無(wú)機(jī)與分析化學(xué) 第二篇 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 第九章 分子結(jié)構(gòu)

1、第九章第九章 分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) 價(jià)鍵理論價(jià)鍵理論 鍵參數(shù)鍵參數(shù) 分子軌道理論分子軌道理論 價(jià)層電子對(duì)互斥理論價(jià)層電子對(duì)互斥理論 Lewis理論理論 雜化軌道理論雜化軌道理論整理課件 化學(xué)鍵：分子或晶體中相鄰原子(或離子)之間強(qiáng)烈的吸引作用。共價(jià)鍵理論：Lewis理論(1916年)價(jià)鍵理論(1927年, 1930年)雜化軌道理論(1931年)價(jià)層電子對(duì)互斥理論(1940年)分子軌道理論(20世紀(jì)20年代末)化學(xué)鍵種類：共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵。整理課件 Lewis理論理論電子配對(duì)理論共用電子對(duì)成鍵。違背八隅體規(guī)則的例子：BF3,PCl5,SF6等。 Lewis結(jié)構(gòu)式 八隅體規(guī)則HHCl:Cl:Cl

2、:Cl:CN N:OCO9.2.1 共價(jià)鍵的形成和本質(zhì)共價(jià)鍵的形成和本質(zhì) 價(jià)鍵理論價(jià)鍵理論9.2.3 共價(jià)鍵的鍵型共價(jià)鍵的鍵型9.2.2 價(jià)鍵理論的基本要點(diǎn)價(jià)鍵理論的基本要點(diǎn) 與共價(jià)鍵的特點(diǎn)與共價(jià)鍵的特點(diǎn)整理課件 Heitler和London用量子力學(xué)處理H2分子 的形成過(guò)程，得到 ER關(guān)系曲線。9.2.1 共價(jià)鍵的形成和本質(zhì)共價(jià)鍵的形成和本質(zhì)整理課件（1）當(dāng)兩個(gè)當(dāng)兩個(gè)H原子的電子自旋方式相反，原子的電子自旋方式相反，相互靠近時(shí)，兩個(gè)相互靠近時(shí)，兩個(gè)1s原子軌道發(fā)生重原子軌道發(fā)生重疊（波函數(shù)相加），核間電子概率密疊（波函數(shù)相加），核間電子概率密度較大。兩個(gè)度較大。兩個(gè)H原子核被電子概率密度原子

3、核被電子概率密度大的電子云吸引，系統(tǒng)能量降低。當(dāng)大的電子云吸引，系統(tǒng)能量降低。當(dāng)核間距達(dá)到平衡距離時(shí)，系統(tǒng)能量達(dá)核間距達(dá)到平衡距離時(shí)，系統(tǒng)能量達(dá)到最低點(diǎn)，稱到最低點(diǎn)，稱H2分子的基態(tài)。如果兩分子的基態(tài)。如果兩個(gè)個(gè)H原子核再靠近，原子核間斥力增大，原子核再靠近，原子核間斥力增大，使系統(tǒng)的能量升高，排斥作用將使系統(tǒng)的能量升高，排斥作用將H原子原子推回平衡位置。推回平衡位置。整理課件（2）當(dāng)兩個(gè)當(dāng)兩個(gè)H原子電子自旋方式相同，相原子電子自旋方式相同，相互靠近時(shí)，兩個(gè)互靠近時(shí)，兩個(gè)1s原子軌道發(fā)生重疊原子軌道發(fā)生重疊（波函數(shù)相減），核間電子概率密度減（波函數(shù)相減），核間電子概率密度減小。兩個(gè)小。兩個(gè)H原

4、子核斥力增加，系統(tǒng)能量升原子核斥力增加，系統(tǒng)能量升高。高。H2分子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為排斥分子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為排斥態(tài)。態(tài)。整理課件 價(jià)鍵理論繼承了價(jià)鍵理論繼承了Lewis共用電子對(duì)的概念。共用電子對(duì)的概念。 以量子力學(xué)為基礎(chǔ)。以量子力學(xué)為基礎(chǔ)。 揭示了共價(jià)鍵的本質(zhì)揭示了共價(jià)鍵的本質(zhì)原子軌道重疊，原子軌道重疊，原子核間電子概率密度大吸引原子核而成鍵。原子核間電子概率密度大吸引原子核而成鍵。整理課件1. 基本要點(diǎn)基本要點(diǎn)價(jià)鍵理論認(rèn)為：形成共價(jià)鍵時(shí)鍵合原子雙方價(jià)鍵理論認(rèn)為：形成共價(jià)鍵時(shí)鍵合原子雙方各提供自旋方式相反的未成對(duì)的電子用以成各提供自旋方式相反的未成對(duì)的電子用以成對(duì)；成鍵雙方的原子軌道盡

5、可能最大程度地對(duì)；成鍵雙方的原子軌道盡可能最大程度地重疊重疊-最大重疊原理最大重疊原理。共價(jià)鍵：共價(jià)鍵：分子中通過(guò)共用電子對(duì)連接的化學(xué)分子中通過(guò)共用電子對(duì)連接的化學(xué)鍵。鍵。9.2.2 價(jià)鍵理論的基本要點(diǎn)價(jià)鍵理論的基本要點(diǎn) 與共價(jià)鍵的特點(diǎn)與共價(jià)鍵的特點(diǎn)整理課件共價(jià)鍵特點(diǎn)：共價(jià)鍵特點(diǎn)：飽和性飽和性:原子中必須有未成對(duì)的電子；要原子中必須有未成對(duì)的電子；要求成鍵的兩個(gè)原子的未成對(duì)電子的自旋求成鍵的兩個(gè)原子的未成對(duì)電子的自旋方式相反；每一個(gè)原子的一個(gè)未成對(duì)電方式相反；每一個(gè)原子的一個(gè)未成對(duì)電子只能與另一個(gè)原子的未成對(duì)電子配對(duì)，子只能與另一個(gè)原子的未成對(duì)電子配對(duì)，形成一個(gè)共價(jià)單鍵，因此，一個(gè)原子有形成一

6、個(gè)共價(jià)單鍵，因此，一個(gè)原子有幾個(gè)未成對(duì)的電子，便可與其它原子的幾個(gè)未成對(duì)的電子，便可與其它原子的幾個(gè)自旋方式相反的未成對(duì)電子配對(duì)成幾個(gè)自旋方式相反的未成對(duì)電子配對(duì)成鍵鍵共價(jià)鍵的飽和性共價(jià)鍵的飽和性：每個(gè)原子成鍵：每個(gè)原子成鍵的總數(shù)是一定的。的總數(shù)是一定的。整理課件方向性：方向性：指一個(gè)原子與周圍原子形成共價(jià)指一個(gè)原子與周圍原子形成共價(jià)鍵有一定的角度。共價(jià)鍵之所以具有方向鍵有一定的角度。共價(jià)鍵之所以具有方向性，與成鍵時(shí)要求原子軌道最大重疊有關(guān)。性，與成鍵時(shí)要求原子軌道最大重疊有關(guān)。只有達(dá)到最大重疊，此時(shí)系統(tǒng)的能量最低，只有達(dá)到最大重疊，此時(shí)系統(tǒng)的能量最低，符合能量最低原理，形成的分子才穩(wěn)定。符合

7、能量最低原理，形成的分子才穩(wěn)定。整理課件1.鍵：鍵：原子軌道沿核原子軌道沿核間聯(lián)線方向進(jìn)行同號(hào)間聯(lián)線方向進(jìn)行同號(hào)重疊重疊(頭碰頭頭碰頭)。9.2.3 共價(jià)鍵的鍵型共價(jià)鍵的鍵型整理課件2.鍵鍵：兩原子軌道垂直核間聯(lián)線并相互平：兩原子軌道垂直核間聯(lián)線并相互平行進(jìn)行同號(hào)重疊行進(jìn)行同號(hào)重疊(肩并肩肩并肩)。整理課件3. 配位鍵配位鍵形成條件：成鍵原子一方有孤對(duì)電子，形成條件：成鍵原子一方有孤對(duì)電子， 另一方有空軌道。另一方有空軌道。4HBFCO22p2s242p2s23BFHFOC例：整理課件例如：例如：N原子的外層電子構(gòu)型為：原子的外層電子構(gòu)型為：2s22p3；N2分子以叁對(duì)共用電子對(duì)把兩個(gè)分子以叁

8、對(duì)共用電子對(duì)把兩個(gè)N原子結(jié)合原子結(jié)合在一起。在一起。X軸：軸： 鍵；鍵；Y，Z軸：軸： 鍵鍵單鍵單鍵是是 鍵；鍵；雙鍵雙鍵中有一個(gè)中有一個(gè) 鍵，一個(gè)鍵，一個(gè) 鍵；鍵；叁鍵叁鍵中有一個(gè)中有一個(gè) 鍵，兩個(gè)鍵，兩個(gè) 鍵。鍵。2s2p鍵鍵鍵N2分子的叁鍵示意圖整理課件價(jià)鍵理論的價(jià)鍵理論的局限性局限性：價(jià)鍵理論在闡明共價(jià)：價(jià)鍵理論在闡明共價(jià)鍵的本質(zhì)和共價(jià)鍵的特征方面獲得了相當(dāng)鍵的本質(zhì)和共價(jià)鍵的特征方面獲得了相當(dāng)?shù)某晒Α５谡f(shuō)明多原子分子的價(jià)鍵形成的成功。但在說(shuō)明多原子分子的價(jià)鍵形成以及分子的幾何構(gòu)型時(shí)，遇到了困難。以及分子的幾何構(gòu)型時(shí)，遇到了困難。9.3.1 雜化軌道的概念雜化軌道的概念9.3.2 雜化

9、軌道的類型雜化軌道的類型 雜化軌道理論雜化軌道理論整理課件9.3.1 雜化軌道的概念雜化軌道的概念(1931,鮑林鮑林)雜化軌道理論的基本要點(diǎn)雜化軌道理論的基本要點(diǎn)（1）某原子成鍵時(shí)，若干個(gè)能級(jí)相近的原子）某原子成鍵時(shí)，若干個(gè)能級(jí)相近的原子軌道有可能改變?cè)械臓顟B(tài)，軌道有可能改變?cè)械臓顟B(tài)，“混雜混雜”起起來(lái)并重新組合成一組利于成鍵的新軌道來(lái)并重新組合成一組利于成鍵的新軌道（稱雜化軌道），這一過(guò)程稱為（稱雜化軌道），這一過(guò)程稱為原子軌道原子軌道的雜化的雜化（簡(jiǎn)稱雜化（簡(jiǎn)稱雜化hybrid ization ）。）。整理課件（2）同一原子中能級(jí)相近的）同一原子中能級(jí)相近的n個(gè)原子軌道，個(gè)原子軌道，

10、組合后只能得到組合后只能得到n個(gè)個(gè)雜化軌道雜化軌道(hybrid orbital )。（3）雜化軌道比原來(lái)未雜化的軌道成鍵能）雜化軌道比原來(lái)未雜化的軌道成鍵能力強(qiáng)，生成的分子更穩(wěn)定。力強(qiáng)，生成的分子更穩(wěn)定。整理課件 CH4的空間構(gòu)的空間構(gòu)型為正四面體。型為正四面體。p2s2C：2s22p21. sp型雜化型雜化9.3.2 雜化軌道的類型雜化軌道的類型 sp3雜化雜化鍵角為：鍵角為：109.5整理課件激發(fā)s2p2p2s2雜化3spsp3 CH4形成形成時(shí)的時(shí)的sp3雜化。雜化。整理課件四個(gè)四個(gè)sp3雜化軌道雜化軌道整理課件s2p2B： 2s22p1 sp2雜化雜化 BF3的空間構(gòu)的空間構(gòu)型為平面

11、三角形。型為平面三角形。鍵角為：鍵角為：120整理課件激發(fā)s2p2p2s2sp2sp2雜化 BF3形成形成時(shí)的時(shí)的sp2雜化。雜化。整理課件三個(gè)三個(gè)sp2雜化軌道雜化軌道整理課件 sp雜化雜化BeCl2分子：直線形。分子：直線形。激發(fā)s2p2p2s2spsp雜化 BeCl2形成時(shí)的形成時(shí)的sp雜化。雜化。鍵角為：鍵角為：180整理課件兩個(gè)兩個(gè)sp雜化軌道雜化軌道整理課件s軌道p軌道sp雜化軌道雜化軌道sp雜化軌道在空間取向雜化軌道在空間取向 BeCl2分子分子用雜化軌道用雜化軌道成鍵。成鍵。整理課件2. spd型雜化型雜化 sp3d雜化雜化 PCl5(g)的幾何構(gòu)的幾何構(gòu)型為三角雙錐。型為三角

12、雙錐。激發(fā)sp3d雜化P： 3s23p33p3s3d3d3p3ssp3d整理課件 sp3d2雜化雜化 SF6的幾何構(gòu)型為八面體。的幾何構(gòu)型為八面體。激發(fā)sp3d2雜化S： 3s23p43d3p3s3p3s3dsp3d2整理課件雜化軌道與分子空間構(gòu)型雜化軌道與分子空間構(gòu)型雜化雜化軌道軌道雜化雜化軌道軌道數(shù)目數(shù)目鍵角鍵角分子幾何構(gòu)分子幾何構(gòu)型型實(shí)例實(shí)例spsp2sp3sp3dsp3d223456直線形直線形平面三角形平面三角形四面體四面體三角雙錐三角雙錐八面體八面體BeCl2,CO2BF3,AlCl3CH4,CCl4PCl5SF6,SiF6180120109.59090, 1202-整理課件雜化3

13、sp2ps2NH3：幾何構(gòu)型：幾何構(gòu)型 為三角錐。為三角錐。N： 2s22p3鍵角為：鍵角為：107 一對(duì)孤對(duì)電子占據(jù)的雜化軌道能量較一對(duì)孤對(duì)電子占據(jù)的雜化軌道能量較低，含更多的低，含更多的s成分。成分。sp3不等性雜化不等性雜化整理課件 N原子的外層電子構(gòu)型為原子的外層電子構(gòu)型為2s22p3，成鍵時(shí)，成鍵時(shí)，s軌道與軌道與p軌道進(jìn)行軌道進(jìn)行sp3雜化，形成雜化，形成4個(gè)個(gè)sp3雜化軌道。其中有雜化軌道。其中有3個(gè)軌道個(gè)軌道各有一個(gè)未成對(duì)的電子，一個(gè)各有一個(gè)未成對(duì)的電子，一個(gè)軌道則有一對(duì)已成對(duì)的電子。軌道則有一對(duì)已成對(duì)的電子。前前3個(gè)軌道分別與個(gè)軌道分別與3個(gè)氫原子的個(gè)氫原子的1s軌道重疊，形

14、成軌道重疊，形成3個(gè)個(gè)NH共共價(jià)鍵。后一個(gè)軌道保留原來(lái)的價(jià)鍵。后一個(gè)軌道保留原來(lái)的一對(duì)電子（稱為孤對(duì)電子），一對(duì)電子（稱為孤對(duì)電子），這一對(duì)孤對(duì)電子并未與其它原這一對(duì)孤對(duì)電子并未與其它原子共用，它施加同性相斥的影子共用，它施加同性相斥的影響于響于NH共價(jià)鍵，把這三個(gè)共價(jià)鍵，把這三個(gè)共價(jià)鍵之間的夾角壓縮到共價(jià)鍵之間的夾角壓縮到10718 。整理課件NH3分子形成時(shí)的軌道雜化。整理課件雜化3sp2ps2H2O：幾何構(gòu)型為：幾何構(gòu)型為V型。型。O： 2s22p4鍵角為：鍵角為：104.5 兩個(gè)雜化軌道兩個(gè)雜化軌道能量較低，被兩對(duì)能量較低，被兩對(duì)孤對(duì)電子占據(jù)孤對(duì)電子占據(jù)。sp3不等性雜化不等性雜化整理

15、課件 H H2 2O O分子中的分子中的O O原子的外層電子構(gòu)型為：原子的外層電子構(gòu)型為：2s2s2 22p2p4 4。成鍵時(shí)，。成鍵時(shí)，s s軌道與軌道與p p軌道進(jìn)行軌道進(jìn)行spsp3 3雜雜化，形成化，形成4 4個(gè)個(gè)spsp3 3雜化軌道。其中有雜化軌道。其中有2 2個(gè)軌道個(gè)軌道各有一個(gè)未成對(duì)的電子，而另外兩個(gè)軌道各有一個(gè)未成對(duì)的電子，而另外兩個(gè)軌道則有一對(duì)已成對(duì)的電子。共價(jià)鍵之間的夾則有一對(duì)已成對(duì)的電子。共價(jià)鍵之間的夾角壓縮到角壓縮到1041043030 。整理課件 參與雜化的原子軌道參與雜化的原子軌道s,p和和d等成分不等成分不相等，所形成的雜化軌道是一組能量彼相等，所形成的雜化軌道

16、是一組能量彼此不相等的軌道。此不相等的軌道。 sp3不等性雜化：不等性雜化：NH3 , H2O。整理課件小結(jié)：雜化軌道的類型與分子的空間構(gòu)型小結(jié)：雜化軌道的類型與分子的空間構(gòu)型中心原子中心原子Be(A)B(A)C,Si(A)N,P(A)O,S(A)Hg(B)2BeCl2HgCl3PH4CH3BF4SiCl3BCl3NHSH2OH2直線形直線形 三角形三角形 四面體四面體 三角錐三角錐 V形形雜化軌道類型雜化軌道類型 sp sp2 sp3 不等性不等性sp3 s+ps+(3)ps+(2)ps+(3)p參加雜化的軌道參加雜化的軌道2443雜化軌道數(shù)雜化軌道數(shù) 18028 109 9028 109

17、120成鍵軌道夾角成鍵軌道夾角分子空間構(gòu)型分子空間構(gòu)型實(shí)例實(shí)例整理課件雜化軌道理論的雜化軌道理論的局限性局限性：用雜化軌道理論討：用雜化軌道理論討論問(wèn)題是在已知分子幾何構(gòu)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行論問(wèn)題是在已知分子幾何構(gòu)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的的, 但是用他預(yù)測(cè)分子的幾何構(gòu)型比較困難。但是用他預(yù)測(cè)分子的幾何構(gòu)型比較困難。 9.5.1 分子軌道理論的要點(diǎn)分子軌道理論的要點(diǎn) 分子軌道理論分子軌道理論 9.5.2 分子軌道能級(jí)圖及其應(yīng)用分子軌道能級(jí)圖及其應(yīng)用整理課件1a2b = cccc12，原子軌道，系數(shù) 9.5.1 分子軌道理論的要點(diǎn)分子軌道理論的要點(diǎn) 2. 分子軌道是由原子軌道線性組合而分子軌道是由原子軌道線性組

18、合而成。成。 1. 分子中的電子在分子軌道中運(yùn)動(dòng)，分子中的電子在分子軌道中運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用 表示，表示， 稱為分子軌道。稱為分子軌道。1a2b = cc整理課件：成鍵分子軌道；：反鍵分子軌道。例如：例如：兩個(gè)兩個(gè)1s原子軌道可以組成兩個(gè)分子軌道，一原子軌道可以組成兩個(gè)分子軌道，一個(gè)為個(gè)為1s成鍵軌道成鍵軌道，另一個(gè)叫，另一個(gè)叫*1s反鍵軌道反鍵軌道。整理課件 3. 原子軌道組合方式不同，將分子原子軌道組合方式不同，將分子軌道分為軌道分為軌道與軌道與軌道。軌道。 s軌道與軌道與s軌道線性組合成軌道線性組合成 和和 s*ss*sss節(jié)面節(jié)面整理課件xxxx p軌道與軌道與p軌道的線性

19、組合。軌道的線性組合。 兩種方式：兩種方式：“頭碰頭頭碰頭”和和“肩并肩并肩肩”。 “頭碰頭頭碰頭”： 整理課件z2pz2p2pz2pzzzzz“肩并肩肩并肩”：整理課件4. 原子軌道線性組合遵循三原則：原子軌道線性組合遵循三原則： 能量相近能量相近 對(duì)稱性匹配對(duì)稱性匹配 最大重疊最大重疊5. 電子在分子軌道中填充的原則：電子在分子軌道中填充的原則： 最低能量原理最低能量原理 Pauli不相容原理不相容原理 Hund 規(guī)則規(guī)則整理課件1. 同核雙原子分子軌道能級(jí)圖同核雙原子分子軌道能級(jí)圖 9.5.2 分子軌道能級(jí)圖及其應(yīng)用分子軌道能級(jí)圖及其應(yīng)用a圖：適合O2，F(xiàn)22s2s2p2p2s2s2p2

20、p2p2pE整理課件b圖：適合B2 ，C2 ， N22s2s2p2p2s2s2p2p2p2pE整理課件E=-2.17910-18 J1s*1sE=-1.15810-18 JE=-2.59110-18 J能量升高能量升高H2電子構(gòu)型可以寫(xiě)作電子構(gòu)型可以寫(xiě)作H2( 1s )2。2. 同核雙原子分子軌道電子排布式：同核雙原子分子軌道電子排布式：整理課件2*22*24221s1s2s2s2p2pN() () () () () ()2p2p2s2s整理課件2*22*224*221s1s2s2s2p2p2pO() () () () () ( ) ( )2* 2242gugug(2) (2) (3) (1

21、) (1 )KK或2p2p2p2p2p2p 鍵參數(shù)鍵參數(shù)9.6.1 鍵級(jí)鍵級(jí)9.6.5 鍵矩與部分電荷鍵矩與部分電荷9.6.4 鍵角鍵角9.6.3 鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng)9.6.2 鍵能鍵能整理課件反鍵電子數(shù)）成鍵電子數(shù) (21B.O鍵級(jí)2*224*22222p2p2pO() () () ( ) ( )ssKK2*22*242211222p2pN() () () () () ()ssssB.O =1/2 ( 8 4 ) = 2B.O = 1/2( 10 4 ) = 39.6.1 鍵級(jí)鍵級(jí)整理課件 在雙原子分子中，于在雙原子分子中，于100kPa下將氣態(tài)分下將氣態(tài)分子斷裂成氣態(tài)原子所需要的能量。子斷裂成氣態(tài)原

22、子所需要的能量。D(HCl)=432kJmol-1, D(ClCl)=243kJ mol-1 在多原子分子中，斷裂氣態(tài)分子中的某在多原子分子中，斷裂氣態(tài)分子中的某一個(gè)鍵，形成兩個(gè)一個(gè)鍵，形成兩個(gè)“碎片碎片”時(shí)所需要的能量時(shí)所需要的能量叫做此鍵的解離能。叫做此鍵的解離能。112molkJ429)HO( O(g)H(g)HO(g)molkJ499)OHH( OH(g)H(g)O(g)HDD9.6.2 鍵能鍵能1. 鍵解離能鍵解離能D：整理課件H2O(g) = 2H(g) + O(g) -12atmmolkJ928)HO()OHH()OH(DDE 2. 原子化能原子化能 Eatm：氣態(tài)的多原子分子的氣態(tài)的多原子分子的鍵全部斷裂形成各組成元素的氣態(tài)原子時(shí)所鍵全部斷裂形成各組成元素的氣態(tài)原子時(shí)所需要的能量。例如：需要的能量。例如： 3. 鍵能鍵能 E：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體分子拆開(kāi)成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體分子拆開(kāi)成氣態(tài)原子時(shí)，每種鍵所需能量的平均值。例氣態(tài)原子時(shí)，每種鍵所需能量的平均值。例如：如：E(H H)=436kJmol-1E(H Cl)=432kJmol-1整理課件 4. 鍵能、鍵解離能與原子化能的關(guān)系：鍵能、鍵解離能與原子化能的關(guān)系：雙原子分子：鍵能雙原子分子：鍵能 = 鍵解離能鍵解離能 E(H) =D(H)多原子分子：原子化能多原子分子：原子化能 = 全部鍵能之和全