分子结构化学原理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Chapter 6Molecular structure and Bonding物质结构（物质结构（2）1.How the shapes of simple molecules can be described and predicted 2.Examin why molecules have the shapes they do and look more closely at how atoms use their electrons to form bonds./10/101第1页空间构型空间构型分子分子原子原子化化学学键键共共价价键键离子键离子键金属键金属键杂化轨道理论杂化轨道理论VBMOVSEPR键极性键极性物质物质分子间分子间作用力作用力分子极性分子极性Atomic orbitalElectronFunction偶极矩偶极矩/10/102第2页1927年，年，Heitler W 和和 London F.,揭示共价键本质揭示共价键本质 Pauling L 和和 Slater JC，当代价键理论当代价键理论1932年，年，Muiliken RS 和和 Hund F，分子轨道理论分子轨道理论1931年，年，Pauling L，杂化轨道理论杂化轨道理论1954年，年，Pauling L，Nobel prize1966年，年，Muiliken RS,Nobel prize19，Kossel,离子键1923年，年，Lewis,共价键共价键原子价电子理论原子价电子理论/10/103第3页6.1 Molecular Geometries -Lewis Structures:The octet rule -The VSEPR model6.2 Covalent Bonding -Valance-bond theory -Hybrid Orbitals6.3 Molecular orbital theory -The Hydrogen molecules -Molecular orbitals for second-period diatomic molecules/10/104第4页Lewis structures give atomic connectivity6.1 Molecular GeometriesHNHHbonding pair of e-lone pair of e-Octet Rule:Each atom shares electrons with neighboring atoms to achieve a total of 8 valence electrons.-Lewis Structures:The octet rule/10/105第5页Molecular ShapesBond Parameter键长键长(bond length)键角键角(bond angle)分子空间构型分子空间构型/10/106第6页ABn/10/107第7页Valence Shell Electron Pair Repulsion(VSEPR)theorybonding pairs of electrons(bp)lone pairs (lp)lplplpbpbpbpThe electrons adopt an arrangement in space to minimize e-e-repulsion.斥力大小次序：斥力大小次序：bonding pair of e-lone pair of e-The VSEPR modelSigma 键电子对/10/108第8页/10/109第9页Predicting Molecular Geometries确定中心原子价层确定中心原子价层e e总数及总数及e e对数对数中心原子价中心原子价e e对按斥力大小次序，空间排布应取斥力对按斥力大小次序，空间排布应取斥力最小排布方式，最小排布方式，e e对尽可能远离且呈对称结构对尽可能远离且呈对称结构drawcountarrange中心原子配位原子族序数键合电子孤对电子主族元素主族元素/10/1010第10页/10/1011第11页/10/1012第12页/10/1013第13页ClF3分子构型：分子构型：T字型字型电子构型与电子构型与分子构型分子构型不一致不一致电子数为电子数为5时，孤对总是尽先处时，孤对总是尽先处于三角双锥腰部位置于三角双锥腰部位置location of the lone pairs/10/1014第14页The VSEPR ModelMolecules with Expanded Valence Shells/10/1015第15页判断 BF3及NF3价层电子对构型及分子构型。（Give the electron-pair geometry and the molecular geometry of BF3 and NF3.）BF3NF3/10/1016第16页-Lewis structures and VSEPR do not explain why a bond forms.SHHOHH/10/1017第17页6.2 Covalent Bonding 价键理论价键理论杂化轨道理论杂化轨道理论Valence bond theory(VB)Hybrid orbital theory/10/1018第18页Walther Kossel1916离子键离子键（ionic bond）/10/1019第19页1923年，年，Lewis GN,Irving Langmuir,经典共价键理论，经典共价键理论，HNHHLess than octet-ex:BF3More than octet-ex:PCl5共价健共价健(Covalent bond)/10/1020第20页attractive forcesrepulsive forcesBond Length1927年，年，Heitler W 和和 London F.,揭示共价键本质揭示共价键本质/10/1021第21页Covalent Bonding and Orbital Overlap/10/1022第22页共价键本质共价键本质本质上是电性。本质上是电性。但它不一样于普通静电作用，它是两原子但它不一样于普通静电作用，它是两原子核共同对核间电子云密集区吸引。核共同对核间电子云密集区吸引。/10/1023第23页将将H2研究结果推广至其它双原子分子和多原子分子研究结果推广至其它双原子分子和多原子分子价键理论价键理论自旋相反单电子配对自旋相反单电子配对自旋相反单电子配对后，不能再和其它原子中单电子配对，自旋相反单电子配对后，不能再和其它原子中单电子配对，形成共价键数目与该原子中单电子数目相同。形成共价键数目与该原子中单电子数目相同。饱和性饱和性共价键形成尽可能沿着原子轨道最大重合方向进行，共价键形成尽可能沿着原子轨道最大重合方向进行，即原子轨道最大重合原理。即原子轨道最大重合原理。方向性方向性/10/1024第24页共价键类型共价键类型键键键键s-ss-pxpx-px键轴（键轴（internuclear axis）xx轨道重合部分沿键轴呈圆柱形对称分布 py-pypz-pz轨道重合部分垂直于键轴并呈镜面反对称分布/10/1025第25页double bondstriple bondsMultiple Bonds共价键类型共价键类型配位健（配位健（Coordination covalent bond）/10/1026第26页键参数键参数(Bond Parameters)键能键能(bond energy)键长键长(bond length)键角键角(bond angle)键极性键极性(Polarity of bond)分子空间构型分子空间构型电负性电负性极性共价键极性共价键(Polar covalent bond)非极性共价键非极性共价键(nonpolar covalent bond)/10/1027第27页e-riche-poorindicates a bond dipole/10/1028第28页Bond Type and DENEqual sharing of e-pairUnequal sharing of e-pair(Nearly)complete e-transfer/10/1029第29页分子极性分子极性(Polarity of molecules)the charge distribution in a molecule双原子分子极性（双原子分子极性（The polarity diatomic molecule）Polar Molecule化学键极性化学键极性多原子分子多原子分子极性极性(The polarity of Polyatomic molecules)化学键极性化学键极性分子空间构型分子空间构型/10/1030第30页/10/1031第31页偶极矩偶极矩()(dipole moment):The degree of polarityA quantitative measure of the degree of charge separationcharge separation in a molecule./10/1032第32页Relating Dipole Moment and Molecular GeometryEach of the following molecules has a nonzero dipole moment.Select the molecular geometry that is consistent with this information.Explain your reasoning.(a)SO2 linear,bent(b)PH3 trigonal planar,trigonal pyramidal/10/1033第33页Permanent dipole momentInduced dipole moment分子极化分子极化(Molecular polarization)/10/1034第34页Problem:1954年，年，Pauling L，Nobel prize1931年，年，Pauling L，杂化轨道理论杂化轨道理论/10/1035第35页杂化轨道理论杂化轨道理论(Hybrid orbital theory)General principles of Hybrid orbital theory Types of Hybrid orbitals Apply VSEPR Theory and Determine Hybridization/10/1036第36页General principles of Hybrid orbital theory 键键s-ss-pxpx-pxSP3-s/10/1037第37页-成键过程中，成键过程中，同一原子中同一原子中几个能量相近原子轨道重新几个能量相近原子轨道重新 组合组合成数目相等、能量相同、方向一定新原子轨道。成数目相等、能量相同、方向一定新原子轨道。-杂化轨道比原来原子轨道成键能力强。杂化轨道比原来原子轨道成键能力强。-杂化轨道含有确定方向，轨道之间在空间上采取最大角度杂化轨道含有确定方向，轨道之间在空间上采取最大角度分布。分布。Valence Bond Theory-atoms form bonds by overlapping atomic and/or hybrid orbitals/10/1038第38页SP3 杂化杂化/10/1039第39页SP3 杂化杂化/10/1040第40页等性杂化轨道等性杂化轨道(Equivalent hybrid orbital)不等性杂化轨道不等性杂化轨道(Unequivalent hybrid orbital)/10/1041第41页 sp HybridizationVSEPR TheoryBe:1s22s2Be:1s22s12p1hybridization/10/1042第42页sp杂化杂化键键s-ss-pxpx-pxSP3-pSP-p/10/1043第43页BF3-trigonal planar sp2 HybridizationVSEPR Theory/10/1044第44页sp2杂化杂化键键s-ss-pxpx-pxSP3-pSP-pSP2-p/10/1045第45页 sp3d HybridizationVSEPR Theorytrigonal bipyramidal/10/1046第46页For PF5,we need 5 hybrid orbitals,so 5 atomic orbitals are required as follows:(s+p+p+p+d)=sp3d/10/1047第47页Lewis StructureElectron Pair GeometryMolecular Geometry sp3d2 HybridizationVSEPR Theoryoctahedral/10/1048第48页For SF6,we need 6 hybrid orbitals,so 6 atomic orbitals are required as follows:(s+p+p+p+d+d)=sp3d2Six sp3d2 hybridized orbitals for S-F bonds3 unhybridized d-orbitalsIsolated S atom/10/1049第49页Hybrid Orbitals and VSEPRWrite a Lewis structure(/Determine LP)Use VSEPR to predict electron geometry.Select the appropriate hybridization.Limitations:/10/1050第50页指出BF3 及NF3中心原子杂化轨道，.(Indicate the hybrid orbital set used in BF3 and NF3.)BF3NF3/10/1051第51页/10/1052第52页物质磁性与不成对电子数物质磁性与不成对电子数物质磁性与不成对电子数物质磁性与不成对电子数BackgroundBackground单电子单电子单电子单电子/10/1053第53页 DiamagneticParamagneticall electrons are pairedBackground-Background-Magnetism and unpaired electronDiamagnetism(Diamagnetism(抗磁性抗磁性)-)-Paramagnetism(Paramagnetism(顺磁性顺磁性)-)-unpaired electron/10/1054第54页VSEPR Theory-electron pair repulsions influence molecular shapeValence Bond Theory-atoms form bonds by overlapping atomic and/or hybrid orbitalsApplied to O2O=O Or H2+Problem:/10/1055第55页6.3 Molecular orbital theory1932年，年，Mulliken RS 和和 Hund F，分子轨道理论分子轨道理论1966年，年，Muillken RS,Nobel prizeGeneral principles of Molecular orbital theory Types of molecular orbitals Molecular orbitals for second-period diatomic molecules/10/1056第56页 3.几几个个原原子子轨轨道道可可组组合合成成几几个个分分子子轨轨道道，其其中中二二分分之之一一为为成成键键分分子子轨轨道道（bonding molecular orbital）；另另二二分分之一为反键分子轨道（之一为反键分子轨道（antibonding molecular orbital）。）。1.原子在形成份子时，分子中电子在整个分子空间范围原子在形成份子时，分子中电子在整个分子空间范围内运动内运动2.在分子中电子空间运动状态可用对应分子轨道波函数在分子中电子空间运动状态可用对应分子轨道波函数来描述。来描述。General principles of Molecular orbital theory/10/1057第57页/10/1058第58页轨道组合标准轨道组合标准轨道组合标准轨道组合标准对称性匹配对称性匹配(Symmetric matching)能量必须相近(Close energy level)最大重合(Maximum overlap of atomic orbital)?P Pz z和和p py y对称性匹配吗？对称性匹配吗？/10/1059第59页4.填充分子轨道时服从电子填充原子轨道三标准 5.键级(Bond Order)Bond Order=No.e-in bonding MOs-No.e-in antibonding MOs 2Bond order determines molecular stability/10/1060第60页Types of molecular orbitals 成键轨道中，两原子之间电子云密度增加；反成键轨道中，两原子之间电子云密度增加；反键轨道中，两原子之间电子云密度降低。键轨道中，两原子之间电子云密度降低。Combining s orbitals/10/1061第61页Combining p orbitals/10/1062第62页/10/1063第63页O2,F2N2/10/1064第64页Example:H2+,H2,He2 and He2+BO =(1-0)/2=H2+BO =(2-0)/2=1 H2BO =(2-1)/2=He2+BO =(2-2)/2=0 He2BO=(e-bond-e-antibond)/2/10/1065第65页/10/1066第66页NO+N2CO等电子体等电子体(isoelectronic)MO Diagrams of Heteronuclear DiatomicsCO1.128CO+1.115/10/1067第67页Illustration of molecular orbitalO2(s1s)2(s*1s)2(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2(p*2py)1(p*2pz)1 or O2 KK(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2(p*2py)1(p*2pz)1N2(s1s)2(s*1s)2(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2 or N2 KK(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2/10/1068第68页Molecular orbital theoryValence bond theoryAtomic orbitalOverlapCombination(LCAO)ElectronlocalizeddelocalizedFunctionGound stateExcited state/10/1069第69页自由基自由基(Free radical)HO2-OH KK(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2(p*2py)2(p*2pz)1Superoxide anion radical3O2 KK(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2(p*2py)1(p*2pz)11O2 KK(s2s)2(s*2s)2(s2px)2(p2py)2(p2pz)2(p*2py)2(p*2pz)0/10/1070第70页Reactive oxygen species(ROS)rather than only oxygen free radicals.ROS/10/1071第71页Synthesis of ROS and major cellular anti-oxidant network/10/1072第72页Important termsMolecular geometryValence-shell electron-pair repulsion(VSEPR)modelDipole moment Valence bond theoryHybrid orbitalsMolecular orbital theoryBonding orbitalsAntibonding orbitalsHomonuclear diatomic moleculeReactive oxygen species(ROS)Free RadicalReview/10/1073第73页Atom MoleculeChemical BondGeometryMOVBCFTVSEPRHybrid orbital theory Polar molecules Nonpolar moleculesDipole momentBond energyBond angleBond lengthBond order Simple moleculesCoordinate complexesSummary of concepts/10/1074第74页Skills1.Predicting molecular geometries2.Relating dipole moment and molecular geometry3.Applying Valence Bond theory4.Describing molecular orbital configuration/10/1075第75页Questions 习题3(1)-(4)，4,5,9,11,15,18,19,21,22,23,25/10/1076第76页