《共价键与共价晶体》课件

共价键与共价晶体原子间通过共用电子对形成的化学键课程目标掌握共价键的形成机理1理解共价键的特性与表示法2熟悉共价晶体的结构特点共价键的定义电子共享成键原子原子间共用电子对形成化学键通常为非金属元素之间稳定性达到稳定的电子构型共价键的形成过程电子贡献原子提供未成对电子电子重叠电子云相互靠近电子共享形成共用电子对能量释放系统趋于稳定状态共价键的特点方向性饱和性强度大沿特定空间方向延伸电子对数量有限键能较高，不易断裂定域性电子对位于特定原子间共价键的类型键σ定义特点例子沿原子核连线方向重叠形成单键，结构稳定，自由旋转单键H-H,C-H,C-C共价键的类型键π特点结构双键或三键的组成部分不能自由旋转，固定角度定义例子电子云侧向重叠形成键中的组分C=C,C≡Cπ2314共价键的饱和性定义原因原子形成共价键数量有限价电子数和轨道数有限表现分子具有确定组成和结构共价键的方向性空间定向1沿特定方向排列键角2由电子对排斥决定几何构型3分子具有特定形状性质影响4决定物质物理化学性质键参数键长定义影响因素测量方法成键原子核心间平衡距离原子半径、键级、杂化方式光谱法、射线衍射X键参数键角

104.5°水分子键角H-O-H

109.5°甲烷键角H-C-H120°乙烯键角H-C-H180°乙炔键角H-C-C键参数键能单键、双键和三键三键C≡C对共用电子对，31σ+2π双键C=C对共用电子对，21σ+1π单键C-C对共用电子对，键1σ共价键的极性非极性共价键电负性相同，电子对均匀分布极性共价键电负性不同，电子对偏向一端部分电荷原子获得或电荷δ+δ-性质影响决定分子极性和溶解性共价键的形成条件元素类型1通常为非金属元素间电负性差异2相近或中等差异价电子3具有未成对电子能量条件4形成后体系能量降低共价键的表示方法电子式点式表示成键电子对孤对电子用点表示价电子用线或点对表示共用电子对用点对表示非键电子对共价键的表示方法结构式用线表示共价键，单线为单键，双线为双键，三线为三键共价键的表示方法球棍模型球代表原子，棍代表共价键，直观表示分子几何构型共价键强弱的影响因素原子种类键级1半径越小，重叠越有效单键双键三键2电负性差异轨道重叠程度4适当差异增强键强度3重叠越多，键越强等电子原理定义应用等电子体系含相同电子数的粒子性质相似预测分子结构和性质、₂、⁺具有相似结构CO NNO共价晶体的定义基本构成空间排列原子通过共价键连接形成三维有序结构整体性质一个巨大的分子共价晶体的特点硬度大高熔沸点不溶性共价键强度高需断裂大量共价键难以形成新键脆性键定向性强共价晶体的结构空间网状结构三维骨架1方向性排列2特定键角和键长原子位置有序3长程有序排列结晶学对称性4具有特定空间群金刚石的结构碳原子排列键角12杂化，四面体构型，最稳定构型sp³

109.5°晶胞三维网络34面心立方，个碳原子每个碳与个碳相连84金刚石的性质10莫氏硬度最高硬度3500°C熔点极高熔点

2.42Å键长C-C短而强

3.52g/cm³密度紧密堆积石墨的结构离域键平面结构π层内电子自由移动杂化，六边形网格sp²层间作用层内共价键，层间范德华力石墨的性质物理性质1黑色，有光泽，柔软导电性2平面内导电，垂直方向不导电润滑性3层间易滑移热稳定性4空气中高温氧化二氧化硅的结构基本单元₄四面体SiO连接方式顶点共享氧原子三维网络形成空间骨架结构多态现象石英、鳞石英、方石英等二氧化硅的性质硬度莫氏硬度，较硬7熔点，高熔点1710°C化学性质抗酸，被腐蚀HF溶解性水中几乎不溶碳化硅的结构与性质结构硬度熔点应用和交替排列，类似金刚莫氏硬度，仅次于金刚，极耐高温磨料，半导体材料Si C

9.52730°C石石共价晶体与分子晶体的区别键类型结构熔点共价键分子间力三维网络分子堆积高低vs vs vs硬度硬软vs共价晶体与离子晶体的区别离子晶体共价晶体离子通过静电引力连接原子通过电子共享连接导电性通常不导电熔融或溶解时导电vs共价晶体与金属晶体的区别电子定位导电性1定域离域通常不导电良好导电vs vs2结合方式可塑性4定向共价键金属键3脆性延展性vsvs共价晶体的熔点和沸点特征共价晶体的硬度特征金刚石1莫氏硬度10碳化硅2莫氏硬度

9.5刚玉3莫氏硬度9石英4莫氏硬度7共价晶体的导电性典型绝缘体特殊导体金刚石，二氧化硅石墨平面内1234半导体掺杂改性硅，锗，碳化硅通过掺杂改变导电性共价晶体的溶解性水中溶解性几乎不溶有机溶剂通常不溶特殊溶解二氧化硅溶于HF溶解机理需打破三维网络共价晶体在自然界中的分布广泛存在于地壳中，以矿物形式出现共价晶体的应用半导体材料硅锗碳化硅微电子工业的基础材料高频电子器件高温高频半导体器件共价晶体的应用超硬材料金刚石碳化硼碳化硅切割工具，磨料砂轮，喷砂研磨材料，耐火材料立方氮化硼金属加工，高速切削共价晶体的应用光学材料碳化硅，光电探测器LED金刚石宝石，高折射率石英光学透镜，棱镜共价键与分子的形状甲烷水乙炔四面体形状，键角弯曲结构，键角线性分子，键角

109.5°

104.5°180°价层电子对互斥理论（）VSEPR几何构型预测影响因素确定分子形状和键角排列原则键合对和孤对电子基本假设最大化电子对间距电子对互相排斥杂化轨道理论定义1原子轨道重组形成等能杂化轨道作用2解释共价键方向性类型3等sp,sp²,sp³几何排布4决定分子的空间构型杂化sp组成几何构型代表分子个轨道与个轨道杂化线性构型，角乙炔₂₂，₂1s1p180°C HBeF杂化sp²组成个轨道与个轨道杂化1s2p几何构型平面三角形，角120°代表分子乙烯₂₄，₃C HBF键形成π未参与杂化的轨道形成键pπ杂化sp³组成几何构型1个轨道与个轨道杂化四面体，角1s3p

109.5°2空间分布代表分子4四个方向指向四面体顶点3甲烷₄，₃CHNH分子轨道理论简介基本思想1原子轨道线性组合成键轨道2电子密度增加区域反键轨道3电子密度减少区域应用4解释复杂分子结构共价键与分子的极性键极性电负性差异导致电荷不均分子极性由键极性和分子几何构型决定对称性影响对称分子可能无极性溶解性影响极性分子溶于极性溶剂共价键与分子间作用力离子偶极作用-离子与极性分子1氢键2强烈的偶极偶极作用-偶极偶极作用-3极性分子间引力范德华力4所有分子间存在氢键水分子间碱基对蛋白质DNA决定水的高沸点维持双螺旋结构稳定二级结构醇类分子影响溶解性和沸点范德华力色散力1瞬时偶极相互作用诱导力2永久偶极诱导临时偶极偶极偶极力-3极性分子间相互作用强度特点4短程力，与距离关系密切共价键与物质的物理性质熔沸点硬度12决定相变温度影响物质机械性质溶解性导电性34决定在溶剂中的溶解能力影响电子传导能力共价键与物质的化学性质反应活性键能影响反应难易选择性键强弱决定优先反应位点反应机理决定反应途径立体效应影响反应的立体选择性共价键的断裂与形成加成均裂异裂新键形成于双键或三键电子对平均分配电子对偏向一个原子共价晶体的制备方法高温合成化学气相沉积1直接元素反应气相前驱体分解2高压合成熔融法4如金刚石的制备3熔体冷却结晶共价晶体的表征方法射线衍射电子显微镜拉曼光谱X确定晶体结构观察微观形貌分析键合状态共价键与共价晶体的研究进展超硬材料1超高硬度新型共价晶体二维材料2石墨烯，六方氮化硼新型半导体3宽禁带半导体材料计算模拟4理论预测新结构共价键与共价晶体在材料科学中的重要性电子工业机械加工能源技术半导体材料基础超硬切削工具光电转换材料科学研究材料科学前沿总结与展望基础理论1理解共价键形成机理材料应用2共价晶体多领域应用未来发展3新型功能材料探索。