化学键与分子结构全解
理解物理化学中的分子结构与化学键
理解物理化学中的分子结构与化学键物理化学是研究物质的特性及其变化的科学领域。
在物理化学领域中，分子结构和化学键是两个重要的概念。
分子结构描述了分子中原子的排列方式，而化学键则是维持原子之间相互连接的力。
本文将深入探讨分子结构和化学键的相关知识，帮助读者更好地理解它们在物理化学中的重要性。
一、分子结构分子结构是指分子中原子之间的空间排列方式。
它的特点决定了分子的性质和反应行为。
分子结构可以通过不同方法来确定，如X射线衍射、核磁共振等。
在物理化学中，我们通常使用电子云模型来描述分子结构。
电子云模型是一种简化的模型，它假设电子在分子中分布在一定的空间范围内，而不是固定在某个位置。
根据电子云在空间中的分布，我们可以将分子结构分为线性、平面和空间取向三种类型。
线性分子结构是指分子中原子按照直线排列的情况。
例如，氧气（O2）就是一个线性分子，两个氧原子之间通过一个双键连接。
平面分子结构是指分子中原子按照平面排列的情况。
例如，二氧化碳（CO2）是一个平面分子，两个氧原子与碳原子呈直线排列。
空间取向分子结构是指分子中原子按照空间三维排列的情况。
例如，水（H2O）是一个空间取向分子，氧原子位于中心，两个氢原子呈V字形排列。
分子结构的不同类型对分子的性质和反应行为有重要影响。
例如，空间取向分子由于氢键的存在，具有较高的沸点和熔点，而平面分子则较为稳定。
二、化学键化学键是维持原子之间连接的力。
在分子中，原子通过共价键、离子键和金属键等方式相互连接。
共价键是指两个原子通过共享价电子形成的化学键。
其中，单共价键由两个电子共享，双共价键由四个电子共享，三共价键则需要六个电子共享。
例如，甲烷（CH4）中碳原子与四个氢原子通过共价键连接在一起。
离子键是指通过电荷吸引力形成的键。
在化学反应中，一个原子中的一个或多个电子会被另一个原子接受，从而形成阳离子和阴离子，并通过电荷吸引力相互连接。
例如，氯化钠（NaCl）中钠离子和氯离子通过离子键连接。
高考化学化学键与分子结构解析
高考化学化学键与分子结构解析在高考化学中，化学键与分子结构是一个非常重要的知识点，它贯穿于化学学习的始终，对于理解物质的性质、化学反应的原理等方面都具有关键作用。
接下来，让我们一起深入探讨这个充满魅力的化学领域。
首先，我们来了解一下什么是化学键。
化学键是指相邻原子之间强烈的相互作用，它使得原子能够结合形成分子或晶体。
化学键主要分为离子键、共价键和金属键三种类型。
离子键通常在金属元素和非金属元素之间形成。
当金属原子失去电子形成阳离子，非金属原子获得电子形成阴离子时，阴阳离子之间由于静电作用而形成离子键。
例如，氯化钠（NaCl）就是通过离子键结合而成的。
钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）之间存在着强烈的静电吸引力，使得它们紧密结合在一起。
共价键则是由原子间通过共用电子对而形成的化学键。
如果两个原子对电子的吸引能力相当，它们就会共同分享电子，从而形成共价键。
共价键又分为极性共价键和非极性共价键。
在极性共价键中，原子对共用电子对的吸引能力不同，导致电子对会偏向吸引能力较强的原子一方，从而使得分子具有极性。
例如，氯化氢（HCl）分子中，氯原子对电子的吸引能力强于氢原子，电子对偏向氯原子，所以氯化氢是极性分子。
而在非极性共价键中，原子对共用电子对的吸引能力相同，电子对均匀分布，分子无极性，比如氢气（H₂）、氧气（O₂）等。
金属键存在于金属单质或合金中。
金属原子失去部分或全部外层电子，形成金属阳离子，这些阳离子“沉浸”在自由电子的“海洋”中，通过金属阳离子与自由电子之间的相互作用形成金属键。
这就解释了金属具有良好的导电性、导热性和延展性等物理性质。
了解了化学键的类型，接下来我们看看分子的结构。
分子的结构包括分子的形状和空间构型。
分子的空间构型可以通过价层电子对互斥理论（VSEPR）来预测。
例如，对于甲烷（CH₄）分子，碳原子的价层电子对数为 4，其空间构型为正四面体。
而对于氨气（NH₃）分子，氮原子的价层电子对数为 4，但由于有一个孤电子对，其空间构型为三角锥形。
化学键与分子结构
PART 2
化学键的类型
化学键的类型
化学键主要分为 共价键、离子键 和金属键三种类
型
共价键
共价键是指两个或多 个原子通过共享电子 对形成的相互作用。 这种相互作用使得原 子能够稳定地结合在 一起，形成稳定的分 子。共价键的形成主 要是由于原子之间的 电子云重叠
化学键的类型
离子键
离子键是指由正离子 和负离子之间形成的 相互作用。正离子失 去电子，负离子得到 电子，从而形成稳定 的离子。离子键的形 成主要是由于静电相 互作用
化学键与分子结构
-
1 化学键的定义 3 分子结构与化学键的关系 5 化学键的断裂与形成 7 总结
2 化学键的类型 4 总结 6 化学键与生命活动
PART 1
化学键的子或晶体中原 子或离子之间的相互作用， 这种相互作用使得原子或离 子能够稳定地结合在一起
化学键的形成是化学反应的 基础，也是生命活动的基础
分子结构与化学键的关系
分子的物理性质
分子的物理性质如熔点、沸点、导电性和透 明度等主要由其化学键的类型和强度决定。 例如，共价化合物的熔点和沸点通常比离子 化合物要高，而金属化合物的导电性和透明 度则受到金属原子的种类和数量的影响
分子结构与化学键的关系
分子的化学性质
分子的化学性质如反应活性、氧化还原性质等主要由其 化学键的类型和强度决定。例如，共价化合物的反应活 性通常比离子化合物要低，而金属化合物的氧化还原性 质则受到金属原子的种类和数量的影响
化学键的类型
化学键的类型
金属键
金属键是指金属原子之间形成的相互作用。 金属原子最外层电子很容易失去，从而形成 自由电子。这些自由电子在金属原子之间流 动，形成了金属键。金属键的形成主要是由 于自由电子的流动
物质的分子结构和化学键
物质的分子结构和化学键物质是由分子组成的，每个分子又由一个或多个原子组成。
原子通过化学键连接在一起形成分子。
这种分子结构和化学键的特性对物质的性质和行为产生了重要影响。
本文将介绍物质的分子结构和化学键的基本概念以及它们在化学领域的应用。
一、分子结构的基本概念1.1原子和元素原子是物质的基本单位，由带正电荷的质子、中性的中子和带负电荷的电子组成。
元素是指具有相同原子数的原子的集合体，根据原子序数（即质子数）不同，元素具有不同的性质。
1.2分子和化合物分子是由两个或更多原子组成的结构单元。
化合物是由两个或多个不同元素的原子通过化学键连接而成的。
不同元素通过成键可形成共价分子、离子分子或金属分子。
二、化学键的基本类型2.1共价键共价键是指两个或多个原子通过共享电子而形成的化学键。
根据电子的共享情况，共价键可以分为极性共价键和非极性共价键。
2.2离子键离子键是通过正离子和负离子之间的电荷吸引力形成的化学键。
正离子是失去一个或多个电子的原子，负离子是获得一个或多个电子的原子。
2.3金属键金属键是金属元素之间通过电子云的共享形成的化学键。
金属中的自由电子在各个原子之间不受约束地移动，形成了金属键。
三、物质的分子结构和化学键的应用3.1材料科学物质的性质受其分子结构和化学键类型的限制。
例如，共价键通常导致分子在室温下为固体，而非极性共价键的分子则可能是气体或液体。
这些性质对于材料科学的研究非常重要，以改善材料的性能和应用。
3.2药物和生物化学药物和生物化学领域的研究经常涉及到分子结构和化学键。
药物的效果往往取决于其分子结构与靶点之间的相互作用。
同样地，生物化学过程中的化学反应也与分子间的化学键密切相关。
3.3环境科学分子结构和化学键类型的了解对于环境科学研究也至关重要。
例如，有机物的分解速率和稳定性与其分子结构和化学键的性质有关。
通过对这些属性的研究，可以更好地理解环境污染及其影响，从而提供改进和预防的方法。
化学键与分子结构
化学键与分子结构化学键是原子间的一种相互作用力，它使原子形成化学结合并形成分子。
分子结构是描述分子中原子之间连接关系的方式。
化学键和分子结构是化学研究中非常重要的概念，对于理解物质的性质和化学反应具有重要意义。
本文将介绍不同类型的化学键和分子结构的基本原理。
一、共价键共价键是最常见的化学键类型之一。
在共价键中，原子通过共享电子来实现化学结合。
共价键的形成源于原子的电子云之间的相互作用。
1. 单共价键单共价键是最简单的共价键形式。
它是一个电子对在两个原子之间的共享。
例如，氢气（H2）中的两个氢原子通过共享一个电子对形成单共价键。
在化学方程式中，这种键可以用一个连线“-”来表示。
2. 双共价键和三共价键双共价键和三共价键是由于电子双共享和三共享而形成的。
以氧气（O2）为例，两个氧原子彼此共享两对电子形成双共价键。
类似地，氮气（N2）中两个氮原子通过共享三对电子形成三共价键。
二、离子键离子键是由正负电荷之间的相互吸引力形成的化学键。
在离子键中，电子从一个原子转移到另一个原子，形成带电离子。
1. 阳离子和阴离子在离子键中，其中一个原子失去电子变成带正电的阳离子，另一个原子获得电子变成带负电的阴离子。
这种电子转移使两个原子之间形成强烈的吸引力，形成离子键。
2. 离子晶体离子键的典型例子是盐（NaCl）晶体。
在盐晶体中，钠离子和氯离子通过离子键紧密地结合在一起。
由于离子键的强力，盐晶体具有高熔点和良好的导电性。
三、金属键金属键是金属元素中特有的一种化学键。
金属键是由金属中自由移动的电子形成的。
1. 电子海模型金属键的一个重要概念是“电子海模型”。
在这个模型中，金属中的原子释放出部分外层电子形成电子海，而原子核则形成离子核。
这些自由移动的电子使金属中的原子之间形成强大的连接。
2. 金属的特性金属键的存在赋予金属独特的性质。
金属具有良好的导电性和热导性，以及可塑性和延展性。
这些性质是由金属键中的自由电子能够自由移动而产生的。
分子结构和化学键
分子结构和化学键分子结构和化学键是化学中两个重要的概念。
分子结构描述了分子中原子的相对位置和连接方式，而化学键则是连接原子的力。
一、分子结构分子结构是描述分子中原子相对位置和连接方式的方式。
目前最常用的描述方法是路易斯结构和空间结构。
1. 路易斯结构路易斯结构由美国化学家吉尔伯特·路易斯提出，采用简单的点和线表示原子和电子。
在路易斯结构中，原子通过化学键连接，而电子以点的形式表示，用于补充原子的电子。
例如，氨分子（NH3）的路易斯结构中，一个氮原子和三个氢原子通过共价键连接在一起，氮原子周围有一个孤对电子。
2. 空间结构空间结构是描述分子三维形状的方法。
根据VSEPR理论（分子形状理论），分子的最稳定状态是使电子对排斥最小的状态。
根据电子对的排列情况，分子的形状可以分为线性、角形、平面三角形、四面体等多种形式。
二、化学键化学键是连接原子的力，可以分为离子键、共价键和金属键等不同类型。
1. 离子键离子键是由离子之间的电荷吸引力形成的。
当一个原子失去一个或多个电子时，形成正离子；当一个原子获得一个或多个电子时，形成负离子。
正离子和负离子之间发生静电作用，形成离子键。
例如，氯化钠（NaCl）中，钠离子失去一个电子形成正离子（Na+），氯原子获得一个电子形成负离子（Cl-），通过电荷吸引力形成离子键。
2. 共价键共价键是由共享电子形成的。
在共价键中，原子通过共享电子对相互连接。
共有单电子对形成单键，共享两对电子形成双键，共享三对电子形成三键。
例如，氢气（H2）中，两个氢原子通过共享一个电子对形成一个共价键。
3. 金属键金属键是金属原子之间的电子云形成的强力。
金属结构中，金属原子失去价层的一个或多个电子，形成阳离子，而这些电子形成了电子云，使金属原子之间产生强烈的吸引力。
金属键是金属物质特有的键。
总结：分子结构和化学键是化学中重要的概念。
分子结构描述了分子中原子的相对位置和连接方式，常用路易斯结构和空间结构表示。
化学键与分子结构
化学键与分子结构化学键是指由原子之间的电子相互作用形成的强力，用于连接原子并形成分子的结构。
它决定了分子的性质、稳定性和反应性。
本文将介绍不同类型的化学键以及它们对分子结构的影响。
一、离子键离子键是指由正负电荷之间的电吸引力形成的，常见于金属和非金属之间的化合物。
金属原子会失去电子形成阳离子，而非金属原子会接受这些电子形成阴离子。
两种离子之间的电吸引力就形成了离子键。
离子键通常是非常强大的，使得离子化合物具有高熔点和高溶解度。
二、共价键共价键是由原子共享一个或多个电子而形成的。
它是分子中最常见的键。
共价键可以分为极性共价键和非极性共价键。
1. 极性共价键极性共价键是指电子不均匀地被共享，导致形成不均匀的电荷分布。
极性共价键通常由非金属原子之间形成，其中一个原子的电负性较高，吸引了共享电子对。
由于电荷分布的不均匀，极性共价键会导致分子局部带电。
2. 非极性共价键在非极性共价键中，共享电子对是均匀分布的，没有电荷分离。
这种键形成于相同或相似电负性的原子之间，如氢气分子（H2）或氧气分子（O2）。
非极性共价键通常较弱。
三、金属键金属键是金属原子之间形成的。
在金属晶体中，金属原子通过共享它们的外层电子来形成金属键。
这些电子在整个晶体中自由移动，形成所谓的电子海。
金属键是金属具有高导电性和高热传导性的关键原因。
四、氢键氢键是指由部分带正电的氢原子与带有负电荷的氮、氧或氟原子之间的作用力。
氢键在生物分子如DNA、蛋白质和多肽中起着重要作用。
氢键虽然较弱，但对分子的稳定性和特性产生显著影响。
总结起来，化学键的类型和分子结构密切相关。
离子键在金属和非金属之间形成，共价键有极性和非极性两种形式，金属键形成于金属晶体中，而氢键具有特殊的电荷吸引力。
通过理解不同类型的化学键，我们可以更好地理解分子的性质和行为，促进对化学和生物学等领域的深入研究。
阅读本文，希望读者对化学键与分子结构有更清晰的认识，进一步了解分子间的相互作用和性质变化机制，为科学研究提供更为坚实的基础。
《无机及化学分析》第三章 化学键与分子结构
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第6张共51 张
5. 离子键的强度---用晶格能衡量
晶格能（U）：标准态下，气态阳 离子和气态阴离子反应生成1mol离子晶 体所放出的能量。
Cl-
Na+
NaCl晶格
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晶格能越大，离子键就越强，离 子晶体就越稳定，其晶体的熔沸点就 越高，硬度越大。
第7张共51 张
6.离子的特征
③18电子构型：如Zn2+,Ag+,Pb4+
最外层为18个电子。
④18+2电子构型：如 Sn2+,Pb2+
次外层18电子，最外层 2个电子。
⑤9~17电子构型：Cu2+,Cr3+,Fe3+
最外层为9~17个电子
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问题：
活泼金属与活泼非金属以离子键 结合成分子，那么同核双原子分子 （如Ｏ2、Cl2 ）或电负性相差不大 的 原 子 形 成 分 子 ( 如 CH4) 原 子 间 靠 什么结合？
含有1/4ｓ和 3/4ｐ轨道的
成分。杂化 轨道之间的 夹角为 109°28′
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第29张共51 张
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正四 面体
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第32张共51 张
小结:
结论：
⑴杂化轨道条数 = 参与杂化的轨道数 ⑵杂化类型，决定杂化轨道间的夹角， 决定分子空间构型
相结合的氢原子和另一个电负性大的原 子之间的作用力。
电负性大的元素通常指F、O、N （用X、Y表示），X、Y可以是同一元 素，也可以不同。
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② 原子轨道最大重叠原理：
共价键应尽可能地沿原子轨道最大重叠方向形成 即成键电子的原子轨道只有沿轨道伸展方向进行 重叠（s 轨道除外），才会有最大重叠。
+
+
+
+
不是最大重叠
+
+
+
+
轨道最大重叠
请指出下列哪种p -s重叠方式正确？ x
p -s x
p -s x
p -s x
共价键的类型
成键原子的电负性相差越大，则键的 极性越强。
➢ 离子键的本质是正、负离子之间的静电引力
➢ 离子键没有方向性和饱和性 ➢ 离子键的离子性与元素的电负性值有关
P79-80 P80
离子键的强度
➢ 离子键的强度用晶格能（U）表示
P80
离子的特征
➢ 离子电荷 ➢ 离子的电子层构型 ➢ 离子半径
➢ 离子电荷
✓ 指原子形成离子化合物过程中失去或得到电子的数目它是影响离子键强度的重 要因素。
HCl中的σ键
Cl 中的σ键 2
ss pp
sp
σ键s -的s 轨特道点重叠： 在键轴上成键，轨道重叠最大，最稳定 ，键能最大
s - p 轨道重叠 x
p - p 轨道重叠 xx
π键
原子轨道在键轴两侧以肩并肩的方式发生重叠而形成 的键称为π键。
常见的π键有：p — p 轨道重叠 py — py m)
Fe3+
Fe2+
e．周期表中处于相邻族的左上方和右下方斜对角线上的正离子半 径近似相等 (对角线规则）。
Li+(60pm)≈Mg2+(65pm)； Sc3+(81pm)≈Zr4+(80pm)
6.3 共价键理论
现代共价键理论有价键理论和分子轨道理论。
价键理论（电子配对法或VB法）
例如, 298.15K标准态下，H-Cl键的键能Eθ=431kJ·mol-1
键能可作为衡量化学键牢固程度的键参数。 键能越大，键越牢固。
(二) 键长（L ） b
指分子内成键两原子核间的平衡距离。
两个确定的原子之间，如果形成了不同的化学键，其键长越短，键能 就越大，键也越牢固。
同一种键在不同分子中的键长数值上基本上是个定值,说明一个键的性质主要决 定于成键原子的本性。
✓ 离子电荷越多，对相反电荷的离子的吸引力越强,形成的离子化合物的熔点也越 高
➢ 离子的电子构型
✓ 指原子失去或得到电子后形成的带电离子的电子构型
✓ 简单负离子的最外电子层都是8个电子的稀有气体结构
✓ 正离子的电子构型主要有5种
P81
➢ 离子半径
✓ 它是根据离子晶体中正、负离子的核间距测出的，并假定正、负离子的核间距 为正、负离子的半径之和。
两个相同原子组成的共价单键键长的一半，即共价半径， A - B键的键长约等于 A 和B的共价半径之和。
(三) 键角 指在分子中两个相邻化学键之间的夹角。
例，H O中两个O-H键之间的夹角为10445。 2
键长和键角是描述分子几何结构的两个要素。
(四) 键的极性 极性共价键 非极性共价键
6.2 离子键理论
共价键若以是否有极性区分，分为极性共价键和非极共价键
若按原子轨道重叠部分所具有的对称性分类， 主要分为两种类型：σ键和π键
σ键
原子轨道沿键轴方向以头碰头方式重叠，轨道重叠的 结果对于键轴呈圆柱形对称，这种键称为σ键。
常见的σ键有：σ （s-s 轨道重叠） σ s-s （s-p 轨道重叠） σs-px （p -xp 轨道重叠） px-px x x
✓ 离子半径的变化规律：
✓ 离子半径大致有如下的变化规律：
a．主族元素自上而下电子层数依次增多，所以具有相同电荷数的 同族离子的半径依次增大。Li+＜Na+＜K+＜Rb+＜Cs+
b．同一周期中主族元素随着族数递增，正电荷的电荷数增大， 离子半径依次减小。Na+＞Mg2+＞Al3+
c．同一种元素高价离子半径小于低价离子半径 d．负离子的半径较大，正离子的半径较小。
- + - +-
d 74pm
这样，不仅削弱了两核间的正电排斥力，而且 还增强了核间电子云对两氢核的吸引力，使体 系能量得以降低，从而形成共价键。
共价键：原子通过共用电子对而形成的化学键
价键理论要点(共价键的成键原理)
① 电子配对原理：具有自旋方向相反的单电子的 原子相互接近时，单电子可以 配对构成共价键。
一、离子键的形成 二、离子键的特点 三、离子键的强度 四、离子的特征
离子键的形成
➢ 离子键是由原子得失电子后，生成的正、负离子 之间靠静电作用而形成的化学键。
➢ 形成离子键的必要条件： 电离能低的活泼金属元素与电子亲合能高的活泼 非金属元素, 两原子间电负性相差较大，一般要 大于1.7左右。
离子键的特点
+
+
－
－
π键
π键的特点： π键的轨道重叠程度小于σ键，键能 小于σ键， 稳定性低，更容易发生化 学反应。
总结
② 原子轨道最大重叠原理： 成键电子的原子轨道，若能重叠越多，则形成 的共价键越牢固、越稳定。 因此共价键应尽可能地沿原子轨道最大重叠 方向形成——最大重叠原理。
由于原子轨道 (p, d, f)有一定的方向性，它和相邻的原子轨道 重叠成键时，要满足最大重叠，以共价键具有方向性的特点。
价键理论要点(共价键的成键原理)
共价键的形成 (以H 分子的形成为例) 2
H 分子的核间距离d=74pm，小于两个H原子玻尔半径
之2和 (53pm×2 =106pm) 。这表明, 在H 分子中，两个
H原子的1s轨道之间发生了重叠。
2
成键电子轨道重叠的结果，使两核间形成了一个电子
出现的几率密度较大的区域。
- + - +-
d 74pm
可见，
共价键形成的条件之一是：具有单电子，并且自旋方向相反， 然而，由于每个原子的单电子数有限，所以形成共价键的数目 也是有限的，即共价键具有饱和性的特点。
一个原子有几个未成对的电子(单电子)，一般就只能和几个自 旋方向相反的电子进行配对成键。
（举例 N≡N、H-O-H、稀有气体）
价键理论要点(共价键的成键原理)
第6章 化学键与分子结构
6.1 化学键的键参数
凡能表征化学键性质的物理量统称为键参数。
键级 (B.O.) 化学键的强度 键能 (E)
键长 键角 化分学子键的的空极间性构→型键矩 (键的偶极矩 u = q l )
(一) 键能（E） 指标态下气态分子每断裂1mol化学键所需 要的能量。单位：kJ·mol-1