【化学课件】分子结构和化学键课件

分子结构和化学键分子结构和化学键是高中及竞赛化学的核心内容，也是理解物质世界微观本质的关键本课程将深入探讨原子间如何通过不同类型的化学键结合形成稳定的分子和化合物课程导入与目标12理解原子间强相互作用掌握化学键类型和结构力分析掌握化学键的本质，认识学会区分离子键、共价原子如何通过电子的重新键、金属键等不同类型，分布形成稳定的化学键并能准确分析分子的空间结构关联化学反应、性质与应用物质结构的基本认识分子观念的建立原子结合的奥秘分子是构成物质的微观粒子，是保持物质化学性质的最小单分子内的原子并不是简单地堆积在一起，而是通过特殊的相位每个分子都由特定数量和种类的原子按一定方式结合而互作用力——化学键紧密结合这种结合方式决定了分子的成稳定性和性质理解分子概念是学习化学键的前提，它帮助我们从微观角度不同原子结合的方式千差万别，形成了丰富多彩的物质世认识宏观物质的组成和性质界什么是化学键？化学键的定义稳定存在的保证化学键是分子内部原子之间的化学键是物质能够稳定存在的强相互作用力，它将原子牢固根本原因没有化学键，原子地结合在一起，形成稳定的分将无法结合，也就不会有我们子或离子化合物所见的各种物质能量与稳定性化学键的形成通常伴随着能量的释放，使得结合后的系统比分离的原子具有更低的能量和更高的稳定性化学键的主要类型共价键离子键金属键原子间通过共享电子阳离子与阴离子之间金属原子间通过自由对形成的化学键，常的静电吸引力，典型电子云形成的特殊化见于非金属元素之间存在于金属与非金属学键，赋予金属独特之间性质离子键理论基础静电作用原理离子键本质上是阳离子与阴离子之间的静电吸引力，遵循库仑定律形成条件常见于活泼金属与活泼非金属之间，电负性差异较大的元素容易形成离子键经典实例氯化钠（NaCl）中Na⁺与Cl⁻的结合是离子键的典型代表离子键的形成过程1电子转移金属失去价电子形成阳离子2离子生成非金属得到电子形成阴离子3静电结合正负离子相互吸引形成离子键以NaCl的形成为例Na原子失去一个电子变成Na⁺，Cl原子得到一个电子变成Cl⁻，然后Na⁺与Cl⁻通过静电作用结合K₂S的形成中，每个K原子失去一个电子，S原子得到两个电子，形成K⁺和S²⁻离子离子化合物的性质高熔点沸点导电性特征12由于离子键较强，离子化合物通常具有很固态时难以导电，但熔融状态或溶解在水高的熔点和沸点中时可以导电脆性特征溶解性规律晶体结构使其具有脆性，受到冲击时容易大多数离子化合物易溶于水等极性溶剂中43破裂共价键概念与特征电子共享机制常见化合物类型方向性特征两个或多个原子通过共享电子对非金属单质（如H₂、O₂）和非共价键具有明显的方向性，决定形成的化学键，实现各原子的电金属化合物（如H₂O、CO₂）中了分子的空间构型和几何形状子构型稳定化普遍存在共价键共价键的形成条件轨道重叠1原子轨道的有效重叠电子配对2未成对电子的配对能量降低3体系总能量的降低共价键的形成需要满足轨道重叠原理，即参与成键的原子轨道必须能够有效重叠同时，参与成键的电子通常是未成对电子，通过配对达到稳定状态原子间电负性差异适中是形成共价键的重要条件共价键的分类分类依据类型典型实例特征电子分布极性共价键HCl电子偏向电负性大的原子电子分布非极性共价键H₂、Cl₂电子均匀分布电子对数单键H-H一对共享电子电子对数双键O=O两对共享电子电子对数三键N≡N三对共享电子电子式表示化学键路易斯结构式基础使用点表示价电子，线表示共价键的分子结构表示方法，是分析分子结构的重要工具电子对的表示成键电子对用线段表示，孤对电子用点对表示，能清晰显示分子内电子分布典型分子实例H₂O分子中氧原子与两个氢原子形成两个共价键，CO₂为直线型结构，NH₃呈三角锥形电子式举例Cl₂分子电子式HCl与CO₂的表示NaCl离子结合两个氯原子各有7个价电子，通过共享HCl中H与Cl共享一对电子；CO₂中碳Na失去一个电子变成Na⁺，Cl得到一一对电子形成单键Cl-Cl每个氯原原子与两个氧原子各形成双键，碳原个电子变成Cl⁻，用方括号表示离子达到8电子稳定结构子周围有8个电子子，标明电荷共价化合物的结构特性分子方向性共价键具有明确的方向性，使分子呈现特定的几何形状和空间构型，这决定了分子的物理和化学性质分子间作用力弱分子间主要通过较弱的范德华力相互作用，因此共价化合物通常具有较低的熔点和沸点聚集态特征由于分子间作用力弱，多数共价化合物在常温下为气体，或者是熔点较低的固体和液体离子化合物与共价化合物对比特性离子化合物共价化合物键类型离子键共价键熔沸点高低~中导电性溶液/熔融导电一般不导电溶解性易溶于水易溶于有机溶剂通过对比可以看出，化学键类型直接决定了化合物的宏观性质离子化合物由于离子键较强，表现出高熔沸点特征；而共价化合物由于分子间作用力相对较弱，通常具有较低的熔沸点例题解析区分化合物类型NaCl-离子化合物H₂O-共价化合物活泼金属Na与活泼非金属Cl形非金属元素H和O通过共价键成，存在离子键高熔点，溶结合分子间存在氢键，使其液导电，易溶于水沸点相对较高O₂和CH₄-共价化合物O₂为非金属单质，CH₄为非金属化合物，都通过共价键结合，常温下为气体区分的关键在于分析组成元素的性质金属与非金属结合多形成离子键，非金属之间多形成共价键还要注意分子内的化学键与分子间作用力的区别分子的空间结构1VSEPR理论基础价层电子对互斥理论认为，分子中价层电子对会相互排斥，趋向于最大限度地分开2空间构型预测根据中心原子周围电子对的数目和类型，可以预测分子的三维几何结构3典型分子实例H₂O呈V形，CH₄呈正四面体形，NH₃呈三角锥形，这些都可用VSEPR理论解释常见分子构型直线型CO₂分子180°键角折线型H₂O分子

104.5°键角三角平面BF₃分子120°键角四面体型CH₄分子

109.5°键角分子构型直接影响分子的性质例如，CO₂的直线型结构使其为非极性分子，而H₂O的折线型结构使其成为极性分子理解分子构型对预测物质性质具有重要意义分子极性与分子形状键极性分析分子形状影响1由键两端原子电负性差异决定，电负分子的几何构型决定了各键的极性是2性差异越大，键极性越强否能相互抵消实例对比整体极性判断4CO₂虽含极性键但因直线型结构而无需要综合考虑键极性和分子构型，才3极性；H₂O因折线型结构而具有极性能准确判断分子极性分子极性性质分析相似相溶原理物理性质影响极性分子易溶于极性溶剂分子极性显著影响物质的（如水），非极性分子易沸点、熔点和表面张力溶于非极性溶剂（如极性分子间作用力更强，苯）这是相似相溶原理通常具有较高的沸点的体现化学反应活性极性分子在化学反应中表现出不同的反应活性和选择性，在有机合成中具有重要应用价值刚性与柔性分子的微观运动

1.54347C-C键长C-C键能埃米单位，典型单键长度千焦/摩尔，键的强度指标

109.5四面体键角度数，甲烷分子的键角键长、键能和键角是描述分子结构的重要参数键长越短通常意味着键能越大，分子越稳定键角的大小影响分子的空间构型，进而影响分子的物理和化学性质这些参数的精确测定为理解分子行为提供了定量基础金属键与金属晶体电子海模型金属原子失去价电子形成阳离子，电子形成流动的电子海金属键形成阳离子与自由电子云之间的相互作用构成金属键金属性质体现赋予金属延展性、导电性、金属光泽等特有性质金属键的特殊性在于电子的高度离域化，这使得金属具有其他类型化学键无法赋予的独特性质自由电子的存在不仅解释了金属的导电性，也解释了金属为什么可以锻造成各种形状而不断裂分子间作用力概述氢键分子晶体含有F、O、N原子的分子间特殊作用力分子间作用力维持的固体结构范德华力性质影响普遍存在于分子间的弱相互作用决定分子化合物的熔沸点和溶解力性2314分子间作用力虽然比化学键弱得多，但对物质的宏观性质有重要影响理解分子间作用力有助于解释为什么一些分子化合物在室温下是气体，而另一些是液体或固体氢键的特殊性形成条件氢键形成于氢原子与F、O、N等高电负性原子之间，要求氢原子已与电负性大的原子成键水的氢键网络水分子通过氢键形成复杂的三维网络结构，每个水分子最多可形成4个氢键异常性质解释氢键解释了冰的密度比水小、水具有异常高沸点等特殊性质生物学意义氢键在蛋白质结构、DNA双螺旋结构的稳定中发挥关键作用分子结构与物理性质关系H₂O沸点高的原因NaCl易溶于水CO₂常温为气体水分子间存在氢键，使得分子间作用水分子的极性使其能够与Na⁺和Cl⁻CO₂为非极性分子，分子间只存在较力远强于普通分子间作用力破坏氢离子发生水合作用，水合能足以补偿弱的范德华力，在常温常压下分子间键需要额外能量，导致水的沸点异常破坏离子键所需的能量，因此NaCl易作用力不足以使其凝聚成液体或固高达100°C溶于水体共价半径与离子半径原子/离子共价半径pm离子半径pm变化规律Na/Na⁺186102失电子后半径减小Cl/Cl⁻99181得电子后半径增大C77-不易形成离子O66140O²⁻得电子后显著增大原子半径的变化遵循明确的规律失去电子形成阳离子时半径减小，得到电子形成阴离子时半径增大这些数据是计算键长、预测分子构型的重要基础电负性与键极性电负性定义1原子在分子中吸引电子的能力保罗标度2F=

4.0为最大值的相对标度键类型判断3ΔEN

0.4非极性，

0.4-

1.7极性，

1.7离子键电负性是判断化学键类型的重要依据当两原子电负性差异很小时形成非极性共价键，差异适中时形成极性共价键，差异很大时倾向于形成离子键这个规律帮助我们预测未知化合物的键合方式和性质杂化轨道理论简介sp³杂化CH₄分子中碳原子的杂化方式，形成四面体构型，键角

109.5°sp²杂化BF₃分子中硼原子的杂化，形成平面三角形构型，键角120°sp杂化BeCl₂分子中铍原子的杂化，形成直线型构型，键角180°杂化轨道理论很好地解释了分子的几何构型原子轨道杂化后形成新的杂化轨道，这些轨道在空间的排布决定了分子的立体结构，使理论预测与实验观察高度吻合分子的轨道重叠模型12键的形成键的特征σπ原子轨道沿键轴方向重叠由p轨道侧面重叠形成，电形成，具有圆柱对称性子云分布在键轴两侧键π所有单键都是键，是最稳比键弱，但能形成多重σσ定的共价键类型键3多重键结构O₂分子含有一个σ键和一个π键；N₂分子含有一个σ键和两个π键，这解释了N≡N键的高键能共振结构共振概念电子离域化1当一个分子无法用单一路易斯结构准电子在整个分子中分布，而不局限于2确描述时，需要多个共振结构特定的键或原子之间典型实例稳定性增强4O₃、CO₃²⁻、苯环等都需要用共振结3共振使分子比任何单一结构都更稳构来正确描述其电子分布定，这种额外稳定性称为共振能例题电子式与分子结构NO₃⁻离子结构氮原子为中心，与三个氧原子结合考虑共振结构，实际键长介于单键和双键之间，呈平面三角形SO₂分子分析硫原子与两个氧原子形成双键，还有一对孤电子对分子呈V形，键角约119°，为极性分子结构图绘制要点正确计算价电子总数，合理分配成键电子和孤对电子，注意满足八电子规则的例外情况练习分子结构类型判断Br₂分子NH₄⁺离子H₃O⁺离子两个溴原子通过一对电子形成非极性氮原子与四个氢原子形成四个共价氧原子与三个氢原子结合并带正电共价键分子为直线型，在常温下为键，其中一个为配位共价键离子呈荷分子呈三角锥形，是水在酸性溶液体，说明分子间作用力相对较强正四面体构型，键角

109.5°液中的存在形式分子的几何构型练习乙烯C₂H₄平面分子，双键结构甲烷CH₄正四面体，

109.5°键角氨气NH₃三角锥形，107°键角乙烯分子中每个碳原子采用sp²杂化，分子呈平面结构，C=C双键限制了分子的旋转甲烷中碳原子sp³杂化形成正四面体氨分子中氮原子也是sp³杂化，但由于孤电子对的存在，分子呈三角锥形，键角略小于

109.5°化学键能与化学反应1键的断裂过程化学反应中旧键断裂需要吸收能量，断裂的键越强，需要的能量越多2键的生成过程新键形成会释放能量，形成的键越强，释放的能量越多3反应热计算反应热等于断裂旧键所需能量减去形成新键释放的能量键能数据是预测反应热、判断反应可行性的重要依据通过分析反应前后化学键的变化，可以定量计算反应的能量变化，为化学反应的设计和控制提供理论指导化学反应微观本质旧键断裂1H-H键和O=O键的断裂原子重组2氢原子与氧原子重新结合新键形成3H-O键的生成，形成水分子以氢气与氧气反应生成水为例2H₂+O₂→2H₂O反应过程中，氢分子中的H-H键和氧分子中的O=O键断裂，氢原子与氧原子重新组合形成O-H键这个过程释放大量热能，说明生成的O-H键比断裂的H-H键和O=O键更稳定化学键讨论拓展超分子化学键氢键的广泛应用包括主客体相互作用、π-π堆除了在水中的作用，氢键在蛋积等非共价相互作用，在分子白质折叠、DNA结构稳定、药识别和自组装中发挥重要作物分子识别等生物过程中都至用关重要金属配合物简介过渡金属与配体形成的化合物，广泛应用于催化、材料科学和生物化学领域配位键基本概念配位键定义由一个原子单方面提供电子对与另一个原子形成的共价键，也称为配位共价键配合物形成中心金属离子与配体通过配位键结合形成配合物，具有特殊的结构和性质典型实例分析NH₄⁺中N原子提供孤电子对与H⁺结合；[FeCN₆]³⁻中Fe³⁺与CN⁻形成配位键晶体类型归纳晶体类型组成微粒作用力典型代表主要性质离子晶体阳离子、阴离子离子键NaCl、CaF₂高熔点、电解质分子晶体分子分子间作用力I₂、干冰低熔点、易升华原子晶体原子共价键金刚石、SiO₂高硬度、高熔点金属晶体金属阳离子金属键Fe、Cu导电、延展性实际案例一水的异常性质密度异常高沸点现象冰的密度比液态水小，这是由于氢键水的沸点比同族氢化物高得多，氢键形成的有序结构使分子间距离增大使分子间作用力显著增强生命基础表面张力大这些异常性质使水成为地球生命存在氢键网络使水具有很大的表面张力，的基础，创造了独特的生态环境形成水滴的球形外观实际案例二食盐溶解过程1离子键断裂水分子的极性削弱了Na⁺与Cl⁻之间的静电作用力2水合过程开始水分子包围离子，正极指向阴离子，负极指向阳离子3离子扩散水合离子在溶液中自由移动，形成均匀的离子溶液食盐溶解是离子键与分子间作用力竞争的典型例子水分子的水合作用释放的能量足以补偿破坏NaCl晶格所需的能量，使溶解过程能够自发进行溶解后的Na⁺和Cl⁻离子被水分子包围，形成稳定的水合离子化学键在新材料中的应用碳纳米管特性石墨烯革命由sp²杂化碳原子形成的管状结构，具有极高的强度和独特单层碳原子构成的二维材料，每个碳原子通过强共价键与相的电学性质强共价键网络使其成为理想的复合材料增强邻三个碳原子结合剂具有优异的导电性、透明度和机械强度，被誉为神奇材料在电子器件、能源存储和生物医学领域展现出巨大应用潜，在柔性电子、能源技术等领域前景广阔力化学键的检测与分析方法红外光谱法紫外可见光核磁共振谱通过分析分子提供分子结构振动频率确定研究分子中电的详细信息，化学键类型和子跃迁，特别包括原子连接强度，不同化适合分析共轭方式和立体化学键具有特征体系和配合物学特征吸收峰的电子结构X射线衍射精确测定晶体结构中的键长、键角等几何参数，是结构化学的重要工具键参数的定量测定

0.74H-H键长埃米，最短的共价键436H-H键能千焦/摩尔，相对较强

1.09C-H键长埃米，有机化合物基本键180直线分子键角度，如CO₂分子构型精确的键参数测定为理论计算提供验证，也为新材料设计提供数据支撑现代分析技术已能达到皮米级的精度，使我们能够深入理解分子结构与性质的关系分子模拟与理论方法量子化学计算1从第一性原理预测分子性质分子轨道理论2描述电子在分子中的分布密度泛函理论3高效计算大分子体系的方法计算化学的发展使我们能够在计算机上预测分子的结构、性质和反应性分子轨道理论提供了理解化学键的量子力学基础，而密度泛函理论等现代方法使大分子体系的精确计算成为可能这些理论方法与实验技术相结合，极大推进了化学科学的发展例题物质类型综合判定预测分子构型和性质计算电负性差异根据键类型预测物质的熔沸点、导电分析组成元素查表计算ΔEN值

0.4为非极性共价性、溶解性等宏观性质观察化学式中的元素类型金属与非金键，

0.4-

1.7为极性共价键，

1.7为离子属组合倾向于形成离子键，非金属之间键多形成共价键课堂小结化学键本质理解结构决定性质理论与实践结合离子键基于静电作用，共价键源分子的空间构型、键的极性直接化学键理论不仅解释了物质的宏于电子共享，金属键依靠电子海影响物质的物理和化学性质观性质，还为新材料设计、药物模型每种键的形成机理决定了VSEPR理论为预测分子构型提供研发等实际应用提供理论指导其独特性质了可靠方法单元检测题离子键练习题共价键分析题比较MgO和NaCl的熔点高画出PCl₃和SF₄的路易斯结构，低，并解释原因分析离子电预测分子构型分析P-Cl键和荷对离子键强度的影响，计算S-F键的极性，判断分子的整晶格能的相对大小体极性分子极性判断比较CH₄、NH₃、H₂O的沸点，解释氢键对物质性质的影响分析这些分子的极性与其溶解性的关系课后拓展与阅读前沿材料发展推荐学习资源关注二维材料、拓扑绝缘体、量子点等新兴材料的研究进推荐阅读《无机化学》（大连理工大学版）和《结构化学》展这些材料的独特性质源于其特殊的化学键结构和电子性相关章节，深入学习轨道理论和群论基础质参考网站包括化学数据库（NIST）、分子模拟软件资源等，了解这些材料在能源、电子、催化等领域的应用前景利用现代工具辅助学习日常生活中的化学键洁净剂分子含有亲水性和疏水性基团，通过分子间作用力形成胶束结构发挥清洁作用药品分子的设计基于其与生物大分子的特异性结合合成材料如塑料依靠聚合物链的共价键和链间作用力获得优异性能蛋白质酶通过精确的分子识别催化生化反应这些都体现了化学键理论在实际生活中的广泛应用课件总结与展望认识微观世界化学键理论让我们能够看见原子间的相互作用理解物质性质从微观结构预测和解释宏观性质的能力推动科技进步为新材料设计和技术创新提供理论基础化学键理论是理解物质世界的重要钥匙，它揭示了微观粒子间相互作用的本质，为我们认识和改造世界提供了强有力的工具随着科学技术的发展，化学键理论将在新能源、生物医学、环境科学等领域发挥更加重要的作用希望通过本课程的学习，同学们不仅掌握了化学键的基本知识，更重要的是培养了科学思维和探究精神让我们继续在化学的奇妙世界中探索，为人类的科技进步贡献自己的力量。