南昌大學(xué)無機與分析化學(xué).ppt

s軌道屬何種對稱性？,7.3.4共價鍵的類型,a.繞對稱軸旋轉(zhuǎn)180，軌道形狀、符號不變，具有對稱性；,b.繞對稱軸旋轉(zhuǎn)180，軌道形狀不變，軌道符號相反，具有對稱性；,1原子軌道與分子軌道的對稱性(1)原子軌道的對稱性原子軌道在空間有一定的伸展方向，如3個p軌道在空間分別向x、y、z三個方向伸展，可用角度分布圖表示。若將它們以x軸為對稱軸旋轉(zhuǎn)180，便會出現(xiàn)以下兩種情況：,d軌道則與p軌道類似，有對稱和對稱之分，以x標(biāo)軸為對稱軸時：,若以坐標(biāo)原點為對稱中心，又可分為中心對稱(g)和中心反對稱(u)；s,d軌道中心對稱，p軌道中心反對稱。,dz2、dx2y2和dyz軌道為對稱；,dxy和dxz軌道為對稱。,(2)分子軌道的對稱性,分子軌道,分子軌道,鍵,鍵,以分子軌道的核間聯(lián)線為對稱軸，具有對稱性的分子軌道稱為分子軌道，具有對稱性的分子軌道則為分子軌道；,按對稱性分類，常見共價鍵有鍵和鍵(還有大鍵，)。,2共價鍵的類型,鍵特點軌道“頭碰頭”在鍵軸連線上達到最大重疊，兩核間有最大概率密度；,+,+,ss,+,pxs,pxpx,鍵特點：軌道“肩并肩”在鍵軸連線上下方達到重疊，呈鍵軸反對稱；,鍵與鍵區(qū)分鍵：鍵軸轉(zhuǎn)動180軌道符號不變；鍵：符號改變；,pzpz,pypy,通常兩原子成鍵形成分子時，鍵只能有一個，而鍵可以不止一個，也可以沒有。如N2分子：7N1s22s22p3當(dāng)兩個N原子沿x方向靠近時，px與px“頭碰頭”重疊形成鍵，而此時py與py、pz與pz則分別“肩并肩”重疊形成兩個互相垂直的鍵：,z,y,x,N,N,z,x,y,大鍵分子的特點：平面型分子,H,苯分子的結(jié)構(gòu),大鍵,順-丁二烯,NO3,O3,石墨晶體中也存在大鍵,7.3.5共價鍵參數(shù)表征共價鍵性質(zhì)的物理量,1鍵級鍵級是描述鍵的穩(wěn)定性的物理量。在價鍵理論中，用成鍵原子間共價單鍵的數(shù)目表示鍵級。如ClCl分子中的鍵級=1；NN分子中的鍵級=3；在分子軌道理論中鍵級的定義為：對于同核雙原子分子也可表示為：,例如：O2分子的分子軌道式為KK(2s)2(*2s)2(2px)2(2py)2(2pz)2(*2py)1(*2pz)1鍵級=(84)/2=2分子的鍵級越大，表明共價鍵越牢固，分子也越穩(wěn)定。He2分子的鍵級為0，說明它不能穩(wěn)定存在。同理可判斷O2+,O2,O2,O22的穩(wěn)定性大小。,2鍵能(E)化學(xué)鍵強度以能量標(biāo)志的物理量,定義：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下將氣態(tài)分子AB(g)解離為氣態(tài)原子A(g)、B(g)所需要的能量稱為鍵能。量符號：E，單位：kJmol1。其數(shù)值通常用一定溫度下該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變表示，即：AB(g)A(g)+B(g)rHm=E(AB)A與B之間的化學(xué)鍵可以是單鍵、雙鍵或三鍵。鍵解離能(D)對雙原子分子，鍵能E(AB)等于鍵的解離能D(AB)，可直接從熱化學(xué)測量中得到。例如，Cl2(g)2Cl(g)rHm,298.15(Cl2)=E(Cl2)=D(Cl2)=247kJmol1,原子化能把一個氣態(tài)多原子分子分解為組成它的全部氣態(tài)原子時所需要的能量叫原子化能，等于該分子中全部化學(xué)鍵鍵能的總和。如果分子中只含有一種鍵，且都是單鍵，鍵能可用鍵解離能的平均值表示。如NH3含有三個NH鍵：NH3(g)=H(g)+NH2(g)D1=433.1kJmol1NH2(g)=NH(g)+H(g)D2=397.5kJmol1NH(g)=N(g)+H(g)D3=338.9kJmol1E(NH)=(NH)=(D1+D2+D3)/3=(433.1+397.5+338.9)kJmol1/3=389.8kJmol1鍵能E，鍵強度，化學(xué)鍵越牢固，分子穩(wěn)定性。對同種原子的鍵能E有：單鍵<雙鍵<叁鍵如：E(CC)=346kJmol1E(C=C)=610kJmol1,E(CC)=835kJmol1,3.鍵長,鍵長(l)：分子中成鍵原子核間平均距離，符號l，單位m或pm。(1pm=1012m)。在不同分子中，兩原子間形成相同類型的化學(xué)鍵時，鍵長相近，它們的平均值，即為共價鍵鍵長數(shù)據(jù)。鍵長數(shù)據(jù)越大，表明兩原子間的平衡距離越遠(yuǎn)，原子間相互結(jié)合的能力越弱。如HF，HCl，HBr，HI的鍵長依次增長，鍵的強度依次減弱，熱穩(wěn)定性逐個下降,一些鍵能和鍵長的數(shù)據(jù)(298.15K),4.鍵角,鍵角()：分子中相鄰的共價鍵之間的夾角稱為鍵角。鍵長和鍵角是確定分子幾何構(gòu)型的物理量。知道了分子中化學(xué)鍵的鍵長和鍵角的數(shù)據(jù)，便可確定這些分子的幾何構(gòu)型。鍵長和鍵角的數(shù)據(jù)一般從實驗測定。,一些分子的化學(xué)鍵的鍵長、鍵角和幾何構(gòu)型分子鍵長l/pm鍵角分子構(gòu)型NO2120134V型(或角型)CO2116.2180直線型NH3100.8107.3三角錐型CCl4177109.5正四面體型,小結(jié)：,成鍵原子間電負(fù)性差值的大小一定程度上反映了鍵的離子性的大小。電負(fù)性差值大的元素之間化合生成離子鍵的傾向較強；電負(fù)性差值小的或電負(fù)性差值為零的非金屬元素間以共價鍵結(jié)合；電負(fù)性差值小的或電負(fù)性差值為零的金屬元素間則以金屬鍵形成金屬單質(zhì)或合金。,7.4.1價層電子對互斥理論(VSEPR理論),7.4多原子分子的空間構(gòu)型,要點對AXmEn型分子或離子分子或離子的空間構(gòu)型取決于中心原子周圍的價層電子對數(shù)(包括成鍵電子對和未成鍵的孤電子對)；中心原子價電子層(簡稱價層)中的電子對傾向于盡可能地遠(yuǎn)離，以使彼此間相互排斥作用最小；VSEPR理論把分子中中心原子的價電子層視為一個球面。因而價電子層中的電子對(包括鍵電子對和孤電子對)(稱價電子對VP)按能量最低原理排布在球面，從而決定分子的空間構(gòu)型；,VP=2直線形,VP=3平面三角形,VP=4正四面體,VP=5三角雙錐,VP=6正八面體,中心原子價電子對排布方式,在考慮價電子對(VP)排布時，還應(yīng)考慮鍵電子對(BP)與孤電子對(LP)的區(qū)別。BP受兩個原子核吸引，電子云比較緊縮；而LP只受中心原子的吸引，電子云比較“肥大”，對鄰近的電子對的斥力就較大。所以不同的電子對之間的斥力(在夾角相同情況，一般為90)大小順序為LPLPLPBPBPBP為使分子處于最穩(wěn)定的狀態(tài)，分子構(gòu)型總是保持價電子對間的斥力為最小。此外，分子若含有雙鍵、三鍵，由于重鍵電子較多，斥力也較大，對分子構(gòu)型(主要是鍵角)也有影響，一般其影響可視同孤電子對的影響。,2具體步驟,(3)根據(jù)中心原子A的VP與LP推斷分子空間構(gòu)型,A.若A的LP=0，則其VP的空間排布就是分子空間構(gòu)型如BeH2BF3CH4PCl5SF6LP(22)/2=0(33)/2=0(44)/2=0(55)/2=0(66)/2=0VP=BP=m23456VP排布直線形平面三角正四面體三角雙錐正八面體分子構(gòu)型直線形平面三角正四面體三角雙錐正八面體,B.若A的LP0，則其VP的空間排布與分子空間構(gòu)型不同如NH3H2ONO2LP(513)/2=1(612)/2=2(522)/2=0.5=1VP=m+n3+1=42+2=42+1=3VP排布正四面體正四面體平面三角形分子構(gòu)型三角錐V形(角形)V形(角形),=107<109.5,=104.5<109.5,LPBP>BPBP90鍵角：(a)03所以(b)比(a)穩(wěn)定，SF4(b)02的結(jié)構(gòu)應(yīng)為(b)，是變形四面體。,例7-7試判斷COCl2分子的空間構(gòu)型及ClCCl和ClCO的相對大小。解：COCl2分子的中心原子？一般為電負(fù)性較小的原子C，所以應(yīng)為O=CCl2LP=(4221)/2=0；VP=m=2+1=3因為LP=0，VP排布與分子構(gòu)型一致，為平面三角形。由于C=O雙鍵，其作用類似孤電子對，斥力大于單鍵，所以ClCCl受擠壓，ClCCl120。,111.3,124.35,7.4.2雜化軌道理論,根據(jù)VB理論：H2O分子的O原子(2s22p4)有兩個單電子可與兩個H原子的單電子配對，而O原子中三個p軌道互相垂直，則兩個OH鍵的夾角應(yīng)為90，但實測結(jié)果是104.5。又如C原子，其價電子構(gòu)型為2s22p2，按電子配對法，只能形成兩個共價鍵，且鍵角應(yīng)為90，顯然，與實驗事實不符。1931年鮑林(L.Pauling)和斯萊特(J.C.Slater)提出了雜化軌道理論。,1.雜化軌道理論要點,(1)雜化與雜化軌道從電子具有波性，而波可以疊加出發(fā)，原子在形成分子過程中，中心原子中能量相近的不同類型的原子軌道(即波函數(shù))可以相互疊加、混雜，重新分配能量與軌道的空間伸展方向以滿足成鍵的要求，組成數(shù)目相同、能量簡并而成鍵能力更強的新的原子軌道。這一過程稱(軌道的)雜化，形成的新的原子軌道稱為雜化軌道。,(2)要點中心原子中能量相近的原子軌道才能雜化；若參與雜化的原子軌道已有成對電子，一般使成對電子中的一個激發(fā)到空軌道，再雜化，激發(fā)電子所需的能量完全可從成鍵后放出的能量得到補償；有幾個軌道參與雜化，就能得到幾個雜化軌道。雜化軌道的能量是簡并的；不同類型的雜化軌道有不同的空間取向，從而決定了共價型多原子分子或離子的不同的空間構(gòu)型。,(1)sp雜化由中心原子的一個ns軌道和一個np軌道線性組合得到的兩個雜化軌道稱為sp雜化軌道。每個雜化軌道都包含著1/2的s成分和1/2的p成分，兩個雜化軌道的夾角為180。如HgCl2HgXe5d106s2ClNe3s23p5,2.雜化軌道的類型,sp雜化的HgX2、Be2+的共價化合物C2H2等均為直線型分子。,sp2雜化是由中心原子的ns原子軌道與兩個np原子軌道的雜化，每個雜化軌道都含1/3的s成分和2/3的p成分，軌道夾角為120，軌道的伸展方向指向平面三角形的三個頂點。如BCl3：BHe2s22p1ClNe3s23p5B的1個2s電子先激發(fā)到2p空軌道，然后經(jīng)sp2雜化形成三個sp2雜化軌道，再與Cl的單電子配對，形成BCl3。,(2)sp2雜化,sp2雜化均為平面型分子,石墨,C6H6苯,C2H4乙烯,(3)sp3雜化,sp3雜化是由中心原子的一個ns原子軌道和三個np原子軌道參與雜化的過程。如CCl4：CHe2s22p2，C原子經(jīng)激發(fā)、雜化，形成4個sp3雜化軌道。每一個sp3雜化軌道都含有1/4的s成分和3/4的p成分，軌道之間的夾角為109.5。,4個sp3雜化軌道,C原子不同雜化軌道的特點：,(1)所用p軌道數(shù)目不同：sp3雜化動用了3個p軌道，甲烷的四個鍵完全相同，均為鍵；sp2雜化動用了2個p軌道，形成一個鍵，另一個未雜化的p軌道與另一個C原子未雜化的p軌道交疊，形成一個鍵；sp雜化動用了1個p軌道，另兩個未雜化的p軌道與另一個C原子未雜化的p軌道重疊形成兩個互相垂直的鍵。,C原子雜化軌道示意圖,(2)立體結(jié)構(gòu)不同：,sp3雜化為正四面體結(jié)構(gòu),sp2雜化為平面型結(jié)構(gòu),sp雜化為線型結(jié)構(gòu),(3)鍵長鍵角不同：,3.不等性雜化,等性雜化在前面幾例中，每一雜化軌道均為一個單電子，雜化軌道的s、p、d等成分均相等，這類雜化稱等性雜化。,不等性雜化當(dāng)參與雜化的軌道不僅有單電子還有成對電子時，各軌道的s、p、d等成分不完全相等，這類雜化稱為不等性雜化。,如NH3：NHe2s22p3,由于孤對電子的斥力，使鍵角從109.5壓縮為107.3。,由于兩對孤對電子的斥力，使鍵角從109.5壓縮為104.5。,又如H2O：OHe2s22p4,在中心原子配位數(shù)較大的分子中還有d軌道參與雜化，如sp3d2、d2sp3、sp3d、dsp2等各種雜化形式。在第八章配位化學(xué)中，中心原子以空軌道雜化接受配體提供的孤對電子，也是等性雜化。,A：O、S、Se等化合物多為不等性sp3雜化,兩對孤對子，為V型結(jié)構(gòu)：如OF2、H2S、H2Se等；,A：N、P、As等化合物多為不等性sp3雜化,一對孤對電子，為三角錐型結(jié)構(gòu)：如NF3、PH3、PCl3、AsH3等；,A：C、Si、Ge等化合物多為等性sp3雜化，正四面體型結(jié)構(gòu)：如CH4、SiH4、GeH4等；,A：B、Al等化合物多為等性sp2雜化，平面三角型結(jié)構(gòu)：如BF3、AlCl3等；,IIA、IIB：其共價化合物為等性sp雜化，直線型結(jié)構(gòu)：如BeCl2、HgCl2等；,一般有,雜化軌道理論能很好地說明共價分子中形成的化學(xué)鍵以及共價分子的空間構(gòu)型。但是，對于一個新的或人們不熟悉的簡單分子，其中心原子原子軌道的雜化形式往往是未知的，因而就無法判斷其分子空間構(gòu)型。這時，人們往往先用VSEPR理論預(yù)測其分子空間構(gòu)型，而后通過價電子對的空間排布確定中心原子雜化類型，再確定其成鍵狀況。例7-8判斷下列分子的空間構(gòu)型和中心原子的雜化軌道類型：NH4+、PCl3、SO2和BrF2+解：,