【化学课件】化学键的类型与特性课件

化学键的类型与特性欢迎来到化学键的微观世界！化学键是连接原子、构建物质的神奇力量，它们决定了物质的基本性质和行为通过探索原子间结合的方式，我们能够从微观角度深入理解物质结构的奥秘课程大纲1化学键的基本概念从原子结构出发，理解化学键形成的根本原理和能量变化规律2离子键的形成与特性探讨金属与非金属间的静电相互作用及其独特性质3共价键的形成与分类深入分析电子共享机制和共价键的多样化表现形式金属键、氢键与分子间作用力化学键的基本概念定义与本质能量变化原理化学键是原子间通过电子相互作形成化学键时体系能量降低，遵用形成的化学力，是维持物质稳循最小能量原理原子通过形成定性的根本因素这种作用力源化学键达到更稳定的电子构型，于电子在原子间的重新分布和轨释放出的能量称为键能道重叠存在形式化学键广泛存在于分子、离子化合物、金属晶体等各种物质中键能范围从到不等，反映了不同化学键的强度差异601000kJ/mol化学键的形成条件原子间距适当原子必须达到合适的距离，使电子云能够有效重叠，既不能过远影响作用，也不能过近产生排斥能量降低原则化学键形成必须导致体系总能量降低，使原子组合后比单独存在时更加稳定，这是化学键形成的驱动力价电子参与主要由原子的价电子参与化学键形成，内层电子通常不参与成键过程，但会影响原子的有效核电荷化学键的主要类型离子键共价键金属与非金属之间的静电引力非金属元素之间共用电子对•形成离子晶体•方向性强•强度大，熔点高•形成分子•固态不导电•种类多样氢键金属键特殊类型的分子间作用力金属正离子与自由电子之间的作用力•强度适中•导电导热生物重要性延展性好•••影响物理性质•金属光泽离子键概述基本定义典型特征离子键是阴离子与阳离子之间的静电引力，这种作用力是库仑定离子键具有显著的特征键能通常在范围400-4000kJ/mol律的直接体现当金属原子失去电子形成阳离子，非金属原子获内，远高于大多数分子间作用力形成条件要求参与原子的电负得电子形成阴离子时，两者间产生强烈的静电吸引性差值较大，一般大于

1.7离子键的形成使原子达到稳定的电子构型，通常为稀有气体型结代表性物质包括氯化钠、氧化钙、硫化钾NaCl CaOK₂S构这种键型的强度直接与离子所带电荷和离子半径相关，电荷等这些化合物通常具有高熔点、高沸点、在固态时不导电但熔越大、半径越小，离子键越强融或溶解后导电等特性离子键的形成过程金属原子失电子金属原子由于电负性较小，容易失去价电子，形成带正电荷的阳离子，达到稳定的电子构型非金属原子得电子非金属原子电负性较大，容易获得电子，形成带负电荷的阴离子，同样达到稳定状态3静电引力结合形成的阴阳离子通过静电引力相互吸引，克服热运动形成有序的离子晶体结构能量变化整个过程先需要电离能使原子失电子，后释放晶格能，总体上放出大量能量实例的形成NaCl钠原子失电子钠原子具有个电子，其中最外层只有个电子由于钠的电离能相对Na111较低，这个价电子容易被移除，形成离子，此时钠离子具有与氖原子相Na⁺同的稳定电子构型失电子过程需要吸收电离能约496kJ/mol氯原子得电子氯原子有个电子，最外层有个电子，只需再获得个电子就能达Cl1771到稳定的电子结构氯原子的电子亲和能为，表明获得8-349kJ/mol电子的过程放出能量，形成离子Cl⁻离子键形成和离子通过静电引力结合，形成稳定的离子对在固态中，Na⁺Cl⁻大量离子按照特定的几何排列形成晶体，每个周围被个包Na⁺6Cl⁻围，反之亦然整个过程释放大量晶格能，使成为稳定化合NaCl物的形成过程K₂S电子式表示显示最终离子配比2[K]⁺[S]²⁻硫原子得电子原子获得个电子形成S2S²⁻钾原子失电子两个原子各失去个电子形成K1K⁺硫化钾的形成体现了离子化合物中电荷平衡的重要性两个钾原子每个失去一个电子，提供总共个电子给硫原子，使硫原子形成2S²⁻离子最终形成的中，正负电荷完全平衡，体现了离子化合物必须保持电中性的基本原则K₂S离子键的表示方法电子式表示结构式表示晶格图表示能量图表示用点或叉号表示价电子的用化学式直接表示离子化显示离子在三维空间中的用图表形式表示离子键形转移过程，清楚显示原子合物的组成，如、实际排列方式，展现离子成过程中的能量变化，包NaCl如何通过得失电子形成离等结构式简洁明晶体的几何结构通过晶括电离能、电子亲和能、CaF₂子，以及离子的电子构型了，便于表示复杂离子化格图可以理解离子配位晶格能等能量图有助于变化这种方法直观地展合物的组成比例和化学计数、晶胞参数等重要的结理解离子键形成的热力学现了化学键形成的电子基量关系构信息驱动力础离子键的特点方向性弱，非定向性离子键本质上是静电作用，遵循库仑定律，在空间各个方向上作用力相等这种非定向性使得离子能够在三维空间中形成规则的晶体结构，不受特定方向限制饱和性差一个离子可以同时与多个异种离子结合，结合数量主要受离子大小和几何排列限制例如在晶体中，每个周围有个，体现了离子键的非饱和特性NaCl Na⁺6Cl⁻强度大，熔沸点高离子键强度通常很大，使得离子化合物具有高熔点和高沸点例如的熔点达NaCl到，的熔点更是高达，反映了强离子键的存在801℃CaO2572℃硬度大但易脆离子晶体硬度大，但受到冲击时容易沿特定晶面断裂这是因为外力作用下同种离子可能相互靠近，产生静电排斥导致晶体破裂离子化合物的性质热学性质电学性质离子化合物普遍具有高熔点和高沸点，这源于强的离子键需要大固态离子化合物不导电，因为离子被束缚在晶格位置上无法自由量能量才能破坏氯化钠熔点，氟化锂熔点更高达移动但在熔融状态或溶于水后，离子获得自由移动能力，表现801℃熔点高低与离子电荷和半径密切相关出良好的导电性845℃离子化合物的热容量通常较大，热膨胀系数相对较小，这些性质离子化合物在水溶液中通常完全电离，形成自由移动的阴阳离使它们在高温应用中具有优势，如耐火材料和高温陶瓷子，这是电解质导电的基础导电能力与离子浓度和离子迁移率成正比共价键概述基本定义形成条件与强度共价键是原子间通过共用电子对共价键主要在电负性差值较小的形成的化学键，主要存在于非金原子间形成，键能一般在200-属元素之间这种成键方式使原范围内键的强度800kJ/mol子通过共享电子达到稳定的电子取决于原子轨道重叠程度和共用构型，通常为电子结构电子对数量8典型代表物质氢气、氧气、水、甲烷等都是典型的共价化合物H₂O₂H₂O CH₄这些物质展现了共价键的多样性和在自然界中的普遍存在共价键的形成过程电子对共享原子提供电子不成对电子形成共用电子对，在两原子参与成键的原子各自提供不成对电子，间的轨道中运动，属于两个原子共同拥这些电子具有相反的自旋方向有能量降低达到稳定结构原子轨道重叠程度增加，体系总能量降通过共享电子，原子外层电子达到稳定低，形成稳定的共价键的电子结构（氢为电子结构）82实例分子的形成H₂氢原子特征每个氢原子有个质子和个电子，电子构型为，需要个电子达到氦型稳定结构111s¹1轨道重叠两个氢原子的轨道相互重叠，形成型共价键，电子密度在核间连线上最大1sσ分子形成共用电子对使两个氢原子结合成分子，键长为，键能H₂74pm为436kJ/mol氢分子的形成是最简单的共价键实例，展现了共价键形成的基本原理两个氢原子通过轨道的直接重叠，形成强而稳定的键这个1sσ过程释放的能量使分子比两个分离的氢原子更稳定，体现了化学键形成遵循最小能量原理的本质H₂实例的形成HCl氢原子贡献氢原子提供个电子参与成键11s氯原子贡献氯原子提供个不成对电子13p轨道重叠与轨道重叠形成键1s3pσ极性产生电子云偏向电负性更大的氯原子分子的形成展示了极性共价键的特征由于氯原子的电负性明显大于氢原子HCl

3.0，共用电子对更靠近氯原子，使氯原子带部分负电荷，氢原子带部分正电荷这

2.1种电荷分布的不均匀性使成为极性分子，影响其物理化学性质HCl共价键的分类极性非极性共价键极性共价键当两个相同原子或电负性相同的原子形成共价键时，共用电子对当电负性不同的原子形成共价键时，共用电子对偏向电负性较大不偏向任何一方，形成非极性共价键典型例子包括、、的原子，形成极性共价键如、中的键等都是极性H₂O₂HCl H₂O O-H等双原子分子共价键N₂非极性共价键中，电子云密度分布均匀，原子间不存在电荷分离极性程度与原子间电负性差值直接相关差值越大，键的极性越现象这类分子通常具有对称的几何结构，分子偶极矩为零，表强，但当差值超过时，通常形成离子键而非极性共价键极

1.7现出非极性特征性共价键是许多重要化学反应的基础共价键的分类成键方式键（西格玛键）σ原子轨道沿着原子核连线方向头碰头重叠形成，电子云呈圆柱形对称分布键是最强的共价键类型，所有单键都是键σσ键（派键）π原子轨道垂直于核间连线方向肩并肩侧向重叠形成，电子云分布在核间连线的两侧键强度通常弱于键πσ单键结构由对共用电子对形成，通常为键单键可以自由旋转，键长最长，1σ键能最小，如键、键等C-C C-H多重键结构双键包含个键和个键，三键包含个键和个键键的存在限1σ1π1σ2ππ制了原子间的旋转，影响分子的几何构型共价键的分类键序12单键双键由对共用电子对形成，如键，键能相由对共用电子对形成，如键，键能增1H-H2O=O对较小，键长较长，允许自由旋转大，键长缩短，限制分子旋转3三键由3对共用电子对形成，如N≡N键，键能最大，键长最短，分子呈线型结构键序与键的性质密切相关键序越高，键能越大，键长越短，键的稳定性越强氮分子的三键键能高达，使其在常温下极其稳定这种关系是理解分子稳定性和反应945kJ/mol活性的重要基础同时，多重键的存在会影响分子的几何构型和化学性质共价键能与键长共价化合物的表示方法电子式表示结构式表示分子式表示用点或叉号表示分子中所有用直线表示化学键，显示原仅显示分子中各元素的原子价电子的分布，清楚显示哪子之间的连接方式和键的类数目比例，如、H₂O CH₄些电子参与成键，哪些是孤型单键用一条线，双键用等分子式简单易记，但不对电子这种表示法有助于两条线，三键用三条线表能反映原子的连接方式和分理解分子的电子结构和预测示，简洁明了地展现分子骨子的空间结构信息化学性质架球棍模型用球代表原子，棍代表化学键，按比例显示分子的三维空间结构这种模型直观地展现分子的几何形状、键角和原子间的相对位置关系原子价键理论基础轨道重叠原理化学键的形成基于原子轨道的有效重叠，重叠程度越大，化学键越强轨道重叠必须满足对称性匹配和能量相近的条件，才能形成稳定的化学键杂化轨道理论为了更好地解释分子几何构型，提出了杂化轨道概念、、杂化分别对sp³sp²sp应四面体、平面三角形、直线型分子几何，解释了甲烷、乙烯、乙炔的结构分子轨道理论将分子看作一个整体，电子在整个分子的轨道中运动原子轨道组合形成成键轨道和反键轨道，电子优先占据能量较低的成键轨道共振结构理论当一个分子可以用多种合理的电子分布形式表示时，实际结构是这些共振结构的杂化体如苯分子的真实结构是两种凯库勒结构的共振杂化体共价键的特点方向性强共价键具有明确的空间方向性饱和性好原子形成特定数量的共价键成键数目有限受原子价电子数和轨道数限制强度适中4键能介于离子键与分子间力之间共价键的方向性源于原子轨道的空间取向，这决定了分子的几何构型饱和性表现在原子只能形成有限数目的共价键，如碳原子最多形成四个共价键这些特点使共价化合物具有确定的分子结构和特殊的物理化学性质，为理解分子行为提供了理论基础共价化合物的性质物理性质特征化学性质特征共价化合物的熔点沸点普遍较低，如水的沸点为，甲烷的共价化合物的溶解性遵循相似相溶原则，极性共价化合物易100℃沸点为这是因为分子间作用力较弱，不需要太多能量溶于极性溶剂，非极性化合物易溶于非极性溶剂如水能溶解酒-164℃就能克服分子间引力精但不能溶解油脂大多数共价化合物在固态和液态时不导电，因为不存在自由移动化学反应活性与键能密切相关，键能越小的化学键越容易断裂，的离子或电子只有少数共价化合物如石墨具有特殊的电子结构反应活性越高共价键的断裂和形成是有机化学反应的基础，决而能导电定了反应的方向和速率金属键概述基本定义金属键是金属阳离子与高度离域化自由电子之间的静电作用力，这种独特的成键方式解释了金属的特殊性质电子海理论金属中的价电子不局限于特定原子，而是在整个金属晶格中自由移动，形成电子海，将金属阳离子浸泡其中存在范围金属键存在于所有金属单质中，如铁Fe、铜Cu、铝Al等，也存在于金属合金中，决定了金属材料的基本特性独特特征电子的高度离域化使金属具有导电导热、延展性、金属光泽等特殊性质，这些都是离子键和共价键无法解释的现象金属键的形成过程原子失去价电子电子离域化金属原子由于电离能较低，容易失去价失去的价电子不被特定原子束缚，而是1电子，形成带正电荷的金属阳离子，保在整个金属晶格中自由移动，形成离域2持金属的基本骨架结构化的电子云整体结合离子规则排列自由电子海像胶水一样将所有金属阳金属阳离子在自由电子海中按照一定3离子结合成一个整体，形成稳定的金属的几何规律排列，形成密堆积的晶体结晶体构金属键的特点方向性弱，无定向性金属键没有特定的空间方向，自由电子在各个方向上的作用相等这种非定向性使金属原子能够密堆积，形成高配位数的晶体结构非饱和性特征金属键没有饱和性限制，一个金属原子可以与周围多个原子形成金属键在金属晶体中，配位数通常为8-12，远高于共价化合物强度变化范围大不同金属的键强度差异显著，从锂的156kJ/mol到钨的849kJ/mol键强度与价电子数和原子半径相关，影响金属的熔点和硬度电子高度离域化价电子在整个晶格中自由移动，不属于特定原子这种离域化是金属导电、导热等特性的根本原因，也解释了金属的延展性金属材料的性质金属的独特性质直接源于金属键的特殊结构银具有最高的导电率，铜和铝因良好的导热性被广泛用于散热器材金的延展性极佳，可以锤打成只有几个原子厚度的金箔金属光泽来自自由电子对可见光的反射，这种反光特性使金属成为优秀的装饰和反光材料这些性质的组合使金属在现代工业和生活中不可替代氢键概述基本定义与形成条件强度特征与代表物质氢键是一种特殊的分子间作用力，形成于键中的氢原子与另氢键强度介于共价键和范德华力之间，通常为X-H10-40kJ/mol一分子中电负性大的原子之间，其中和通常为氟、氧、氮虽然比共价键弱得多，但比一般分子间作用力强，对物质性质产Y XY等电负性强的原子生显著影响氢键的形成需要两个基本条件含氢基团中氢原子必须与电负性水是最典型的氢键化合物，蛋白质的二级结构维持、双螺DNA大的原子相连，使氢原子带部分正电荷；另一分子中必须有电负旋结构的稳定都依赖氢键生物大分子中氢键数量众多，对维持性大且含有孤对电子的原子作为氢键受体生命体系的结构和功能至关重要氢键的形成机制极性共价键形成1氢原子与电负性大的原子形成极性共价键，电子云偏向原子，氢原子显正电性X X电荷分布不均氢原子因失去电子云密度而带部分正电荷，成为良好的氢键给体δ+静电相互作用3带正电荷的氢原子被另一分子中电负性大的原子Y吸引，Y原子上的孤对电子提供负电荷氢键结构形成形成线性或近线性结构，三原子基本共线，氢键具有明显X-H···Y的方向性典型氢键实例水分子水分子氢键网络水分子中每个氧原子有两对孤对电子，两个氢原子都能形成氢键，使每个水分子理论上可以形成四个氢键这种四面体配位的氢键网络是水独特性质的根源异常高沸点由于氢键的存在，水的沸点达到，远高于同族其他氢化物如100℃果没有氢键，根据分子量预测，水的沸点应该在左右，地球上-80℃将不存在液态水冰的晶体结构冰中每个水分子与周围四个水分子通过氢键连接，形成六边形的开放型晶体结构这种结构使冰的密度小于液态水，解释了冰为什么能浮在水面上氢键的特点方向性强氢键具有明显的方向性，三原子基本保持直线排列偏离直线的角度越X-H···Y大，氢键强度越弱这种方向性对生物大分子的结构稳定性极其重要强度相对较弱氢键强度虽然比范德华力大，但远弱于共价键这种适中的强度使氢键既能维持结构稳定，又能在需要时被破坏，为生物过程提供了灵活性易受环境影响氢键容易被温度升高、极性溶剂等因素破坏升温增加分子热运动，使氢键断裂；极性溶剂分子可与氢键化合物竞争形成新的氢键生物学重要性氢键在维持蛋白质二级结构、双螺旋稳定性、酶活性位点形状等方面发挥关DNA键作用生命过程中的许多重要反应都涉及氢键的形成与断裂分子间作用力氢键1特殊的分子间作用力，强度最大取向力2极性分子间的相互作用诱导力极性分子诱导非极性分子产生的力色散力4所有分子间都存在的基本作用力分子间作用力包括范德华力和氢键两大类范德华力进一步分为色散力、诱导力和取向力色散力存在于所有分子间，是非极性分子间唯一的作用力诱导力产生于极性分子对非极性分子的影响取向力存在于极性分子之间氢键是最强的分子间作用力，在特定条件下形成分子间作用力与物质性质聚集状态分子间作用力决定物质在常温常压下的存在状态熔沸点高低作用力越强，需要更多能量克服分子间引力溶解性差异相似作用力类型的物质更容易相互溶解生物结构稳定维持蛋白质、核酸等大分子的空间结构分子间作用力虽然相对较弱，但对物质宏观性质的影响极其重要强的分子间作用力使物质具有较高的熔沸点，如氢氟酸因氢键而沸点达溶解过程本质上是溶质分子与溶

19.5℃剂分子间作用力的竞争，这解释了相似相溶的经验规律在生物体系中，正是各种分子间作用力的精确平衡维持了生命大分子的复杂结构化学键与物质的物理性质化学键类型熔点特征硬度特征导电性离子键高熔点硬而脆熔融态导电共价键熔点较低软质为主通常不导电金属键变化范围大延展性好优良导电性氢键提高熔沸点影响结晶增加溶解性化学键类型直接决定物质的物理性质离子化合物因强的静电作用表现出高熔点和硬度，但离子晶体结构使其易脆共价化合物熔点普遍较低，质地较软金属因自由电子的存在具有独特的导电导热和延展性氢键虽然较弱，但能显著提高物质的熔沸点和改变溶解性，在生物体系中尤为重要化学键与化学反应旧键断裂新键形成反应物分子中的化学键断裂，需要吸收反应产物中形成新的化学键，释放能能量，这个过程称为吸热过程量，这个过程称为放热过程催化作用能量变化4催化剂通过改变反应路径，降低化学键反应的总热效应取决于断键吸收的能量断裂和形成的能垒与成键释放能量的差值化学反应的本质是化学键的重新组合过程反应活性与化学键强度密切相关键能较小的化学键更容易断裂，使化合物表现出较高的反应活性催化剂的作用机理是通过与反应物形成中间络合物，改变反应的活化能，但不改变反应的总能量变化离子键与离子反应离子反应特征典型反应类型离子化合物在水溶液中完全或大部分电离，形成自由移动的阴阳沉淀反应如，通过形成AgNO₃+NaCl→AgCl↓+NaNO₃离子这些离子在溶液中发生相互作用，形成各种类型的离子反难溶离子化合物进行中和反应酸碱中和本质上是与H⁺OH⁻应结合生成水分子离子反应通常速度很快，几乎瞬间完成，因为不需要断裂共价离子交换反应在工业和生活中应用广泛，如水处理中的离子交换键反应的推动力是形成更稳定的化学键或更稳定的离子组合树脂这类反应的特点是反应完全、速度快，常用于分析化学和制备化学中。