10第七章3南昌大学无机与分析化学PPT.ppt

s轨道属何种对称性？,7.3.4 共价键的类型,a. 绕对称轴旋转180，轨道形状、符号不变，具有对称性；,b. 绕对称轴旋转180，轨道形状不变，轨道符号相反，具有对称性；,1 原子轨道与分子轨道的对称性 (1)原子轨道的对称性 原子轨道在空间有一定的伸展方向，如3个p轨道在空间分别向x、y、z三个方向伸展，可用角度分布图表示。若将它们以x轴为对称轴旋转180，便会出现以下两种情况：,d轨道则与p轨道类似，有 对称和 对称之分，以x标轴为对称轴时：,若以坐标原点为对称中心，又可分为中心对称(g)和中心反对称(u)；s,d轨道中心对称，p轨道中心反对称。,d z2、dx2y2 和dyz轨道 为 对称；,dxy和dxz 轨道为 对称。,(2) 分子轨道的对称性,分子 轨道,分子 轨道,键,键,以分子轨道的核间联线为对称轴，具有对称性的分子轨道称为分子轨道，具有对称性的分子轨道则为分子轨道；,按对称性分类，常见共价键有键和键(还有大键，)。,2 共价键的类型,键特点 轨道“头碰头”在键轴连线上达到最大重叠，两核间有最大概率密度；,+,+,ss,+,pxs,pxpx,键特点：轨道“肩并肩”在键轴连线上下方达到重叠，呈键轴反对称；,键与键区分 键： 键轴转动 180轨道符号不变； 键： 符号改变；,pzpz,pypy,通常两原子成键形成分子时，键只能有一个，而键可以不止一个，也可以没有。 如N2分子：7N 1s22s22p3 当两个N原子沿x方向靠近时，px与px“头碰头”重叠形成键，而此时py与py、 pz与pz则分别“肩并肩”重叠形成两个互相垂直的键：,z,y,x,N,N,z,x,y,大键分子的特点：平面型分子,H,苯分子的结构,大 键,顺-丁二烯,NO3,O3,石墨晶体中也存在大键,7.3.5 共价键参数 表征共价键性质的物理量,1 键级 键级是描述键的稳定性的物理量。 在价键理论中，用成键原子间共价单键的数目表示键级。 如ClCl分子中的键级=1 ；NN分子中的键级=3； 在分子轨道理论中键级的定义为： 对于同核双原子分子也可表示为：,例如：O2分子的分子轨道式为 KK(2s)2(*2s)2(2px)2(2py)2(2pz)2 (*2py)1(*2pz)1 键级 = (84)/2 = 2 分子的键级越大，表明共价键越牢固，分子也越稳定。He2分子的键级为0，说明它不能稳定存在。 同理可判断O2+,O2,O2,O22的稳定性大小。,2 键能(E) 化学键强度以能量标志的物理量,定义：在标准状态下将气态分子AB(g)解离为气态原子A(g)、B(g)所需要的能量称为键能。量符号：E，单位：kJmol1。 其数值通常用一定温度下该反应的标准摩尔反应焓变表示，即： AB(g) A (g) + B (g) rHm=E(AB) A与B之间的化学键可以是单键、双键或三键。 键解离能(D) 对双原子分子，键能E(AB)等于键的解离能D(AB)，可直接从热化学测量中得到。例如， Cl2(g) 2Cl(g) rHm,298.15(Cl2) = E(Cl2) = D(Cl2) = 247kJmol1,原子化能 把一个气态多原子分子分解为组成它的全部气态原子时所需要的能量叫原子化能， 等于该分子中全部化学键键能的总和。 如果分子中只含有一种键，且都是单键，键能可用键解离能的平均值表示。如NH3含有三个NH键： NH3(g) = H(g) + NH2(g) D1 = 433.1 kJmol1 NH2(g) = NH(g) + H(g) D2 = 397.5 kJmol1 NH(g) = N(g) + H(g) D3 = 338.9 kJmol1 E(NH) = (NH) = (D1+D2+D3)/3 = (433.1+ 397.5+ 338.9) kJmol1/3 = 389.8 kJmol1 键能E，键强度，化学键越牢固，分子稳定性。 对同种原子的键能E有： 单键双键叁键 如： E(CC)=346kJmol1 E(C=C)=610kJmol1, E(CC)=835kJmol1,3. 键长,键长(l)：分子中成键原子核间平均距离，符号l，单 位 m或 pm。(1pm = 1012m)。 在不同分子中，两原子间形成相同类型的化学键时，键长相近，它们的平均值，即为共价键键长数据。 键长数据越大，表明两原子间的平衡距离越远，原子间相互结合的能力越弱。如HF，HCl，HBr，HI 的键长依次增长，键的强度依次减弱，热稳定性逐个下降,一些键能和键长的数据(298.15K),4. 键角,键角()：分子中相邻的共价键之间的夹角称为键 角。 键长和键角是确定分子几何构型的物理量。知道了分子中化学键的键长和键角的数据，便可确定这些分子的几何构型。 键长和键角的数据一般从实验测定。,一些分子的化学键的键长、键角和几何构型 分子 键长l/pm 键角 分子构型 NO2 120 134° V型(或角型) CO2 116.2 180° 直线型 NH3 100.8 107.3 三角锥型 CCl4 177 109.5° 正四面体型,小结：,成键原子间电负性差值的大小一定程度上反映了键的离子性的大小。 电负性差值大的元素之间化合生成离子键的倾向较 强； 电负性差值小的或电负性差值为零的非金属元素间 以共价键结合； 电负性差值小的或电负性差值为零的金属元素间则 以金属键形成金属单质或合金。,7.4.1 价层电子对互斥理论(VSEPR理论),7.4 多原子分子的空间构型,要点 对AXmEn型分子或离子 分子或离子的空间构型取决于中心原子周围的价层电子对数 (包括成键电子对和未成键 的孤电子对)； 中心原子价电子层(简称价层)中的电子对倾向于尽可能地远离，以使彼此间相互排斥作用最小； VSEPR理论把分子中中心原子的价电子层视为一个球 面。因而价电子层中的电子对(包括键电子对和孤电 子对)(称价电子对VP)按能量最低原理排布在球面，从 而决定分子的空间构型；,VP=2 直线形,VP=3 平面三角形,VP=4 正四面体,VP=5 三角双锥,VP=6 正八面体,中心原子价电子对排布方式,在考虑价电子对(VP)排布时，还应考虑键电子对(BP)与孤电子对(LP)的区别。BP受两个原子核吸引，电子云比较紧缩；而LP只受中心原子的吸引，电子云比较“肥大”，对邻近的电子对的斥力就较大。所以不同的电子对之间的斥力(在夹角相同情况，一般为90)大小顺序为 LPLP LPBP BPBP 为使分子处于最稳定的状态，分子构型总是保持价电子对间的斥力为最小。 此外，分子若含有双键、三键，由于重键电子较多，斥力也较大，对分子构型(主要是键角)也有影响，一般其影响可视同孤电子对的影响。,2 具体步骤,(3)根据中心原子A的VP与LP 推断分子空间构型,A. 若A的LP = 0，则其VP的空间排布就是分子空间构型 如 BeH2 BF3 CH4 PCl5 SF6 LP (22)/2=0 (33)/2=0 (44)/2=0 (55)/2=0 (66)/2=0 VP=BP=m 2 3 4 5 6 VP排布 直线形 平面三角 正四面体 三角双锥 正八面体 分子构型 直线形 平面三角 正四面体 三角双锥 正八面体,B. 若A的LP 0，则其VP的空间排布与分子空间构型不同 如 NH3 H2O NO2 LP (513)/2=1 (612)/2=2 (522)/2=0.5=1 VP = m + n 3+1=4 2+2=4 2+1=3 VP排布 正四面体 正四面体 平面三角形 分子构型 三角锥 V形(角形) V形(角形), = 107109.5, = 104.5109.5, 120,C. 孤对电子的影响 孤对电子(LP)的位置也将影响分子的空间构型。 若LP =1，其位置对VP为平面三角形、四面体形和八面体形的排布无影响(为什么？)。但对三 角双锥有影响，因为LP位于三角 双锥的腰或顶点不一样。此时根 据能量最低原理， LP应位于能量 最低、斥力最小的位置。 如SF4 ：LP =(64)/2=1 VP =4+1=5 即AX4E1型 VP排布为三角双锥，LP的排布有(a)(b)两种形式， ，斥力，SF4中最小的键角为90，比较该角度斥力大小： 斥力： LPLP LPBP BPBP 90键角：(a) 0 3 所以(b)比(a)稳定，SF4 (b) 0 2 的结构应为(b)，是变 形四面体。,例7-7 试判断COCl2分子的空间构型及ClCCl和ClCO的相对大小。 解： COCl2分子的中心原子？一般为电负性较小的原子C，所 以应为O = CCl2 LP =(4221)/2=0 ； VP = m = 2+1=3 因为LP =0， VP排布与分子构型一致，为平面三角形。 由于C=O双键，其作用类似孤电子对，斥力大于单键，所以ClCCl 受挤压， ClCCl120。,111.3,124.35,7.4.2 杂化轨道理论,根据VB理论：H2O分子的O原子(2s22p4)有两个单电子可与两个H原子的单电子配对，而O原子中三个p轨道互相垂直，则两个OH键的夹角应为90，但实测结果是104.5。又如C原子，其价电子构型为2s22p2，按电子配对法，只能形成两个共价键，且键角应为90，显然，与实验事实不符。 1931年鲍林(L.Pauling)和斯莱特(J.C.Slater) 提出了杂化轨道理论。,1. 杂化轨道理论要点,(1)杂化与杂化轨道 从电子具有波性，而波可以叠加出发，原子在形成分子过程中，中心原子中能量相近的不同类型的原子轨道(即波函数) 可以相互叠加、混杂，重新分配能量与轨道的空间伸展方向以满足成键的要求，组成数目相同、能量简并而成键能力更强的新的原子轨道。这一过程称(轨道的)杂化，形成的新的原子轨道称为杂化轨道。,(2)要点 中心原子中能量相近的原子轨道才能杂化； 若参与杂化的原子轨道已有成对电子，一般使成对电子中的一 个激发到空轨道，再杂化，激发电子所需的能量完全可从成 键后放出的能量得到补偿； 有几个轨道参与杂化，就能得到几个杂化轨道。杂化轨道的能 量是简并的； 不同类型的杂化轨道有不同的空间取向，从而决定了共价型多 原子分子或离子的不同的空间构型。,(1)sp杂化 由中心原子的一个ns轨道和一个np轨道线性组合得到的两个杂化轨道称为sp杂化轨道。每个杂化轨道都包含着1/2的s成分和1/2的p成分，两个杂化轨道的夹角为180。 如HgCl2 HgXe5d106s2 ClNe3s23p5,2. 杂化轨道的类型,sp杂化的HgX2、Be2+的共价化合物C2H2等均为直线型分子。,sp2杂化是由中心原子的ns原子轨道与两个np原子轨道的杂化，每个杂化轨道都含1/3的s成分和2/3的p成分，轨道夹角为120，轨道的伸展方向指向平面三角形的三个顶点。 如BCl3 ： BHe2s22p1 ClNe3s23p5 B的1个2s电子先激发到2p空轨道，然后经sp2杂化形成三个sp2杂化轨道，再与Cl的单电子配对，形成BCl3。,(2) sp2杂化,sp2杂化均为平面型分子,石墨,C6H6苯,C2H4乙烯,(3) sp3杂化,sp3杂化是由中心原子的一个ns原子轨道和三个np原子轨道参与杂化的过程。 如CCl4： CHe2s22p2，C原子经激发、杂化，形成4个sp3杂化轨道。每一个sp3杂化轨道都含有1/4的s成分和3/4的p成分，轨道之间的夹角为109.5。,4个sp3杂化轨道,C原子不同杂化轨道的特点：,(1)所用p轨道数目不同： sp3杂化动用了3个p轨道，甲烷的四个键完全相同，均为键； sp2杂化动用了2个p轨道， 形成一个键，另一个未杂化的p轨道与另一个C原子未杂化的p轨道交叠，形成一个键； sp杂化动用了1个p轨道，另两个未杂化的p轨道与另一个C原子未杂化的p轨道重叠形成两个互相垂直的键。,C原子杂化轨道示意图,(2)立体结构不同：,sp3杂化为正四面体结构,sp2杂化为平面型结构,sp杂化为线型结构,(3)键长键角不同：,3. 不等性杂化,等性杂化 在前面几例中，每一杂化轨道均为一个单电子，杂化轨道的s、p 、d 等成分均相等，这类杂化称等性杂化。,不等性杂化 当参与杂化的轨道不仅有单电子还有成对电子时，各轨道的s、p 、d等成分不完全相等，这类杂化称为不等性杂化。,如NH3： NHe2s22p3,由于孤对电子的斥力，使键角从109.5压缩为107.3。,由于两对孤对电子的斥力，使键角从109.5压缩为104.5。,又如H2O：OHe2s22p4,在中心原子配位数较大的分子中还有d轨道参与杂化，如 sp3d2、d2sp3、sp3d、dsp2等各种杂化形式。 在第八章配位化学中，中心原子以空轨道杂化接受配体提供的孤对电子，也是等性杂化。,A： O、S、Se等化合物多为不等性sp3杂化,两对孤对子，为 V型结构： 如 OF2、H2S、H2Se等；,A： N、P、As等化合物多为不等性sp3杂化,一对孤对电子， 为三角锥型结构 ：如 NF3、PH3、PCl3、AsH3等；,A： C、Si、Ge等化合物多为等性sp3杂化，正四面体型结构： 如 CH4、SiH4、GeH4等；,A： B、Al等化合物多为等性sp2杂化，平面三角型结构 ： 如 BF3、AlCl3等；,IIA 、 IIB：其共价化合物为等性sp杂化，直线型结构 ： 如BeCl2、HgCl2等；,一般有,杂化轨道理论能很好地说明共价分子中形成的化学键以及共价分子的空间构型。但是，对于一个新的或人们不熟悉的简单分子，其中心原子原子轨道的杂化形式往往是未知的，因而就无法判断其分子空间构型。这时，人们往往先用VSEPR理论预测其分子空间构型，而后通过价电子对的空间排布确定中心原子杂化类型，再确定其成键状况。 例7-8 判断下列分子的空间构型和中心原子的杂化轨道类型： NH4+、PCl3、SO2 和BrF2+ 解：,