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。

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。

第二章 分子结构与性质 第一节共价键学习目标 ：1．知道共价键的本质，理解共价键的饱和性；2．初步掌握共价键的主要类型δ键和π键；．知道键能、键长、键角等键参数的概念 。

3．能用键参数――键能、键长、键角说明简单分子的某些化学性质4．知道等电子原理，结合实例说明“等电子原理的应用”学习重点难点： 1．用原子轨道图式描述δ键和π键；δ键和π键形成的一般规律和明显差别。

2．分子的性质与键参数的相关性；2．等电子原理学生自主学案：一、共价键1．共价键的本质： ________________________________________________________。

2．共价键的特征：共价键的共用电子对理论：共价键受原子价电子中单电子数目的制约，从而导致其数目不是任意的。

因此分子不可能有H 3、H 2Cl ，这表明共价键具有__________。

3．共价键的两种类型（δ键和π键）根据价电子排布和电子云知识分析：(1)δ键 ： H 2分子中两个H 原子的1S 轨道电子和1S 轨道电子形成_____个____δ键， ① HCl 分子H 原子的1S 轨道电子和Cl 原子的3P 轨道电子形成_____个______δ键， ③ Cl 2分子中两个H 原子的3P 轨道电子和3P 轨道电子形成_____个______δ键。

(2)π键：O 2 2P 轨道电子和2P 轨道电子除能形成____个___δ键外，还能形成___个____π键，N 2 2P 轨道电子和2P 轨道电子除能形成____个___δ键外，还能形成____个____π键。

二、三个键参数1、键能：（1） 概念：气态基态原子形成１mol 化学键所________________的最低能量单位：________ ； 大小：取________值（填 正、负）。

（2) 与共价键稳定性的关系：比较F 2、Cl 2、Br 2、I 2，其非金属性为逐渐________（填增强、减弱），查表对比H -F 、H -Cl 、H -Br 、H –I 的键能，其键能逐渐________（填增大、减小）。

第10章共价键与分子结构习题解答1.写出下列物质的Lewis结构式并说明每个原子如何达到八电子结构：HF，H2Se，H2C2O4(草酸)，CH3OCH3(甲醚)，H2CO3，HClO，H2SO4，H3PO4。

解：，，，，，，。

上述分子中的原子除H原子外，其他原子通过所形成的共价键共有电子和价电子层孤对电子共同构成8电子结构。

2、用杂化轨道理论说明下列化合物由基态原子形成分子的过程（图示法）并判断分子的空间构型和分子极性：HgCl2，BF3，SiCl4，CO2，COCl2，NCl3，H2S，PCl5。

解：①HgCl2HgCl2分子的中心原子为Hg原子。

基态时Hg原子的价电子构型为6s2。

当Hg原子与Cl原子相遇形成HgCl2时，Hg的6s轨道中的1个电子激发到1个6p轨道，然后6s轨道和该6p轨道采用sp杂化形成2个等同的sp杂化轨道：并分别与两个Cl原子的3p单电子轨道重叠形成2个Hg-Cl σ键。

HgCl2分子构型是直线形，为非极性分子。

②BF3BF3分子的中心原子是B原子。

基态时B原子的价电子构型为2s22p1。

当B原子与F原子相遇形成BF3分子时，B原子2s轨道中的1个电子激发到1个空的2p轨道，然后采用sp2杂化形成3个等同的sp2杂化轨道：并分别与3个F原子2p单电子轨道重叠形成3个B-F σ键。

BF3分子构型是平面三角形，为非极性分子。

③SiCl4Si原子为SiCl4的中心原子，基态时价电子构型为3s23p2，当Si原子与Cl 原子相遇形成SiCl4分子时，Si原子3s轨道的1个电子激发到一个空的3p轨道，然后采用sp3杂化形成4个等同的sp3杂化轨道：并分别与4个Cl原子3p单电子轨道重叠形成4个Si-Cl σ键。

SiCl4分子构型是正四面体，为非极性分子。

④CO2C原子为CO2的中心原子。

基态时C原子价电子构型为2s22p2，当C原子与O 原子相遇形成CO2分子时，C原子2s轨道的1个电子激发到一个空的2p 轨道，然后采用sp杂化形成2个等同的sp杂化轨道：并分别与2个O原子的2p单电子轨道重叠形成2个σ键，两个O原子的一个2p单电子轨道与C原子未参与杂化的2p轨道肩并肩重叠形成π键。

分子结构和共价键理论分子结构是指分子中原子之间的几何排列和相对位置。

分子结构的确定对于理解分子的性质和反应机制至关重要。

根据分子结构的不同，分子可以分为线性、平面三角形、正四面体、平面四边形、平面五边形、八面体等各种类型。

而共价键是指通过共用电子对来连接原子的一种化学键。

共价键的形成是原子间电子的重叠和共享，通过共享电子形成的共价键的强度与原子间的距离和电子云的重叠程度有关。

根据电子对的数量和形式，共价键又可分为单键、双键、三键等不同类型。

共价键理论是用来解释共价键形成和分子结构的理论体系。

共价键理论最初由路易斯在1916年提出，由于其简单和直观的描述方式，被广泛接受和应用。

根据共价键理论，原子通过共享电子对来完成对外层电子的填充，以达到稳定的电子结构。

共价键的形成遵循八个原则，即凯库勒原则，也被称为共价键的“八个原则”。

凯库勒原则的具体内容有：1.原子通过共享电子对来完成稳定的电子结构。

2.原子中的电子仅能拥有共价键所需的电子对数。

3.每个电子对对应一个共价键。

4.共价键通常与共价键的长度成正比，共价键越长，键能越小。

5.共价键的长度与原子半径和离子半径有关。

6.共价键的强度与键能成正比，共价键越紧密，键能越大。

7.共价键的强度与电子云的重叠程度有关，重叠程度越大，共价键越强。

8.共价键的强度与原子质量有关。

根据共价键理论，可以解释分子的稳定性、电荷分布、偶极矩和分子极性等性质。

分子的稳定性与共价键的强度和长度有关，共价键越紧密、越短，分子越稳定。

分子的电荷分布与原子间电子的共享程度有关，共价键的形成使得电子密度在分子中产生偏移，形成电荷云的分布。

分子的偶极矩和分子极性与分子中原子的电负性差有关，原子对电子的吸引能力差异越大，分子的偶极矩越大。

除了凯库勒原则，还有一些额外的因素可以影响共价键的形成和分子结构的稳定性，如共振、键角张力和立体位阻等。

共振是指分子中的双键或三键的位置可以在不同原子之间变化，形成多个共振结构，增加了分子的稳定性。

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

（一）共价键的本质原子之间形成共用电子对，两原子的原子核共同吸引共用电子对，使体系的能量降低，从而形成稳定的化学键。

（二）共价键的类型1、σ键（1）形成：“头碰头”重叠。

（2）特点：轴对称，可沿键轴自由旋转，键能较大，较稳定。

（3）存在：单键一般为σ 键。

2、π键（1）形成：“肩并肩”重叠。

（2）特点：镜面对称，不能自由旋转，键能较小，不如σ 键稳定。

（3）存在：双键、三键中含π 键。

（三）共价键的特征1、饱和性一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋方向相反的电子配对成键。

2、方向性成键的原子轨道总是沿着电子出现概率最大的方向重叠，所以共价键具有方向性。

（四）键参数1、键能（1）定义：气态基态原子形成 1mol 化学键释放的最低能量。

（2）键能越大，化学键越稳定，越不容易断裂。

2、键长（1）定义：形成共价键的两个原子之间的核间距。

（2）键长越短，往往键能越大，共价键越稳定。

3、键角（1）定义：两个共价键之间的夹角。

（2）键角决定了分子的空间结构。

二、分子的空间结构（一）价层电子对互斥理论1、价层电子对包括中心原子上的孤电子对和σ 键电子对。

2、价层电子对互斥模型（1）中心原子周围价层电子对的几何构型主要取决于价层电子对数。

（2）价层电子对数＝σ 键电子对数＋孤电子对数。

（二）杂化轨道理论1、杂化轨道的概念在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道。

2、杂化轨道的类型（1）sp 杂化：直线形，如 BeCl₂。

（2）sp²杂化：平面三角形，如 BF₃。

（3）sp³杂化：四面体形，如 CH₄。

（三）配合物理论1、配位键一方提供孤电子对，一方提供空轨道形成的共价键。

2、配合物由中心原子（或离子）与配体通过配位键形成的化合物。

（四）分子的空间结构实例1、甲烷（CH₄）中心碳原子采取 sp³杂化，形成正四面体形分子。