《無機(jī)化學(xué)》課件-第6章 分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)

無機(jī)化學(xué)高職高專化學(xué)教材編寫組編第六章分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材高等職業(yè)教育應(yīng)用化工技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃教材知識目標(biāo)：1.掌握化學(xué)鍵、離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵的基本概念、形成過程和特征；2.了解σ鍵和Π鍵、極性共價(jià)鍵和非極性共價(jià)鍵的特征；3.了解共價(jià)鍵的鍵參數(shù)及其應(yīng)用；4.掌握雜化、雜化軌道的概念和雜化軌道的類型；5.掌握分子間力和氫鍵產(chǎn)生的原因；掌握分子間力和氫鍵對物質(zhì)某些性質(zhì)的影響；6.了解晶體的基本類型、結(jié)構(gòu)特征及性質(zhì)特點(diǎn)。能力目標(biāo)：1.會利用雜化軌道的類型判斷分子的空間構(gòu)型；2.能根據(jù)分子間力和氫鍵說明其對物質(zhì)性質(zhì)的影響；3.能說明離子晶體、分子晶體、原子晶體、金屬晶體的特性。第一節(jié)

化學(xué)鍵第二節(jié)

分子空間結(jié)構(gòu)第三節(jié)

分子間力第四節(jié)

晶體一、離子鍵二、共價(jià)鍵第一節(jié)化學(xué)鍵

化學(xué)上把分子或晶體中相鄰原子（或離子）之間強(qiáng)烈的相互吸引作用力稱為化學(xué)鍵。

根據(jù)原子（或離子）間相互作用方式不同，把化學(xué)鍵分為離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵三種基本類型。1.離子鍵的形成由原子間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，形成陰、陽離子，并通過靜電引力而形成的化學(xué)鍵叫離子鍵。由離子鍵形成的化合物叫做離子型化合物。陰、陽離子分別是鍵的兩極，故離子鍵呈強(qiáng)極性。在離子鍵形成的過程中，并不是所有的離子都必須形成稀有氣體原子的電子構(gòu)型，如過渡元素以及錫、鉛等類的金屬。一、離子鍵2.離子鍵的特點(diǎn)

(1)離子鍵的本質(zhì)是陰、陽離子間的靜電引力。

(2)離子鍵沒有方向性和飽和性離子的電場分布是球形對稱的，可以從任何方向吸引帶相反電荷的離子，故離子鍵無方向性。只要離子周圍空間允許，它將盡可能多地吸引帶相反電荷的離子，即離子鍵無飽和性。

(3)離子鍵的部分共價(jià)性

成鍵元素的電負(fù)性相差為1.7,即為離子鍵。3.離子鍵的結(jié)構(gòu)特征（1）離子的電荷離子是帶電的原子或原子團(tuán)。離子所帶電荷的符號和數(shù)目決定于原子成鍵時得失電子的數(shù)目。（2）離子的電子層結(jié)構(gòu)主族元素所形成的離子的電子層一般是飽和的。副族元素所形成的離子，電子層是不飽和的。（3）離子的半徑①陽離子的離子的半徑比相應(yīng)的原子半徑小。②陰離子的半徑比相應(yīng)原子半徑大。③電子層結(jié)構(gòu)相同的離子，例如F－＞Na+＞Mg2+＞Al3+隨核電荷數(shù)的逐漸增加，離子半徑逐漸堿小。④離子的性質(zhì)與原子性質(zhì)不同，例如Na+

和Na；Cl2和NaCl。1.共價(jià)鍵的形成當(dāng)兩個獨(dú)立的、距離很遠(yuǎn)的氫原子相互靠近欲形成氫分子時，有兩種情況。

(1)兩個氫原子中電子的自旋方向相反，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。

(2)兩個氫原子的自旋方向相同，不能形成化學(xué)鍵。共價(jià)鍵的形成是由于自旋方向相反的電子相互配對，原子軌道重疊，從而使系統(tǒng)能量降低，系統(tǒng)趨向穩(wěn)定的結(jié)果。二、共價(jià)鍵

（1）電子配對原理

自旋相反的未成對電子的原子相互接近時，可形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。若原子中沒有未成對電子，一般不能形成共價(jià)鍵。

共價(jià)鍵的數(shù)目取決于原子中未成對電子的數(shù)目。例如H原子有1個未成對電子只能形成共價(jià)H-H或H-Cl單鍵。

（2）最大重疊原理

兩原子成鍵時，若雙方原子軌道重疊越多，成鍵能力越強(qiáng)，所形成的共價(jià)鍵越牢固，這稱為軌道最大重疊原理?，F(xiàn)代價(jià)鍵理論的基本要點(diǎn)2.共價(jià)鍵的特點(diǎn)

(1)共價(jià)鍵的飽和性由于在形成共價(jià)鍵時，成鍵原子之間需共用未成對電子，一個原子有幾個未成對電子，就只能和幾個自旋反向的電子配對成鍵，也就是說，原子所能形成共價(jià)鍵的數(shù)目受未成對電子數(shù)所限制。

(2)共價(jià)鍵的方向性在形成共價(jià)鍵時，只有當(dāng)成鍵原子軌道沿合適的方向相互靠近，才能達(dá)到最大程度的重疊，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。這就是共價(jià)鍵的方向性。（a）（b）（c）

HCl分子的形成

3.共價(jià)鍵的類型

(1)σ鍵當(dāng)成鍵原子軌道沿鍵軸(兩原子核間的連線)方向靠近，以“頭碰頭”方式進(jìn)行重疊，重疊部分集中于兩核之間，通過并對稱于鍵軸，這種鍵稱為σ鍵。形成σ鍵的電子稱為σ電子。形成σ鍵的原子軌道有s-s軌道重疊、s-px軌道重疊、px-px軌道重疊。

(2)Π鍵當(dāng)兩成鍵原子軌道沿鍵軸方向靠近，原子軌道以“肩并肩”方式進(jìn)行重疊，重疊部分在鍵軸的兩側(cè)并對稱于與鍵軸垂直的平面，這樣形成的鍵稱為Π鍵。形成Π鍵的電子稱為Π電子。重疊的原子軌道有pz-pz，py-py，p-d等。σ鍵Π鍵

通常Π鍵形成時原子軌道的重疊程度小于σ鍵，故Π鍵沒有σ鍵穩(wěn)定，Π電子容易參與化學(xué)反應(yīng)。鍵的類型σ鍵Π鍵原子軌道重疊方式沿鍵軸方向相對重疊沿鍵軸方向平行重疊原子軌道重疊部分兩原子核之間，在鍵軸處鍵軸上方和下方，鍵軸處為零原子軌道重疊程度大小鍵的強(qiáng)度較牢固較差化學(xué)活潑型不活潑活潑σ鍵和Π鍵的特征

(3)非極性共價(jià)鍵和極性共價(jià)鍵鍵

由同種原子形成的共價(jià)鍵，如單質(zhì)分子H2、O2、N2等分子中的共價(jià)鍵，電子云在兩核中間均勻分布(并無偏向)，這類共價(jià)鍵稱為非極性共價(jià)鍵。

由不同元素的原子形成的共價(jià)鍵，如HCl、CO、H2O、NH3等由于元素的電負(fù)性不同，對電子對的吸引能力也不同，所以共用電子對會偏向電負(fù)性較大的元素的原子，使其帶負(fù)電荷，而電負(fù)性較小的原子帶正電荷，鍵的兩端出現(xiàn)了正、負(fù)極，正、負(fù)電荷中心不重合。這樣的共價(jià)鍵稱為極性共價(jià)鍵。

鍵的極性大小取決于成鍵兩原子的電負(fù)性差。電負(fù)性差越大，鍵的極性就越強(qiáng)。4.配位鍵

共用電子對由成鍵原子中的某個原子單方提供，另一個原子只提供空軌道，為成鍵原子雙方所共用，這種共價(jià)鍵稱配位共價(jià)鍵，簡稱配位鍵或配價(jià)鍵，用“→”表示，箭頭從提供共用電子對的原子指向接受共用電子對的原子。形成條件：成鍵原子的一方至少要含有一對孤對電子；成鍵原子中接受孤對電子的一方要有空軌道。5.鍵參數(shù)（1）鍵能（E）鍵能是衡量化學(xué)鍵強(qiáng)弱的物理量，它表示拆開一個鍵或形成一個鍵的難易程度。鍵能越大，相應(yīng)的共價(jià)鍵就越牢固，組成的分子就越穩(wěn)定。（2）鍵長（l）分子中兩成鍵原子核之間的平衡距離(即核間距)，稱為鍵長或鍵距。在不同的分子中，兩原子間形成相同類型的化學(xué)鍵時，其鍵長是基本相同的。相同原子形成的共價(jià)鍵的鍵長單鍵>雙鍵>三鍵。鍵長越短，鍵能就越大，鍵就越牢固。（3）鍵角（а）分子中鍵與鍵的夾角稱為鍵角。知道一個分子的鍵長和鍵角，就可以推知該分子的幾何構(gòu)型。一、雜化與雜化軌道二、雜化軌道的類型第二節(jié)分子空間結(jié)構(gòu)

1.雜化在成鍵的過程中，由于原子間的相互影響，同一原子中幾個能量相近的不同類型的原子軌道（即波函數(shù)），可以進(jìn)行線性組合，重新分配能量和確定空間方向，組成數(shù)目相等的新原子軌道，這種軌道重新組合的方式稱為雜化。一、雜化與雜化軌道

2.雜化軌道雜化后形成的新軌道稱為雜化軌道。兩個sp雜化軌道的形成和方向（1）原子形成共價(jià)鍵時可利用雜化軌道成鍵。（2）雜化軌道是由能量相近的原子軌道組合而成。主族元素的ns、np、nd可雜化而成一組新軌道；副族元素的（n－1）d、ns、np或ns、np、nd雜化而成一組新軌道，因?yàn)檫@些軌道的能級較接近。（3）雜化軌道的數(shù)目等于參與雜化的原來的原子軌道數(shù)目（n個原子軌道雜化就形成n個雜化軌道）。（4）運(yùn)用雜化軌道成鍵可以滿足軌道最大重疊原理。1.sp雜化sp雜化軌道的分布與分子的幾何構(gòu)型二、雜化軌道的類型2.sp2雜化sp2雜化軌道的分布與分子的幾何構(gòu)型

3.sp3雜化sp3雜化軌道的分布與分子的幾何構(gòu)型

4.sp3雜化不等性雜化

在雜化軌道中有不參加成鍵的孤對電子存在，使所形成的各雜化軌道的成分和能量不完全相等，這類雜化稱為不等性雜化。例如NH3和H2O分子中的N，O原子就是以不等性sp3雜化軌道進(jìn)行成鍵的。（a）（b）NH3和H2O的幾何構(gòu)型s-p型等性和不等性雜化的比較雜化軌道類型軌道鍵角軌道幾何形狀分子幾何形狀實(shí)例sp3等性雜化109°28′正四面體正四面體CH4,NH4+,SiF4不等性雜化1對成對電子<109°28′四面體三角錐NH3,H3O+,PCl32對成對電子<<109°28′四面體折線形H2O,OF2sp2等性雜化120°平面三角形平面三角形BF3,SO3,C2H4不等性雜化（含1對成對電子）<120°平面三角形折線形SO2,NO2sp等性雜化180°直線形直線形BeCl2，CO2，HgCl2第三節(jié)分子間力一、分子的極性和變形性二、分子間力三、氫鍵一、分子的極性和變形性1.分子的極性在分子中正、負(fù)電荷分別集中于一點(diǎn)，稱正、負(fù)電荷中心，即“+”極和“-”極。如果兩個電荷中心之間存在一定距離，即形成偶極，這樣的分子就有極性，稱為極性分子。如果兩個電荷中心重合，分子就無極性，稱為非極性分子。對于由共價(jià)鍵結(jié)合的雙原子分子，鍵的極性和分子的極性是一致的。對于由共價(jià)鍵結(jié)合的多原子分子，除考慮鍵的極性外，還要考慮分子構(gòu)型是否對稱。CH4，SiH4，CCl4，SiCl4等分子呈正四面體中心對稱結(jié)構(gòu)，CO2分子呈直線形中心對稱結(jié)構(gòu)，故這些分子都屬于非極性分子。一、分子的極性和變形性1.分子的極性分子極性的大小通常用偶極矩(μ)來衡量，偶極矩的定義為分子中正電荷中心或負(fù)電荷中心上的電荷量(q)與正、負(fù)電荷中心間距離(d)的乘積：μ=q×d。

μ=0的分子為非極性分子，μ≠0的分子為極性分子。μ值越大，分子的極性就越強(qiáng)。第三節(jié)分子間力2.分子的變形性

分子極化是指有外加電場的情況下，在電場作用下，分子中的正負(fù)電荷產(chǎn)生偏離（正電荷受到與電場同方向的力，負(fù)電荷受到反方向的力）。這種效應(yīng)叫做分子極化。非極性分子也可以在電場中產(chǎn)生分子極化。

分子受極化后外形發(fā)生改變的性質(zhì)，稱為分子的變形性。

電場越強(qiáng)，產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極也就越大，分子的變形就越顯著；另一方面，分子越大，所含電子越多，它的變形性也就越大。二、分子間力1.取向力當(dāng)兩個極性分子充分靠近時，由于極性分子中存在永久偶極．就會發(fā)生同極相斥、異極相吸，從而使極性分子按一定的取向排列，同時變形，這種永久偶極間產(chǎn)生的作用力稱為取向力。取向力的本質(zhì)是靜電引力，因此分子間的偶極矩越大，取向力就越強(qiáng)。（a）分子離得較近（b）取向（c）誘導(dǎo)極性分子間的相互作用二、分子間力2.誘導(dǎo)力當(dāng)極性分子與非極性分子相互靠近時，非極性分子在極性分子永久偶極的影響下，正、負(fù)電荷中心分離產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，誘導(dǎo)偶極與極性分子的永久偶極之間的相互作用力稱為誘導(dǎo)力。誘導(dǎo)力不僅存在于非極性分子與極性分子之間，也存在于極性分子與極性分子之間。誘導(dǎo)力隨著分子的極性增大而增大，也隨分子的變形性增大而增大。極性分子和非極性分子間的作用二、分子間力3.色散力非極性分子中的電子和原子核處在不斷的運(yùn)動之中，使分子的正、負(fù)電荷中心不斷地發(fā)生瞬間的相對位移，使分子產(chǎn)生瞬時偶極。當(dāng)兩個或多個非極性分子在一定條件下充分靠近時，就會由于瞬時偶極而發(fā)生異極相吸作用。這種由于瞬時偶極而產(chǎn)生的相互作用力，稱為色散力。色散力是非極性分子間的作用力，也存在于極性分子間以及極性分子與非極性分子之間。通常色散力的大小隨分子的變形性增大而增大，組成、結(jié)構(gòu)相似的分子，相對分子質(zhì)量越大，分子的變形性就越大，色散力也就越大。二、分子間力非極性分子間的相互作用二、分子間力4.分子間力對物質(zhì)性質(zhì)的影響分子間作用力直接影響物質(zhì)的許多物理性質(zhì)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度、黏度、表面張力、硬度等。如極性分子易溶于極性分子，非極性分子易溶于非極性分子，這稱為“極性相似相溶”。

“相似”的實(shí)質(zhì)是指溶質(zhì)內(nèi)部分子間力和溶劑內(nèi)部分子間力相似，當(dāng)具有相似分子間力的溶質(zhì)、溶劑分子混合時，兩者易互溶。三、氫鍵1.氫鍵的形成氫鍵是一種特殊的分子間力。分子間存在分子間力，還存在著另一種作用力，致使這些簡單的分子成為締合分子，分子締合的重要原因是由于分子間形成了氫鍵。三、氫鍵2.氫鍵的表示方式氫鍵可用X—H···Y表示，其中X，Y代表電負(fù)性大、半徑小且有孤對電子的原子，一般是F，N，O等原子。X，Y可以是同種原子，也可以是不同種原子。

氫鍵既可在同種分子或不同種分子間形成，也可在分子內(nèi)形成(例如在HNO3或H3PO4中)。三、氫鍵3.氫鍵的類型

氫鍵可分為分子間氫鍵和分子內(nèi)氫鍵兩類。如氨水中大量存在的是氨的水合物，其中NH3和H2O分子間可形成兩種氫鍵O—H···N和N—H···O，這兩種氫鍵都是一分子內(nèi)的X—H與另一分子中的Y結(jié)合形成的氫鍵，稱之為分子間氫鍵。

分子內(nèi)氫鍵在一些有機(jī)化合物中較為常見，例如鄰硝基苯酚內(nèi)，有O—H···O氫鍵存在。三、氫鍵4.氫鍵的的特征（1）氫鍵的參數(shù)

氫鍵的鍵長(指與氫原子結(jié)合的兩個原子核間距離)較長，比正常共價(jià)鍵大得多，鍵能較小（約12~40KJ/mol），與分子間力的數(shù)量級相同。

氫鍵的強(qiáng)弱與X、Y的電負(fù)性及半徑大小有關(guān)。X、Y的電負(fù)性大，氫鍵強(qiáng)；Y的半徑小，氫鍵也強(qiáng)。故下列氫鍵的強(qiáng)弱順序是F—H···F＞O—H···O＞N—H···N。（2）氫鍵的特點(diǎn)

氫鍵有方向性和飽和性：每個X—H只能與一個Y原子相互吸引形成氫鍵；Y與H形成氫鍵時，盡可能采取X—H鍵鍵軸的方向，使X—H···Y在一條直線上。（3）氫鍵的本質(zhì)

氫鍵既不同于化學(xué)鍵，也有別于分子間力，它是分子間或分子內(nèi)的一種特殊作用力。三、氫鍵5.氫鍵對化合物性質(zhì)的影響

氫鍵的形成會對某些物質(zhì)的物理性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，如對于NH3，H2O和HF，欲使固體熔化或液體汽化，除要克服純粹的分子間力外，還必須額外地提供一份能量來破壞分子間的氫鍵。因此其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)比同族內(nèi)的其他氫化物要高。分子內(nèi)氫鍵常使物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)降低。如果溶質(zhì)分子與溶劑分子間能形成氫鍵，將有利于溶質(zhì)的溶解。

NH3在水中有較大的溶解度就與此有關(guān)。液體分子間若有氫鍵存在，其黏度一般較大。第四節(jié)晶體一、晶體的特征二、晶體的類型一、晶體的特征晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期重復(fù)地排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。晶體的特征是具有規(guī)則的幾何外形。晶體的又一特征是具有固定的熔點(diǎn)。晶體具有各向異性的重要特征，也就是說同一個晶體在不同方向上有不同的性質(zhì)。非晶體則各向同性。晶體內(nèi)部粒子周期性的排列及其理想的外形都具有特定的對稱性。二、晶體的類型1.離子晶體（1）離子晶體的特征

在離子晶體中，質(zhì)點(diǎn)間的作用力是靜電吸引力，即正、負(fù)離子是通過離子鍵結(jié)合在一起的，由于正、負(fù)離子間的靜電作用力較強(qiáng)，所以離子晶體一般具有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度。離子的電荷越高，半徑越小，靜電作用力越強(qiáng)，熔點(diǎn)也就越高。離子晶體的硬度較大，但比較脆，延展性較差。離子晶體不論在熔融狀態(tài)或在水溶液中都具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但在固體狀態(tài)，由于離子被限制在晶格的一定位置上振動，因此幾乎不導(dǎo)電。二、晶體的類型（2）離子晶體的晶格能當(dāng)相互遠(yuǎn)離的氣態(tài)正離子和氣態(tài)負(fù)離子結(jié)合成離子晶體時所釋放的能量稱為晶格能，以符號u表示。對于相同類型的離子晶體來說，離子電荷越多，正、負(fù)離子的核間距越短，晶格能的