共价键与分子间力
人民卫生出版社第7版《基础化学》习题第十章
共价键与分子间力首页难题解析学生自测题学生自测答案章后习题解答难题解析[TOP]例10-1试用杂化轨道理论说明乙烯分子的形成及其构型。
分析根据杂化轨道理论，形成乙烯分子时，C原子的价层电子要杂化。
共价键形成时，σ键在成键两原子间能单独存在，且只存在一个； 键在成键两原子间不能单独存在，但可存在多个。
乙烯分子中C原子的4个价电子分别与其它原子形成三个σ键，C、C原子间的双键中有一个是π键。
三个σ键决定分子构型，因此C原子有三个原子轨道参与杂化，形成三个等性杂化轨道。
解乙烯分子C2H4中有2个C原子和4个H原子，每个基态C原子的价层电子组态为2s2 2p2，在形成乙烯分子的过程中，1个2s电子被激发到2p空轨道上，然后1个2s轨道和2个2p轨道杂化形成3个等同的sp2杂化轨道，彼此间夹角为120º。
每个C原子的2个sp2杂化轨道各与1个H原子的1s轨道重叠形成2个C—H σ键；2个C原子间各以1个sp2杂化轨道互相重叠，形成1个σ键。
由于2个C 原子的这6个sp2杂化轨道处于同一平面，未参与杂化的2p z轨道则垂直于该平面，“肩并肩” 重叠形成1个π键，构成C＝C双键。
乙烯分子中6个原子在一个平面上，分子呈平面构型。
例10-2 利用价层电子对互斥理论预测-I的空间构型。
3分析先确定中心原子的价电子对数，中心原子提供7个电子，配位提供1个电子，加上负离子的电荷数，得价层电子数的总和再除以2。
然后根据价层电子对构型和孤对电子决定-I的空间构型。
3解-I中有3个I原子，我们可将其中1个I作为中心原子，其余2个作为配位体。
中心原子I有73个价电子，2个配位I原子各提供1个电子，-I离子的负电荷数为1，所以中心原子的价电子对数为3(7+2+1)/2＝5 。
价层电子对构型为三角双锥，因配位原子数为2，说明价层电子对中有2对成键电子对和3对孤对电子，以3对孤对电子处在三角双锥的三角形平面上排斥能最小，所以-I为直线型。
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。
化学反应中的分子间力
化学反应中的分子间力在化学反应中，分子间力起着至关重要的作用。
分子间力是指分子之间的相互作用力，包括静电力、共价键和范德华力等。
这些力量的存在和相互作用决定了分子的结构、反应速率和性质。
本文将探讨化学反应中分子间力的不同类型及其作用。
1. 静电力静电力是由于正电荷和负电荷之间的相互吸引或排斥而产生的。
在化学反应中，离子间的静电力起着重要作用。
正离子和负离子之间的静电吸引力促使它们结合成为化合物。
例如，氯离子和钠离子的静电吸引力导致氯化钠的形成，这是常见的离子化合物之一。
2. 共价键共价键是由共享电子对而形成的化学键。
它是分子中原子之间的主要相互作用力之一。
共价键的强度取决于原子核附近电子的云密度。
当原子间的电子云重叠时，共享的电子会形成共价键。
这种共享电子对的共价键与分子的稳定和化学性质有关。
例如，氢氧化物分子中的氢和氧原子通过共价键结合在一起，形成稳定的水分子。
3. 范德华力范德华力是分子间的一种相互作用力，它是由于电子运动引起的分子偶极瞬时形成。
范德华力的强度取决于分子之间的距离和相互作用的极性。
这种力量对于形成液体和固体非常重要，它导致了液体的黏度和固体的强度。
另外，在分子间的范德华力的作用下，分子也具有互相吸引的性质。
例如，在溶液中，溶剂分子与溶质分子之间的范德华力导致它们相互吸引，从而使得溶质能够溶解在溶剂中。
4. 氢键氢键是一种特殊的静电相互作用力，它在分子间形成时涉及到氢原子与较电负原子之间的吸引力。
氢键通常出现在氢原子与氮、氧或氟原子之间。
氢键的形成和断裂对于很多生物分子的结构和功能具有重要影响。
例如，DNA中的碱基之间的氢键稳定了双链结构，保护了遗传信息的完整性。
综上所述，化学反应中的分子间力在控制分子的结构和性质方面起着关键作用。
静电力、共价键、范德华力和氢键是化学反应中常见的分子间力类型。
它们通过相互吸引、共享电子或电子云重叠等方式参与到物质的形成和变化中。
理解和掌握分子间力对于深入了解化学反应的机制和应用具有重要意义。
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。
共价键与分子间作用力
2p
键以“头碰头”式成键
重叠程度大
键较牢固
沿键轴呈圆柱形对称
自由旋转
单独存在
键以“肩并肩”式成键
重叠程度小
键易断开
在通过键轴的平面上下对称
不能旋转
只能与键共存
键和键 的比较
配位键
共用电子对由某个原子单方提供，另一个原子提供空轨道。
键能(bond energy)
在298K 和标准压力（100kPa）时，将lmol气态分子AB拆开，成为气态的A原子和B原子所需要的能量。用符号E表示，单位kJ·mol-1。
+
+
+
杂化轨道的类型
a ) 按参加杂化的轨道分类 s － p 型 sp 杂化、sp2 杂化和 sp3 杂化 ； s － p － d 型 sp3 d 杂化、 sp3 d2 杂化等 。
4条 sp3 杂化轨道能量不相等。
不等性杂化， 如 O 的 sp3 杂化
共价键的饱和性 （受自旋相反限制）
一个原子上的一个电子只能与另一个原子上自旋方向相反的一个电子配对； 一个原子中所含未成对电子数就是它可能形成共价键的数目。
共价键的方向性（受最大重叠原理限制 ）
共价键的方向性示意图
共价键的特征
s-s
s-p
p-p
1.σ键：原子轨道以“头碰头”的形式重叠形成的共价键。
• • • •
但 Lewis 没有说明这种键的实质，所以适应性不强 。 在解释 BCl 3 ， PCl 5 等其中的原子未全部达到稀有气体结构的分子时，遇到困难。
PART ONE
引言：氢分子的共价键
计算表明，若两个 1s 电子以相同自旋的方式靠近，则 r 越小，V 越大。此时，不形成化学键。
人民卫生出版社第版《基础化学》习题
第十章共价键与分子间力首页难题解析学生自测学生自测答案章后习题解答题难题解析[TOP]例10-1试用杂化轨道理论说明乙烯分子的形成及其构型。
分析根据杂化轨道理论，形成乙烯分子时，C原子的价层电子要杂化。
共价键形成时，σ键在成键两原子间能单独存在，且只存在一个； 键在成键两原子间不能单独存在，但可存在多个。
乙烯分子中C原子的4个价电子分别与其它原子形成三个σ键，C、C原子间的双键中有一个是π键。
三个σ键决定分子构型，因此C原子有三个原子轨道参与杂化，形成三个等性杂化轨道。
解乙烯分子C2H4中有2个C原子和4个H原子，每个基态C原子的价层电子组态为2s2 2p2，在形成乙烯分子的过程中，1个2s电子被激发到2p空轨道上，然后1个2s轨道和2个2p轨道杂化形成3个等同的sp2杂化轨道，彼此间夹角为120o。
每个C原子的2个sp2杂化轨道各与1个H原子的1s轨道重叠形成2个C—H σ键；2个C原子间各以1个sp2杂化轨道互相重叠，形成1个σ键。
由于2个C原子的这6个sp2杂化轨道处于同一平面，未参与杂化的2p z轨道则垂直于该平面，“肩并肩” 重叠形成1个π键，构成C＝C 双键。
乙烯分子中6个原子在一个平面上，分子呈平面构型。
例10-2 利用价层电子对互斥理论预测-I的空间构型。
3分析先确定中心原子的价电子对数，中心原子提供7个电子，配位提供1个电子，加上负离子的电荷数，得价层电子数的总和再除以2。
然后根据价层电子对构型和孤对电子决定-3I 的空间构型。
解 -3I 中有3个I 原子，我们可将其中1个I 作为中心原子，其余2个作为配位体。
中心原子I 有7个价电子，2个配位I 原子各提供1个电子，-3I 离子的负电荷数为1，所以中心原子的价电子对数为 (7+2+1)/2＝5 。
价层电子对构型为三角双锥，因配位原子数为2，说明价层电子对中有2对成键电子对和3对孤对电子，以3对孤对电子处在三角双锥的三角形平面上排斥能最小，所以-3I 为直线型。
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 。
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核酸的分离与纯化：
将含有核酸分子复杂复合物中，将核酸与其 他物质分离 非核酸的大分子污染物（蛋白质、多糖和脂 类分子）、非需要的核酸分子、试剂和溶液
二、技术路线的设计
（二）核酸的分离与纯化
应该清除的杂质主要包括三部分
1、非核酸的大分子污染物：蛋白质、多糖及脂类 物质等 2、非需要的核酸分子：分离某一特定的核酸分子 时，其它的核酸分子皆为杂质 3、加入的有机溶剂和某些金属离子
荧光光度法 荧光染料溴化乙锭，可嵌入到碱基平面，而
发出荧光，且荧光强度与核酸含量呈正比。
适用于低浓度核酸溶液的定量分析。（1-5ng）
三、核酸的鉴定与保存
3、完整性鉴定
⑴
琼脂糖凝胶电泳法：
以EB为示踪剂的核酸凝胶电泳结果可
判定核酸制品的完整性。基因组DNA片段
的分子量很大，在电场中泳动很慢，如果
（16S）RNA的2倍，否则提示有RNA的降解。若 在点样孔附近有着色条带，则说明存在DNA 的污染。
三、核酸的鉴定与保存
总RNA电泳图谱
正常时，28S
RNA的荧光强度 约为18S RNA的
2倍，否则提示
RNA的降解
三、核酸的鉴定与保存
(A值等于1时，相当于50μg/ml双链DNA， 40μg/ml单链DNA或RNA， 20 μg/ml单链寡核苷酸）
紫外分光光度法只用于测定浓度大于 0.25ug/ml的核酸 溶液。
三、核酸的鉴定与保存
⑵荧光光度法：用EB等荧光染料示踪的核酸电 泳结果可判定核酸制品的纯度。DNA分子较 RNA大得多，电泳迁移率低。
应尽量简化分离纯化步骤，缩短提取时间
尽量避免各种有害因素对核酸的破坏
二、技术路线的设计
（一）核酸的释放 （二）核酸的分离与纯化 （三）核酸的浓缩、沉淀与洗涤
二、技术路线的设计
（一）核酸的释放
DNA 和 RNA 均位于细胞内（病毒除外），因
此核酸分离与纯化的第一步即是裂解细胞、释 放核酸。
表５-１ 各种组织细胞破碎方法
病进行分子诊断的最基础工作。
第五章
核酸的分离纯化
核酸分离纯化的原则 一、 保持核酸一级结构的完整性
二 、尽可能提高核酸制品的纯度
提取DNA总的原则
1 保证核酸一级结构的完整性；
2 其他生物大分子如蛋白质、多糖和脂类 分子
的污染应降低到最低程度；
3 核酸样品中不应存在对酶有抑制作用的有机溶
剂和过高浓度的金属离子； 4 其他核酸分子，如RNA，也应尽量去除。
二、技术路线的设计
（三）核酸的浓缩、沉淀与洗涤 • 沉淀是浓缩核酸的最常用的方法 • 常用的盐类有醋酸钠、醋酸钾、醋酸铵、氯化钠、 氯化钾及氯化镁 • 常用的有机溶剂则为乙醇、异丙醇和聚乙二醇 • 核酸沉淀常常含有少量共沉淀的盐，需用70%～75% 的乙醇洗涤去除
三、核酸的鉴定与保存
（一）核酸的鉴定
（二）核酸的保存
三、核酸的鉴定与保存
（一）核酸的鉴定 1、浓度鉴定 2、纯度鉴定 3、完整性鉴定
三、核酸的鉴定与保存
1、浓度鉴定 ⑴ 紫外分光光度法：该法是基于核酸分子
中的碱基具有共轭双键结构因而可以吸收
紫外线，其最大吸收波长为260nm。
三、核酸的鉴定与保存
各种碱基的紫外吸收光谱
三、核酸的鉴定与保存
⑵ 荧光光度法：核酸的荧光染料溴化乙锭嵌
入碱基平面后，本身无荧光的核酸在UV激
发下发出红色荧光，且荧光强度的积分与 溶液中核酸的含量呈正比。
EB与DNA的结合
三、核酸的鉴定与保存
2、纯度鉴定 ⑴ 紫外分光光度法：该法主要通过A260与A280
的比值来判定有无蛋白质的污染，比值升高与
降低均提示不纯。 在TE缓冲液中，纯DNA的A260/A280为1.8 纯RNA的A260/A280比值为2.0
第五章
第一节 第二节 第三节 第四节
核酸的分离纯化
核酸分离纯化的设计及原则 基因组DNA的分离纯化 质粒DNA的提取与纯化 RNA的分离纯化
第一节 核酸分离纯化的设计及原则
第一节
核酸分离纯化的设计及原则一、材料与方法的选择 二、技术线的设计 三、核酸的鉴定与保存
一、材料与方法的选择
（一） 材料与方法的选择
第五章
核酸的分离纯化
第五章
核酸的分离纯化
核酸的结构与功能是分子水平生命活动的基础； 内源基因的突变、表达及调控的异常和外源致病 基因的侵入是人类疾病发生、发展的根源。
第五章
核酸的分离纯化
DNA、RNA是生物体中最重要的核酸分子，是分 子生物学和分子诊断的研究对象。
DNA、RNA的分离纯化是分子生物学研究及对疾
三、核酸的鉴定与保存
1. DNA或RNA的定量
OD260=1.0相当于
50μg/ml双链DNA 40μg/ml单链DNA（或RNA） 20μg/ml寡核苷酸 2.判断核酸样品的纯度 DNA纯品: RNA纯品: OD260/OD280 = 1.8 OD260/OD280 = 2.0
浓度鉴定
紫外分光光度法：测定DNA在A260nm的光吸收值。 如计算DNA浓度 A260×稀释倍数×50＝ μg/ml
（二） 选择原则
一、材料与方法的选择
（一） 材料与方法的选择
不同的研究目的对核酸的完整性、纯度、产量及浓 度可能有不同的要求 • 需考虑制备核酸所需的时间与成本 • 应选择安全的试剂与制备方案
一、材料与方法的选择
（二） 选择原则 1、保持核酸碱基序列的完整性 2、尽量清除其它分子的污染，保证核酸纯度 3、保持核酸的完整性
发生降解，电泳图呈拖尾状。
三、核酸的鉴定与保存
DNA片段的降解
三、核酸的鉴定与保存
• 完整或降解很少的总 RNA电泳图谱中，三条带荧 光强度积分应呈特定的比值，沉降系数大的核 酸区带，电泳迁移低，荧光强度积分高；反之， 分子量小，电泳迁移率高，荧光强度积分低。
三、核酸的鉴定与保存
• 一般而言，28S（23S）RNA的荧光强度约为18S
细胞破碎方法 应用
机体软组织
动物韧性组织 细菌、酵母 细胞混悬液 培养细胞 细菌、病毒 红细胞 细菌、酵母 组织、培养细胞 细菌、酵母
Ⅰ机械法
1匀浆法
2捣碎法 3研磨法 1超声法 2反复冻融法 3冷热交替法 4低渗裂解 1有机溶剂 2去垢剂 3酶解法
Ⅱ物理法
Ⅲ化学法
核酸分子抽提的技术设计
核酸的释放： 破裂细胞 释放核酸 机械法与非机械法（非机械法中溶胞法是应 用最广泛的方法）