醫(yī)用基礎(chǔ)化學(xué)9共價(jià)鍵課件

1、第9章 共價(jià)鍵和分子間力Covalent Bond and Intermolecular Forces第9章 共價(jià)鍵和分子間力Covalent Bond and 第9章 共價(jià)鍵和分子間力化學(xué)鍵：分子或晶體中相鄰兩原子或離子間的強(qiáng)烈作用力，成鍵能量約為幾十到幾百千焦每摩?；瘜W(xué)鍵類型 共價(jià)鍵(配位鍵)離子鍵金屬鍵第9章 共價(jià)鍵和分子間力化學(xué)鍵：分子或晶體中相鄰兩原子或離9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1.1 現(xiàn)代價(jià)鍵理論1. 氫分子的形成 1926年 Heitler 和 London 用量子力學(xué)研究H2的形成，解釋共價(jià)鍵的本質(zhì)。 兩個(gè)氫原子的原子軌道線行組合作為變分函數(shù)rarrb利用變分法近似求得氫

2、分子波函數(shù)這里J、K、S均為r的函數(shù),故E為r的函數(shù)。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1.1 現(xiàn)代價(jià)鍵理論r9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物兩氫原子靠近，原子軌道波函數(shù)重疊，核間概率密度增大，核間距 達(dá)74 pm時(shí)，能量大到最低，形成穩(wěn)定共價(jià)鍵。稱為氫分子的基態(tài)。兩氫原子靠近，軌道波函數(shù)值相減，互相抵消，核間電子的概率密度幾乎為零，稱為氫分子的推斥態(tài)。共價(jià)鍵的本質(zhì)是電性的，是兩核間的電子云密集區(qū)對(duì)兩核的吸引力。 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物兩氫原子靠近，原子軌道波函數(shù)重9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2. 現(xiàn)代價(jià)鍵理論要點(diǎn)（valence bond theo

3、ry, VB法 ）兩原子自旋相反的單電子配對(duì)，原子軌道重疊，核間電子云密集，使系統(tǒng)能量降低，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。原子中單電子才能配對(duì)。所以每個(gè)原子形成共價(jià)鍵的數(shù)目等于單電子數(shù)目。這就是共價(jià)鍵的飽和性。原子軌道重疊愈多，共價(jià)鍵愈牢固，稱為原子軌道最大重疊原理。因此原子軌道將沿最大程度方向重疊，決定了共價(jià)鍵的方向性。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2. 現(xiàn)代價(jià)鍵理論要點(diǎn)（va9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物-+-+常用角度波函數(shù)代替原子軌道波函數(shù)表示重疊。a.波函數(shù)的符號(hào)決定重疊效果。異號(hào)重疊效果為零。b.最大重疊同時(shí)要保持核間距盡量大。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物-+-+常用角度波函9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物3

4、. 共價(jià)鍵的類型(1)鍵和鍵1)鍵：原子軌道沿鍵軸（成鍵核間連線，設(shè)為x軸）以“頭碰頭” 方式進(jìn)行重疊，重疊部分沿鍵軸呈圓柱形對(duì)稱分布，形成共價(jià)鍵。如s-s、s-px 和px-px 軌道重疊。 +-9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物3. 共價(jià)鍵的類型+9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵：例 -+9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵：例 -+9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵特點(diǎn)：鍵的軌道重疊程度比鍵的軌道重疊程度大，因而鍵比鍵牢固。鍵可單獨(dú)存在于兩原子間，是構(gòu)成分子的骨架，兩原子間只可能有1個(gè)鍵。一般地，p-p重疊形成鍵（記為p-p）比s-s重疊形成鍵（記為s-s）牢固。 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵特點(diǎn)：9.1 共價(jià)鍵

5、和共價(jià)化合物2)鍵：互相平行的py或pz軌道則以“肩并肩” 方式進(jìn)行重疊，的重疊部分垂直于鍵軸并呈鏡面反對(duì)稱。 +-9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2)鍵：互相平行的py或pz9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵：例鍵特點(diǎn)：鍵較易斷開，化學(xué)活潑性強(qiáng)。一般與鍵共存于具有雙鍵或叁鍵的分子中。 由于鍵的存在，原子不可繞鍵轉(zhuǎn)動(dòng)。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵：例鍵特點(diǎn)：9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物(2) 正常共價(jià)鍵和配位共價(jià)鍵 由成鍵兩原子各提供1個(gè)電子配對(duì)成鍵的，稱為正常共價(jià)鍵。由成鍵兩原子中的一個(gè)原子單獨(dú)提供電子對(duì)進(jìn)入另一個(gè)原子的空軌道共用而成鍵，這種共價(jià)鍵稱為配位共價(jià)鍵，簡稱 配位鍵。配位鍵用“” 表示，箭頭從提

6、供電子對(duì)的原子指向接受電子對(duì)的原子。 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物(2) 正常共價(jià)鍵和配位共價(jià)9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物例:9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物例:9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1.2 鍵參數(shù)表征化學(xué)鍵性質(zhì)的物理量稱為鍵參數(shù)（bond parameter）共價(jià)鍵的鍵參數(shù)主要有鍵能、鍵長、鍵角及鍵的極性。 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1.2 鍵參數(shù)9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物1. 鍵能（bond energy）從能量因素來衡量共價(jià)鍵強(qiáng)度的物理量（1）雙原子分子的鍵能(E)就等于分子的解離能(D)。在 100kPa和298.15K下，將1摩爾理想氣態(tài)分子AB解離為理想氣態(tài)的A、B原子所需要的能

7、量，稱為AB的解離能，單位為 kJmol-1。例如，對(duì)于H2分子H2 (g) 2H(g) E(HH) D(HH) 436 kJmol-1 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物1. 鍵能（bond ener9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物（2）對(duì)于多原子分子，鍵能和解離能不同。例如，H2O分子中有兩個(gè)等價(jià)的O-H鍵， H2O(g)OH(g)+H(g) H1=502kJmol-1OH (g)O(g)+H(g) H2=423.7kJmol-1E(O-H)= 463kJmol-1（3）同一種共價(jià)鍵在不同的多原子分子中的鍵能雖有差別，但差別不大。我們可用不同分子中同一種鍵能的平均值即平均鍵能作為該鍵的鍵能。一般鍵能愈大

8、，鍵愈牢固。 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物（2）對(duì)于多原子分子，鍵能和解9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物一些雙原子分子的鍵能和某些鍵的平均鍵能 triple bonddouble bondsingle bond9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物一些雙原子分子的鍵能和某些鍵的9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2. 鍵長（bond length） 分子中兩成鍵原子的核間平衡距離。鍵長愈短,鍵愈牢固；相同兩原子形成的鍵長：單鍵鍵長雙鍵鍵長叁鍵鍵長。例： CC鍵長為154 pm； CC鍵長為134 pm；CC鍵長為120 pm 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2. 鍵長（bond len9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物3. 鍵角（bon

9、d angle）分子中同一原子形成的兩個(gè)化學(xué)鍵間的夾角它是反映分子空間構(gòu)型的一個(gè)重要參數(shù)。如H2O分子中的鍵角為104o45，分子為V形結(jié)構(gòu)；CO2分子中的鍵角為180o，分子為直線形結(jié)構(gòu)。根據(jù)分子中的鍵角和鍵長可確定分子的空間構(gòu)型。 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物3. 鍵角（bond ang9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物4. 鍵的極性（polarity of covalent bond）由成鍵原子的電負(fù)性不同引起當(dāng)成鍵原子的電負(fù)性相同，原子核正電荷形成的正電荷重心和核間電子云的負(fù)電荷重心重合，形成非極性共價(jià)鍵（nonpolar covalent bond）。 當(dāng)成鍵原子的電負(fù)性不同，核間電子云偏向電

10、負(fù)性較大原子的一端，使之帶部分負(fù)電荷，而電負(fù)性較小原子的一端帶部分正電荷，正電荷重心與負(fù)電荷重心不重合，形成極性共價(jià)鍵（polar covalent bond）。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物4. 鍵的極性（polari9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵型與成鍵原子電負(fù)性差值的關(guān)系 物 質(zhì)NaClHFHClHBrHICl2電負(fù)性差值2.11.90.90.70.40型鍵離子鍵極 性 共 價(jià) 鍵非極性共價(jià)鍵9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物鍵型與成鍵原子電負(fù)性差值的關(guān)系9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1.4 雜化軌道理論價(jià)鍵理論說明了共價(jià)鍵的形成，解釋了共價(jià)鍵的方向性和飽和性，但闡明多原子分子的空間構(gòu)型卻遇到困難。P

11、auling L等人在價(jià)鍵理論的基礎(chǔ)上提出了雜化軌道理論（hybrid orbital theory）。雜化軌道理論實(shí)質(zhì)上仍屬于現(xiàn)代價(jià)鍵理論，但在成鍵能力、分子的空間構(gòu)型等方面豐富和發(fā)展了價(jià)鍵理論。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物9.1.4 雜化軌道理論9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物1. 雜化軌道理論的要點(diǎn)(1)成鍵過程中，同一原子中幾個(gè)能量相近類型不同的原子軌道線性組合，重新分配 能量和空間方向，組成等數(shù)目的雜化軌道（hybrid orbital）。(2)雜化軌道的角度波函數(shù)在某方向的值比雜化前大得多，更有利于原子軌道間最大重疊，因而雜化軌道比原來軌道的成鍵能力強(qiáng)。(3)雜化軌道之間力圖在空間取最大夾

12、角分布，使相互間的排斥能最小，故形成的鍵較穩(wěn)定。不同類型的雜化軌道之間的夾角不同，成鍵后所形成的分子就具有不同的空間構(gòu)型。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物1. 雜化軌道理論的要點(diǎn)9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2.雜化軌道理論應(yīng)用（1）sp雜化 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物2.雜化軌道理論應(yīng)用9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物【例9-3】解釋BeCl2分子的空間構(gòu)型。 Be: 2s2 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物【例9-3】解釋BeCl2分子9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物（2）sp2雜化【例9-4】 解釋BF3分子的空間構(gòu)型。 B: 2s22p1 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物（2）sp2雜化9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物sp2

13、雜化 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物sp2雜化 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物【例9-5】 解釋 CH4的分子構(gòu)型。 C: 2s22p2 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物【例9-5】 解釋 CH4的分9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物sp3雜化 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物sp3雜化 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物sp型的三種雜化雜化類型spsp2sp3參與雜化的原子軌道1個(gè)s + 1個(gè)p1個(gè)s + 2個(gè)p1個(gè)s + 3個(gè)p雜化軌道數(shù)2個(gè)sp雜化軌道3個(gè)sp2雜化軌道4個(gè)sp3雜化軌道雜化軌道間夾角180o120o109o 28空間構(gòu)型直 線正三角形正四面體實(shí) 例BeCl2，C2H2BF3, BCl3CH4，CCl49.

14、1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物sp型的三種雜化雜化類型sps9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物spd型雜化雜化類型dsp2 sp3dd2sp3 或sp3d2雜化軌道數(shù)456空間構(gòu)型平面四方形三角雙錐正八面體實(shí) 例Ni(CN)42-PCl5Fe(CN)63- , Co(NH3)62+ 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物spd型雜化雜化類型dsp2 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物（4）等性雜化和不等性雜化 【例9-6】解釋NH3和 H2O分子的構(gòu)型。9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物（4）等性雜化和不等性雜化 9.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物等性雜化不等性雜化：sp3雜化為例雜化軌道spsp2sp3s成分1/21/31/4p成分1/22/

15、33/4電子對(duì)類型孤電子對(duì)成鍵電子對(duì)s成分1/41/4p成分3/49.1 共價(jià)鍵和共價(jià)化合物等性雜化雜化spsp2sp3s9.2 分子間的作用力 9.2.1 分子的極性1分子的極性與鍵的極性分子的極性鍵的極性分類1、極性分子2、非極性分子 1、極性共價(jià)鍵2、非極性共價(jià)鍵聯(lián)系雙原子分子兩者統(tǒng)一多原子分子兩者不一定統(tǒng)一（與電負(fù)性和分子空間構(gòu)型有關(guān) ）量度電偶極矩電負(fù)性差值9.2 分子間的作用力 9.2.1 分子的極性分子的9.2 分子間的作用力2電偶極矩 q d 電偶極矩為零的分子是非極性分子，電偶極矩愈大表示分子的極性愈強(qiáng)。 9.2 分子間的作用力2電偶極矩 3分子的極化極性分子的正、負(fù)電荷重心

16、不重合，分子中始終存在一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極，故極性分子具有永久偶極 。因外電場的作用，使分子變形產(chǎn)生偶極或增大偶極矩的現(xiàn)象稱為分子的極化，由此而產(chǎn)生的偶極稱為誘導(dǎo)偶極 。9.2 分子間的作用力3分子的極化9.2 分子間的作用力9.2 分子間的作用力9.2 分子間的作用力9.2 分子間的作用力9.2 .2 范德華力 取向力永久偶極引起相互作用 （存在于極性分子中）HCl in solid HCl in liquid9.2 分子間的作用力9.2 .2 范德華力 9.2 分子間的作用力誘導(dǎo)力由誘導(dǎo)偶極引起（存在于極性分子之間以及極性分子和非極性分子之間） 9.2 分子間的作用力誘導(dǎo)力9.2 分子間的作

17、用力色散力 分子的正、負(fù)電荷重心不斷發(fā)生瞬間相對(duì)位移，從而產(chǎn)生瞬間偶極。瞬間偶極產(chǎn)生分子間作用力，稱為色散力。9.2 分子間的作用力色散力9.2 分子間的作用力范德華力的特點(diǎn)： 它是靜電引力，作用能比化學(xué)鍵小12個(gè)數(shù)量級(jí)；它的作用范圍只有幾十到幾百pm；它不具有方向性和飽和性；大多數(shù)分子色散力為主。范德華力的分布取向力誘導(dǎo)力色散力非極性分子之間極性分子和非極性分子之間極性分子之間9.2 分子間的作用力范德華力的特點(diǎn)： 范德華力的分布取9.2 分子間的作用力范德華力的分配情況（kJ/mol）分子取向力誘導(dǎo)力色散力總能量Ar0.0000.0008.498.49CO0.0030.0088.748.7

18、5HI0.0250.11325.8626.00HBr0.6860.50221.9223.11HCl3.3051.00416.8221.13NH313.311.54814.9429.80H2O36.381.9298.99647.319.2 分子間的作用力范德華力的分配情況（kJ/mol）9.2 分子間的作用力9.2.3 氫鍵物理性質(zhì)“反?！爆F(xiàn)象：HF等 的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)卻比HCl等的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)高。這表明在HF分子之間除了存在van der Waals力外，還存在另一種作用力。9.2 分子間的作用力9.2.3 氫鍵9.2 分子間的作用力氫鍵的形成條件XHY X，Y=F、O、N （虛線所示為氫鍵） X：電負(fù)性大、半徑小 Y：電負(fù)性大、半徑小，外層有孤對(duì)電子9.2 分子間的作用力氫鍵的形成條件9.2 分子間的作用力氫鍵的特點(diǎn)氫鍵的鍵能化學(xué)鍵弱得多，一般在42 kJmol-1 以下，它比但比 van der Waals力強(qiáng)。氫鍵具有飽和性和方向性。飽和性是共價(jià)鍵H原子通常只能形成1個(gè)氫鍵；方向性是以H原子為中心的3個(gè)原子XHY盡可能在一條直線上。根據(jù)上述討論，可將氫鍵看