下载文档原格式
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。
共价键与分子构型共价键是指两个非金属原子通过共用电子形成的化学键。
共价键的形成使得原子能够达到更稳定的状态，因此在化学中占据着重要地位。
共价键的性质取决于原子之间的电负性差异以及共用电子对的分布。
在分子构型的研究中，共价键的组成和特点是不可忽视的。
一、共价键的特点共价键的形成是非金属原子之间共享电子的结果。
它具有以下几个特点：1. 共用电子对的形成：共价键的形成是由两个原子之间交换、共享或分配电子而产生的。
原子中的价电子在共用电子对中通过共享来填充空位并形成共价键。
2. 电子云的重叠：共价键的形成涉及原子的价层电子云之间的重叠。
只有当两个原子之间的电子云重叠适当时，共价键才能形成。
3. 共价键长度：共价键的长度取决于原子半径和电子云重叠的程度。
通常情况下，共价键越短，原子之间的相互吸引力越大。
4. 共价键的强度：共价键的强度取决于原子之间的电负性差异。
电负性较大的原子会吸引更多的电子，从而增强共价键的强度。
二、共价键的类型根据原子之间电子的共享程度和电负性的差异，共价键可以分为以下几种类型：1. 极性共价键：当形成共价键的两个非金属原子之间的电负性差异较大时，共享电子对偏向电负性较大的原子，这种共价键被称为极性共价键。
2. 非极性共价键：当形成共价键的两个非金属原子之间的电负性差异较小或没有差异时，共享电子对平均分布在原子之间，这种共价键被称为非极性共价键。
3. 多中心共价键：当共享电子对不仅位于原子核之间，还位于电负性较大的原子核附近时，形成的共价键被称为多中心共价键。
多中心共价键的形成增强了原子之间的相互吸引力。
三、共价键对于分子构型的影响共价键在分子构型中起着至关重要的作用，它决定了分子的形状和空间排列方式。
根据共价键的性质，可以将分子构型分为以下几种常见类型：1. 线性构型：当分子中的原子围绕一个中心原子排列成一条直线时，称为线性构型。
这种构型通常由两个原子组成，它们之间形成一个共价键。
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。
第十章共价键与分子结构（4学时）教学重点：1.共价键的形成、特点；2.了解物质的性质与分子结构和键参数的关系；教学难点：1.价层电子对互斥理论;2.杂化轨道理论。
分子结构研究的内容包括：（1）分子或晶体中直接相邻的原子或离子之间的化学键的类型及性质；（2）分子或晶体中原子或离子的排布（空间构型）；（3）分子与分子之间存在的相互作用力（范德华力）；（4）分子的结构与物质的物理、化学性质的关系等。
第一节现代价键理论离子键理论虽能很好地说明离子型化合物的生成和性质，但对于由相同原子结合形成的单质分子，例：H2、Cl2、N2等的形成，或由性质相近的非金属原子形成的化合物分子，例HCl、H2O等。
其原子间的结合力和性质却不能以离子键理论说明。
因为在这类分子的形成过程中原子间并无明显的电子得失，不可能由静电引力把组成分子的原子结合在一起。
共价键理论就是说明这类化学键的形成、特点及结合力的本质的理论。
1916年美国化学家路易斯为了说明分子的形成，提出了经典的价键理论。
他认为分子中每个原子应具有稳定的稀有气体原子的电子层结构，但该结构不是靠电子转移，而是通过原子间共用一对或若干对电子来实现的。
这种分子中原子间通过共用电子对结合形成的化学键称为共价键。
例：该理论优点：解释了相同原子或性质相近的不同原子组成的分子。
例Cl2 HCl，.但也存在一些问题：如1、由经典静电理论，同性电荷应该相斥，而二个电子皆带负电荷，为何不相斥，反而互相配对。
2、不能说明共价键的方向性。
3、有些化合物分子，中心原子最外层电子数虽少于8（如BF3）或多于8（PCl5）也能稳定存在。
为解决以上问题，最终由鲍林在前人基础上，提出了现代价键理论，简称VB法（电子配对法）。
一、H2共价键的形成和本质从量子力学的观点来看，H2分子中两个原子核的共用电子对之所以能形成，是因为两个电子的自旋相反。
这是保里不相容原理在分子结构上的应用。
根据这一原理，只有自旋相反的电子才能占据同样的空间轨道；而分子中两个电子要取同样的空间运动状态，必须自旋相反。
1．H2共价键的形成当两个H原子从远处彼此接近，它们之间的相互作用渐渐增大，如图，表明了H2分子形成过程能量随核间距的变化。
在距离较近时，原子间的相互作用和电子的自旋方向有密切的关系。
如果自旋方向相反，在到达平衡距离R0以前，随着R的减小，电子运动的空间轨道发生重叠，电子在两核间出现机会较多，即电子密度较大，体系的能量随着R的减小，不断降低。
直到R=R0，出现能量最低值D，原子间的相互作用主要表现为吸引。
这种吸引作用使生成H2分子时放出能量，达到稳定状态。
在达到平衡距离以后，R进一步缩小时，原子核之间存在的斥力使体系的能量迅速升高；这种排斥作用，又将H原子核推回平衡位臵。
因此，稳定状态的H2分子中的两个原子，是在平衡距离R0附近振动。
故R0为H2分子的核间距离，等于H2分子共价键的键长。
R0=74pm如果电子的自旋是平行的，那么原子间的相互作用总是推斥的。
因此，氢的推斥态不可能形成稳固的分子。
总的来说，这两种结果是：两原子自旋相反↑↓，电子云分布在核间比较密集，能量降低，形成H2；两原子自旋方向相同↑↑，电子云分布在核间比较稀疏，能量升高，不能形成分子。
2．共价键的本质：当自旋相反的两个单电子，相互接近时，由于原子轨道的正正重叠（或负负重叠），核间产生电子云密度较大的区域，从而把两个带正电的核吸引在一起，体系能量下降，可形成稳定的分子，这种结合力就是共价键。
二、现代价键理论的基本要点对于H2的讨论推广到双原子和多原子分子，其基本要点如下：1．自旋相反的成单电子相互接近时，核间电子密度较大，可形成稳定的化学键。
2．共价键有饱和性：一个原子有几个未成对电子，就可与几个自旋相反的电子配对成键，这便是共价键的“饱和性”。
例如：Cl：1s22s22p63s23p5两个Cl原子各有一个未成对的p电子，可组成p-p单键的双原子分子Cl2，当第三个Cl原子接近Cl2分子时，就没有条件再结合成“Cl3”分子。
Cl原子中未成对电子数=共价数Be：1s22s2没有未成对电子，则不能形成Be2分子。
3．共价键有方向性：这是因为，共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向形成，叫做最大重叠原理。
也就是说，轨道重叠越多，电子在两核间出现的机会越大，而形成的共价键也就越稳定。
三、共价键的类型——σ键和π键1．重叠方式：对于具有未成对s和p电子的成键原子来说，可形成s-s，p-s，p x-p x，p y-p y，p z-p z的重叠成键。
这些原子轨道之间可以有两种成键方式：一种是沿着键轴的方向以“头碰头”的方式发生轨道重叠。
课件10页如，s-s（H2分子中的键）p x-s（HCl分子中的键）p x-p x（Cl2分子中的键）轨道重叠部分是沿着键轴呈圆柱型而分布的，这种键称为σ键。
另一种原子轨道以“肩并肩”的方式发生轨道重叠，课件11页如p x-p x成σ键后p y-p y，p z-p z的轨道重叠部分通过键轴有一个镜面，镜面上下（或前后）两部分符号相反，所以具有镜面反对称性，这种键称为π键。
2．N2分子的结构N:1s22s22p3，两个氮原子可形成一个共价叁键而构成N2分子。
由于成键方式不同，N2分子中一个是“头碰头”成键，两个是“肩并肩”成键，所以N2分子中叁键包含一个σ键，两个π键，且两个π键的成键方向互相垂直。
3．σ键与π键的对比：4．与重键的关系：从成键原子间的成键情况看共价键有单键和重键。
按价键理论，单键是σ键，重键中总是包含π键。
单键σ键 F2双键σ键+π键 O2叁键σ键+2π键 N2四、配位共价键按共用电子对提供方式的不同，共价键又可分为正常共价键和配位共价键。
前面所讨论的共价键的共用电子对都是由成键的两个原子各提供一个电子组成的，称为正常共价键。
此外，还有一类共价键，其共用电子对完全是由一个成键原子单独提供的。
这种由一个原子单独提供共用电子对而形成的共价键称为配位共价键，简称配位键。
形成配位键时，提供电子对的原子称为电子对给予体，接受电子对的原子称为电子对接受体。
配位键用“→”表示，箭头方向由电子对给予体指向电子对接受体，以区别于正常共价键。
例如：应该指出的是，正常共价键与配位键的差别仅仅表现在形成过程中，虽然共用电子对的提供方式不同，但在形成化学键后，两者是没有差别的。
例如，在H 3O +中，三个O-H 键是完全等同的。
形成配位键的条件是：（1）电子对给予体最外层有孤对电子；（2）电子对接受体有可接受孤对电子H ++O-HH O-H H :==H []+的空轨道。
五、共价键参数：表征化学键性质的物理量，如：电负性、键能、键长、键角和键的极性等叫键参数。
（一）键能：表征原子间相互作用强弱。
1．定义：在101.3 kPa，298K条件下，拆开1molAB(理想气体，标态)为A、B(理想气体，标态)时过程的焓变，称为AB键的键能，严格地叫标准键离解能。
AB（g）→A（g）+B（g）△H0298（AB）例如：H2的键能为：H2（g）→2H(g) D(H-H)=△H0298(H2)=436kJ/mol双原子分子，键能就等于键的离解能D。
多原子分子：键能和离解能有区别，例如，NH3分子中有三个等价的N-H键，但每个键的离解能是不一样的。
这是因为在多原子分子中，两原子之间的键能虽然主要由两原子本身性质所决定，但也和分子中存在的其它原子略有关系。
NH3(g)=NH2(g)+H(g) D1=435.1kJ/mol NH2(g)=NH(g)+H(g) D2 =397.5kJ/mol NH(g)= N(g) + H(g) D3=338.9kJ/mol NH3(g)= N(g)+3H(g) D总= D1 + D2 + D3= 1171.5 kJ/mol在NH3分子中N-H键的键能就是三个等价单键的总离解能平均值：△H0298(N-H)=1/3D总=390.5kJ/mol 显然，N-H键的离解能在不同的多原子分子中数值是有差别的，但是一般差别并不算太大。
不同的多原子分子中一种键的离解能很接近，我们取不同分子中相同键的离解能的平均值，作为平均键能。
平均键能只是一个近似值。
有的书上把平均键能统称为键能。
2．键能的变化规律：a.键能与键数有关C-C C=C C≡C346 610 835 kJ/molb.键能和原子半径有关：键能∝1/rc.键能和原子轨道的重叠有关重叠程度大，则键能大。
一般，键能越大，键越牢固，由该键构成的分子也就越稳定。
（二）键长1．定义：分子中两个原子核间的平衡距离叫做键长（或核间距）。
2．键长的变化规律：同一主族元素的单质或同类化合物的双原子分子，键长随原子序数的增大而增加。
F-F Cl-Cl Br-Br I-I键长(pm)141.8 198.8 228.4 266.6 同一原子间形成的单键、双键、叁键的键长各不一样，键数越多，则键长越短。
C-C 154pm C=C 134pm C≡C 120pm 一般，两个原子间形成的键越短，表示化学键越强，越牢固。
3．键能和键长的关系：键能越大，则键长越短。
（三）键角：分子中键和键之间的夹角。
是反映分子空间结构的重要因素之一。
例如：H2O分子中两个H-O键之间的夹角是104.5°，∴H2O是角形结构；CO2分子中O-C-O键角等于180°，∴CO2分子是一个直线型分子。
键角可通过光谱或衍射等结构实验来测定。
（四）键的极性：同原子间的共价键不同原子间共价键电负性: 相同不同电荷分布: 对称不对称正负电荷重心: 重合不重合键的性质: 非极性共价键极性共价键一般，电负性差值越大，键的极性也越大。
第二节价层电子对互斥理论-重点难点一、理论的基本要点1．价层电子对：在一个共价分子中，中心原子周围电子对排布的几何形状，主要决定于中心原子的价电子层中的电子对数（包括成键电子对和未成键的孤电子对）。
这些电子对的位臵倾向于分离得尽可能远些，使彼此间的排斥力最小。
例：BeF2分子中Be（1s22s2）原子周围价电子层中共有4个电子（Be原子2个，两个F原子各1个），即两对，这两对电子只有彼此处于Be原子的两侧，才能使排斥力最小，因此BeF2分子的构型应为直线型F—Be—F。
BF3中（B:2s22p1，3个价电子，三个F 原子个1个，共6个价电子，3对），所以，BF 3的结构是CH 4中，C 原子的价电子层中共有8个价电子（C:1s 22s 22p 2，4个价电子，四个H 原子各1个），这四对电子若按四面体方式排布彼此间排斥作用最小，因此，CH 4分子应是四面体结构。
2．价层电子对间斥力的大小：取决于电子对间的相距角度和电子对的成键情况。
a.夹角越小，斥力越大；30°>60°>90°>120°>150°b.斥力：孤电子对-孤电子对>孤电子对B F FF-成键电子对>成键电子对-成键电子对因为孤电子对只受到一个原子核的吸引，成键电子对受到两个原子核的吸引，故孤电子对间的排斥力最大。
