共价键与分子间力
医用基础化学共价键和分子间作用力
共价键的概念和原理
概念
共价键是指通过共享电子，形成两个非金属原 子之间的化学键。它决定了分子的结构和性质。
原理
共价键的形成是原子为了完成最外层电子的稳 定，共同贡献电子形成的。它的长度和强度决 定于关联原子的尺寸和电负性之间的差异，越 小的差异和越小的原子，如氢，就越容易形成 共价键。
医用基础化学共价键和分 子间作用力
本演示将向您介绍医用基础化学中的共价键和分子间作用力，以及它们在药 物研发中的作用，是一次深入探讨化学原理的旅程。
化学的定义和重要性
1 定义
化学是一门研究物质结构、性质和变化的科学，不仅能帮助我们理解自然界中的现象， 还是研制医药和提高生活质量的重要基石。
2 重要性
3
微观世界的探索
最新技术和准确的分子计算方法，使我们可以深入探索分子的微观世界并开发具有高度 定制化的分子。
医用基础化学中的研究现状和未来发展趋 势
ห้องสมุดไป่ตู้
研究现状
随着药物研发中新的技术和方法的兴起，共价键和 分子间作用力的研究正在变得越来越重要。
未来趋势
新的计算机模拟和理论方法的发展，将加速我们对 分子之间细微交互的理解，这将有助于实现更好、 更安全和更高效的药物研发。
分子间作用力与生物学
从病毒的感染到人类DNA的复制，生物化学发现了 许多重要的分子间作用力。
共价键和分子间作用力在药物研发中的 作用
1
药效和毒性研究
药效和毒性，大多数药物的目标和副作用研究涉及到分子间相互作用力的调整和使用。
2
药物的发现与研发
通过这些知识，药物研发人员可以更好地设计药物分子，以便在人体内精确定位和交互， 提高药效并减少毒性。
共价键及分子间作用力
平均键能 413 460 335 289 230 346 610 835
共价键 N－H N－N N＝N N≡N O－O O＝O O－H
平均键能 391 159 418 946 143 495 463
3、键长（bond length）
键长：分子中两原子核间的平衡距离。 键长特点：键长愈短，键愈牢固。
在特定的条件下，有的成对的价电子能被拆开为单电子参与成键。
例
S
3s 3p
3d
[·¨S·] + 6[¨·F:] → F – S – F ¨¨
3s 3p
3d
FF
\/
/\ FF
共价键特征
方向性:为满足最大重叠原理，成键时原 子轨道只能沿着轨道伸展的方向重叠。
+
-
+
+
-
+
-
+
+
原子轨道的重叠 原子轨道重叠的对称性原则 只有当原子轨道对称性相同的部分重叠，原子间的概率密度才会增大,形成化学键。
构成分子的骨架
π键较易断开，化学活泼性
δ键：两个原子相匹配的d轨道以“面对 面”的方式重叠所形成的键
z dxy
x y
x
dxy
y
3. 配位键（coordination bond） 正常共价键-- 如果共价键是由成键两原子各提供1个电子配对成键的，称为正常共价键。
配位共价键-- 如果共价键的形成是由成键两原子中的一个原子单独提供电子对进入另一个原子的空轨道共用 而成键，这种共价键称为配位共价键，简称配位键。
2s 2p CO
:C O : 电子式 分子结构式
2s 2p C=O
π配键→ π键→
第十章 共价键和分子间作用力
第十章共价键和分子间作用力本章教学要求掌握现代价键理论、杂化轨道理论熟悉共价键的本质、特征和类型，分子间作用力了解价层电子对互斥理论、分子轨道理论(chemical bond)。
化学键分为离子键(ionic bond)、共价键(covalent bond)和金属键(metallic bond)。
本章依据量子力学阐述共价键的现代理论，同时要介绍物质分子与分子之间比较弱的相互作用力，即分子间作用力(intermolecular force)，它包括范德华力(van der Waals force)和氢键(hydrogen bond)。
第一节现代价键理论1916年美国化学家路易斯(G.N. Lewis)*提出经典的共价键电子理论。
该理论认为两个或多个原子可以相互“共用”一对或多对电子，以便达到稀有气体原子最外层2或8电子层结构（路易斯结构），而生成稳定的分子。
例如：H·+ ·H →H∶H 或H－H分子中通过共用电子对连接的化学键称为共价键，也可用短横线表示。
该理论初步揭示了共价键与离子键的区别，能解释共价键的饱和性。
但不能解释一些分子的中心原子最外层电子数虽然少于或多于8仍能稳定存在的事实，如：也无法说明为什么共用互相排斥的两个带负电荷的电子能使原子成为稳定分子的本质原因。
直到量子力学建立以后，共价键的理论才开始发展。
一、氢分子的形成和共价键的本质* G.N. Lewis加州大学伯克利分校教授，Lewis提出共价键的电子理论对发展化学价理论奠定了基础；他还创造性地提出了酸碱电子理论。
他的研究生中先后有5人获得诺贝尔奖。
图氢分子是最简单的典型共价键分子。
1927年德国化学家海特勒（W. Heitler ）和伦敦（F. London ）把氢分子看成是两个核和两个电子组成的系统，用量子力学近似求解其薛定谔方程。
结果得到H 2分子形成的势能曲线，见图10-1。
当两个H 原子彼此远离时没有相互作用，它们的势能为零。
大学基础化学课件-第十章 共价键与分子间力
H2
H─H
O2
O─O
±
极性共价键(Nonpolar covalent bond )：成键原子的
电负性不相同，核间电子云密集区域偏向电负性较大 的一端，正负电荷重心不重合。
HCl H─Cl
＋
－
键极性判断(Bond polarity judgment )
一般电负性差值General electronegativity △X ＝0
成的同型共价键的键长越短，键越牢固。
键角 ——分子中同一原子形成两个化学键间的夹角。
键的极性 ——当成键原子的电负性相同时（成键的两个原子为相同元
素原子），为非极性共价键；否则，为极性共价键。
非极性共价键(Nonpolar covalent bond )：成 键原子的电负性相同，核间电子云密集区域在 两核的中间位置，正负电荷重心重合。
氢键性质：
﹡ 非化学键，属于一种特殊的分子间力﹡ ﹡ 具有方向性和饱和性﹡ ﹡ X、Y原子的半径愈小、电负性愈大，形成的氢键愈强﹡
习题
一、选择题
1、CO分子中存在的化学键是（ ）
A、Π键、ơ键
B、Π键、配位健
C、ơ键、Π键、配位健 D、ơ键、配位健
2、N2分子中存在的化学键是（ ）
A、一个Π键、一个ơ键 B、一个ơ键
q.d
分子电偶极矩越大，分子的极性就越大；分子电偶极矩越 小，分子的极性就越小；分子电偶极矩为零的分子是非极性分 子。
2、分子的极化
+ -
+-
+
-
-+
-
+
+-
因为电场的作用，使分子变形产生偶极或增大偶极矩的现 象，就称为分子的极化。
共价键与分子间作用力
共价键与分子间作用力共价键和分子间作用力是化学中两个重要的概念，它们对物质的性质和行为起着决定性的作用。
本文将重点介绍共价键和分子间作用力的概念、类型、特点以及它们在化学反应和物质性质中的应用。
共价键是两个非金属原子间由电子对共享而形成的一种化学键。
在共价键中，原子不会失去或得到电子，而是共享电子，以满足各自的外层电子壳。
共价键的形成能力取决于原子的电负性差异。
电负性是一个原子吸引其共享电子的能力，与原子核的吸引力有关。
共价键分为偶极共价键和非极共价键两种类型。
偶极共价键是指共价键中的电子对更多地靠近一个原子，使其带有相对正电荷，另一个原子则带有相对负电荷。
非极共价键是指共价键两端的原子相对电荷均相等，电子对靠近两个原子中间。
具体来说，如果两个原子电负性相等，那么形成的是非极共价键；如果两个原子电负性差异较大，那么形成的是偶极共价键。
除了共价键，分子间作用力也是分子间相互作用的重要力量。
分子间作用力指的是靠近的两个分子之间的相互作用力。
它是由于分子间的静电相互作用、分子之间的取向相互作用和分子之间的诱导相互作用所导致的。
静电相互作用是一种非共价相互作用力，其中相互作用的分子带有正电荷或负电荷。
根据库仑定律，两个带电荷的物体之间的引力或斥力与它们之间的距离和电荷量成正比。
因此，静电相互作用力对于离子之间的相互作用是非常重要的。
取向相互作用是由于两个极性分子之间的分子极性导致的相互吸引。
极性分子的极性取决于分子中的原子电负性差异。
在这种情况下，正极和负极之间的相互作用力具有较大的分子之间作用力。
诱导相互作用是由于无极性分子中的电子云的瞬间分布的改变而引起的。
当一个原子或分子靠近另一个无极性原子或分子时，它的电子云会更集中地分布在远离相互作用区域的一侧。
这将导致另一个原子或分子的电子云在与之相对的另一侧更加分散。
因此，在周围电子云的引导下，两个无极性分子之间会发生诱导相互作用，由此产生相互作用力。
除了静电相互作用、取向相互作用和诱导相互作用外，范德华力也是一种分子间作用力。
第十一章 共价键和分子间作用力习题解析
第十一章共价键和分子间作用力习题解析1.现代价键理论的要点是什么？答：（1）两个原子接近时，只有自旋方向相反的单电子可以相互配对（两原子轨道重叠），使电子云密集于两核之间，系统能量降低，形成稳定的共价键。
（2）自旋方向相反的单电子配对形成共价键后，就不能再和其他原子中的单电子配对。
所以，每个原子所能形成共价键的数目，取决于该原子中的单电子数目。
这就是共价键的饱和性。
（3）成键时，两原子轨道重叠越多，两核间电子云越密集，形成的共价键越牢固，这称为原子轨道最大重叠原理。
原子轨道中，除s轨道呈球形对称外，p、d等轨道都有一定的空间取向，它们在成键时，只有沿着一定的方向靠近才能达到最大程度的重叠，形成稳定的共价键，这就是共价键的方向性。
2. 列表表示σ、π 键的区别。
答：3. 根据共用电子对是否偏移，共价键可以分为哪两类？答：根据共用电子对是否偏移共价键可分为极性共价键和非极性键共价键。
极性共价键是由于成键原子的电负性不同，共用的电子对偏向电负性较大的原子，使键的一端带部分负电荷δ-，而另一端带部分正电荷δ+，键的正、负电荷中心不重合形成的共价键。
非极性共价键是因为成键原子的电负性相同，成键电子对等量共享，键的正、负电荷中心重合的共价键。
4.共价键的极性及极性大小用什么来判断？共价分子的极性及极性大小用什么来量度？答：共价键的极性大小根据成键原子的电负性来判断，因为共用的电子对偏向电负性较大的原子，使键的一端带部分负电荷δ-，而另一端带部分正电荷δ+，故成键原子的电负性差别越大，共价键的极性越强。
双原子分子的极性与键的极性一致。
多原子分子的极性不仅与键的极性有关，也与分子构型有关，虽然是极性键，只要键型相同，分子构型对称，其分子中各个键的极性就能相互抵消，正、负电荷重心重合。
分子的极性可用电偶极矩(electric dipole moment)μ来衡量。
它是分子中正、负电荷中心的距离d 与正或负电荷中心上的电量q 的乘积，即μ= q·d ，单位为10-30 C·m 。
分子间作用力的四种形成方式
分子间作用力的四种形成方式分子间作用力是分子之间相互作用的力量，它是物质存在和物质性质产生的基础。
分子间作用力的形成方式有四种，分别是范德华力、氢键、离子键和共价键。
一、范德华力范德华力是分子间最常见的一种作用力，它是由于分子内部电子的运动导致的。
分子中的电子在空间中的运动会引起电荷分布的不均匀，从而形成一种瞬时的偶极矩。
这种偶极矩会与附近的分子偶极矩相互作用，产生吸引力，即范德华力。
范德华力的大小与分子的极性有关，极性越大，范德华力越强。
二、氢键氢键是指分子中氢原子与氧、氮、氟等高电负性原子之间的相互作用。
氢键的形成需要具备三个条件：①氢原子与较电负的原子之间的键能较强，如氢原子与氮原子之间的键能；②氢原子与较电负的原子之间的距离适当，一般在1.5-2.5埃之间；③氢键的形成需要在分子中存在较为稳定的空间构型。
氢键的强度介于共价键和离子键之间，它对物质的性质起到重要的影响。
三、离子键离子键是指由正离子和负离子之间的静电作用力形成的化学键。
在离子键中，正离子和负离子之间相互吸引，形成离子晶体的结构。
离子键的强度较大，使离子晶体具有高熔点、高硬度和良好的导电性等性质。
离子键的形成需要具备两个条件：①正离子和负离子之间的电荷差异较大；②正离子和负离子之间的距离较近。
四、共价键共价键是指由两个非金属原子共享电子而形成的化学键。
在共价键中，原子之间通过电子的共享而相互吸引。
共价键的强度较大，使得共价化合物具有较高的熔点和沸点。
共价键的形成需要满足两个条件：①原子之间的电负性差异较小；②原子之间的距离适当。
共价键的形成可以是单一共价键、双键或者三键，共价键的类型决定了化合物的性质。
分子间作用力的四种形成方式分别是范德华力、氢键、离子键和共价键。
这些作用力对物质的结构和性质具有重要的影响，深入了解分子间作用力的形成方式有助于我们更好地理解物质的性质和相互作用。
共价键与分子间力
范德华力
范德华力是分子间的非极性相互作用力。它是由于分子中电子分布的瞬时变化而产生的。范德华力的大小取决 于分子的大小、形状和极性。
离子-离子相互作用
离子-离子相互作用是由于正负电荷之间的相互吸引力引起的。它在离子化合 物中起着重要的作用，决定了它们的结构和性质。
离子-极性分子相互作用
离子-极性分子相互作用涉及离子与极性分子之间的相互吸引力。这种相互作用对于解释许多溶解过程和反应 机理非常重要。
共价键与分子间力
在化学中，共价键和分子间力起着非常重要的作用。共价键是指两个原子通 过共享电子而形成的强力吸引力。而分子间力是分子之间的相互作用力，包 括氢键、范德华力、离子-离子相互作用和离子-极性分子相互作用。
共价键的形成
1
成键电子双方的原子
成键的原子需要有未配对的电子，以便
共享电子对的形成
2
与另一个原子共享。
这两个原子共享电子对，形成共价键。
3
共价键的稳定性
共价键的稳定性取决于电子对的结合能 力和原子核的斥力。
分子间力的种类
氢键
氢键是一种强力的分子间相互作用，通常涉及 氢原子与带有强电负性的原子之间的相互作用。
范德华力
范德华力是分子间非极性相互作用力，通常是 由于瞬时电荷引起的。
离子-离子相互作用
共价键和分子间力的重要性
共价键和分子间力对于物质的性质和反应起着至关重要的作用。它们决定了分子的结构、化学性质和物理性质， 同时也影响了分子间的相互作用、物质的相变和化学反应速率。
共价键和分子间力在化学反应和化学性质 中的应用
共价键和分子间力的理解对于解释化学反应机理、催化剂设计、材料科学和药物设计非常重要。我们可以利用 它们来控制分子的组装、纳米材料的合成和药物的相互作用。
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H 2 O (H g) (O g) HD (H g O )) H 4k 9m J 9 1o HO H (g (O ) g) (gD ( )O H ) 4k 2m J 9 1ol
原子化能 Eatm：气态的多原子分子的键 全部断裂形成各组成元素的气态原子时所需 要的能量。例如：
教学的目的与要求 1. 掌握现代价键理论的要点和σ键、π健的特征。了解键参 数。 2. 掌握杂化轨道理论基本要点，SP3、SP2、SP杂化类型， 特征；等性、不等性杂化概念及应用。 3.. 了解分子极性，熟悉分子间力类型、特点、产生原因 ；氢键形成条件、特征、应用。
重点 1. 共价键的本质及特点。 2. σ键、π健的特征。 3. 杂化轨道理论基本要点， SP3、SP2、SP杂化类型，特 征；等性、不等性杂化概念及应用。 4. 氢键形成条件、特征、应用。 难点 杂化
414
I－ I 267
151
O－ H 96
464
由表数据可见，H－F， H－Cl， H－Br， H－I 键长依次递增，而键能 依次递减；单键、双键及叁键的键长 依次缩短，键能依次增大，但与单键 并非两倍、叁倍的关系。
10.2.3 键角
键角和键长是反映分子空间构型的重要 参数，它们均可通过实验测知。
第十章共价键与分子间力
§10.1 价键理论
10.1.1 共价键的本质与特点
10.1.2 共价键的键型 10.1.3 杂化轨道
§10.2 键参数 10.4.1 键能
10.4.2 键长 10.4.3 键角 10.4.4 键的极性
§10.3 分子间的作用力
10 . 3 . 1 分子的极性与分子的极化 10 . 3 . 2 van der Waals力 （分子间力） 10 . 3 . 3 氢键
化，形成新的价电子轨道——杂化轨道。 •杂化前后轨道数目不变。 •杂化后轨道伸展方向，形状发生改变。
1.sp3杂化 CH4的空间构型
为正四面体
C：2s22p2
2p
2s
2s
2 p 激发 2s 2 p
sp3杂化
sp3
CH4的形成
四个sp3杂化轨道
2.sp2杂化 BF3的空间构型 为平面三角形
F
B
联线方向进行同号重 叠(头碰头)。
2.π键： 两原子轨道垂直核间联线并相互平行
进行同号重叠(肩并肩)。
3.配位键 形成条件：成键原子一方有孤对电子，
另一方有空轨道。
例：NH
4
BF4
CO
H
F
HNH FBF C O
H
F 2s2 2p2 2s2 2p4
10.1.3 杂化轨道
基本要点： •成键时能级相近的价电子轨道混合杂
(ⅥA)
思考题：解释C2H4，C2H2的分子构型。
已知： C2H2为直线型；
C2H4 的构型为：
H 121o H
C = C 118 o
H
H
§10.2 键参数
10.2.1 键能
键解离能（D） 在双原子分子中，于100kPa下将气态分
子断裂成气态原子所需要的能量。
D(H—Cl)=432kJ·mol-1, D(Cl—Cl)=243kJ·mol-1 在多原子分子中，断裂气态分子中的某
NH 3
HN 1H0 ο17 '8
2p 2s
sp3杂化
H2O
2p 2s
HO 1H0 ο34'0
sp3杂化
sp 3
小结：杂化轨道的类型与分子的空间构型
杂化轨道类型 sp
sp 2
sp 3
sp
不等性 3
参加杂化的轨道 s+p s+(2)p s+(3)p s+(3)p
杂ห้องสมุดไป่ตู้轨道数 2 3 4
4
核间距 R0为74 pm。 共价键的本质——原子轨道重叠，核间
电子概率密度大吸引原子核而成健。
2.价键理论基本要点与共价键的特点 价键理论基本要点： •未成对价电子自旋方式相反；
•原子轨道最大程度地重叠。 共价键的特点： •饱和性 H Cl HOH NN
•方向性
10.1.2 共价键的键型
1.σ键： 原子轨道沿核间
Ｅatm(H2O) = 2Ｅ(O－H)
键焓与键能近似相等，实验测定中，常 常得到的是键焓数据。
10.2.2 键长
分子中两原子核间的平衡距离称为键长。 例如，H2分子，l = 74pm。
共 价 键 键长键 能共 价 键键长键 能
l/pm E/(kJ· mol-1)
l/pm E/(kJ· mol-1)
§10.1 价键理论
10.1.1 共价键的本质与特点
化学键：
分子或晶体中相邻原子(或离子)之间 强烈的吸引作用。
化学键理论：
离子键理论
价键理论
共价键理论 分子轨道理论 金属键理论
1.量子力学处理H2分子的结果 两个氢原子电
子自旋方式相反， 靠近、重叠，核间 形成一个电子概率 密度较大的区域。 系统能量降低，形 成氢分子。
H2O(g) = 2H(g) + O(g)
E a( t H m 2 O ) D ( H O ) D H ( O H ) 9k 2 m J - 8 1
键能、键解离能与原子化能的关系： 双原子分子：键能 = 键解离能
E(H－Ｈ) =D(H－Ｈ) 多原子分子：原子化能 = 全部键能之和
成键轨道夹角 180 120 10928' 901029'8
分子空间构型
实例 中心原子
直线形 三角形 四面体
BeC2l BF 3 CH 4 HgCl2 BCl 3 SiCl4
Be(ⅡA) B(ⅢA) C,Si
Hg(ⅡB)
(ⅣA)
三角锥
NH 3
PH 3
N,P
(ⅤA)
V型
H2O H 2S O,S
H－ F 92
570
H－ H 74
436
H－ Cl 127
432
C－ C 154
346
H－ Br 141
366
C－－C 134
602
H－ I 161
298
C－－－C 120
835
F－ F 141
159
N－ N 145
159
Cl－ Cl 199
243
N－－－N 110
946
Br－ Br 228
193
C－ H 109
F
F
B： 2s22p1
2p
2s
2s
2 p 激发 2s 2 p
sp2 sp2杂化
BF3的形成
三个sp2杂化轨道
3.sp杂化 Be：2s2
2s 2 p
BeCl2的空间构型为直线形 Cl Be Cl
2s
2 p 激发 2s 2 p
sp sp杂化
Be采用sp杂化 生成BeCl2
两个sp杂化轨道
4.不等性sp3杂化