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第1页：第四章 化学键与分子结构 章节导览

第四章 化学键与分子结构

本章讲授离子键理论、共价键理论（价键理论、杂化轨道、价层电子对互斥、分子轨道）与金属键理论，并补充分子的极性、分子间作用力与氢键。

第2页：4.1 离子键理论

• 离子键的形成
• 离子键及其特点（无方向性、无饱和性）
• 离子键强度与晶格能
• 离子化合物的类型：ZnS 型、NaCl 型、CsCl 型
• 离子化合物的性质

第3页：离子键的形成

钠原子失去一个电子、氯原子得到一个电子，形成 Na⁺ 与 Cl^-，正负离子靠静电吸引形成离子键。

第4页：二、离子键及其特点定义

• 二、离子键及其特点定义：正负离子间的静电吸引力叫做离子键
• 特点：离子键既没有方向性也没有饱和性；NaCl 晶体

第5页：三、离子键强度

• 三、离子键强度与晶格能晶格能：表示相互远离的气态正离子和负离子结合成1 mol 离子晶体时所释放的能量，或1 mol 离子晶体解离成自由气态离子时所吸收的能量
• 如：Ca2+(g)+ 2Cl-(g) CaCl2(s)–H = U = 2260.kJ/mol离子键强度：用晶格能表示

第6页：Born-Lande 公式U

• Born-Lande 公式U = -Ve ∝Z1Z2/r其中：Ve 为正负离子间吸引力和排斥力达平衡时，体系的位能
• Z1、Z2分别为正负离子的电荷数；r为正负离子间距
• Born-Haber 循环计算U

第7页：四、离子化合物的类型

• 四、离子化合物的类型ZnS型NaCl型CsCl型

第8页：五、离子化合物的性质

• 五、离子化合物的性质高熔点High melting points高沸点High boiling points易脆性Brittleness溶解性Some are soluble, some no…

第9页：4.2 共价键理论

• 2 共价键理论共享电子对

第10页：4.2.1 价键理论共价键

• 2.1 价键理论共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键
• 共价键的主要特点是具有饱和性和方向性；一、共价键的本质和特点

第11页：共价键的键型

• σ 键：成键轨道沿原子核连线“头碰头”重叠，以核连线为对称轴
• π 键：轨道“肩并肩”重叠，穿过原子核连线有一个节面

第12页：共价键形成实例HF的生成

• 共价键形成实例HF的生成

第13页：N2的生成键键

• N2的生成键键

第14页：

本页源文件未提取到文字内容，仅有图片。位于「N2的生成键键」与「4.2.2 杂化轨道」之间，建议对照原课件图片补充本页要点说明。

第15页：4.2.2 杂化轨道

• 2.2 杂化轨道理论同一原子中，不同原子轨道的线性组合，改变原子轨道的分布方向，有利于成键，但原子轨道的数目不变

第16页：4.2.2 杂化轨道（续）

• 2.2 杂化轨道理论实验测得CCl4、CH4等的立体构型为正四面体（tetrahedral）在同一个原子中能量相近的不同类型（s, p, d, ）的几个原子轨道波函数可以相互叠加而组成同等数目的能量…

第17页：杂化轨道的主要类型与分子构型

第18页：sp杂化轨道激发杂化

• sp杂化轨道激发杂化

第19页：sp2杂化与乙烯

乙烯中碳原子采取 sp² 杂化：三个 sp² 杂化轨道呈平面三角形形成 σ 键，未杂化的 p 轨道侧向重叠形成 π 键。

第20页：sp3杂化

sp³ 杂化：一个 s 轨道与三个 p 轨道组合成四个等同的 sp³ 杂化轨道，呈正四面体分布，键角 109°28′。

第21页：4.2.3 价层电子互斥理论

• 2.3 价层电子互斥理论（原页为反应式或结构式，详见课件原图）分子构型和电子构型的区别原则：尽可能使电子对之间的排斥作用最小高键级>低键级孤对－孤对>孤对－键对>键对－键对

第22页：价层电子

• 价层电子对互斥理论可以定性判断和预见分子的几何构型分子的共价键中的价电子对以及孤对电子由于相互排斥作用而趋向尽可能彼此远离，分子尽可能采取对称的结构
• 若一个中心原子和几个配位原子形成分子时，分子的几何构型取决于中心原子周围地价电子数目
• 价电子包括价层轨道中成键电子对(bp)和孤电子对(lp).不同价电子对间排斥作用的顺序为：lp－lp lp－bp bp－bp分子中的多重键按单键处理
• 价层电子对数确定方法：价层电子对数＝½(中心原子价电子总数＋配位原子提供电子数–离子电荷数)配位原子提供电子数：H, Cl,1

第23页：价电子对数目与分子构型

第24页：分子构型

• 分子构型：正四面体甲烷[ClO4]–分子构型：正四面体含氧原子的情况：净结果是O原子不提供价电子

第25页：氨分子构型

• 氨分子构型：角锥型水分子构型：角型电子构型与分子构型不一致

第26页：BF3分子构型

• BF3分子构型：平面三角[PF6]-分子构型：正八面体

第27页：ClF3分子构型

• ClF3分子构型：T字型三种构型选择电子构型与分子构型不一致电子数为5 时，孤对总是尽先处于三角双锥的腰部位置

第28页：价层电子互斥理论

• 价层电子互斥理论的局限性不能说明成键原理和键的相对稳定性

第29页：4.2.4 分子轨道理论

• 2.4 分子轨道理论原子中某个电子运动的波函数，用表示，分子轨道可由原子轨道线性组合而成

第30页：一、分子轨道

• 一、分子轨道理论的要点原子轨道组成分子轨道时，轨道数不变
• 分子轨道的能量可以高于、低于和等于原子轨道，分别称为反键轨道、成键轨道和非键轨道
• 原子轨道组成分子轨道时，必须满足原子轨道的能量相近、轨道最大重叠和对称性匹配
• 分子轨道中的电子排布和原子轨道中电子排布的规则相似，即遵循Pauli原理，能量最低原理及Hund 规则

第31页：成键轨道和反键轨道成键轨道

• 成键轨道和反键轨道成键轨道(bonding)反键轨道(antibonding)

第32页：二、分子轨道

• 二、分子轨道图(a) 和分子轨道能级图(b)
• 成键轨道中，两原子之间的电子云密度增加
• 而反键轨道中，两原子之间的电子云密度降低

第33页：H2的分子轨道能级图

• H2的分子轨道能级图(a) 氢原子轨道(b) 氢分子轨道

第34页：H2与He2的分子轨道比较

H₂ 的两个电子填入成键轨道 σ_1s，键级为 1，分子可稳定存在；He₂ 的四个电子同时占据成键轨道与反键轨道，键级为 0，故 He₂ 分子不能稳定存在。

第35页：三、简单双原子分子轨道能级

• 三、简单双原子分子轨道能级1s*1s2s*2s2p2py2pz*2py*2pz*2pxO2的分子轨道

第36页：氧的顺磁性

O₂ 分子轨道中有两个未成对电子分别占据两个 π* 反键轨道，故氧气表现为顺磁性，这是分子轨道理论优于价键理论的典型证据。

第37页：N2的分子轨道能级

• N2的分子轨道能级图氮气为什么稳定？
• 与O2的分子轨道能级图比较有何不同，why?

第38页：HF的分子轨道能级图

HF 的分子轨道能级图：H 的 1s 与 F 的一个 2p 轨道组成成键轨道，F 的其余 2p 轨道成为非键轨道，并有对应的反键轨道。

第39页：4.2.4 键参数

• 2.4 键参数键级键级越大，键越牢固，分子越稳定键能键能越大，键越牢固，分子越稳定键长键长越短，键越牢固，分子越稳定键角反映分了空间结构键的极性成键原子的电负性差越大，键的极性越大

第40页：4.3 金属键

• 3 金属键理论金属离子沉浸在自由电子的海洋中++++++++++++一、金属的改性共价键理论

第41页：二、金属键的能带理论

• 二、金属键的能带理论空轨道满轨道Li金属的分子轨道图Li2的分子轨道图

第42页：金属导体的能带模型

金属导体的能带模型：满带与空带之间没有禁带或禁带极窄，电子可在导带中自由跃迁，因而具有良好的导电性。

第43页：固体的能带结构

• 固体的能带结构导体半导体绝缘体导带禁带满带Eg≥5eVEg≤3eV

第44页：4.4 分子间作用力

• 4 分子间作用力分子的极性分子间作用力(Intermolecular Forces)氢键(Hydrogen

第45页：分子的极性

极性键：成键原子电负性不同使共用电子对发生偏移，如 HCl 中氯端带部分负电荷、氢端带部分正电荷，形成偶极。

第46页：偶极矩

• 偶极矩(Dipole Moment, )＝q×dd：正、负电荷重心间距（偶极长）q ：电量单位：德拜（Debye，D）1D＝3.336 ×10-30C·m（库仑·米）表示：（＋）（－）（矢量）

第47页：键的极性和分子极性

• 键的极性和分子极性（一）CCl4，非极性；CHCl3, 极性

第48页：键的极性和分子极性（续）

• 键的极性和分子极性（二）H2OCO2，非极性；H2O, 极性

第49页：分子间作用力的类型与能量

第50页：取向力

取向力：极性分子的永久部分电荷之间的静电吸引作用，作用能约 0～3 kJ/mol，只存在于极性分子之间。

第51页：色散力的形成瞬时偶极

• 色散力的形成瞬时偶极

第52页：色散力大小与分子的形态

• 色散力大小与分子的形态1）分子量愈大，色散力愈大
• 相同组成时，线性分子的色散力较大
• 如：正戊烷，bp=36.1 °C. 而(CH3)4C, bp=9.5 °C

第53页：4.4.3 氢键

• 4.3氢键（Hydrogen Bonding）O, N, F等电负性强的原子之间通过H原子连接而成；氢键是最强的分子间力

第54页：氢键与沸点

能形成分子间氢键的氢化物（HF、H₂O、NH₃）沸点显著高于同族其他氢化物，图中给出各族氢化物沸点的反常变化。

第55页：冰的结构

冰中每个水分子与周围四个水分子以氢键相连，形成四面体骨架，结构疏松，故冰的密度小于液态水。