第十章共价键与分子结构

共价键与分子结构的关系共价键是化学中最常见和重要的化学键类型之一。

它是由两个原子之间共享一个或多个电子而形成的。

共价键的形成和性质直接影响着分子的结构和性质。

在本文中，我们将探讨共价键与分子结构之间的关系，并进一步探讨共价键对分子性质的影响。

1. 共价键的概念和特点共价键是化学键中最常见的类型，特点是通过原子之间的电子共享而形成。

它通常形成于非金属原子之间，如氢气（H₂）、氧气（O₂）等。

共价键中的电子以成对的形式存在，这是因为每个原子都希望满足与其他原子形成八个电子的稳定状态。

共价键可以是单一、双重或三重键，取决于电子的共享程度。

2. 共价键对分子形状的影响共价键的数量和类型直接影响着分子的形状。

根据分子的Valence Shell Electron Pair Repulsion（VSEPR）理论，原子围绕着中心原子排列，使得键和非键电子尽可能地远离彼此，最小化电子间的排斥。

由此可见，共价键的数量和类型决定了分子中原子之间的几何排列。

3. 偶极矩和分子极性共价键的极性对分子的性质和相互作用起着重要的作用。

当两个原子结合成共价键时，若两个原子的电负性差异较大，共享电子将更倾向于偏离电负性较低的原子。

这将导致一个带正电的极性末端和一个带负电的极性末端的形成。

这种分子称为极性分子，具有偶极矩。

4. 共价键类型对分子的性质的影响共价键的类型也对分子的性质产生重要影响。

单一共价键是最常见的类型，具有中等强度和长度。

双重共价键比单一共价键更短且更强，而三重共价键则更短且更强。

这种强度和长度的差异影响了分子的性质，如熔点、沸点和溶解度。

5. 共价键与分子反应的关系共价键也决定了分子在化学反应中的行为。

共价键在化学反应中可能断裂或形成，这取决于所涉及的键的强度和反应条件。

在共价键断裂的过程中，原子会重新排列以产生新的化学物质。

结论：共价键是分子结构的基础，它直接影响着分子的形状、极性和性质。

通过共享电子，原子之间形成了稳定的化学键，并在分子中排列成特定的结构。

第10章共价键与分子结构Molecular Structure 分子结构Chemical bond 化学键ionic bond 离子键covalent bond 共价键metallic bond 金属键valence bond theory 价键理论hybrid orbital theory 杂化轨道理论valence shell electron pair repulsion theory 价层电子对互斥理论molecular orbital theory 分子轨道理论quantum mechanics 量子力学Valence Electrons 价电子saturation feature of covalent bond 共价键的饱和性orientation feature of covalent bond 共价键的方向性principle of the greatest overlapping 最大重叠原理Lewis Structures 路易斯结构Octet Rule 八隅体规则Sigma bond σsigma键Pi bond πpi 键Coordination bond 配位键hybrid orbitals 杂化轨道delocalized πbond 离域pi键parallel 平行于perpendicular to 垂直于Hybridization Theory 杂化理论Tetrahedral Geometry 四面体几何构型Trigonal pyramidal 三角锥形Equivalent Hybridization 等性杂化Nonequivalent Hybridization 非等性杂化bonding pairs 成键电子对nonbonding pairs 未成键电子对electron pairs geometry 电子对几何构型molecular geometry 分子几何构型Repulsion 排斥paramagnetic 顺磁性的Diamagnetic 反磁性的bonding MO 成键分子轨道antibonding MO 反键分子轨道bonding electrons 成键电子antibonding electrons 反键电子In-phase 同相out-of-phase 不同相Homonuclear Diatomic molecule 同核双原子分子Heteronuclear Diatomic molecule 异核双原子分子Bond Order 键级magnetic moment 磁矩Bohr magneton 玻尔磁子Bond Parameters 键的参数bond energy 键能Bond length 键长Bond angle 键角Bond polarity 键的极性nonpolar covalent bond 非极性共价键polar covalent bond 极性共价键。

第十章共价键和分子间作用力本章教学要求掌握现代价键理论、杂化轨道理论熟悉共价键的本质、特征和类型，分子间作用力了解价层电子对互斥理论、分子轨道理论(chemical bond)。

化学键分为离子键(ionic bond)、共价键(covalent bond)和金属键(metallic bond)。

本章依据量子力学阐述共价键的现代理论，同时要介绍物质分子与分子之间比较弱的相互作用力，即分子间作用力(intermolecular force)，它包括范德华力(van der Waals force)和氢键(hydrogen bond)。

第一节现代价键理论1916年美国化学家路易斯(G.N. Lewis)*提出经典的共价键电子理论。

该理论认为两个或多个原子可以相互“共用”一对或多对电子，以便达到稀有气体原子最外层2或8电子层结构（路易斯结构），而生成稳定的分子。

例如：H·+ ·H →H∶H 或H－H分子中通过共用电子对连接的化学键称为共价键，也可用短横线表示。

该理论初步揭示了共价键与离子键的区别，能解释共价键的饱和性。

但不能解释一些分子的中心原子最外层电子数虽然少于或多于8仍能稳定存在的事实，如：也无法说明为什么共用互相排斥的两个带负电荷的电子能使原子成为稳定分子的本质原因。

直到量子力学建立以后，共价键的理论才开始发展。

一、氢分子的形成和共价键的本质* G.N. Lewis加州大学伯克利分校教授，Lewis提出共价键的电子理论对发展化学价理论奠定了基础；他还创造性地提出了酸碱电子理论。

他的研究生中先后有5人获得诺贝尔奖。

图氢分子是最简单的典型共价键分子。

1927年德国化学家海特勒（W. Heitler ）和伦敦（F. London ）把氢分子看成是两个核和两个电子组成的系统，用量子力学近似求解其薛定谔方程。

结果得到H 2分子形成的势能曲线，见图10-1。

当两个H 原子彼此远离时没有相互作用，它们的势能为零。

化学键与分子结构化学键是指原子间的相互作用力，它决定了分子的结构和性质。

在化学中，常见的化学键包括共价键、离子键和金属键。

本文将分别介绍这些化学键以及它们对分子结构的影响。

一、共价键共价键是两个或多个原子通过电子的共用而形成的化学键。

共价键的强度取决于原子之间电子的共享程度和电子云的重叠程度。

共价键的形成使得原子能够达到稳定的电子结构，从而形成分子。

共价键可以进一步分为单键、双键和三键。

1. 单键单键是一对原子间共享一个电子对形成的共价键。

它们通常是通过轨道的重叠来实现电子的共享。

单键的键能较低，结构松散，所以分子在空间上具有较高的自由度。

2. 双键双键是两对原子间共享两个电子对形成的共价键。

它们相较于单键更强，键能更高，分子更加稳定。

双键结构比单键结构更为刚性，分子一般比较扁平。

3. 三键三键是三对原子间共享三个电子对形成的共价键。

它们是最强的共价键，键能最高，分子最为稳定。

由于三键的存在，许多分子呈线性结构。

二、离子键离子键是由带正电的金属离子和带负电的非金属离子之间的静电相互作用形成的化学键。

离子键的强度通常比共价键更大，因此离子化合物具有高熔点和高沸点。

离子键的结构比共价键更加有序和紧密，离子排列规则。

三、金属键金属键是由金属原子通过电子的共享形成的化学键。

在金属中，原子间的外层电子形成共同的电子云，这种共享形成一种特殊的金属键。

金属键的存在使得金属具有良好的导电性和热导性。

化学键的类型决定了分子的结构和性质。

共价键使得分子具有较高的自由度和灵活性，而离子键使得分子有序排列，具有较高的熔点和沸点。

金属键使金属具有特殊的性质，如导电和热导。

总结起来，化学键的类型与分子结构有密切关系，不同类型的化学键决定了分子的稳定性、形状以及物理化学性质。

深入理解化学键与分子结构对于研究化学反应机理和合成新材料具有重要意义。

共价键及分子结构知识梳理】一、共价键1-1共价键的实质、特征和存在实质：原子间形成共用电子对特征：a．共价键的饱和性，共价键的饱和性决定共价分子的。

b．共价键的方向性，共价键的方向性决定分子的。

1-2共价键的类型σ键：s-sσ键、s-pσ键、p-pσ键，特征：轴对称。

π键：p-pπ键，特征：镜像对称【方法引领】σ键和π键的存在规律σ键成单键；π键成双键、三键。

共价单键为σ键；共价双键中有1个σ键、1个π键；共价三键中有1个σ键、2个π键。

对于开链有机分子：σ键数＝原子总数－1；π键数＝各原子成键数之和－σ键数（环状有机分子，σ键数要根据环的数目确定）原子形成共价分子时，首先形成σ键，两原子之间必有且只有1个σ键；σ键一般比π键牢固，π键是化学反应的积极参与者。

形成稳定的π键要求原子半径比较小，所以多数情况是在第二周期元素原子间形成。

如CO2分子中碳、氧原子之间以p-pσ键和p-pπ键相连，而SiO2的硅、氧原子之间就没有p-p π键。

【课堂练习1】（1）下列说法不正确的是A．乙烷分子中的6个C－H和1个C－C键都为σ键，不存在π键B．气体单质中，一定有σ键，可能有π键C．两个原子间共价键时，最多有一个σ键D．σ键与π键重叠程度不同，形成的共价键强度不同（2）有机物CH2＝CH－CH2－C≡CH分子中，C－Hσ键与C－Cσ键的数目之比为；σ键与π键的数目之比为。

二、键参数——键能、键长与键角2-1键能的意义和应用a．判断共价键的强弱b．判断分子的稳定性c．判断物质的反应活性d．通过键能大小比较，判断化学反应中的能量变化【思考】比较C－C和C＝C的键能，分析为什么乙烯的化学性质比乙烷活跃，容易发生加成反应？2-2键长的意义和应用键长越短，往往键能越大，表明共价越稳定。

（键长的长短可以通过成键原子半径大小来判断）2个原子间的叁键键长＜双键键长＜单键键长2-3键角的意义键角决定分子的空间构型，是共价键具有方向性的具体表现。

《共价键与分子的空间结构》知识清单一、共价键1、共价键的本质原子间通过共用电子对所形成的相互作用。

2、共价键的类型（1）σ键“头碰头”重叠，可沿键轴旋转，稳定性较高。

例如：H₂中的 H—H 键，Cl₂中的 Cl—Cl 键。

（2）π键“肩并肩”重叠，不能沿键轴旋转，稳定性相对较低。

通常存在于双键或三键中，如乙烯分子中的 C=C 键有一个σ 键和一个π 键。

3、共价键的特征（1）饱和性一个原子形成共价键的数目是有限的，取决于其未成对电子的数目。

例如，氮原子有 3 个未成对电子，通常形成 3 个共价键。

（2）方向性成键的原子轨道总是沿着特定的方向重叠，以达到最大重叠程度，从而使形成的共价键更稳定。

4、键参数（1）键能气态基态原子形成 1 mol 化学键释放的最低能量。

键能越大，共价键越稳定。

（2）键长形成共价键的两个原子之间的核间距。

键长越短，往往键能越大，共价键越稳定。

（3）键角分子中两个共价键之间的夹角。

键角决定了分子的空间结构。

二、分子的空间结构1、价层电子对互斥理论（VSEPR）（1）中心原子周围价层电子对的计算价层电子对数＝σ 键电子对数＋孤电子对数。

σ 键电子对数等于与中心原子结合的原子数。

孤电子对数＝（a xb）／ 2 ，其中 a 为中心原子的价电子数，x 为与中心原子结合的原子数，b 为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。

（2）价层电子对的空间构型2 对电子：直线形；3 对电子：平面三角形；4 对电子：四面体形；5 对电子：三角双锥形；6 对电子：八面体形。

（3）分子的空间构型略去孤电子对，由价层电子对的空间构型可推测分子的空间构型。

例如，H₂O 中氧原子的价层电子对数为 4，有 2 对孤电子对，其空间构型为 V 形。

2、杂化轨道理论（1）杂化轨道的概念原子在形成分子时，同一原子中能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道。

（2）常见的杂化类型sp 杂化：直线形，如 BeCl₂；sp²杂化：平面三角形，如 BF₃；sp³杂化：四面体形，如 CH₄。