化学键和分子间作用力省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

5.3 化学键与分子间相互作用力化学键与分子间相互作用力 Chemical Bond&Intermolecular Force5.3.1 化学键化学键(Chemical Bond)5.3.2 分子极性与分子空间构型分子极性与分子空间构型 (Molecular Polarity and Geometry)5.3.3 分子间相互作用力分子间相互作用力 (Intermolecular Force)第1页5.3.1 化学键化学键(Chemical Bond)一、一、化学键定义化学键定义(definition of chemical bond)不一样外在性质反应了物质不一样内部结构各自内部结协力不一样不一样物质含有不一样外在性质化学键是指分子内部原子之间化学键是指分子内部原子之间强强相互作用力。相互作用力。125900 kJ/mol第2页二、化学键类型二、化学键类型金属键金属键离子键离子键共价键共价键存在于金属内部化学键存在于金属内部化学键1.离子键离子键:由正、负离子之间静电引力形成化学键，由正、负离子之间静电引力形成化学键，称为称为离子键。离子键。离子键特点离子键特点 本质是静电引力（库仑引力）本质是静电引力（库仑引力）没有方向性和饱和性（库仑引力性质所决定）没有方向性和饱和性（库仑引力性质所决定）即：即：正负离子正负离子近似看作近似看作点电荷点电荷，所以其作用，所以其作用不不存在方向存在方向问题；在空间条件许可情况下，每个问题；在空间条件许可情况下，每个离子可吸引尽可能多相反离子。离子可吸引尽可能多相反离子。第3页NaClCsClArrangement of ions in crystalline sodium chloride and Cesium chloride第4页 键极性与元素电负性相关键极性与元素电负性相关电负性小电负性小易形成易形成正离子，正离子，K+、Na+活泼金属活泼金属(如如K、Na)电负性大电负性大活泼非金属活泼非金属(如如F、Cl)易形成易形成负离子，负离子，F-、Cl-经典经典正、负离子外层电子构型：正、负离子外层电子构型：ns2np6 称称8电子构型电子构型 如如K+、Cl-:3s23p6F-、Na+：2s22p6不经典不经典正离子外层电子构型还有：正离子外层电子构型还有：917电子构型，电子构型，如如Fe 3+3+:3s23p63d5，Cu 2+2+:3s23p63d918电子构型，电子构型，如如Cu+:3s23p63d5，Zn 2+2+:3s23p63d10第5页2.共价键：共价键：两原子间经过共用电子对而形成化学键。两原子间经过共用电子对而形成化学键。电负性相同或相差不很大电负性相同或相差不很大共价键本质？共价键本质？怎样解释形成双键和叁键原子间共享怎样解释形成双键和叁键原子间共享 2 2 对、对、3 3 对电子？对电子？电子正确享用与提供电子原子轨道间存在电子正确享用与提供电子原子轨道间存在 什么关系？什么关系？能否用原子轨道在空间取向解释分子几何能否用原子轨道在空间取向解释分子几何 形状？形状？(1)原子轨道重合原子轨道重合价键理论价键理论(superposition of atomic orbital valence bond theory)第6页量子力学处理量子力学处理H2分子结果分子结果 两个氢原子电两个氢原子电子自旋方式相反，子自旋方式相反，靠近、重合，核间靠近、重合，核间形成一个电子概率形成一个电子概率密度较大区域。系密度较大区域。系统能量降低，形成统能量降低，形成氢分子。氢分子。核间距核间距 R0为为74 pm。共价键本质共价键本质原子轨道重合，核间电原子轨道重合，核间电子概率密度大吸引原子核而成健。子概率密度大吸引原子核而成健。第7页价键理论基本关键点与共价键特点价键理论基本关键点与共价键特点价键理论基本关键点：价键理论基本关键点：未成对价电子自旋方式相反；未成对价电子自旋方式相反；原子轨道对称性匹配，且最大程度地重合。原子轨道对称性匹配，且最大程度地重合。1 1与与 2 2符号相同符号相同第8页重合重合不能重合不能重合第9页匹配，最大重合匹配，最大重合第10页共价键特点：共价键特点：方向性方向性饱和性饱和性:每个原子未成对电子数是一定，所每个原子未成对电子数是一定，所 以形成共用电子正确数目也就一定。以形成共用电子正确数目也就一定。H ClH O HN N指指原原子子间间总总是是尽尽可可能能沿沿着着原原子子轨轨道道最最大重合方向成键。大重合方向成键。第11页键：原子轨道沿核间联线方向进行同号重合(头碰头)。共价键键型共价键键型第12页键：两原子轨道垂直核间联线并相互平行进行同号重合(肩并肩)。第13页键与键与键形成示意图键形成示意图“头碰头头碰头”肩肩并并肩肩第14页键型稳定性：键型稳定性：键键 键键为何？为何？问题：问题：相邻两原子间只能形成相邻两原子间只能形成 个个键键，但可形，但可形成成 个或个或 个以上个以上键键。1 12 22 2为何？为何？第15页图图2.8 N2分子轨道重合图分子轨道重合图第16页19311931年，鲍林在价键理论基础上提出了杂化轨道理论。年，鲍林在价键理论基础上提出了杂化轨道理论。三、三、分子空间构型与杂化轨道分子空间构型与杂化轨道（hybrid orbital）据价键理论：据价键理论：OHHNHHHNHHH试验结果：试验结果：OHHNHHH10710440 O：2s22p4N：2s22p3H：1s1H：1s1第28页 成键时能级相近价电子轨道相混杂，形成新价电成键时能级相近价电子轨道相混杂，形成新价电子轨道子轨道杂化轨道杂化轨道轨道成份变了轨道成份变了总之，杂化后轨道总之，杂化后轨道轨道能量变了轨道能量变了轨道形状变了轨道形状变了结果，当然是更有结果，当然是更有利于成键啰！利于成键啰！变了变了 杂化后轨道伸展方向，形状和能量发生改变杂化后轨道伸展方向，形状和能量发生改变 杂化前后轨道数目不变杂化前后轨道数目不变1.1.杂化轨道理论基本关键点杂化轨道理论基本关键点2.2.杂化形式杂化形式等性杂化等性杂化不等性杂化不等性杂化第29页Be：2s2(1)sp杂杂化化BH2空间构型为直线形空间构型为直线形HHBespsp杂化杂化Be采取采取sp杂化杂化生成生成BeH2第30页两个两个sp杂化轨道杂化轨道第31页B：2s22p1(2)sp2杂化杂化BF3空间构型为空间构型为平面三角形平面三角形第32页sp2sp2杂化杂化第33页三个三个sp2杂化轨道杂化轨道第34页CH4空间构型空间构型为正四面体为正四面体C：2s22p2(3)sp3杂化杂化第35页sp3第36页四个四个sp3杂化轨道杂化轨道第37页 等性等性spspn n杂化比较：杂化比较：杂杂化化轨轨道道类类型型spsp2sp3参加杂化原子参加杂化原子轨道轨道1 1个个s s，1 1个个p p1 1个个s s，2 2个个p p1 1个个s s，3 3个个p p杂化轨道数目杂化轨道数目234杂化轨道成份杂化轨道成份s=1/(1+n)s=1/(1+n)p=n/(1+n)p=n/(1+n)1/2s1/2s、1/2p1/2p1/3s1/3s、2/3p2/3p1/4s1/4s、3/4p3/4p杂化轨道间夹角杂化轨道间夹角1801801201201092810928空间构型空间构型直线型直线型平面三角形平面三角形正四面体正四面体成键能力成键能力依次增强依次增强实例实例BeX2、CO2、HgCl2、C2H2BX3、CO32-、C2H4CH4、CCl4、SiH4、SiCl4第38页(4)不等性不等性sp3杂化杂化第39页 第40页判断等性判断等性sp3杂化与不等性杂化与不等性sp3杂化依据：杂化依据：（1 1）若参加杂化原子轨道中电子总数小于或等于原子轨）若参加杂化原子轨道中电子总数小于或等于原子轨道总数，则可形成等性杂化。道总数，则可形成等性杂化。（2 2）若电子总数大于轨道总数，一定有）若电子总数大于轨道总数，一定有 孤对电子存在，而形成不等性杂化孤对电子存在，而形成不等性杂化A A族族A A族族 A A族族2如如A A、A A、A A族元素可分别形成等性族元素可分别形成等性sp、sp2、sp3杂杂化化BeBCSiAlN、PO、SF、Cl、Br孤电子对数孤电子对数如不等性如不等性sp3杂化元素杂化元素13元素举例元素举例氢化物分子空间构型氢化物分子空间构型三角锥形三角锥形V形形直线形直线形第41页sp3d杂化杂化第42页sp3d2杂化杂化第43页思索题：解释思索题：解释CH4，C2H2，CO2分子构型。分子构型。已知：已知：C2H2，CO2均为直线型；均为直线型；构型为：构型为：C=CHHHH第44页试用杂化轨道理论解释下面问题：试用杂化轨道理论解释下面问题：NH3、H2O 键角为何比键角为何比 CH4 小？小？CO2 键角为键角为何是何是180？乙烯为何取乙烯为何取120 键角？键角？在在 BCl3 和和 NCl3 分子中，中心原子氧化数和配体数都分子中，中心原子氧化数和配体数都相同，为何二者空间分子结构却不一样？相同，为何二者空间分子结构却不一样？QuestionQuestion还是杂化形式不一样还是杂化形式不一样杂化形式不一杂化形式不一样样第45页（1 1）分子间力没有方向性和饱和性；分子间力没有方向性和饱和性；分子间力没有方向性和饱和性；分子间力没有方向性和饱和性；特点特点：一一、分子间力分子间力(intermolecular force)中性原子或分子间非化学键相互作用力。中性原子或分子间非化学键相互作用力。中性原子或分子间非化学键相互作用力。中性原子或分子间非化学键相互作用力。（2 2）能量比化学键力小）能量比化学键力小12个数量级；作用范围小（仅个数量级；作用范围小（仅为几百为几百pm之间，与分子间距离之间，与分子间距离7 7次方成反比）；次方成反比）；（3 3）影响重大：对物质熔点、沸点、溶解度、表面张力影响重大：对物质熔点、沸点、溶解度、表面张力影响重大：对物质熔点、沸点、溶解度、表面张力影响重大：对物质熔点、沸点、溶解度、表面张力以及熔化热、气化热等性质产生很大影响。以及熔化热、气化热等性质产生很大影响。以及熔化热、气化热等性质产生很大影响。以及熔化热、气化热等性质产生很大影响。本质：本质：属静电引力，它与分子极性相关。属静电引力，它与分子极性相关。属静电引力，它与分子极性相关。属静电引力，它与分子极性相关。5.3.3 分子间相互作用力分子间相互作用力(Intermolecular Force)分子间力分子间力通常包含通常包含范德华力范德华力和和氢键氢键两种两种。第46页 1 1、范德华力（、范德华力（van der Weals forces）：包含三种力）：包含三种力 （1 1 1 1）色散力）色散力）色散力）色散力 (dispersion force)因为存在瞬时偶极而产生相互作用力。因为存在瞬时偶极而产生相互作用力。特点：普遍存在（包含稀有特点：普遍存在（包含稀有气体）气体）是最主要分子间力是最主要分子间力是最主要分子间力是最主要分子间力。存在于一切分子之间。存在于一切分子之间。瞬间偶极瞬间偶极相相互互靠靠近近色散力色散力第47页诱导诱导（2 2）诱诱诱诱 导导导导 力力力力(inductive force)（3 3）取向力取向力取向力取向力(orientation force)影响大小原因：影响大小原因：固有偶极固有偶极 越大，越大，取向力越大。取向力越大。于极于极-非或极非或极-极之间。极之间。存在于极存在于极-极分子之间。极分子之间。固有偶极固有偶极诱导偶极诱导偶极诱导力诱导力诱导力存在诱导力存在不一样分子间各种范德不一样分子间各种范德华力大小是不一样华力大小是不一样注意：注意：第48页分子分子色散力色散力诱导力诱导力取向力取向力总和总和H2ArCOHIHBrHClNH3H2O0.178.498.7425.8621.9216.8214.948.9960.0000.0000.00840.11300.5021.0041.5481.9290.0000.0000.00290.0250.6863.30513.3136.380.178.498.7525.9823.0921.1329.5847.28不一样分子间作用力比较（不一样分子间作用力比较（kJmol-1）第49页 2.氢键氢键(hydrogen bond)（1）氢键形成原因）氢键形成原因（2）形成氢键条件）形成氢键条件：A、分子中有、分子中有H原子；原子；B、X-HY中中X和和Y原子元素电负性大、原子元素电负性大、半径小、有孤对电子。半径小、有孤对电子。X-HY-电负性很大电负性很大电负性很大电负性很大X-HY-氢键氢键是分子与分子间存在一个较强作用力是分子与分子间存在一个较强作用力注：氢键不是注：氢键不是“化学键化学键”!即即X、Y只能为只能为N、O、F，且且X、Y可同可不一样。可同可不一样。第50页例：含例：含CHO或或CO醛、酮等有机物分子之间醛、酮等有机物分子之间不可能形成氢键。不可能形成氢键。？（3）氢键特点：）氢键特点：A.氢键有饱和性和方向性氢键有饱和性和方向性HCHOHCOH无氢键无氢键但水与甲醛之间可有氢键？但水与甲醛之间可有氢键？HCHOOHHOHHOCHH氢键氢键 B.氢键强弱与氢键强弱与X和和Y电电负性大小相关负性大小相关图图2.26 2.26 水分子间氢键示意图水分子间氢键示意图X-HY-180第51页(4)氢键对化合物性质影响氢键对化合物性质影响 A.对熔沸点影响：对熔沸点影响：物质物质沸点沸点（C C）物质物质沸点沸点（C C）HF20H2O100HCl-85H2S60HBr-67H2Se-42HI-36H2Te-2使物质熔、沸点升高。使物质熔、沸点升高。C.氢键键能氢键键能：比共价键键能小得多，而与分子间力含有相同数比共价键键能小得多，而与分子间力含有相同数量级。量级。不一样种类原子所形成氢键其键能不一样。不一样种类原子所形成氢键其键能不一样。B.对物质溶解度影响对物质溶解度影响 服从服从“相同相溶相同相溶”原理。原理。I2、Br2溶于溶于CCl4 强电解质溶于水强电解质溶于水(强极性强极性)中，中，但难溶于弱极性有机溶液但难溶于弱极性有机溶液 (油、苯等油、苯等)中中“极极-极极相相溶溶，非非极极-非非极极相溶相溶”。第52页 除了除了HF、H2O、NH3 有有分子间氢键分子间氢键外，外，在有机羧酸在有机羧酸、醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质、醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质中也有氢键存在。比如：甲酸靠氢键形成二中也有氢键存在。比如：甲酸靠氢键形成二聚体。聚体。HCOOHHOOHC 除了分子间氢键外，除了分子间氢键外，还有还有分子内氢键分子内氢键。比如，。比如，硝酸分子内氢键使其熔、硝酸分子内氢键使其熔、沸点较低。沸点较低。第53页5.4 晶体结构晶体结构Crystal Structure一、晶体基本类型一、晶体基本类型1.离子晶体离子晶体（ionic crystal）点点 阵：面心立方阵：面心立方晶晶 系：立方晶系系：立方晶系配位数：配位数：6 6：6 6点点 阵：简单立方阵：简单立方晶晶 系：立方晶系系：立方晶系配位数：配位数：8 8：8 8点点 阵：面心立方阵：面心立方晶晶 系：立方晶系系：立方晶系配位数：配位数：4 4：4 4几个常见结构形式为：几个常见结构形式为：由正、负离子以离子键按一定方式排列而成晶态物质由正、负离子以离子键按一定方式排列而成晶态物质特点：特点：晶格能（晶格能（EL）大，熔点、沸点高）大，熔点、沸点高 ELz+z-|r+r-第54页物质微粒是原子，原子与原子之间以共物质微粒是原子，原子与原子之间以共价键结合成一整体价键结合成一整体2.原子晶体：原子晶体：金金刚刚石石原原子子晶晶体体SiO2晶体晶体原子晶体特点：原子晶体特点：熔、沸点高，硬度大熔、沸点高，硬度大SiO2化学式仅代表原子化学式仅代表原子个数比个数比第55页3.分子晶体：分子晶体：物质微粒是分子（分子内以共价键结合），物质微粒是分子（分子内以共价键结合），分子与分子之间以分子间力结合在一起分子与分子之间以分子间力结合在一起CO2分子晶体分子晶体H2O分子晶体分子晶体分子晶体特点：分子晶体特点：分子间力作用弱，晶体硬度较小，熔、沸点较低。分子间力作用弱，晶体硬度较小，熔、沸点较低。第56页4.金属晶体：金属晶体：金属原子之间以金属键结合而成晶体。显金属原子之间以金属键结合而成晶体。显然，金属原子之间最紧密方式堆积将是最稳定然，金属原子之间最紧密方式堆积将是最稳定.几个常见结构形式为：几个常见结构形式为：六方密堆积六方密堆积立方密堆积立方密堆积体心立方堆积体心立方堆积金属键：金属原子（正离子）与自由电子间作用力。金属键：金属原子（正离子）与自由电子间作用力。第57页5.过渡型晶体过渡型晶体石墨层状晶体结构石墨层状晶体结构层间为分子间力硅酸盐链状晶体结构硅酸盐链状晶体结构第58页二、晶体缺点二、晶体缺点 晶体缺点分类晶体缺点分类 晶体缺点对晶体导电性、光学、力学和机械性能以及化学反应晶体缺点对晶体导电性、光学、力学和机械性能以及化学反应特征等性质都有显著影响，甚至会出现一些新功效特征。特征等性质都有显著影响，甚至会出现一些新功效特征。（1 1）按缺点组成和结构可分为）按缺点组成和结构可分为本征缺点本征缺点和和杂质缺点杂质缺点；本征缺点本征缺点不含有外来杂质，仅由晶体不完善产生出缺点。主不含有外来杂质，仅由晶体不完善产生出缺点。主要有空位缺点、间隙缺点、错位缺点等。比如，在氟化钠晶体中，要有空位缺点、间隙缺点、错位缺点等。比如，在氟化钠晶体中，可能本征缺点是弗伦克尔缺点，即氟离子空位和间隙氟离子形成可能本征缺点是弗伦克尔缺点，即氟离子空位和间隙氟离子形成缺点对。在氯化钠晶体中可能存在本征缺点是肖特基缺点，即钠缺点对。在氯化钠晶体中可能存在本征缺点是肖特基缺点，即钠离子和氯离子空位形成缺点对。离子和氯离子空位形成缺点对。杂质缺点杂质缺点杂质离子和被置换离子之间杂质离子和被置换离子之间,因为离子半径及电价、因为离子半径及电价、电负性差异产生缺点。电负性差异产生缺点。第59页（2）从几何角度出发可分为）从几何角度出发可分为点缺点、线缺点、面缺点和体缺点。点缺点、线缺点、面缺点和体缺点。晶格空位晶格空位 1.整比缺点整比缺点 整比缺点是在整比化合物（符合定组成定律化合物）晶体中观整比缺点是在整比化合物（符合定组成定律化合物）晶体中观察到缺点，这类缺点产生并不影响晶体组成。察到缺点，这类缺点产生并不影响晶体组成。整比缺点能够分成两种类型：整比缺点能够分成两种类型：（3）从化学角度出发可分为）从化学角度出发可分为整比缺点整比缺点和和非整比缺点非整比缺点。正畸变正畸变 负畸变负畸变 线缺点线缺点 晶体中点缺点晶体中点缺点晶体中线缺点晶体中线缺点第60页 1、空穴缺点、空穴缺点 2、间充缺点、间充缺点 晶体晶格中有相等数目正离子和负离子同时消失而出现成对空穴，又称离子双离位缺陷。如图a。有正离子离开其正确晶格位置而进入了晶格间隙，从而形成空有正离子离开其正确晶格位置而进入了晶格间隙，从而形成空穴（如图穴（如图b），又称正离子单离位缺点。），又称正离子单离位缺点。第61页 晶体整比缺点产生原因：晶体整比缺点产生原因：（2）空穴存在；）空穴存在；（1）粒子热运动；）粒子热运动；整比缺点晶体其导电性随温度升高而显著增强。整比缺点晶体其导电性随温度升高而显著增强。二、非整比缺点二、非整比缺点 在非整比化合物（化学组成不符合定组成定律）晶体中观察到在非整比化合物（化学组成不符合定组成定律）晶体中观察到缺点。如图缺点。如图。非整比晶体能够看作是已加非整比晶体能够看作是已加入一个杂质纯晶体或以纯晶体入一个杂质纯晶体或以纯晶体结构为基础固溶体。结构为基础固溶体。非整比化合物化学性质改变非整比化合物化学性质改变不大，但在导电性、光学性质不大，但在导电性、光学性质以及催化性能都有很大差异以及催化性能都有很大差异 第62页 N-型半导体：型半导体：P-型半导体型半导体 在电场作用下，晶体内在电场作用下，晶体内自由电子自由电子自由电子自由电子会发生迁移，而含有一定导电会发生迁移，而含有一定导电性。性。正离子缺乏而引发非整比缺点（有空穴），电荷平衡由邻近一正离子缺乏而引发非整比缺点（有空穴），电荷平衡由邻近一个同种元素原子形成高电荷离子赔偿。高电荷离子形成实际上是一个同种元素原子形成高电荷离子赔偿。高电荷离子形成实际上是一个电子从个电子从A+离子跑到离子跑到A2+离子，从而完成导电任务。相当于离子，从而完成导电任务。相当于空穴空穴空穴空穴在在作定向移动。作定向移动。第63页非晶体非晶体 液晶液晶 非晶体没有规则外形，内部微粒排列是无规则，没有特定晶面。非晶体没有规则外形，内部微粒排列是无规则，没有特定晶面。一、非晶体一、非晶体 非晶体聚集状态不稳定，在一定条件会逐步晶化，晶体和非晶非晶体聚集状态不稳定，在一定条件会逐步晶化，晶体和非晶体之间没有绝正确界限。体之间没有绝正确界限。在不一样条件下，同一个物质既可形成晶体，也可形成非晶体。在不一样条件下，同一个物质既可形成晶体，也可形成非晶体。二、液晶二、液晶 在某一温度范围内兼有液体和晶体两种特征物质。在某一温度范围内兼有液体和晶体两种特征物质。液晶是晶体向液体过渡中间相，内部粒子位置无序、取向有序、液晶是晶体向液体过渡中间相，内部粒子位置无序、取向有序、各相异性。各相异性。不一样类型液晶其分子排列有不一样方式，依据分子排列有序性不一样类型液晶其分子排列有不一样方式，依据分子排列有序性不一样，可将液晶分为三种类型不一样，可将液晶分为三种类型向列型，胆甾型，近晶型。向列型，胆甾型，近晶型。第64页