第八章 分子结构与晶体结构 (1)
序言
一、化学键
1 离子键 (本质、特征,强弱,离子半径 )
2 共价键 (本质、特征、强弱、共价半径 )
3*分子构型 (价电子对互斥理论 )
4 杂化轨道理论
5 分子轨道理论
二,分子间力和氢键
1 分子间力
2 氢键
三,*晶体结构
1 晶体的特征
2 晶格和晶胞
3 晶体的基本类型
序言,
? 原子怎样结合成为分子? - 化学键
– 离子键
– 共价键
– 金属键
? 分子的形状? - 分子构型
– 价电子对互斥理论
? 分子怎样组成物质材料? - 分子间作用力
? 固体材料的结构?
-晶体结构
-无定型结构
Link
1、离子键 (Ionic Bonds)
? Lewis结构式和八隅体规则
? 离子键及其特点
? 离子键强度与晶格能
? 离子化合物的性质
一、化学键( Chemical Bonds)
Lewis 结构式,价电子( Valence electrons)
· ·· ··
H· He:,N· ·O·,Cl· K· Mg:,Ne,· ·· ··
· ·· ··
K· +,Cl· → K +[:Cl:]- ·· ··
失 或 得 电子 → 八隅体规则 (主族 )
Loss or gain electrons → octet rule
为什么惰性气体稳定? ns2np6 八电子层结构
? ?
? ?
离子键及其特点,
定义,正负离子间的静电吸引力叫做离子键。
特点,既没有方向性,也不具饱和性。
· ·· ··
K· +,Cl· → K +[:Cl:]- ·· ··
NaCl 晶体
离子键强度与晶格能,
? 定义,晶格能表示相互远离的 气态 正离子和负离子结
合成 1 mol 离子晶体 时所释放的能量,或 1 mol 离子晶
体解离成自由气态离子时所吸收的能量。( A measure
of the attraction between ions is lattice enthalpy,the
enthalpy change per mol of formula units when a solid
is broken up to a gas of widely separated ions.)
(取其绝对值)如,
Ca2+ (g) + 2Cl- (g) CaCl2 (s)
– ?H = U = 2260.kJ/mol
晶格能( U) (Lattice Enthalpies)
??????
离子键强度与晶格能,
Born-Lande 公式
U = -Ve ∝ Z1Z2/r
其中,Ve 为正负离子间吸引力和排斥力达平衡时,体系的
位能; Z1,Z2 分别为正负离子的电荷数; r为正负离子间
距。
the closer the center of charge and the greater the charges,
the stronger will be the interaction。
? Born-Haber 循环计算 U (课外自学)
离子化合物的性质
(The Properties of Ionic Compounds)
? 高熔点 High melting points
? 高沸点 High boiling points
? 易脆性 Brittleness
? 溶解性 Some are soluble,some not,
[例 ] Ca3(PO4)2,骨头的主要成分
The doubly charged small Ca2+ ions,and the triply
charged PO43- ions attract one another very strongly
and clamp together to form a rigid,insoluble solid,(not
completely insoluble,osteoporosis,骨质疏松症 )
2、共价键 (Covalent Bonds)
? 从原子到分子 (from atoms to molecules)
? 八隅率与 Lewis结构
(The octet rule and Lewis structure)
双原子分子
多原子分子
共振杂化 形式电荷 例外
? 广义八隅率 (Expended valence shells)
? Lewis 酸碱 (Lewis acids and bases)


· ·
共享电子对
Nonmetals form covalent bonds to one
another by sharing pairs of electrons
共价键的形成过程,?键(头碰头)
The overlap of orbitals to form covalent bonds,(a) The
bond in H2 results from the overlap of two 1s orbitals
from two H atoms,(b) The bond in HCl results from the
overlap of a 1s orbital of H and one of the lobes of a 3p
orbital of Cl,(c) The bond in Cl2 results from the overlap
of two 3p orbitals from two Cl atoms,
?键,p轨道(肩并肩)
共价键的主要特点 是具有 饱和性和方向性 。
共价键的本质和特点
共价键的本质 是由于原子相互接近时轨道重
叠(即波函数叠加),原子间通过共用自旋
相反的电子对使能量降低而成键。
3,分子和离子的形状
(The shapes of molecules and ions)
价层电子对互斥理论
The VSEPR model
(Valence-shell electron-pair repulsion )
VSEPR (Valence-shell electron-pair repulsion )
价层电子对互斥理论
可以定性判断和预见分子的几何构型
? 分子的共价键中的 价电子对 以及 孤对电子 由于相互排斥作
用而趋向尽可能彼此远离,分子尽可能采取对称的结构。
? 若一个中心原子和几个配位原子形成分子时,分子的几何
构型取决于中心原子周围地价电子数目。价电子包括价层
轨道中 成键电子对 (bp)和孤电子对 (lp),
? 不同价电子对间排斥作用的顺序为,
lp- lp ? lp- bp ? bp- bp
? 分子中的多重键按单键处理。
价层电子对数确定方法,
价层电子对数 = ?(中心原子价电子总数+ 配位原子提供电子数
– 离子电荷数 )
配位原子提供电子数,H,Cl,1; O,S,0; N,-1,











电子对数目,2,3,4
电子对数目,5,6
价层电子对数 =
?(中心原子价电子数
+ 配位原子提供电子数
– 离子电荷数代数值)
= ?键数 + 孤电子对数
配位原子提供电子数,
氢和卤素原子:各提供 1个电子 (形成一个 ?键 );
氧和硫原子:提供 0个电子 (中心原子提供 2个电子形
成一个 ?键 );
氮原子:提供 -1个电子 (中心原子提供 3个电子形
成一个 ?键 );
Methane (CH4) Lewis structure,
Central atom carbon
Valence electrons on central atom 4
4 H each contribute 1 electron,4
Total 8
Divide by 2 to give electron pairs 4
4 electron pairs,tetrahedral for the four
shape-determining electron pairs
甲烷
分子构型:正四面体
Ammonia,NH3 Lewis structure,
Central atom nitrogen
Valence electrons on central atom 5
3 H each contribute 1 electron,3
Total 8
Divide by 2 to give electron pairs 4
4 electron pairs,tetrahedral
geometry for the four shape-
determining electron pairs
The H-N-H bond angles are slightly
less (106.6° ) than the ideal
tetrahedral angle of 109.5°,

分子构型:角锥型
电子构型与 分子构型 不一致
Water,OH2 Lewis structure,
Central atom oxygen
Valence electrons on central atom 6
2 H each contribute 1 electron,2
Total 8
Divide by 2 to give electron pairs 4
4 electron pairs,tetrahedral for the four
shape-determining electron pairs

分子构型:角型 电子构型与 分子构型 不一致
Boron trifluoride,BF3 Lewis structure,
Central atom boron
Valence electrons on central atom 3
3 F each contribute 1 electron,3
Total 6
Divide by 2 to give electron pairs 3
3 electron pairs,trigonal geometry for
the three shape-determining electron
pairs
BF3
分子构型:平面三角
hexafluorophosphate,[PF6]-
Lewis structure,
Central atom phosphorus
Valence electrons on central atom 5
6 F each contribute 1 electron,6
Add one for the negative charge on P 1
Total 12
Divide by 2 to give electron pairs 6
6 electron pairs,octahedral geometry
for the six shape-determining electron
pairs
[PF6]-
分子构型:正八面体
Chlorine trifluoride,ClF3
Lewis structure,
Central atom chlorine
Valence electrons on central atom 7
3 F atoms each contribute 1 electron,3
Total 10
Divide by 2 to give electron pairs 5
5 electron pairs,trigonal bipyramidal
geometry for the five shape-
determining electron pairs
ClF3
分子构型,T字型
电子构型与 分子构型 不一致
电子数为 5时,孤对总是尽先处
于三角双锥的腰部位置
Isomers
The case of ClF3 is interesting,The calculation shows that the
shape is based upon five electron pairs and the favoured
geometry is therefore trigonal bipyramidal,There are three
bonded groups and so two lone pairs,This is indeed the case,
but the point of interest here is the location of the lone pairs,
There are three possible ways of placing two electron pairs in a
trigonal bipyramidal geometry,
These three structures have respectively zero,one,and two lone
pairs in the axial sites,For the VSEPR method to be worth
much,it has to successfully predict the correct geometry,To
approach this problem it is necessary to know the relative
magnitude of the various kinds of electron pair-electron pair
interactions,There are three possible interactions






See p167
VSEPR calculation for perchlorate,[ClO4]-
Perchlorate,[ClO4]- Lewis structure,
Central atom chlorine
Valence electrons on central atom 7
4 terminal oxygens each contribute 1
electron in the four ? bonds 4
Add one for the negative charge located on
Cl 1
Subtract four for the four electrons
contributed by Cl to the four ? bonds (one
for each),-4 (双键因素 )
Total 8
Divide by 4 to give electron pairs 4
4 electron pairs,tetrahedral geometry for
the four shape-determining electron pairs
[ClO4]–
分子构型:正四面体
含氧原子的情况:净结果
是 O原子不提供价电子。
Nitrogen dioxide,NO2 Lewis structure,
Central atom nitrogen
Valence electrons on central atom 5
2 terminal oxygens each contribute 1
electron in the two s bonds,2
Subtract two for the two electrons
contributed by N to the two pi bonds,-2
(双键因素 )
Total 5
Divide by 2 to give electron pairs 2.5 3
3 electron pairs,trigonal geometry for
the 3 shape-determining s-framework
orbitals
NO2
分子构型:角型
含氧原子的情况:净结果
是 O原子不提供价电子。 电子构型与 分子构型 不一致
适用性与局限性
价层电子对互斥理论
? Predicts the shapes of molecules
? Works very well for octets and for,expanded
octets” (2nd and 3rd row elements)
? Doesn't work at all for transition metal
complexes--too many groups and electrons
to allow the use of sterics alone
不能说明成键原理和键的相对稳定性
Ronald J,Gillespie
Department of Chemistry,McMaster Uni6ersity,1280
Main Street West,Hamilton,Ont.,Canada
Coordination Chemistry Reviews,197 (2000),3-19;
51–69,
4,杂化轨道 (Hybrid Obital)
实验测得 CCl4,CH4等的立体构型为正四面体
( tetrahedral)
在同一个原子中能量相近的不同类型( s,p,d,? )
的几个原子轨道波函数可以相互叠加而组成同等数目的
能量能量完全相同的 杂化轨道 。
sp杂化轨道, BeF2 的立体结构为线性




sp2杂化,
sp2杂化,乙烯
sp3杂化,
sp3杂化及其成键过程
杂化轨道与分子形状
(Hybridization and molecular shape)
Electron
arrangement
Number of
atomic orbitals
Hybridization of
the central atom
Number of
bybrid orbitals
Linear
线形
2 sp 2
Trigonal planar
三角平面
3 sp2 3
Tetrahedral
四面体
4 sp3 4
trigonal
bipyramidal
三角双锥
5 sp3d 5
Octaheral
八面体
6 sp3d2 6
分子不是因为它有 sp3杂化轨道而具有四面体形状!杂化仅
仅是描述给定分子结构中成键的一种理论方式。 它只是对
分子形状的一个解释,形状本身并非杂化的结果!
杂化轨道理论不能预测分子的几何构型
立体三角锥
[例 ] NO3- SO2 NO2 等 (参见 p163-164)
离域 ? 键 (delocalized)
但价键理论不能说明 氧分子的顺磁性 等。
顺磁性,要求分子内必须有未
成对电子。
O O

分子轨道理论解释
见本文件第 27页。
5、分子轨道理论
(Molecular orbital theory)
分子轨道理论是把分子看作一个整体,分子轨道
可近似地用原子轨道波函数线性组合得到。分子轨道
的数目等于组成分子的各原子的原子轨道数目之和。
2 个原子轨道可以组合成 2个分子轨道,其中一个
为成键轨道( bonding),其能量较原来的原子轨道能
量降低,用 ? 或 ? 表示;另一个为反键轨道
(antibonding),其能量较原来的原子轨道能量升高,
用 ? * 或 ?* 表示,
电子在分子轨道上的排布也遵从原子轨道电子排
布的同样原则。
分子轨道能级图,H2
能级图( Energy-level-diagram)
(a) 氢原子轨道 (b) 氢分子轨道
(a) (b)
分子轨道能级图,H2 与 He2 的比较
Figure,Energy-level diagram for (a) the H2
molecule and (b) the hypothetical He2 molecule,
氧的顺磁性
叶绿素 a,b
分子对光的吸收,电子从成键轨道激发到反键轨道
从原子轨道到分子轨道
必须满足 3条原则,
对称性匹配
能量近似
最大重叠