《共价键完全·》课件

共价键完全本课程将深入探讨共价键的形成原理和特点帮助学生全面理解这一基础性化学,概念课程大纲共价键概述共价键的成键过程12探讨共价键的定义、特点以及分析共价键形成的原子轨道重不同类型叠、电子配对和能量最小化过程共价键分子结构共价键的能量34学习Lewis结构、分子几何以了解键能、离解能以及键长和及极性与非极性的概念键角的关系共价键概述共价键定义共价键是由两个原子通过共享电子而形成的化学键，是最基本的化学键类型之一共价键特点共价键具有方向性、强度大、能量高等特点，能稳定地连接原子形成分子共价键类型包括单键、双键和三键等不同形式，可根据键联数目和几何构型分类共价键的定义电子共享原子间结合化学键类型共价键由两个原子之间通过电子共享形成共价键连接两个原子,使它们形成一个稳定共价键是化学键的一种,与离子键和金属键两个原子共享一对电子形成稳定的化学键的分子结构这种结合方式使两个原子都达不同它是一种比较强且具有定向性的化学到稳定的八电子构型键共价键的特点共享电子方向性共价键是由两个原子共享一对电共价键具有明确的方向性,决定了子所形成的化学键,体现了化学物分子的空间构型和几何构型质的稳定性复杂性强度共价键可以形成多种组合包括单共价键通常较强可以形成稳定的,,键、双键和三键并可以形成共振分子结构在一定条件下难以被破,,结构坏共价键的应用有机化合物生物大分子材料科学共价键是有机化合物分子结构的基础,使得生命体内的蛋白质、核酸、脂质等生物大共价键在材料科学中扮演重要角色,如在金碳原子能够形成复杂的碳碳骨架,并与其他分子都依靠共价键的作用构建复杂的三维刚石、石墨烯等碳基材料以及硅半导体中原子如氢、氧、氮等形成多种功能性基团结构,维持生命活动的关键过程发挥关键作用,赋予材料优异的物理化学性能共价键的成键过程原子轨道重叠1共享电子位于两个原子的重叠轨道中电子配对2两个电子形成稳定共价键能量最小化3整个分子达到最低能量态共价键的形成是一个多步骤的过程首先两个原子的原子轨道发生重叠这使得两个原子之间的电子能够被共享接下来这些共享电子形,,,成稳定的电子配对最后整个分子就会达到能量最小化的状态,原子轨道重叠重叠区域1原子之间通过自身的原子轨道相互重叠形成电子分布2重叠区域内电子分布高度集中稳定性3重叠区域内电子密度高使得分子结构更稳定共价键形成的关键在于原子轨道之间的重叠当两个原子靠近时它们的原子轨道会发生重叠从而使得电子分布高度集中于重叠区域这,,种高电子密度区域提高了分子的整体稳定性是共价键得以形成的基础,电子配对孤立电子对原子上未参与成键的电子被称为孤立电子对成键电子对参与共价键成键的电子被称为成键电子对电子对的重排为了达到电子云最小化能量的稳定状态电子对会不断重排,能量最小化电子云分布1共价键形成过程中电子会在两个原子核之间进行分布使整个,,分子达到电子云分布的能量最小化化学势能降低2当原子通过共价键结合时原子间的化学势能会降低到最小值,,从而达到能量最稳定的状态几何构型调整3分子的几何构型会不断调整使每个原子与其他原子之间的距离,和角度达到能量最小化共价键分子结构结构分子几何极性与非极性Lewis123使用Lewis结构方法可以描述共价键根据VSEPR理论,可以预测出共价键分子的极性取决于分子中键的极性以分子中各原子之间的电子共享情况分子的空间构型和键角大小及原子排列的对称性结构Lewis结构是描述分子中原子间共价键连接方式的一种模型它通过展示原子和Lewis价电子对的排列方式，帮助我们理解分子的结构和性质结构可以直观地显示各原子之间的键连接情况、孤对电子的存在以及极性Lewis分布这些信息对于预测分子的极性、反应性和几何构型都很重要分子几何分子几何描述了分子中各个原子之间的空间排列不同的分子可呈现出多种几何形状如线性、三角形、四面体、平面等这直接影,,响分子的性质和反应活性理解分子几何对于预测和解释化学反应至关重要极性与非极性极性分子非极性分子相互作用极性分子中，原子之间的电负性差异导致了非极性分子中，原子之间的电负性差异很小极性分子之间以及极性分子与非极性分子之不对称的电荷分布，产生局部的正负电荷或相等，电荷分布对称,没有局部的正负电间存在较强的偶极-偶极作用力,而非极性分如水分子就是典型的极性分子荷例如甲烷就是典型的非极性分子子之间主要存在较弱的van derWaals力共价键的能量键能离解能键能是形成共价键所需的能量离解能是破坏共价键所需的能量不同类型的键能大小不同,可用于它决定了分子的稳定性和反应预测化学反应的可能性活性键长与键角键长和键角反映了共价键的强度和分子几何构型它们可用于预测分子的性质键能离解能460键离解能H-H氢气分子的键能615键离解能C-C乙烷分子的键能799键离解能C=C乙烯分子的键能离解能是形成一种化学键所需要的能量它表示将一个分子切断成两个游离基所需要的能量离解能越大，化学键越强在甲烷、乙烷等简单有机分子中，C-H和C-C键的离解能都在400-800kJ/mol之间键长与键角键长分子内两个原子核之间的距离键角分子内相邻键之间的夹角键长和键角是描述共价键分子结构的重要参数键长反映了原子间的吸引力强弱键角则受原子间的空间排斥效应影响这两个参数决定了,分子的几何形状从而影响分子的性质和反应性,共价键的共振共振结构共价键分子可以有多种可能的结构,称为共振结构这些结构具有相同的原子连接,但电子分布不同共振能量共振结构的稳定性不同,更稳定的结构具有更低的能量共振能量是各共振结构能量的加权平均共振稳定化共振效应可以提高共价键分子的稳定性,降低反应活性,这在有机合成和生物大分子中非常重要共振结构共振是化学键中一种重要的概念共振结构是分子中可能存在的多个合理的路易斯结构，它们之间通过电子流动和能量分布来相互转化这种电子离域现象能够增强分子的稳定性和共轭程度共振能量100-400共振能量共振结构的能量通常比单一结构高100-400kJ/mol这种能量差异使共振结构比单一结构更稳定2共振结构数大多数共价键分子有2个或更多共振结构50%稳定化能量共振能量可以使分子稳定化约50%共振稳定化分子共振共振能量共振稳定化共振结构通过电子在分子内的共振结构的能量比任何单一结共振可以通过分散电子云来减快速移动来分散电子云从而构都要低这种能量差距就是少电荷聚集从而提高分子的,,,降低键的极性并稳定整个分子共振能量,体现了共振的稳定整体稳定性,这就是共振稳定结构化作用化的机理共价键的应用有机化合物生物大分子材料科学共价键在有机化合物分子中扮演着关键角色生物大分子,如蛋白质、核酸等,都是由共价在材料科学领域,共价键是构建各种新型材,决定了其独特的结构和性质它们构成了键连接的原子组成这些键决定了它们的三料的基础,如先进合金、陶瓷和聚合物等生活中各种有机材料的基础维结构和生物功能这些材料广泛应用于工业和日常生活中有机化合物多元素构成有机化合物主要由碳、氢、氧、氮等元素组成形成复杂的分子结构,碳链结构碳原子之间可以通过共价键形成长链、环状或分支的碳骨架官能团有机化合物常含有羟基、酯基、氨基等特定的官能团赋予其独特性质,生物大分子蛋白质核酸蛋白质是由氨基酸通过共价键连核酸包括DNA和RNA,是遗传接而成的生物大分子在生命活信息的载体决定着生命的本质,,动中起着至关重要的作用属性多糖多糖如纤维素、淀粉等是由单糖通过共价键结合而成的生物大分子在储,,能和结构支撑等方面发挥重要作用材料科学先进材料能源存储生物医疗材料科学研究新型材料的设计、制造和材料科学在电池、燃料电池和太阳能电生物相容性材料被广泛应用于义肢、假应用如陶瓷、复合材料、纳米材料等池等能源存储领域做出重大贡献提高体和组织工程改善人类健康和生活质,,,,为各行业提供创新性解决方案能源利用效率和储存能力量常见的共价键分子水分子二氧化碳分子甲烷分子H2O CO2CH4水分子由两个氢原子和一个氧原子通过共二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子甲烷分子由一个碳原子和四个氢原子通过价键连接而成它是生命的基础广泛存在通过共价键形成它是重要的温室气体也共价键连接它是最简单的烃类化合物广,,,于自然界水分子具有极性,极大地影响了是植物光合作用的原料二氧化碳分子是泛应用于能源和化工领域甲烷分子为无它的物理化学性质直线型的非极性分子极性正四面体结构水分子水分子是由两个氢原子和一个氧原子通过共价键结合而成的小型、稳定的极性分子这种结构赋予水独特的物理和化学性质是生命得以存在的基础,水分子中的两个键角为形成了一个弯曲的三角形结构由于氧原子O-H

104.5°,更电负性强水分子带有永久性偶极矩表现出显著的极性,,二氧化碳分子二氧化碳是一种无色、无味的气体是碳和氧结合的化合物CO2,它在自然界中无处不在是植物光合作用的原料同时也是人类呼,,吸产生的废气二氧化碳具有相当稳定的共价键结构在常温条件,下保持气态甲烷分子甲烷是最简单的烷烃化合物在常温常压下为无色无味的气体它由一个CH4,碳原子与四个氢原子通过共价键连接而成结构为四面体型甲烷广泛存在于天,然气和沼气中是重要的燃料气体,总结与展望新兴研究方向先进研究技术化学教育改革共价键理论的研究不断推进未来将涉及更随着仪器分析技术的不断进步共价键的研共价键作为化学基础理论需要在教育教学,,,多新兴领域如生物大分子、超分子化学、究手段也将日益精确和多样化从而更好地中不断创新提高学生的实践动手能力和创,,,材料科学等期待下一代化学家发挥创新精理解其结构和性质这将为共价键相关领域新思维,培养未来化学研究人才神,开拓共价键的广泛应用的发展提供强有力的支撑。