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第八章化学键和分子、晶体结构 Chapter 8 Chemical Bonds and Structures of Molecules & Crystals 这一章是化学的核心,因为结构决定性质。如白磷、红磷的结构不同,性质也不同; 石墨、金刚石和C 60 等的结构不同,性质也不同。这一章重点讲授共价键、离子键、金属键以及分子几何构型、金属晶体、原子晶体和离子晶体的晶体结构。另外我们也讨论分子间的作用力以及对分子晶体的一些性质的影响。§8-1 共价键与分子几何构型 Covalent Bonds and Molecular Geometric Structure 一、经典共价键理论(C lassical Cova lent B ond T heory )? Lewis S tructure (Octet Rule) (八电子规则) 1. 基本思想:当ns、np 原子轨道充满电子,会成为八电子构型,该电子构型是稳定的,所以在共价分子中,每个原子都希望成为八电子构型( H 原子为 2 电子构型)。 2. 共价分子中成键数和孤电子对数的计算: 例如: P 4S 3、 HN 3、N ?5、H 2 (重氮甲烷)、 NO ?3 (1) 计算步骤: o?共价分子中,所有原子形成八电子构型( H为2 电子构型)所需要的电子总数 v?共价分子中,所有原子的价电子数总和 s?共价分子中, 所有原子之间共享电子总数 n s=n on v,n s /2=(n on v)/2= 成数 l?共价分子中, 存在的孤电子数。(或称未成键电子数) n l=n vn s,n l /2=(n vn s )/2 = 孤对电子对数 P 4S 3 HN 3N ?5H 2 NO ?3 n o7×8= 562+3×8= 265×8= 402×2+8×3= 284×8= 32 n v4×5+3×6= 381+3×5= 165×51= 241×2+4+5×2= 165+6×3+1= 24 n s/2 (56 38)/2 =9 (26 16)/2 =5 (40 24) /2=8 (28 16)/2 =6 (32 24)/2 =4 3. Lewis 结构式的书写 PSP SP SP P 4S 3HN 3HNNN HNNN HNNN N 5 +,, , NNNNNNNNNNNNNNNNNNNN CH 2N 2 (重氮甲烷) , HCH NN HCH NN 当 Lewis 结构式不只一种形式时,如何来判断这些 Lewis 结构式的稳定性呢? 如 HN 3 可以写出三种可能的 Lewis 结构式, 5N ?可以写出四种可能的 Lewis 结构式,而重氮甲烷只能写出两种可能的 Lewis 结构式。 4. Lewis 结构式稳定性的判据??形式电荷 Q F( formal charge ) (1) Q F 的由来以 CO 为例 n o=28= 16n v=4+6 =10 n s/2= (16 10) /2=3n l/2= (10 6)/2=4 为了形成三对平等的共价键,可以看作 O 原子上的一个价电子转移给 C原子,即: ,所以氧原子的 Q F为+1 ,碳原子的 Q F为1 。从这个实例中可以看出: 形式电荷与元素性质没有任何直接联系,它是共价键形成的平等与否的标志。(2) Q F的计算公式: Q F= 原子的价电子数?键数?孤电子数在 CO 中, Q F(C) =4?3?2=?1Q F(O) =6?3?2= +1 对于 HN 3 00HNNN HNNN 02 0HNNN 0(I)(II) (III) 形式(I)、(III) 中形式电荷小,相对稳定,而形式(II) 中形式电荷高,而且相邻两原子之间的形式电荷为同号,相对不稳定,应舍去。 Q F 可以用另一个计算公式来求得: Q F= 键数?特征数( 特征数=8?价电子数) 对于缺电子化合物或富电子化合物,由于中心原子的价电子总数可以为 6 (BF 3)、 10 (OPCl 3)、 12 (SF 6) 等,则中心原子的特征数应该用实际价电子总数(修正数)减去其价电子数来计算。例如 SF 6中S 的特征数不是 2 ,而应该是6( 126=6 )。(3) 稳定性的判据: Lewis 结构式中, Q F 应尽可能小,若共价分子中所有原子的形式电荷均为零,则是最稳定的 Lewis 结构式; b. 两相邻原子之间的形式电荷尽可能避免同号。(4) 如果一个共价分子有几种可能的 Lewis 结构式,那么通过 Q F 的判断,应保留最稳定和次稳定的几种 Lewis 结构式,它们互称为共振结构。例如: H-N=N=NH-N-N≡ N, 互称为 HN 3 的共振结构式。 5. Lewis 结构式的应用( Appli