正负电荷重心重合的化学键叫非极性键。
一般来说,对同原子形成的化学键,若其所处环境相同,则形成非极性键,异原子形成化学键则肯定是极性键。离子键是最强的极性键。对共价键来说,极性越大,键能越大。 5分子的性质
分子的极性是由化学键的极性引起,组成分子的化学键若都无极性,则分子肯定无极性;而若组成分子的化学键有极性,则要看分子的结构情况以判断有无极性,若整个分子的正负电荷重心得合则无极性,否则有极性。
分子极性的大小用偶极矩来衡量:μ=其中q为点电荷,单位为库仑;d为点电荷间距离,单位是m,μ为偶极矩,单位是。
对双原子分子来说,点电荷间的距离就是核间距。偶极矩和核间距均可由实验测得,故可推出其离子性大小。
电负性差值越大,极性越大,双原子分子的偶极矩越大;虽然偶极矩还与核间距有关,但核间距起次要作用。CO的偶极矩特殊。 6分子的磁性
任何物质都会产生一个反抗外磁场的磁场,也即抗磁性。
某些有成单电子的物质来说,除了产生抗磁性外,成单电子还会沿着外磁场产生一个顺磁场,且产生的这个磁场比抗磁场要大得多,所以表现为顺磁性,这类物质称顺磁性物质。无成单电子,则只有抗磁性而无顺磁性,这类物质称抗磁性物质。
不论抗磁性物质还是顺磁性物质,当外磁场消失时,其诱导磁场消失。
而另有一类物质,在外磁场作用下产生比一般的顺磁性要大得多的磁场,且在外磁场消失时,而诱导磁场不完全消失,即有记忆,这类物质称为铁磁性物质。 分子的磁性
对顺磁性物质而言,其产生的磁矩如果只考虑纯自旋贡献,不考虑轨道贡献和旋轨道偶合时有如下关系: 2-2离子键
化学反应的发生在能量上肯定有利。离子化学物形成必然伴随电子得失,只有活泼的金属和活泼的非金属之间可形成离子键。
离子型化合物形成过程中最重要的能量变化──晶格能 玻恩-哈伯循环──分析离子化合物形成过程能量变化
玻恩-哈伯循环举例 △fHNaCl=-411KJ/mol S=D=247I=495
EA=-376△H1=-526△H2=-243 △fHNaCl=S+D/2+I+EA+△H1+△H2 U=△H1+△H2 晶格能
从玻恩-哈伯循环中不难分析出,对离子化合物稳定性的贡献最主要来自△H和△H2,这两项合称晶格能。对离子化合物来说,晶格能对化合物的稳定性不言而喻,故常温下,离子化合物一般不可能是气体和液体,只能是固体。
晶格能:气态离子从无限远处接近最后形成固体离子化合物的过程中释放的能量。是离子化合物稳定性的量度。
晶格能无法直接测得,只有通过热力学循环求得。
对纯离子化合物来说,离子电荷越高,晶格能越大;离子半径越小,晶格能越高。有:U∝Z+Z-/(r++r-)
电荷高的晶格能大,电荷一样时看离子半径和,离子半径之和小的晶格能大。 离子化合物的键能(离解能):-(I+EA+△H1) 离子键
离子键的本质:原子或原子团发生电子得失而形成正负离子,通过正负离子间的静电作用:F=Z+Z-/d2离子从无限远处靠近形成离子晶体而作的功。离子键包括同号离子间的斥力和异号离子间的引力。
阴阳离子不可能无限靠近,离子的核外电子以及原子核间都有强烈相互作用,最后在一适当距离达到平衡,即斥力和引力相等。 离子键的特征
因离子的电荷是球形对称的,故只要空间条件允许,可尽可能多地吸引异号电荷的离子,离子键没有饱和性。在离子晶体中,每个正离子吸引晶体内所有负离子,每个负离子也吸引所有正离子。 异号离子可沿任何方向靠近,在任何位置相吸引,故离子键没有方向性。
不可能有100%的离子键;成键原子电负性差值越大,离子键成分越高。离子键成分超过50%的化学键为离子键,此时电负性相差约为。含离子键的化合物为离子化合物。 离子键百分数和离子键强弱是两码事,与化学键的强弱也无直接关系。 ?
2-3共价键
Lewis,.原子价的电子理论,分子趋向于形成共用电子对来满足8e结构
Heitler,W.和London,F应用量子力学处理H2,Pauling,L发展这一成果,创立了现代价键理论:ValenceBondTheory(VBT)。
Milliken和Hund,F也应用量子力学,从另一角度出发,处理了H2+而创立了分子轨道理论:MolecularOrbitalTheory(MOT)。 1现代价键理论
成键两原子必须有能量较低的成单电子;
成键时成单电子必须自旋方向相反,在核间电子云密度最大形成稳定化学键; 共价键有饱和性,成单电子的数目就是成键数目;
共价键有方向性,沿轨道方向重叠可产生最大重叠,形成的键最稳定;在所有轨道中只有s轨道无方向性,只有s轨道之间形成的键无方向性。 化学键
σ键:沿电子云最大方向头碰头重叠而形成的化学键。头碰头方式重叠是最有效的重叠,故形成的化学键最稳定。S轨道无方向性,故有s轨道参与形成的化学键一定是σ键。
π键:成键两原子在已形成σ键的情况下其它轨道不可能再以头碰头方式重叠,可以肩并肩方式重叠形成π键。肩并肩重叠不如头碰头重叠有效,故π键稳定性一般不如σ键。π键是两原子间形成的第二、第三键。
S轨道只参与形成σ键一种,p轨道可以形成σ键和π键两种键,d轨道可以形成σ键、π键和δ键三种键,f轨道能否成键尚未有定论。 σ键和π键 轨道的杂化
Pauling指出,原子轨道在成键时并不是其原型,而是将参与成键的几个轨道重新组合成数目相同的等价(简并)轨道,这个过程称杂化。只有能量相近的轨道才能进行杂化;
杂化后的轨道形状和能量完全一样,但方向不同;杂化前后轨道总数目不变;杂化以后的轨道电子云更加集中在某一方向上,故其成键能力强于未杂化的轨道。杂化轨道只能填充孤电子对或σ键上电子;杂化是原子成键前的轨道行为,与该原子的价层电子数目无关。 杂化类型 杂化的几点说明
杂化类型决定于成键中心原子的价轨道和成键时的方式。如价轨道为1s,则因只有一个轨道故谈不上杂化,价轨道为nsnp,则有四个轨道,最多可有四个轨道参与杂化最多形成四个σ键,若价轨道为nsnpnd或(n-1)dnsnp,则可多于四个轨道参与杂化;价轨道指明了最多可杂化的轨道数目。若中心原子与其它同一原子形成多个化学键,只有一个键是由杂化轨道形成的,其它成键轨道须从价轨道中扣除。杂化轨道只用于形成σ键或孤电子对。
若中心原子的价电子数目多于价轨道时形成不等性杂化,即部分价电子以孤电子对进入杂化轨道。此类杂化一般只发生在中心原子价轨道为四个时
若以不等性杂化方式成键,则成键键角会发生变化,其规律如下:
孤电子对(lonepair)只受中心原子约束故电子云伸展范围大;成键电子对(bondingpair)受两个原子约束电子云伸展区域小。故电子对斥力相对大小为:lp-lp>lp-bp>bp-bp
lp,bp之间的作用结果使lp-lp之间的夹角大于lp-bp之间夹角,而后者又大于bp-bp之间的夹角。
若与中心原子成键的原子电负性大,其电子云密度也高,对其它成键原子的排斥也大,故键角也相应增大;若有部分原子形成π键也相当于增大电子云密度,故键角也会增大。 ?
2-4分子轨道理论简介
组成分子的所有原子轨道包括价轨道和非价轨道都并入分子轨道,且在形成分子轨道之前进行重新组合。
组合后的分子轨道与原子轨道相比,总数量完全相同,大致一半能量升高形成反键分子轨道,另一半能量降低形成成键分子轨道,有时还有少量原子轨道找不到对称性匹配的其它原子轨道与之组合则形成非键分子轨道,非键分子轨道基本上仍保留原原子轨道特点(能量、波函数)。 分子轨道就象一个原子的原子轨道一样在能量上不同按能级由低到高的顺序依次排列,但表示符号已变为σ、π、δ…替代原子轨道的s、p、d、f…。分子轨道也用波函数来表示。 原子轨道要组合成低能量的分子轨道须满足三原则:
对称性匹配原则:参与组合的原子轨道必须在取向上满足一定要求才能组合成有效的分子轨道,否则只能形成非键分子轨道即不参与组合直接成为分子轨道。参与组合的原子轨道通常只有三种对称性即σ对称性、π对称性和δ对称性,其中最后者不常见。
能量相近原则:能量越近,组合后的成键轨道比原轨道能量降低得越多,反键轨道比原轨道能量升高得越多。因价轨道组合后得到的高能反键轨道常常无电子填充,故这种组合最为有效。 最大重叠原则:新的分子轨道中,成键轨道占用率总是高于反键轨道的,最大重叠是指形成的成键轨道尤其是由价轨道形成的成键轨道在原子间电子云密度最大。
电子在分子轨道上的填充顺序与电子在原子轨道上的填充顺序一致,即满足能量最低原理,保里不相容原理和洪特规则。
填充电子后的分子若其成键轨道上的电子总数大于反键轨道上的电子总数则分子可以形成,否则不稳定。成键轨道上和反键轨道上的电子数差除2即为键级。
共价键的稳定性首先与参与键的原子有关,原子间的电负性差越大形成的共价键一般越稳定;原子的原子半径越小形成的共价键也越稳定。还与原子参与组合的价轨道有关(对称性),σ对称性稳定性一般高于π,而π又高于δ。
若分子组成相似而且价轨道上填充的电子总数相同,这些分子称为等电子体。等电子体一般有相似的结构。 分子轨道理论举例
同核双原子分子:H2+,Li2,Be2,B2,C2,N2,O2,F2。同核双原子分子总可以找到对称性匹配且能量相近甚至一样的原子轨道,故只有成键轨道和反键轨道而无非键轨道。第二周期元素同核双原子分子轨道能级为:σ1s,σ1s*,σ2s,σ2s*,σ2p,2π2p,2π2p*,σ2p*…(Li,Be,O,F)或σ1s,σ
1s*,σ2s,σ2s*,2π2p,σ2p,2π2p*,σ2p*…(B,C,N)
异核双原子分子:BN,CO,HF。
等电子体CH4,NH4+,CCl4;NH2-,H2O,H2F+。
异核或多核分子中可能没有非键轨道,也可能有一定数量的非键轨道。如HF中只有一个成键轨道和一个反键轨道其余都是非键轨道,而CO中无非键轨道。
2-5金属键和键型过渡
金属能导电,说明金属中有自由移动的电子,而金属的价层电子数一般少于4,一般为1~2个,在金属晶体中,原子的配位数却达8或12,显然,不可能形成8或12个普通化学键。 自由电子理论:金属的电负性小,容易失去价层电子,而形成正离子。在金属晶格结点上排列的金属原子和正离子是难以移动的,只能在其平衡位置振动,从金属原子上脱下的电子在整个晶体