共价键理论学习.pptx

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1、第一节 现代价键理论valence bond theory 一、氢分子的形成和共价键的本质一、氢分子的形成和共价键的本质 （1 1）氢分子的形成是两个氢原子）氢分子的形成是两个氢原子1 1s s轨道重叠的结果。轨道重叠的结果。（2 2）只有两个氢原子的单电子自旋方向相反时，两个）只有两个氢原子的单电子自旋方向相反时，两个1 1s s轨道才会有效重叠，轨道才会有效重叠，形成共价键形成共价键基态。基态。（3 3）两个氢原子的单电子自旋平行时，两个）两个氢原子的单电子自旋平行时，两个1 1s s轨道不能有效重叠，形成共轨道不能有效重叠，形成共价键价键排斥态。排斥态。第1页/共87页 第2页/共87页

2、两个氢原子接近时的势能变化两个氢原子接近时的势能变化 E 排斥态排斥态 （电子自旋方向相同）（电子自旋方向相同）基态（电子自旋方向相反）基态（电子自旋方向相反）r/pm-458074第3页/共87页第4页/共87页 Repulsion stateGround state第5页/共87页 二、现代价键理论的要点：二、现代价键理论的要点：现代现代价键理论价键理论（valencevalence bond theory bond theory，简称简称VBVB法，又称为电子配对法）法，又称为电子配对法）1.1.共价键的形成共价键的形成(本质本质)两个原子接近时，只有自旋方向相反的单电子可两个原子接近时

3、，只有自旋方向相反的单电子可以相互配对（两原子轨道重叠），使电子云密集于以相互配对（两原子轨道重叠），使电子云密集于两核间，系统能量降低，形成稳定的共价键。两核间，系统能量降低，形成稳定的共价键。2.2.共价键的饱和性和方向性共价键的饱和性和方向性 共价键的饱和性共价键的饱和性 自旋方向相反的单电子配对形成共价键后，就不自旋方向相反的单电子配对形成共价键后，就不能再和其他原子中的单电子配对。能再和其他原子中的单电子配对。第6页/共87页 即每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中的单电子数目即每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中的单电子数目共价共价键的饱和性。键的饱和性。共价键的方向性

4、共价键的方向性 成键时，两原子轨道重叠愈多，两核间电子云愈密集，形成的共价键愈牢固，这成键时，两原子轨道重叠愈多，两核间电子云愈密集，形成的共价键愈牢固，这称为原子轨道最大重叠原理。因此共价键具有方向性。称为原子轨道最大重叠原理。因此共价键具有方向性。第7页/共87页H 的的1s 轨道与轨道与 Cl 的的 3px 轨道重叠示意图轨道重叠示意图第8页/共87页共价键具有方向性共价键具有方向性(最大重叠原理最大重叠原理):y（a a）x x轴方向轴方向结合成键结合成键1sx（b,cb,c）非非x x轴方向重轴方向重叠不能形成键叠不能形成键3px+3px1sx+y（b b）（c c）y3px1sx+

5、第9页/共87页3 3、共价键的类型 键和键第10页/共87页第11页/共87页第12页/共87页第13页/共87页第14页/共87页xxxx+第15页/共87页 键键以以“头碰头头碰头”方式进行方式进行重叠，轨道的重叠部分沿键轴呈圆柱重叠，轨道的重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布。形对称分布。键键原子轨道中两个互相平原子轨道中两个互相平行的轨道如行的轨道如p py y或或p pz z 以以“肩并肩肩并肩”方方式进行重叠，轨道的重叠部分垂直于式进行重叠，轨道的重叠部分垂直于键轴并呈镜面反对称分布键轴并呈镜面反对称分布 。第16页/共87页sigma bondss第17页/共87页sp第18页/共8

6、7页pp第19页/共87页 特点：特点：1.可以单独存在。可以单独存在。2.重叠程度大，稳定。重叠程度大，稳定。3.可以沿着键轴转动。可以沿着键轴转动。第20页/共87页pp第21页/共87页pi bond第22页/共87页 特点：特点：1.不可以单独存在。不可以单独存在。2.重叠程度较重叠程度较键小，键小，稳定性差。稳定性差。3.不能沿着键轴转动。不能沿着键轴转动。4.电子受核束缚力较小电子受核束缚力较小 第23页/共87页N2中的共价三键示意图第24页/共87页第25页/共87页 凡凡是是成成键键电电子子云云对对键键轴轴呈呈圆圆柱柱形形对对称称的的键键均均称称为为 键键.以以 键键相相连连

7、的的两两个个原原子子可可以以相相对对旋旋转转而不影响电子云的分布而不影响电子云的分布.键键甲烷的四个甲烷的四个C-H 键键第26页/共87页乙烯的乙烯的 键键第27页/共87页n一一个个碳碳原原子子的的两两个个p轨轨道道和和另另一一个个碳碳原原子子对对应应的的两两个个p轨轨道道,在侧面交盖形成两个碳碳在侧面交盖形成两个碳碳 键。键。乙炔的乙炔的 键键第28页/共87页n4.4.键参数 能表征化学键性质的物理量称为键参数（bond parameterbond parameter）。键能（bond energybond energy）是从能量因素来衡量共价键强度的物理量。键长（bond lengt

8、hbond length）分子中两成键原子的核间平衡距离。键长特点：两原子形成同型共价键时，键长愈短，键愈牢固。第29页/共87页134pmC154pmC120pmC第30页/共87页 键角（bond anglebond angle）分子中同一原子形成的两个化学键间的夹角。一般而言，根据分子中的键角和键长可确定分子的空间构型。非极性共价键（nonpolar covalent bondnonpolar covalent bond）极性共价键（polar covalent bondpolar covalent bond）第31页/共87页H2HCl第32页/共87页第二节第二节 hybrid or

9、bital theory 一、杂化轨道理论的要点一、杂化轨道理论的要点 1.1.在成键过程中，在成键过程中，同一原子中能量相近同一原子中能量相近的的不同类型不同类型的的n n个价原子轨道个价原子轨道（即（即波函数），混合波函数），混合-杂化杂化（hybridizationhybridization），），重新分配能量和确定空间方向，重新分配能量和确定空间方向，组成组成数目相等数目相等的新的原子轨道的新的原子轨道-杂化轨道杂化轨道（hybrid orbitalhybrid orbital）。）。第33页/共87页 2.2.杂化轨道的角度分布更集中在某个方向,更有利于原子轨道间最大程度重叠，因而杂

10、化轨道比原来轨道的成键能力强。3.3.杂化轨道之间力图在空间取最大夹角分布，形成相互间排斥能最小的杂化轨道构型。不同类型的杂化轨道之间的夹角不同，成键后所形成的分子就具有不同的空间构型。4.杂化分为等性杂化和不等性杂化第34页/共87页 二、轨道杂化类型二、轨道杂化类型 （一）（一）spsp杂化杂化 由由1 1个个nsns轨道和轨道和1 1个个npnp轨道参与的杂化称为轨道参与的杂化称为spsp杂化，杂化，形成的形成的2 2个轨道个轨道称为称为spsp杂化轨道。杂化轨道。2 2个个spsp杂化轨道间的夹角为杂化轨道间的夹角为1801800 0 。当当2 2个个spsp杂化轨道与其他原子轨道重叠

11、成键后就形成直线型分子。杂化轨道与其他原子轨道重叠成键后就形成直线型分子。第35页/共87页sp杂化 第36页/共87页 sp杂化杂化2s2p2s2psp2ptwosp hybrid orbitalsexcited hybridization BeCl2分子的空间构型分子的空间构型BeClCl第37页/共87页 （二）（二）spsp2 2杂化杂化 由由1 1个个nsns轨道与轨道与2 2个个npnp轨道参与的杂化称为轨道参与的杂化称为spsp2 2 杂化杂化,组合成组合成3 3个个spsp2 2 杂化轨杂化轨道。道。3 3个个spsp2 2杂化轨道呈正三角形分布，夹角为杂化轨道呈正三角形分布，

12、夹角为1201200 0。当当3 3个个spsp2 2杂化轨道分别与其他杂化轨道分别与其他3 3个相同原子的轨道重叠成键后，形成正个相同原子的轨道重叠成键后，形成正三角形分子。三角形分子。第38页/共87页sp2杂化 第39页/共87页第40页/共87页 （二）（二）sp2杂化杂化 BF3 sp2杂化杂化2s2p轨道轨道2s2p2s2psp2three sp2 hybrid orbitalsexcited hybridization Formation of the covalent bonds in BF3Hybrid orbitalsFFF第41页/共87页BF3形成示意图第42页/共87

13、页 （三）（三）spsp3 3杂化杂化 sp sp3 3杂化轨道是由杂化轨道是由1 1个个nsns轨道和轨道和3 3个个n pn p轨道参与的杂化称为轨道参与的杂化称为spsp3 3 杂化。组杂化。组合成合成4 4个个spsp3 3杂化轨道。杂化轨道。sp sp3 3杂化轨道间的夹角均为杂化轨道间的夹角均为109109 0 0 2828 。当它们分别与其他当它们分别与其他4 4个相同原子的轨道重叠成键后，形成正四面体构型的分个相同原子的轨道重叠成键后，形成正四面体构型的分子。子。第43页/共87页sp3杂化轨道杂化轨道一个一个s轨道与三个轨道与三个p轨道形成四个轨道形成四个sp3轨杂化道轨杂化

14、道第44页/共87页（三）（三）sp3杂化杂化 CH42p2s2s2psp3four four sp3 3 hybrid orbitalsexcited hybridization Formation of the covalent bonds in CH4第45页/共87页CH4形成示意图第46页/共87页甲烷的甲烷的sp3杂化杂化第47页/共87页乙烯乙烯sp2杂化杂化第48页/共87页乙炔的乙炔的sp杂化杂化第49页/共87页六个碳均为六个碳均为 sp2杂化杂化苯的苯的p轨轨道交盖道交盖大大 键键HHHH第50页/共87页苯分子的 键 6666第51页/共87页有机分子有机分子CH4CH

15、2=CH2CHCHC6H6碳原子轨碳原子轨道道杂化方式杂化方式sp3sp2spsp2分子形状分子形状特点特点正四面体正四面体平面结构平面结构直线型直线型平面结构平面结构第52页/共87页 （四）等性杂化 杂化后所形成的几个杂化轨道所含原来轨道成分的比例相等，能量完全相同，这种杂化称为等性杂化（equivalent equivalent hybridizationhybridization）。通常，若参与杂化的原子轨道都含有单电子或都是空轨道，其杂化是等性的。如上述的三种spsp型杂化 。第53页/共87页 （五）不等性杂化 杂化后所形成的几个杂化轨道所含原来轨道成分的比例不相等能量不完全相同，

16、这种杂化称为不等性杂化（nonequivalent nonequivalent hybridizationhybridization）。通常，若参与杂化的原子轨道中，有的已被孤对电子占据，其杂化是不等性的。第54页/共87页 试说明NHNH3 3分子的空间构型。实验测知，NHNH3 3分子中有3 3个N NH H键，键角为1071070 0 ，分子的空间构型为三角锥形（习惯上孤对电子不包括在分子的空间构型中 ）。试解释H H2 2O O分子的空间构型。实验测得，H H2 2O O分子中有2 2个O-HO-H键，键角为1041040 04545，分子的空间构型为 V V形。第55页/共87页 s

17、psp3 3杂化轨道杂化轨道 NHNH3 3107107 107107 107107 第56页/共87页sp3杂化轨道 H2O第57页/共87页NH3的几何构型的几何构型第58页/共87页第五节第五节 分分 子子 间间 作作 用用 力力 Intermolecular Force Intermolecular Force van der Waals forceHydrogen bond第59页/共87页（一）non-polar moleculeand polar molecule 第60页/共87页 分子极性的大小用电偶极矩 （electric dipole momentelectric dip

18、ole moment）量度。它等于正、负电荷重心的距离（d d ）和正电荷重心或负电荷重心上的电量（q q）的乘积：q q d d0极性分子，越大，分子极性越大。0非极性分子第61页/共87页 （二）分子的极化 在外电场作用下，极性分子 u u 增大,非极性分子产生诱导偶极。如图所示：分子的极化不仅在外电场的作用下产生，分子间相互作用时也可发生，这是分子间存在相互作用力的重要原因。第62页/共87页 二、二、van der Waals force 1.classification a.orientation force b.induction force c.dispersion force第

19、63页/共87页 1.1.取向力（取向力（orientation forceorientation force）。）。取向力取向力 ：极性分子永久偶极极性分子永久偶极间的吸引力。极性分子具有永久偶极，当两个间的吸引力。极性分子具有永久偶极，当两个极性分子接近时，因同极相斥，异极相吸，分子将发生相对转动，力图使分子间极性分子接近时，因同极相斥，异极相吸，分子将发生相对转动，力图使分子间按异极相邻的状态排列吸引。按异极相邻的状态排列吸引。+第64页/共87页极性分子相互作用示意图第65页/共87页 2.2.诱导力（诱导力（induction forceinduction force）。）。诱导偶极

20、与永久偶极诱导偶极与永久偶极之间的吸引力。之间的吸引力。诱导力发生在极性分子和非极性分子以及极性分子之间。诱导力发生在极性分子和非极性分子以及极性分子之间。+第66页/共87页第67页/共87页极性分子与非极性分子相互作用示意图第68页/共87页 3.3.色散力（色散力（dispersion forcedispersion force）由于分子内部的电子不断运动和原子核的由于分子内部的电子不断运动和原子核的振动，使分子的正、负电荷重心不断发生瞬时振动，使分子的正、负电荷重心不断发生瞬时相对位移，从而产生瞬时偶极。瞬时偶极又可相对位移，从而产生瞬时偶极。瞬时偶极又可诱导邻近的非极性分子产生瞬时诱

21、导偶极。瞬诱导邻近的非极性分子产生瞬时诱导偶极。瞬时偶极间相互作用产生的引力时偶极间相互作用产生的引力-色散力色散力。+第69页/共87页非极性分子相互作用示意图第70页/共87页 色散力的大小色散力的大小与分子是否容易变与分子是否容易变形有关，同类型的形有关，同类型的化合物，摩尔质量化合物，摩尔质量越大越容易变形。越大越容易变形。第71页/共87页（二）（二）范德华力的范德华力的 特征和作用特征和作用 作用力小、作用范围小、作用力小、作用范围小、没有饱和性与方向性。没有饱和性与方向性。是决定物质沸点、熔是决定物质沸点、熔点的主要因素。点的主要因素。第72页/共87页 对于大多数分子，色散对于

22、大多数分子，色散力是主要的。一般说来力是主要的。一般说来van van der Waalsder Waals力小的物质，其沸力小的物质，其沸点和熔点都较低。点和熔点都较低。第73页/共87页第74页/共87页 H H原子与电负性较强的原子与电负性较强的Y Y原子间的静电吸引力（虚线所示）称为氢原子间的静电吸引力（虚线所示）称为氢键。键。X XH HY Y氢键的类型：分子内氢键和分子间氢键。（一）氢键及其种类 三、三、hydrogen bond 第75页/共87页分分子子间间氢氢键键 第76页/共87页冰中氢键的四面体立体结构第77页/共87页分子内氢键分子内氢键H O O N O硝酸硝酸O O

23、 N H O邻硝基苯酚邻硝基苯酚第78页/共87页蛋白质氢键示意图第79页/共87页DNADNA氢键示意图第80页/共87页 氢键的强弱与氢键的强弱与X X、Y Y原子的电负性及半径大小有关。原子的电负性及半径大小有关。X X、Y Y原子的电负性原子的电负性愈大、半径愈小，形成的氢键愈强。愈大、半径愈小，形成的氢键愈强。氢键的键能一般在氢键的键能一般在42 42 kJkJ mol mol-1-1 以下，它比化学键弱得多，但比以下，它比化学键弱得多，但比 van der Waalsvan der Waals力强。力强。（二）氢键的特征及作用第81页/共87页 氢键具有饱和性和方向性(分子间氢键)

24、。氢键具有饱和性:一个H H原子只能形成一个氢键。氢键具有方向性(分子间氢键):):形成分子间氢键的三个原子尽可能在一条直线上。XHY第82页/共87页氢键形成对物质性质的影响氢键形成对物质性质的影响熔、沸点熔、沸点分子间的氢键存在使熔、沸点升高。分子间的氢键存在使熔、沸点升高。如如 HF、H2O、NH3 分子内的氢键存在使熔、沸点降低。分子内的氢键存在使熔、沸点降低。氢键氢键熔点熔点邻硝基苯酚邻硝基苯酚分子内分子内45间位硝基苯酚间位硝基苯酚分子间分子间96对位硝基苯酚对位硝基苯酚分子间分子间114第83页/共87页 若溶质和溶剂间形成氢键，可使溶解度增大；若溶质分子内形成氢键，则在极性溶剂中溶解度小，而在非极性溶剂中溶解度增大。HF、NH3 在在H2O的溶解度大。的溶解度大。邻硝基苯酚邻硝基苯酚 在在H2O中的溶解度小于中的溶解度小于在苯中的溶解度。在苯中的溶解度。溶解度溶解度第84页/共87页 1.1.掌握现代价键理论的基本内容，杂化轨道理论的要点及在解释分子空间构型方面的应用。2.2.熟悉共价键的类型和氢键的形成、本质、类型以及对物质物理性质的影响。3.3.了解键参数，分子间作用力的产生、类型及对物质物理性质的影响。本章要求第85页/共87页本章作业本章作业2、5、8、16、20、21、26、28第86页/共87页感谢您的观看。第87页/共87页