《共价键-金属键》课件

共价键和金属键课程大纲共价键基础共价键形成共价键特性共价键应用金属键基础金属键形成金属键特性共价键基础定义本质原子间通过共用电子对形成原子核与共用电子对之间的的化学键静电吸引力类型共价键定义本质特征成键原理例子12原子间通过共用电子对形成的电子共享导致原子间结合化学键共价键的本质静电吸引力1核与电子间作用电子重叠区2电子云密度最大区域能量稳定3形成后能量降低共价键的类型单键双键三键共享一对电子，如共享两对电子，如共享三对电子，如H-H O=O N≡N共价键形成电子靠近轨道重叠1原子间距减小电子云相互渗透2能量释放电子配对43达到稳定状态形成共用电子对价键理论要点电子配对原理最大重叠原理两原子各提供未成对电子形成共用电子对原子轨道重叠程度越大，共价键越稳定电子配对原理未成对电子1原子外层轨道存在未成对电子自旋相反2两电子自旋方向相反形成电子对3配对电子形成共价键最大重叠原理原子轨道重叠程度与共价键强度成正比，重叠越大，键能越高轨道重叠示例重叠重叠重叠s-s s-p p-p氢分子中的轨道头对头重叠分子中氢原子轨道与氟原子轨道重氧分子中两氧原子轨道重叠s HFs pp叠键和键σπσ键π键头碰头轴向重叠肩并肩侧向重叠单键都是σ键双键含1个π键三键含2个π键共价键特性方向性极性沿电子云密度最大方向成键电子分布不均匀形成极性饱和性键参数原子未成对电子数决定成键数键能、键长、键角2314饱和性1氢原子2氧原子3氮原子4碳原子原子未成对电子数决定其最多可形成的共价键数量方向性轨道取向1沿电子云密度最大方向空间构型2分子呈特定几何构型结构稳定3能量最低的空间排布极性非极性共价键电子对称分布极性共价键如H

2、O2电子不对称分布如HCl、H2O键参数键能键长键角断裂摩尔共价键所两原子核间平衡距离相邻键之间的夹角1需能量键能键能单位kJ/mol，表示断裂1摩尔共价键所需能量键长共价键键长pmH-H74C-C154C=C134C≡C120O-H96键长单位皮米，米pm1pm=10^-12键角H2O NH3CH

4104.5°107°

109.5°共价键应用分子结构预测有机化学通过理论预测分子几何构型碳原子成键特点决定有机化合物多样性VSEPR材料科学生物化学特殊共价结构形成新型材料生物分子结构与功能分子结构预测确定中心原子计算电子对1识别分子中的中心原子统计价层电子对数2确定构型判断排斥43电子对排布决定分子结构电子对间相互排斥理论应用VSEPR氨分子NH3中心原子与三个成键N H四对电子三对成键，一对孤对电子四面体排布电子对呈四面体排布三角锥形分子实际分子形状为三角锥形理论应用VSEPR水分子H2O1中心原子与两个成键O H四对电子2两对成键，两对孤对电子四面体排布3电子对呈四面体排布弯曲形分子4实际分子形状为弯曲形理论应用VSEPR甲烷分子CH4中心原子与四个成键C H四对电子全部为成键电子对四面体排布电子对呈四面体排布四面体分子实际分子形状为四面体共价键在有机化学中的应用多样键型四价碳单键、双键、三键21形成四个共价键链状结构形成碳链35立体异构环状结构空间排布不同4形成碳环共价键与材料科学石墨烯sp²杂化碳原子形成的六元环网状结构优异导电性和力学性能金刚石sp³杂化碳原子形成的四面体结构极高硬度和热导率共价键与生物大分子双螺旋蛋白质螺旋蛋白质折叠DNAα碱基对间氢键稳定双螺旋结构肽链内氢键稳定螺旋结构多种共价键和非共价作用力共同维持α共价键与新能源氢燃料电池₂分子中的键H H-H断键反应键断裂释放能量H-H形成新键与氧形成键H-O生成水最终产物为₂H O金属键基础定义本质金属原子间的特殊化学键金属正离子与自由电子间的静电引力结构规则排列的金属离子格架和自由移动的电子金属键定义特殊键型电子共享模式12金属原子间形成的特殊化价电子在整个金属晶体中学键离域化共享电子海模型3正离子浸泡在自由电子构成的电子海中金属键的本质静电引力1离子与电子间作用电子离域2电子不属于特定原子多中心键3电子同时结合多个原子金属晶体结构体心立方面心立方密堆积六方BCC FCCHCP每个单胞中心有一个原子，如、每个单胞面心有一个原子，如、六方对称结构，如、Fe NaCu AlMg Zn金属键形成金属原子聚集价电子离域1金属原子相互靠近原子外层电子脱离原子核2金属离子阵列形成电子云43金属正离子形成规则结构电子在整个金属中自由移动自由电子理论提出阶段1德鲁德和洛伦兹提出年左右1900基本假设2金属中价电子完全自由，类似气体分子成功解释3金属导电性、导热性、热电子发射等局限性4不能完全解释金属的所有特性能带理论基础原子轨道孤立原子具有分立能级轨道重叠原子聚集时轨道相互影响能级分裂每个能级分裂成多个亚能级形成能带亚能级密集排列形成连续能带价带和导带价带被电子充满或部分充满的能带对应原子价电子能级导带空的或部分填充的高能带电子在此可自由移动金属、半导体、绝缘体的能带差异金属半导体绝缘体价带与导带重叠或部分填充价带与导带间有窄带隙价带与导带间有宽带隙金属键特性非方向性离域性键无特定方向电子在整个金属中移动21导电性3自由电子导电5金属光泽4导热性自由电子与光相互作用自由电子传递热能离域性局域电子共价键中电子定位于特定原子间电子离域金属中电子不属于特定原子自由移动电子在整个金属晶体中活动共同共享所有金属原子共享电子非方向性金属键无特定方向共价键全方位作用沿特定方向固定键角金属的导电性自由电子存在1金属中存在可移动电子电场作用2外加电场使电子定向移动形成电流3电子定向移动形成电流导电性差异4不同金属自由电子浓度不同金属的导热性自由电子吸收热能后快速运动，将热量从高温区传递到低温区金属的延展性金属键非方向性1键力在各方向相等原子层滑动2外力作用下原子层可滑动保持键合3滑动过程中金属键不断裂金属的可塑性原子层滑动位错移动永久变形外力作用下原子层发生位移位错沿滑移面移动保留变形后的形状金属的光泽光子入射电子激发1光子撞击金属表面自由电子吸收光子能量2光的反射能量释放43形成金属特有光泽电子释放能量发射光子金属键强度金属键强度与价电子数、原子半径等因素相关，影响金属熔点金属键应用合金设计1多种金属原子形成合金热处理工艺2通过热处理改变金属性能催化作用3金属表面促进化学反应纳米材料4纳米尺度金属具有特殊性能合金设计固溶体合金金属间化合物溶质原子分散在溶剂原子晶格中两种金属形成具有特定配比的化合物如黄铜Cu-Zn如钢铁Fe-C金属材料热处理退火淬火回火高温加热后缓慢冷却，高温加热后快速冷却，淬火后中温加热，减降低硬度，提高塑性提高硬度和强度少内应力，优化性能金属催化剂产物脱附活化反应反应产物离开催化剂表面反应物吸附降低反应活化能，促进反应表面活性位点反应物分子在金属表面吸附进行金属表面特定原子排列形成活性中心纳米金属材料量子尺寸效应尺寸小于电子平均自由程时展现量子性质表面效应高比表面积带来更高催化活性小尺寸效应特殊光学、电学和磁学性质界面效应纳米界面处特殊物理化学性质金属在电子工业中的应用半导体掺杂电路互连电子焊接少量金属原子掺入半导体改变电性金属导线连接晶体管和其他元件金属焊料连接电子元件金属在建筑工程中的应用钢铁合金在建筑中提供结构支撑，铝合金用于轻质结构和外装饰金属在医疗领域的应用植入材料钛合金人工关节医疗器械不锈钢牙科材料手术器械形状记忆合金支架诊断设备部件医用敷料比较共价键与金属键特性共价键金属键形成机制电子共享电子离域方向性强弱或无饱和性有无导电性一般差好典型物质分子化合物金属元素及合金成键机制对比共价键金属键原子间共享电子对价电子离域整个晶体电子局域在特定原子间电子不属于特定原子形成定向的电子云重叠形成电子海物理性质对比共价晶体和金属的熔点高，而分子晶体熔点低金属导电导热性好，共价化合物差异大化学性质对比稳定性1共价键通常需要较高能量才能断裂反应机理2共价键反应涉及键断裂与形成，金属键涉及电子转移催化活性3金属表面可作为催化剂促进共价键反应氧化还原倾向4金属容易失去电子，共价化合物根据结构差异大总结共价键与金属键的重要性自然界基础构成自然界物质的基本化学键多样材料从生物分子到工业材料的结构基础技术创新新材料、新能源和纳米技术的理论支撑学科交叉化学、物理、材料、生物学的交叉研究对象。