离子半径比规则的推导课件.ppt

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1、化学键理论概述,本章内容:,7-1 离子键,7-2 共价键,7-3 金属键,化学键,7-4 分子间作用力和氢键,(强烈相互作用力),(弱的相互作用力),7-1 离子键理论,7-1-1 离子键的形成,Na e Na+,Cl+e Cl,(以 NaCl 为例),1.活泼金属原子(Na)和活泼非金属原子(Cl)在一定条件下相遇,则Na失去电子生成正离子,Cl得到电子生成负离子,2.正负离子之间因静电引力,相互靠近.随着正负离子间的距离r不同,体系的稳定性不同.,当 r r0,随着 r 减小,势能 V 减小,体系趋于稳定。,r r0,当 r 减小时,V 急剧上升,体系不稳定。,r=r0,V 有极小值,此

2、时体系最稳定,形成稳定化合物。,把化合物中正负离子间由于强烈静电引力 而形成的化学键称为离子键.,4.离子键形成条件:一般来说,两元素的电负性差比较大才形成离子键.,X 1.7,发生电子转移,形成离子键;X 1.7,不发生电子转移,形成共价键。,注:离子化合物中不存在百分之百的离子键,即使 CsF 的化学键,离子键的成分占 92%,共价键的成分占8%.X 1.7,形成离子键(指离子键的成分大于 50%),7-1-2 离子键的主要特征:,1.本质是静电引力.,q1,q2 为正负离子所带电量,r:为正负离子的核间距离。,2 离子键无方向性和饱和性 无方向性是静电引力在各个方向都存在;,3.离子键无

3、饱和性 无饱和性是指正负离子之间,只要空间允许,尽可能多地吸引异号离子。如:NaCl晶体,配位数为6;CsCl晶体,配位数为8;,(1)无确定的分子量 NaCl 晶体是个大分子,晶体中无单独的 NaCl 分子存在。NaCl 是化学式,因而 58.5 可以认为是式量,不是分子量。,(3)熔点沸点较高 NaCl MgO m.p.()801 2800 b.p.()1413 3600,(2)导电性 水溶液或熔融态导电,是通过离子的定向迁移完成的,而不是通过电子流动导电。,2.离子晶体的特性,如 CaCO3 可 用于雕刻,而不可用于锻造,即不具有延展性。,(4)硬度高,延展性差 硬度高:离子键强度大;无

4、延展性:但受到外力冲击时,易发生位错,离子键失去作用,离子晶体导致破碎,。,3.几种简单的离子晶体,下图是一个 NaCl 的晶胞,配位数:最近层的异号离子有 6 个,则配位数为 6。,顶点(1/8)8=1 面中心(1/2)6=3,棱上:(1/4)12=3体中心:1,晶胞类型判断:,NaCl 的晶胞为面心立方晶胞,须观察同一种点(如:空心圆Cl),下图是一个 CsCl 的晶胞,因为:空心圆只存在于立方体顶点的 8 个位置上。,(1/8)8=1,晶胞类型判断:,CsCl 的晶胞为简单立方晶胞,也叫做立方素格。,必须只观察同一种点(如空心圆)。,配位数:最近层的异号离子有 8 个,则配位数为 8。,

5、1 1=1,下图所示为 ZnS 晶胞。,可以看作S2-成紧密堆积,Zn2+填充在四面体空隙。,ZnS立方晶胞结构:,ZnS 晶胞为面心立方晶胞。,配位数为 4。,(立方晶胞和六方晶胞),1,1,2,3,4,判断晶胞类型:须观察所有实心圆点,除了立方体顶点的 8 个 K 外,体心位置有 1 个 K。所以称为体心立方晶胞。,问:金属钾的晶胞属于什么晶胞?,注:有关离子晶体结构的详细知识,见结构化学。,属于立方体心晶胞,,金属钾的晶胞,7-1-5 离子晶体,1.晶体的基本概念,2.离子晶体的特性,3.几种简单的离子晶体,4.离子半径比与配位数和晶体结构之间的关系,4.离子半径比与配位数和晶体结构之间

6、的关系,问:NaCl 六配位,CsCl 八配位,ZnS 四配位。均为立方晶系 AB 型晶体,为何配位数不同?答:由离子正负离子半径比(r+/r-)决定的。,半径比(r+/r-)配位数 实例 0.225 0.414 4 配位 ZnS 式晶体结构 0.414 0.732 6 配位 NaCl 式晶体结构 0.732 1.000 8 配位 CsCl 式晶体结构,离子半径比规则:,离子半径比规则的推导:比较复杂,省略。,使用离子半径比规则的注意事项:,见P173页。,1.讨论中离子半径比规则时,将离子视为刚性球体,因此:有时推导出的结果与实际晶体类型有出入。此时,以实际测得的结果为准。,2.当半径比(r

7、+/r-)接近极限值时,两种结构可能同时存在。,3.离子构型还与其它外界条件有关。如温度。,4.离子半径比规则只适用于离子晶体,不适用分子晶体。对于 离子极化作用强的化合物,晶体的构型就会偏离 离子半径比规则。此时,以实际测得的结果为准。,7.2 共价键理论,离子键理论很好说明离子化合物的形成和特性,但不能说明相同原子是如何形成分子的(如H2,N2).也不能说明电负性接近的元素原子如何形成分子的.,为了描述这类分子形成的本质和特性,提出了共价键理论.,路易斯经典共价键理论(7-2-1),现代共价键 理 论,分子轨道理论(7-2-5),共价键 理 论,价键理论;7-2-2杂化轨道理论;7-2-3

8、价层电子对互斥理论;7-2-4,7.2 共价键理论,7-2-1 路易斯经典共价键理论,7-2-2 现代价键理论,7-2-3 杂化轨道理论;,7-2-4 价层电子对互斥理论,7-2-5 分子轨道理论,7-2-1 价键理论 1.经典共价键理论:(1916 年美国科学家 Lewis 提出),共价键:原子可以通过共用电子对而形成的化学键.,认为分子中的原子可以通过共用电子对,从而使每个原子都达到稳定的稀有气体电子结构.习惯称为“八隅体规则”。,共价键的形成条件:当化合物中元素X 1.7 时,原子通过共用电子对而形成的化学键称为共价键。,7.2 共价键理论,7-2-1 路易斯经典共价键理论,7-2-2

9、现代价键理论,7-2-3 杂化轨道理论;,7-2-4 价层电子对互斥理论,7-2-5 分子轨道理论,7-2-2 现代价键理论(Valence Bond Theory):,(1)如果A,B各有一个单电子,则两个电子以自旋相反的方式相互配对,形成稳定共价键.,1.共价键的形成和本质:,例如:,(2).成键的原子轨道重叠越多,形成的共价键越稳定.,重叠程度最大,重叠程度较小,重叠程度为0,无效,(3)原子轨道同号重叠有效,异号重叠无效.,同号重叠有效,异号重叠无效,(1)如果A,B各有一个单电子,则两个电子以自旋相反的方式相互配对,形成稳定共价键.,7-2-2 现代价键理论要点(Valence Bo

10、nd Theory):,(2)共价键的饱和性:原子中单电子数决定了共价键的数目。,2.共价键的基本要点,(3)共价键的方向性:为了满足轨道的最大程度重叠,原子间总是沿着轨道伸展 方向重叠成键,使得共价键具有方向性。,7-2-2 现代价键理论要点(Valence Bond Theory):,3.共价键的键型,键是成键轨道的“头碰头”重叠.将成键轨道沿着键轴旋转任意角度,图形及符号均保持不变。键重叠程度大,键强,不易断裂.,(1)按重叠方式不同:共价键的键型分为两种 键和 键.,键特点:,键特点:,XOZ 平面是成键轨道的通过键轴的节面.,1.键是成键轨道的“肩碰肩”重叠.2.对通过键轴的节面呈反

11、对称(即图形相同,但符号相反)。3.键重叠程度小,键弱,易断裂.,7.2 共价键理论,7-2-1 路易斯经典共价键理论,7-2-2 现代价键理论,7-2-4 杂化轨道理论;,7-2-3 价层电子对互斥理论,7-2-5 分子轨道理论,1.杂化轨道理论要点,7-2-4 杂化轨道理论,2.用杂化轨道理论解释构型,3.杂化轨道的分类,1.杂化轨道理论要点,(1)原子在形成分子时,为了增强成键能力,不同类型、能量相近的原子轨道“混合”后,重新组合形成一组新的原子轨道。,杂化:重组的过程叫杂化。,杂化轨道:重新组合形成新原子轨道。,s 轨道,+,2个sp 杂化轨道,p 轨道,重新组合,(2).杂化轨道的成

12、键能力大于未杂化轨道,杂化轨道的形状一头大,一头小用大的一头去成键,成键能力增强.,(3).杂化轨道的数目=杂化前原子轨道的数目,(4).杂化轨道的形状满足斥力最小原则,尽量远离.,2个杂化轨道,呈直线型;3个杂化轨道,呈平面三角型;4个杂化轨道,呈四面体型;,各种杂化轨道在空间的几何分布,sp 杂化,轨道数目,杂化类型,杂化轨道形状,2,sp2 杂化,直线型,图示,3,平面三角型,sp3 杂化,正四面体,4,等性杂化:,4 个 杂化轨道能量一致。,不等性杂化:,例如:CH4,例如:H2O,4 个 杂化轨道能量不一致。,C采用SP3等性杂化,O采用SP3不等性杂化,7.2 共价键理论,7-2-

13、1 路易斯经典共价键理论,7-2-2 现代价键理论,7-2-4 杂化轨道理论;,7-2-3 价层电子对互斥理论,7-2-5 分子轨道理论,7.2-3 价层电子对互斥理论,价层电子对互斥理论:简称VSEPR 理论;用来预测分子的空间几何构型。,一、VSEPR 理论的基本要点,二、判断共价分子构型的一般规则,三、应用举例,一、基本要点,1、对于共价分子或离子(如Axm),中心原子与周围的配位 原子形成的几何结构 主要决定于中心原子的价层电子对数。,中心原子的价层电子对数=(中心原子价电子数+配位原子提供的电子数-离子电荷数)/2,注:分子 AXm中,A 为中心(A为主族元素的原子),B 为配体,m

14、为配体的个数。,2,直线型,3,平面三角型,2、价层中电子对的空间排布必须满足最小排斥原则,尽可能远离。,中心原子价层电子的理想几何构型(续),电子对数 几何构型 几何构型图,5,三角双锥型,6,八面体型,4,四面体型,3、当分子中有双键、叁键时,价层电子对互斥理论仍适用,可将双键或叁键的看作为一个单键的来处理。,如 CO2,HCHO,COCl2,4、价电子层中电子对之间的排斥作用的大小,取决于电子对之间的夹角和电子对的类型。,电子对之间夹角的影响,角度越小,排斥力越大。有多种角度时,选择角度最小的来分析(一般取 90)。,电子对类型的影响,孤电子对-孤电子对 孤电子对-成键电子对成键电子对-

15、成键电子对,确定中心原子的价层电子对数,价层电子对数=(中心原子价电子数+配位原子提供的电子数-离子电荷数)/2,H、X(卤素)作为配位原子时,提供一个电子;,O、S作为配位原子时,不提供电子;,O、S作为中心原子时,仍然提供6个价电子,中心原子一般是主族非金属元素,提供的价电子数等于族数;,若有单电子,视为一个电子对。(如NO2),注意:,三、应用举例,例:试用 VSEPR 理论判断下列分子的几何结构:,CO2、BF3、NH3、CH4、PF5、SF6、ClF3,BF3,3,2,NH3,4,CO2,ClF3,5,分子或离子 电子对数 电子对构型图 分子构型图,?找出最稳定构型,(2)确定斥力最

16、小、最稳定结构。先找出电子对之间最小的夹角分析(本题是90),再比较图中各种排斥作用的种类和数目。,90孤电子对-孤电子对的排斥作用数目,(a)(b)(c),0,1,0,90孤电子对-成键电子对的排斥作用数目,6,4,90成键电子对-成键的电子对排斥作用数目,ClF3分子构型就是(c),即T型,7.2 共价键理论,7-2-1 路易斯经典共价键理论,7-2-2 现代价键理论,7-2-4 杂化轨道理论;,7-2-3 价层电子对互斥理论,7-2-5 分子轨道理论,分子轨道理论在化学键理论中的位置,化学键 理 论,路易斯经典共价键理论,现代共价键 理 论,价键理论;杂化轨道理论;价层电子对互斥理论;,

17、分子轨道理论,一.分子轨道理论要点:,7-2-5 分子轨道理论,二、分子轨道的类型,三.分子轨道能级图,四.分子轨道理论应用,一.分子轨道理论要点:,1.分子是一个整体,分子中的电子不再属于某个特定的原子,而是在分子轨道中运动。,2.分子轨道由原子轨道线性组合得到.,例如:H 2 中,两个 H 的原子轨道组合成两个分子轨道。,成键,反键,AO AO,MO,*,3.原子轨道组合成分子轨道,必须遵循三原则(P185)。,1)对称性匹配原则,2)能量相近原则,3)轨道最大重叠原则,4.分子轨道形成后,再填充电子.,同样遵循能量最低原理;保里不相容原理和洪特规则。,一.分子轨道理论要点:,二、分子轨道

18、的类型,S-S轨道组合:,*1s,1s,*1s,1s,轨道特征:绕键轴对称,无节面,*2pX,2pX,当原子沿 x 轴接近时,px 与 px 头对头组合成 和*。,px 与 px轨道组合:,轨道特征:绕键轴对称,无节面,py和py,pz 和pz分别肩并肩组合成分子轨道 和*,py 和py轨道组合;pz 和pz轨道组合:,轨道特征:绕键轴反对称,有一个节面,三.分子轨道能级图,同核双原子分子的分子轨道能级图分为 A 图和 B 图两种。,A 图分子轨道式(适用于 O2,F2 分子):,B图分子轨道式(适用于 B2,C2,N2 等分子)。,1s,*1s,A 图(O2),B 图(N2),四.分子轨道理

19、论应用,(一)推测分子的存在和阐明分子的结构,键级越大,分子越稳定,键级为零,分子不存在。,问:He2 分子 和 He2+离子是否存在?,键级=(成键电子数 反键电子数)/2,(二)预言分子的磁性,顺磁性:凡单电子的分子,在外加磁场中 必须顺着磁场方向排列。分子的这种性质叫顺磁性。具有单电子的物质顺磁性物质,反磁性:无单电子的分子,在磁场中与磁场方向相反排列,无单电子的物质反磁性物质。,物质的磁性主要来源于电子的自旋。,第7章 化学键理论概述,本章内容:,7-1 离子键,7-2 共价键,7-3 金属键,化学键,7-4 分子间作用力和氢键,7.3 金属键理论,7-3-3 金属晶体的密堆积结构,7

20、-3-1 金属键的改性共价键理论,7-3-2 金属键能带理论理论,7.3 金属键理论,在100多种元素中,金属元素占了4/5,除汞外,其余金属都呈固体,称之为金属晶体。,金属晶体有许多共性,如金属光泽,导电性、导热性,延展性等。金属晶体的共性是由金属晶体的内部结构决定的。,金属晶体的内部结构:,金属晶体是由金属原子(或金属离子)紧密堆积而成的。,金属键:金属晶体中金属离子和自由电子之间的强烈相互作用。,金属键理论:,改性共价键理论和能带理论。,7-3-1 金属键的改性共价键理论,改性共价键理论:一般共价键中2个原子共用2个电子形成的二中心二电子共价键。而金属晶体中多个原子共用许多个电子形成的特

21、殊共价键。,金属键的特征:不具有方向性和饱和性。,用改性共价键理论来解释金属晶体有许多共性(见P190):,1.金属光泽,2.导电性,3.导热性,4.金属有很好的延展性,7-3-2 金属键能带理论理论:,1 理论要点,(1)电子是离域的。,所有电子属于金属晶体,不再属于哪个原子;,(2)组成金属能带(Energy Band),也可写成:,因此金属能带理论属于分子轨道理论类型。,Na2 分子的价轨道,(3)满带 导带和空带,以 Li 为例,1s2 2s1 2p0,组成的1s能带充满电子,称为满带。,组成的2s能带中电子半充满,称为导带。,组成的2p 能带中无电子,称为空带。,禁带:从满带顶到导带

22、底(或空带底)的能量间隔很大,电子跃迁困难。这个能量间隔称为禁带。,禁带,(4)能带重叠,可见:相邻近的能带,有时可以部分重叠。,Be 的 2s 能带和 2p 能带,虽然:Be 的 2s 能带是满带,但:通过能带的重叠使 2S电子可以跃迁到 2p 空带中去。,2.用能带理论理论解释金属的物理性质,绝缘体:没有导带,且满带和空带之间的禁带 E 5 eV,电子难以跃迁,则为绝缘体。如:金刚石,导体:在外电场作用下,导带中的电子能成低能级 跃迁到高能级,这是金属具导电性的原因。如:Na,Be,Mg等。,半导体:没有导带,若禁带的 E 3 eV,在外界能量激发下,电子可以穿越禁带进入空带,产生导电效果

23、,则为半导体。如:Si,Ge;,1导电性,3.延展性,2.金属光泽,电子在能带中跃迁,能量变化的覆盖范围相当广泛。放出各种波长的光,故大多数金属呈银白色。,受外力时,金属能带不被破坏。,4.金属能带理论中成键的实质是,电子填充在低能量的能级中,使晶体的能量低于金属原子单独存在时的能量。,金属能带理论属于分子轨道理论类型。,7-3-3 金属晶体的密堆积结构,金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的。,最密的堆积方式有三种:,面心立方密堆积:配位数为12,空间利用率为74%;,六方密堆积:配位数为12,空间利用率为74%;,体心立方密堆积:配位数为8,空间利用率为68%;,第7章 化学键理论概述,本

24、章内容:,7-1 离子键,7-2 共价键,7-3 金属键,化学键,7-4 分子间作用力和氢键,7.4.1 分子的极性,若分子的正电重心和负电重心重合,则为非极性分子;若分子的正电重心和负电重心不重合,则为极性分子,,1.分子极性的判断:,(1)双原子分子极性:,两个相同原子组成的分子,正负电荷中心重合,非极性分子。,两个不相同原子组成的分子,正负电荷中心不重合,极性分子。,双原子分子的极性 取决于键的极性。,多原子分子的极性:,键的极性分子的几何构型,若分子的几何构型完全对称,则是非极性分子;,若分子的几何构型不完全对称,则是极性分子;,非极性分子在电场作用下,电子云与原子核发生相对位移,分子

25、发生变形,正、负电荷中心由重合变成不重合,从而产生偶极,变成极性分子。,诱导偶极:分子在电场的影响下产生的偶极.,3 诱导偶极,固有偶极,瞬间偶极,注:非极性分子和极性分子,在外电场作用下都会产生诱导偶极。,诱导偶极的产生,极性分子在外电场作用下,也可产生诱导偶极。,电场强度成正比,分子的变形性成正比,分子的变形性:即分子的正负电重心的可分程度,分子体积越大,电子越多,变形性越大。,诱导偶极()的大小,固有偶极极性分子由于正、负电荷中心不重合,始终存在着正、负两极,这种偶极叫做固有偶极。,瞬间偶极:,非极性分子正负电荷中心重合,分子没有极性。但电子在高速运动,原子核也在不停地振动,使原子核与电

26、子云之间发生瞬时的相对位移。正、负电荷中心暂时不重合,产生瞬时偶极。,注:这种瞬时偶极尽管存在时间极短,但总在不停地重复,因此:瞬时偶极总是存在的。,7.4.2 分子间作用力(范德华力),取向力,诱导力,色散力,范德华力,1.取向力,极性分子离得较远,分子靠近时,产生的前提:极性分子与极性分子间,固有偶极之间的静电吸引力称为取向力。,2.诱导力,固有偶极和诱导偶极间的作用力称为诱导力。,分子离得较远,分子靠近时,产生的前提:,极性分子与非极性分子之间;极性分子与极性分子之间;,瞬时偶极与诱导偶极之间的相互作用,任何分子都存在瞬时偶极,瞬时偶极会诱导相邻分子产生诱导偶极,这种瞬时偶极与诱导偶极间

27、相互作用力。,3.色散力,一般而言,分子体积越大,分子变形性越大,色散力越大。,非极性分子某一瞬间,色散力产生的前提:存在于一切分子之间。,瞬时偶极尽管存在时间极短,但总在不停重复着,因此色散力始终存在。,分子间作用力,分子间力的特点,分子量,色散力,沸点熔点,决定共价型物质的熔、沸点、气化热、熔化热、蒸气压、溶解度及表面张力等物理性质的重要因素。,分子间力的意义:,变形性,7.4.3 氢键,同主族氢化物熔、沸点随相对分子质量的增大而升高,但NH3、H2O、HF特殊。,氢键的特点:,氢键(X-H.Y)的形成有两个两个条件:1 存在X-H 2.在H在附近有Y元素.注:X,Y都为电负性大、半径小的

28、原子(F,O,N),分子间氢键:HF、H2O、NH3 有分子间氢键外,在有机羧酸、醇、酚、胺、氨基酸和蛋白质中 也有氢键的存在。,例如:甲酸靠氢键形成二聚体。,分子内的氢键,如,氢键形成对物质性质的影响,分子间的氢键存在使熔、沸点升高。,如 HF、H2O、NH3,分子内的氢键存在使熔、沸点降低。,没有分子内氢键,就形成分子间氢键熔,沸点:高 113 114,有分子内氢键 熔,沸点 低 m.p.:44 45,在极性溶剂中,若溶质和溶剂间存在氢键,则会使溶质的溶解度增大。,如 HF、NH3 在H2O的溶解度较大。,离子极化现象,离子在外电场中,电子云发生变形。,在离子化合物中,离子是带电体,正负离

29、子靠近时,,离子化合物中,离子产生的电场,可以使得周围的异号离子发生变形,这一现象称为离子极化现象。,离子的极化力:离子产生电场 的强弱。,离子极化的强弱取决于离子的极化能力和离子的变形性,离子的变形性:离子的电子云形状发生改变的难易。,故离子有二重性:变形性和极化能力。,3.离子极化对化合物结构及性质的影响(P213),3.化合物由离子晶体向分子晶体过渡,导致物质的熔,沸点降低.,极化作用的结果:,2.离子键向共价键过渡,使化合物极性减小,在水中的溶解性降低。,1.使得电子云相互渗透重叠,核间距缩小,离子键向共价键过渡;,4.使化合物的颜色加深。,离子极化在很多方面影响物质性质,是离子键理论

30、的重要补充。,习题:24,25,4.附加极化(又称为相互极化)(P212),一般情况下,正离子半径小,电场强,变形小,只考虑正离子的极化作用负离子半径大,电场弱,变形大,只考虑负离子的变形性。,在某些特殊情况下(如:正离子变形性较大),就需要考虑正、负离子的相互极化.,附加极化:当正离子变形性较大,受到负离子极化后,发生变形,产生诱导偶极,从而又加强负离子的极化力。这种加强了的极化作用称为附加极化。,考虑相互极化的两个前提条件:,1.一般极化作用解释不了事实;2.正离子变形性较大如(18+2)e、18 e 构型,,5 反极化作用,NO3 的结构,NO3 中心的 N(V),极化作用很强,使氧的电子云变形。,N(V)对O 的极化,H+对O 的极化称为反极化,2023年3月19日,89,Thank you!,

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