz。N2分子中的三对电子并不在同一个平面上，而是在X，Y，Z三个互相垂直的方向。这就是所谓的共价键的方向性。
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例 N2 7N,1s2 2s2 2p3 ↑↓ 2px 2py 2pz
↑↓ 2s
1s
H2S 16S,3s2 3p4
↑↓↑↓ ↑↓
↑↓ 3px 3py 3pz
3s
共价键的极性
极性共价键——成键原子的电负性不同 HCl H2O
共价键
非极性共价键——成键原子的电负性相同 H2 Cl2
（3）共价键类型
键:头碰头(end-on manner)
键:肩并肩(sideways manner)
（4）共价键参数
共价键的键能
定义：在298K和100kpa条件下，气态分子断开1mol化学键所需的能量。
键能是一个平均值
例 H2O：O-H的键能 H2O(g) = H (g) + OH (g) E = 502kj·mol-1
OH(g) = H（g）+ O (g) E = 426kj·mol-1
O-H,E = 465kj·mol-1
应用键能可以估算化学反应的能量变化
6.2.2杂化轨道(hybridization orbital)与分子的空间构型价键理论成功地解释了许多共价键分子的形成，阐明了共价键的本质及特征。但在解释许多分子的空间结构方面遇到了困难。Pauling and Slater从电子具有波动性，电子波可以叠加的观点出发提出了杂化轨道理论，进一步发展了价键理论。
（1）杂化轨道理论基本要点：
在共价键的形成过程中，同一原子中能量相近的若干不同类型的原子轨道可以”混合”起来，重新组合形成一组成键能力更强的新的原子轨道。过程称为原子轨道的杂化。所组成的新的原子轨道称为杂化轨道.
注意：杂化过程中;
能量相近的轨道杂化；
2）杂化后轨道数目不变;
3）杂化发生在分子形成过程中，单个原子不发生杂化。
·s-p杂化的几种类型
p3杂化,
p2杂化
sp杂化不等性sp3杂化
s-p杂化的几种类型杂化类型
成分
空间构型
(Geometry)
键角
杂化轨道数
实例
Sp3
1/4s,3/4p
正四面体
109o28`
4
CH4,SiH4
Sp2
1/3s,2/3p
平面三角形
120o
3
BF3,BCl3
Sp
1/2s,1/2p
直线
180o
2
BeCl2 HgCl2
Sp3d2
s,1/2p,1/3d
正八面体
6
SF6
不等性Sp3
1/4s,3/4p
三角锥,
1070
104．50
4
NH3,PH3
V字型
H2O,H2S
6.4分子间力和氢键(Intermolecular force & hydrogen bond)
分子间力本质是静电力.
6.4.1分子的极性(Molecular polarity)
分子正负电荷中心
极性分子中，由于原子的电负性的差异，分子中的正负电荷中心分别形成正负两极。
分子偶极矩(dipole moment):偶极长度和偶极上电荷的乘积.
P=l·q (矢量,正 负)
分子极性的实质是电子云在空间分布不对称,键的极性是分子产生极性的内因。极性分子P>0,非极性分子p=0
6.4.2 分子间力
·色散力：非极性分子瞬间产生的偶极称为瞬时偶极(instantaneous dipole moment),瞬时偶极产生的作用力称为色散力,
·诱导力(inductive force)：非极性分子受极性分子电场的作用，原来重合的正负电荷中心分离开来，产生诱导偶极.诱导偶极与极性分子固有偶极间的作用力叫诱导力.另一方面,诱导偶极又反作用于极性分子，使其偶极长度增加，进一步增强了相互吸引力.极性分子之间由于变形而产生诱导偶极，使分子极性增加，使分子之间的相互作用力也进一步增强。
· 取向力：当极性分子相互靠近时,它们的固有偶极相互作用,两个分子在空间按照异极相邻的状态取向.由于固有偶极的取向而引起的分子间作用力叫取向力.(dipole-dipole forces)
分子间力类型分子类型
作用力
非极性分子间
色散力
极性-非极性分子间
色散力、诱导力
极性分子间
取向力,诱导力，色散力
·分子间力无饱和性、方向性；分子间力强度比化学键强度小1—2个数量级。
·大多数分子间力以色散力为主,且随摩尔质量的增大而增强；只有极性很强的分子才以取向力为主。
6.4.3 氢键(hydrogen bond)
· 氢键：由氢原子参与成键的特殊形式的分子间作用力。
氢原子与电负性较大的X原子以极性共价键相结合时,还能吸引另一个电负性较大，而半径又较小的Y原子(X原子可以与Y原子相同)的孤对电子所形成的分子间或分子内的键.
氢键的形成 H2O O的电负性 = 3.5
H的电负性 = 2.1
氢键表示为 X—H…Y
例 F—H…F N—H…O
·特点：(1)大于分子间力，小于化学键
(2)有饱和性和方向性。
分子间力的应用：相似相溶原理; 能形成氢键的，一般也易于相互溶解(如乙醇溶于水).
·本章学习要点：
了解共价键的价键理论的基本要点以及键长,键角和键能的概念。了解分子电偶极矩的概念及其应用于区分极性分子和非极性分子。能联系杂化轨道理论(s-p型)说明一些典型分子的空间构型。
在明确化学键,分子间力(以及氢键)的本质及特性的基础上，了解晶体结构及其对物质性质的影响
作业P128
10,13,14
思考题:
