化学键和分子间作用力（基础班）课件 2024年化学奥林匹克竞赛

这是一份化学键和分子间作用力（基础班）课件 2024年化学奥林匹克竞赛，共60页。PPT课件主要包含了离子键，共价键，NO3-，共振论，共振结构式能量标准，小练习，mol，sp3，sp2，平面三角形等内容，欢迎下载使用。
金属离子与自由电子间的较强的相互作用
金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强，熔点越高
1. 定义： 使阴、阳离子结合成化合物的静电作用。 没有方向性，没有饱和性。2. 理解： ①成键的主要原因：电子得失 ②成键元素： 活泼的金属元素(还有NH4+）与活泼的非金属元素 ③存在物质：离子化合物 （如NaCl、MgO、NaOH、Na2O2等） AlCl3不是离子化合物
3. 离子键的强弱① 影响因素： 离子半径越小，带电荷越多，离子键就越强。②强弱与性质的关系： 离子键越强，离子化合物的熔点越高，硬度越大。 例：试比较NaCl、 KCl、 MgO的熔点。 NaCl（熔点801℃）高于KCl（776℃）， 而MgO（熔点2800℃）。
298K和pө下，由1 ml 离子晶体变成相距无穷远的气体正、负离子所吸收的能量。
离子键的强度用晶格能（U）来衡量
Brn-Haber 循环
写出离子化合物NaCl、NaOH、MgCl2、NH4Cl、Na2O、Na2S、Na2O2、CaC2电子式。
原子之间通过共用电子对所形成的相互作用。
一般是非金属元素与非金属元素
单质、共价化合物、离子化合物如Cl2、CO2、NaOH、NH4Cl、AlCl3
写出HCl、CO2、NH3、H2O、N2H4、HClO、H2O2、N2、CCl4电子式。
1916年，Lewis 认为，原子之间可以通过共用电子对形成分子，通过共用电子对形成的化学键称为共价键 ，形成的分子称为共价分子。 在分子中，每个原子均应具有稳定的稀有气体原子的 8 电子外层电子构型 (He 为 2 电子)，习惯上称为“八隅体规则”。
（一）、经典Lewis学说
用短线表示原子间形成的共价键，用小黑点表示孤对电子。
计算下列物质的共价键数和孤对电子数。
路易斯结构式的稳定性——形式电荷（QF）
方法：QF=原子的价电子数-键数-孤电子数
形式电荷尽可能小尽可能避免两相邻原子之间的形式电荷为同号
有时，一个分子在不改变其中的原子的排列的情况下，可以写出一个以上合理的路易斯结构式，为解决这一问题，鲍林提出所谓的“共振”的概念，认为该分子的结构是所有这些正确的路易斯结构式的总和，真实的分子结构是这些结构式的“共振混和体”。
1. 共振式越多，参与形成的共振杂化体越稳定，越稳定，贡献越大2. 满足八隅体电子构型的要求者，能量低，稳定3. 共价键数目越多，能量越低4.电荷没有分离的共振结构式稳定5.电荷分布符合元素电负性预计的共振结构式更稳定
试判断HN3分子中哪一个位置的N—N键长较短？
（a） （b） （c）
分子中两个原子核间的平均距离
分子中键与键之间的夹角。键角决定分子的空间构型。
■ 键长(bnd length)：
■ 键角(bnd angle)：
在298 K和100 kPa下将1ml气态双原子分子断裂成2 ml气态原子所需要的能量。
■ 键能(bnd energy):
■ 键级(bndrder)：
分子中两原子间共享电子对的数目
键级越大，键能越大，键长越短
N(a)—N(b)的键级=
N(b)—N(c)的键级=
试计算重氮甲烷（CH2N2）中原子之间的键级，据此写出重氮甲烷的分解方程式。
C-N键级为3/2，N-N键级为5/2
路易斯共价键理论局限性未阐明共价键的本质八隅体规则的例外很多不能解释某些分子的一些性质
共价键本质：原子接近时轨道重叠，原子间通过共用自旋相反 电子使能量降低而成键。
轨道重叠， 核间 |Ψ|2↗，体系E↘ ，成共价键。
原子轨道重叠时，轨道重叠越多，电子在两核出现的机会越大，体系的能量越低。
只有同号原子轨道的重叠才叫做对称性匹配，而异号原子轨道的重叠是不匹配。
（二） 、现代价键理论
两原子核之间，在键轴处
键轴上方和下方，键轴处为0
共价单键:σ键共价双键:一个σ键，另一个是π键共价三键:一个σ键，另两个为π键。
（2016江苏）1 ml HCHO分子中含有σ键的数目为 。 （ 2017江苏） N2分子中σ键与π键的数目比n(σ)∶n(π)= _____。（ 2017江苏） 1 ml 丙酮（ ）分子中含有σ键的数目为 _____ 。
[Re2Cl8]2- ： 四重键：1σ、2π、1δ
（4）特殊的共价键：配位键
1 ml 该配合物中含有σ键的数目为多少？
① 无法解释多原子分子成键和分子空间构型。
如：CH4 6C：1s22s22p2成两个CH 键，键角应是900， 事实上成4 个CH 键，键角109028’。
② “不同”化学键的键能相同。 如：CH4中C-H 键能完全相同。
（三）、价层电子对互斥理论(VSEPR)
包括σ键电子对和中心原子上的孤电子对
分子的立体构型是“价层电子对”相互排斥的结果。
价层电子对： 分子中的中心原子上的电子对
1940年英国化学家西奇维克(Sidgwick)提出价层电子对互斥（Valence Shell Electrn Pair Repulsin）理论，用以判断分子的几何构型。
ABm型（A是中心原子，B是配位原子）：n=规则：（1）作为中心原子， 卤素原子：7个价电子， 氧族原子：6个价电子（2）作为配位原子， 卤素原子和氢原子：提供1个电子 氧族元素的原子不提供电子
价层电子对数n计算方法
加上负电荷数或减去正电荷数
价层电子对数和VSEPR模型的关系
2 对电子
3 对电子
只有一种角度，120°
只有一种角度，109°28′
4 对电子
5 对电子
6 对电子
略去中心原子的孤电子对
价层电子对数、中心原子孤对电子数和分子或离子的立体构型关系
5对电子
“电对”之间排斥作用的大小顺序为：
例：判断XeF2、XeO3、XeOF4 、OF2分子空间构型
XeF2 XeO3 XeOF4 OF2
1931年Pauling 等在价键理论的基础上提出了“杂化轨道”理论，成为价键理论的重要补充和发展。获1954年诺贝尔化学奖。
Linus Carl Pauling1901－1994美国物理化学家
鲍林提出：当碳原子与4个氢原子形成甲烷分子时，碳原子的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，得到4个相同的sp3杂化轨道：
● 成键时能级相近的价电子轨道相混杂，形成新的价电子轨道——杂化轨道
● 杂化后轨道伸展方向，形状和能量发生改变
● 杂化前后轨道数目不变
碳的sp2杂化轨道（CH2=CH2）
未参与杂化的p轨道，用于形成∏键
杂化轨道只能用于形成σ键或用来容纳孤电子对
杂化轨道类型判断方法之一
思考：PCl5的杂化方式和分子构型。
思考：IF7的杂化方式和分子构型。
杂化轨道类型判断方法之二：（有机物）
数原子周围的价层电子对数或看碳原子成键情况
（2018江苏）SO42—中心原子轨道的杂化类型为 。 NO3 —的空间构型为 。（用文字叙述）
（ 2017江苏） 丙酮（ ）分子中碳原子轨道的杂化 类型为 。
（ 2016江苏） HOCH2CN分子中碳原子轨道的杂化类型是 。
（1）不同键型间的排斥力大小： 三键——三键 > 三键——双键 > 双键—— 双键 > 双键——单键 > 单键——单键
思考：COF2的分子构型及键角大小关系。
键角 109.5º 107.3º 104.5º
（2）孤电子对比成键电子对肥大，所以电子对间排斥力：
（3）中心原子的电负性增大时，键角将增大。如： NH3、PH3、AsH3、SbH3的键角： 107.3、93.3、91.8、91.3度
（4） 电负性高的配体，吸引价电子能力强，价电子离中心原 子较远，占据空间角度相对较小。 NH3与NF3键角分别为
PH3与PF3键角比较
PF3中，F原子上的孤对电子对占有P原子上的3d空轨道，增大了P原子上的电子云密度，使成键电子对之间的排斥力增大，所以键角变大。
d－pπ键，d－pπ配键，d－p反馈π键
氧原子2p轨道上的孤对电子对反过来又可以占有P原子的3d空轨道，这两个p－d轨道只能“肩并肩”重叠，形成π键，称为d－pπ键。所以P、O之间的成键为 （一个σ配键，两个d－pπ配键），相当于P＝O。
形成条件：中心原子sp3杂化，同时有d轨道，配原子要有成对的p电子。
定义：多个原子上相互平行的p轨道连贯重叠在一起构成一个整体，而p电子在这个整体内运动所形成的键。
二氧化碳分子中的p-p大 键
（I、路易斯结构式 II、分子中有2套平行p轨道 III、表达大键的结构式)
把大 键看成路易斯结构式中的 键与邻近原子的平行p轨道中的孤对电子的“共轭”，参加“共轭”的电子就是大 键中的电子
CO32–离子中的大 键
思考：HNO3分子和NO3-大键
CO分子和N2分子的某些性质
原子总数相同、价电子总数相同的分子。
具有相似的化学键特征，它们的许多性质是相近的。
思考：SO2、SO3等大键
直线型分子，sp杂化，两套34p-p大键
平面三角形分子，sp2杂化，一套34p-p大键
平面三角形分子，sp2杂化，一套46p-p大键
正四面体分子，sp3杂化，前两个里面有d-p 配键
（五）、分子轨道理论
综上所述，价键理论对共价键的本质、共价键的形成和特性给予了解释，价层电子对互斥理论预测简单分子或离子的立体结构，杂化轨道理论在价键理论的基础上解释了分子的空间构型，丰富了价键理论。价键理论虽然形象、直观，但它对分子的某些性质却不能给予解释，例如O2分子为什么有顺磁性。
分子轨道: 分子中的电子围绕整个分子运动，其波函数称为分子轨道。分子轨道由原子轨道线性组合而成 。例如:
原子轨道线性组合成分子轨道，分子轨道中能量高于原来原子轨道者称为反键分子轨道（反键轨道）；分子轨道中能量低于原来原子轨道者称为成键轨道。分子轨道中能量跟组合前没有差别称为非键轨道。
（3）与原子的核外电子排布相同，分子轨道中电子的排布也遵守：
能量最低原理泡利不相容原理洪特规则
思考：存在着H2+离子吗？
存在。成键轨道中有1个电子，键级0.5，形成分子体系能量降低。可见，量子力学的化学键理论不受路易斯电子配对束缚。
键级=（成键电子数-反键电子数）/2
成键电子数与反键电子数相等, 净结果是产生的吸引力与排斥力相抵消, 即两个 He 原子间不形成共价键。
(σ1s)2(σ*1s)2(σ2s)2(σ*2s)2(σ2Px)2(π2Py)2(π2Pz)2(π*2Py)1(π*2Pz)1
第二周期同核双原子分子的分子轨道组态与基本性质
分别将O2、KO2、BaO2、O2[ASF6]填入与O-O键长对应的空格中。
O2 KO2 BaO2 O2[ASF6]
前面讨论的是分子内原子间的强相互作用－化学键。键能约在100～800 kJ/ml。另外，分子间还存在弱相互作用力。即分子间力，其大小为几到几十kJ/ml。分子间力虽然很弱，但对物质的许多性质产生较大的影响。
（1）结构 的分子，相对分子质量越 ，范德华力越 ， 熔、沸越 。
把分子聚集在一起的作用力
范德华力对物质熔沸点的影响规律
比共价键键能小1~2数量级
（2）相对分子质量 或 时，分子的极性越 ，范德 华力越 ，熔、沸越 。
极性共价键 非极性共价键
电负性(吸引电子对能力)
实验：用毛皮摩擦玻璃棒分别靠近H2O 流和CCl4 流。
现象：水流方向有变化， CCl4流的方向没有变化。
H2O分子受静电作用 CCl4分子不受静电作用。
H2O分子中正电荷的中心和负电荷的中心不重合， CCl4分子中正电荷中心和负电荷中心重合。
第一类：一般，全部由非极性键组成的分子 是非极性分子。
如：P4、C60、S8 、 C70、B12
判断分子极性和非极性的方法
第二类：对于ABn型分子极性判别方法
由极性键组成的双原子分子 一定是极性分子。
如：HX、CO、NO、
一般规律：ABn型分子，中心原子A的化合价绝对值＝主族元素序数，为非极性分子。
如：BF3、CO2、CH4
第三类：结合分子空间构型判断
甲醛是极性分子吗？苯是极性分子吗？
相似相溶原理也可以推出。
非极性物质一般易溶于非极性溶剂，极性溶质一般易溶于极性溶剂。
分子中电荷中心（正电荷中心或负电荷中心）上的电荷量（q）与正、负电荷中心间距离（d）的乘积：
■ 偶极矩 (m)：衡量分子的极性。
极-极、极-非、非-非
▲ 三种力中主要是色散力
▲ 色散力大小依赖于分子的大小和形状
分子组成相同，链状结构
结构不同，出现支链结构
支链烷烃：相同C原子的烷烃，支链愈多，沸点愈低。
HF、H2O、NH3的沸点出现反常，为什么？
氢键（特殊的分子间作用力）对物质熔沸点的影响
介于范德华力和化学键间一种较弱的作用力。
氢键的一般形成条件：分子中有一个极性X-H键作为氢键给予体，X的电负性（N、O、F）要大，使得氢原子带部分正电荷。分子中有一对孤对电子的Y原子或基团，具有电子给予体的基团，作为氢键接受体 。
氢键对物质物理性质的影响
①分子间氢键使物质熔沸点较高：例如：比较熔沸点： NH3>PH3(NH3分子间形成氢键)、 H2O>H2S(H2O分子间形成氢键)、HF>HCl(HF分子间形成氢键)、C2H5OH>CH3OCH3(C2H5OH分子间形成氢键)。
分子内氢键在熔化和汽化时不需要破坏，因此熔点和沸点比分子间氢键化合物低。
氢键对物质物理性质的影响：②使物质易溶于水：如NH3、C2H5OH、CH3CHO、H2O2、CH3COOH等易溶于水(该分子与水分子间形成氢键)。
氢键对物质物理性质的影响：③解释一些特殊现象：例如水结冰体积膨胀（水分子间形成氢键，体积大，密度小）。
（2017江苏）乙醇的沸点高于丙酮，这是因为： _________。
（2015江苏）H2O与CH3CH2OH可以任意比例互溶，除因为它们都是极性分子外，还因为__ _________。
H2O与CH3CH2OH之间形成氢键
思考：氯仿在苯中的溶解度明显比1，1，1－三氯乙烷的大，请给出 一种可能的原因（含图示）。
CHCl3的氢原子与苯环的共轭电子形成氢键。
氢键的拓展：X-H···Π
▲ 生物体中蛋白质的构象很多都是靠许许多多的C=O…H-N氢键得以维持的。DNA的双螺旋结构也是由于形成分子间氢键的结果。
第 1 题 硅元素在地壳中的含量仅次于氧而居于第二位。硅是古老而又年轻的元素，它既是金砖汉瓦的组成元素，又在现代信息工业中有广泛的应用，请回答以下问题：1-1 硅原子的最外层电子排布为 ；SiF4的几何构型为 ，其中 Si 原子的杂化轨道为 ；SiO2 是硅最重要的化合物，它熔点高、硬度大，是典型的 晶 体。1-2 实验表明，若略去氢原子，N(CH3)3 分子为三角锥形结构，而 N(SiH3)3 分子却为平面结构，其主要原因是 N(SiH3)3 中存在着 N(CH3)3 中没有的 键，N(SiH3)3 和 N(CH3)3 均为路易斯碱，其中 碱性较强。
思考：(SiH3)3N和(CH3)3N的分子构型如何？
第 1 题 硅元素在地壳中的含量仅次于氧而居于第二位。硅是古老而又年轻的元素，它既是金砖汉瓦的组成元素，又在现代信息工业中有广泛的应用，请回答以下问题：1-2 实验表明，若略去氢原子，N(CH3)3 分子为三角锥形结构，而 N(SiH3)3 分子却为平面结构，其主要原因是 N(SiH3)3 中存在着 N(CH3)3 中没有的 键，N(SiH3)3 和 N(CH3)3 均为路易斯碱，其中 碱性较强。
水是有氢氧两种元素组成的最常见的无机物之一。水是生命的源泉，水有许多特别的性质。1−1 氧原子的最外层电子排布为__________；H2O 的几何构型为__________，其中氧原子的杂化轨道为__________； H2O 的熔沸点明显高于氧族其它元素的氢化物，主要原因是水分子间形成了 __________。1−2 水分子是__________分子（填“极性”或“非极性”），根据“相似相溶”的原理，下列物质中不易溶于水的是________。A．食盐 B．酒精 C．汽油 D．明矾
近日，中科院大连化物所首次成功使用 CO2 直接加氢制取高辛烷值汽油。
1-1 写出 C 原子的价电子排布 ；1-2 用 VSEPR 预测 CO2 分子的几何构型 ；1-3 分别指出 CO2 分子中 C 原子以及上图中 C1 和 C2 两原子的杂化方式 ； 1-4 CO2 中存在的离域键为（写出离域键的个数和种类） ；1-5 CO2 中碳氧键长 （填“大于”、“等于”或“小于”）甲醛中的。
sp、 sp3、 sp2