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V 0 Vr0 r0 r 体系的势能与核间距之间的关系如图所示: 横坐标 核间距 r ;纵坐标 体系的势能 V。 纵坐标的零点 当 r 无穷大时,即两核之间无限远时的势能。 下面来考察 Na+和 Cl - 彼此接近的过程中,势能 V 的变化。 图中可见:r > r0,当 r 减小时,正负离子靠静电相互吸引,势能 V 减小,体系趋于稳定。
V 0 V 因此,离子相互吸引,保持一定距离时,体系最稳定。这就意味着形成了离子键。 r0和键长有关,而 V和键能有关。 r = r0 ,V 有极小值,此时体系最稳定,表明形成离子键。 r < r0,当 r 减小时,V 急剧上升。因为 Na+和 Cl- 彼此再接近时,电子云 之间的斥力急剧增加,导致势能骤然上升。 2 离子键的形成条件 1°元素的电负性差比较大 X > 1.7,发生电子转移,形成离子键; X < 1.7,不发生电子转移,形成共价键。 但离子键和共价键之间,并非可以截然区分的。可将离子键视为极性共价键的一个极端,而另一极端则为非极性共价键。
极性增大 非极性共价键 极性共价键 离子键 化合物中不存在百分之百的离子键,即使是 NaF 的化学键,其中也有共价键的成分。即除离子间靠静电相互吸引外,尚有共用电子对的作用。 X > 1.7 ,实际上是指离子键的成分大于 50 %。 2° 易形成稳定离子 Na + 2s 2 2p 6,Cl-3s 2 3p 6,达到稀有气体式稳定结构。 Ag + 4d10, Zn 2 + 3d10, d 轨道全充满的稳定结构。 只转移少数的电子,就达到稳定结构。 而 C 和 Si 原子的电子结构为 s 2 p 2,要失去或得到 4 e,才能形成稳定离子,比较困难。所以一般不形成离子键。如
二 离子键的特征 1 作用力的实质是静电引力 q1 ,q2分别为正负离子所带电量 , r 为正负离子的核间距离。 CCl 4、SiF4 等,均为共价化合物 。 3°形成离子键时释放能量多 Na ( s ) + 1/2 Cl 2 ( g ) = NaCl ( s ) H = -410.9 kJ·mol-1 在形成离子键时,以放热的形式,释放较多的能量。 2 离子键无方向性和饱和性 与任何方向的电性不同的离子相吸引,所以无方向性; 且只要是正负离子之间,则彼此吸引,即无饱和性。 学习了共价键以后,会加深对这个问题的理解。
三 离子键的强度 1 键能和晶格能 键能 ( 以 NaCl 为例 )1 mol 气态 NaCl 分子,离解成气体原子时,所吸收的能量,用 Ei 表示。 NaCl ( g ) = Na ( g ) + Cl ( g ) H = Ei 键能 Ei越大,表示离子键越强。 晶格能 气态的正负离子,结合成 1 mol NaCl 晶体时,放出的能量,用 U 表示。 Na + ( g ) + Cl- ( g ) = NaCl ( s ) H = -U 晶格能 U 越大,则形成离子键得到离子晶体时放出的能量越多,离子键越强。 键能和晶格能,均能表示离子键的强度,而且大小关系一致。晶格能比较常用。
Na ( s ) + 1/2 Cl2 ( g ) NaCl ( s ) H 2 H 1 Cl ( g ) Na ( g ) H 5 H 3 H 4 Na + ( g ) + Cl-( g ) 2 玻恩 -哈伯循环 ( Born -Haber Circulation ) Born 和 Haber 设计了一个热力学循环过程,从已知的热力学数据出发,计算晶格能。具体如下: H 6 H 1 = S = 108.8 kJ·mol-1, Na ( s )的升华热 S ; H 2 = 1/2 D = 119.7 kJ·mol-1,Cl 2 ( g )的离解能 D 的一半;
H 6 Na ( s ) + 1/2 Cl2 ( g ) NaCl ( s ) H 2 H 1 Cl ( g ) Na ( g ) H 5 H 3 H 4 Na + ( g ) + Cl-( g ) H 3 = I1 = 496 kJ·mol-1, Na 的第一电离能 I 1 ; H 4 = -E = -348.7 kJ·mol-1 , Cl 的电子亲合能 E 的相反数; H 5 = -U = ? , NaCl 的晶格能 U 的相反数;
H 6 Na ( s ) + 1/2 Cl2 ( g ) NaCl ( s ) H 2 H 1 Cl ( g ) Na ( g ) H 5 H 3 H 4 Na + ( g ) + Cl-( g ) H 6 = f HmӨ = - 410.9 kJ·mol-1 , NaCl 的标准生成热。 由盖斯定律 H 6 = H 1 + H2 + H 3 + H 4 + H 5 所以 H 5 = H 6 - ( H1 + H 2 + H 3 + H 4 ) 即 U = H1 + H 2 + H 3 + H 4 - H 6 = S + 1/2 D + I1- E - f HmӨ
H = E i NaCl ( g ) Na ( g ) + Cl ( g ) Na ( g ) + Cl ( g ) NaCl ( g ) H2 H1 H4 H3 Cl-( g ) Na+ ( g ) + NaCl ( s ) H5 = - E i U = 108.8 + 119.7 + 496 - 348.7 + 410.9 = 786.7 ( kJ·mol-1 ) 以上关系称为 Born - Haber 循环 。 利用盖斯定律,也可以计算 NaCl 的离子键的键能。
H = E i NaCl ( g ) Na ( g ) + Cl ( g ) H5 = - E i Na ( g ) + Cl ( g ) NaCl ( g ) H2 H1 H4 H3 Cl-( g ) Na+ ( g ) + NaCl ( s ) H 1 Na 的第一电离能 I 1 ; H 2 Cl 的电子亲合能E 的相反数 - E ; H 3 NaCl 的晶格能 U 的相反数 -U ; H 4 NaCl 的升华热 S ; 而 H 5 = - E i, 所以通过 I1,E ,U 和 S 可求出键能 Ei。
3 影响离子键强度的因素 从离子键的实质是静电引力 F q1 q2 / r 2 出发,影响 F 大小的因素有:离子的电荷 q 和离子之间的距离r 。 1°离子电荷数的影响 电荷高,离子键强 。 NaCl + 1 —— -1 MgO + 2 —— -2 m. p. 801C 2800C U 786.7 kJ·mol-1 3916.2 kJ·mol-1 2°离子半径的影响 半径大,离子间距大,作用力小;相反,半径小,作用力大。 NaCl Cl- 半径小 NaI I- 半径大 m. p. 801C 660C U 786.7 kJ·mol-1 686.2 kJ·mol-1
1°离子半径概念 将离子晶体中的离子看成是相切的球 体,正负离子的核间距 d 是 r + 和 r- 之和 。 r+ r - d 4 离子半径 d 值可由晶体的 X 射线衍射实验测定得到,例如 MgO d = 210 pm 。 1926 年,哥德希密特 ( Goldschmidt ) 用光学方法测得了 F- 和 O 2- 的半径,分别为 133 pm 和 132 pm。 结合 X 射线衍 射所得的 d 值,得到一系列离子半径。
= d MgO- = 210 - 132 = 78 ( pm ) 这种半径为哥德希密特半径 。 1927 年,Pauling 把最外层电子到核的距离,定义为离子半 径。并利用有效核电荷等数据,求出一套离子半径数值,被称为Pauling 半径 。 教材上两套数据均列出。在比较半径大小和讨论变化规律时,多采用 Pauling 半径 。 2°离子半径的变化规律 a ) 同主族从上到下,电子层增加,具有相同电荷数的离子 半径增加。 Li + < Na + < K + < Rb + < Cs + F-< Cl-< Br-< I- b ) 同周期的主族元素,从左至右离子电荷数升高,
最高价离子半径减小。 Na + > Mg 2 + > Al 3 + K + > Ca 2 + 过渡元素,离子半径变化规律不明显 。 c ) 同一元素,不同价态的离子,电荷高的半径小。 如 Ti 4 + < Ti 3 + ; Fe 3 + < Fe 2 + 。 d ) 负离子半径一般较大;正离子半径一般较小 。 第二周期 F-136 pm ; Li + 60 pm 。 第四周期 Br-195 pm ; K+ 133 pm 。 虽然差了两个周期 , F- 仍比 K+的半径大 。 e ) 周期表中对角线上,左上的元素和右下的元素的离子半径 相近 。 如 Li +和 Mg 2 + ; Sc 3 +和 Zr 4 +半径相似 。
四 离子晶体的特点 1 无确定的分子量 NaCl 晶体是个大分子,晶体中无单独的 NaCl 分子存在。NaCl 是化学式,因而 58.5 可以认为是式量,不是分子量 。 2 导电性 水溶液或熔融态导电,是通过离子的定向迁移完成的,而不是通过电子流动导电 。 3 熔点沸点较高 NaCl MgO m. p. 801 C° 2800 C° b. p. 1413 C° 3600 C°
+ 又如 H H Cl Cl • • • 例如 H + H = H H 通过共用一对电子,每个 H 均成 为 He 的电子构型,形成一个共价键。 • NH3 H2O §2 共价键理论 一 路易斯理论 1916 年,美国科学家 Lewis 提出共价键理论。认为分子中的原子都有形成稀有气体电子结构的趋势,求得本身的稳定。 而达到这种结构,可以不通过电子转移形成离子和离子键来完成,而是通过共用电子对来实现。 Lewis 的贡献,在于提出了一种不同于离子键的新的键型,解释了 X 比较小的元素之间原子的成键事实。
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。 二 价键理论 ( Valence Bond Theory ) 1927年,Heitler 和 London 用量子力学处理氢气分子 H2 ,解决了两个氢原子之间的化学键的本质问题,使共价键理论从经典的 Lewis 理论发展到今天的现代共价键理论。 1 氢分子中的化学键 量子力学计算表明,两个具有 1s1电子构型的 H 彼此靠近时, 两个 1s 电子以自旋相反的方式形成电子对,使体系的能量降低。
V 0 从图中可以看出,r = r 0时, V 值最小,为 V = -D ( D > 0 , - D < 0 ) , -D ro r 表明此时两个 H 原子之间形成了化学键。 横坐标 H 原子间的距离, 纵坐标 体系的势能 V, 且以 r — 时的势能值为 纵坐标的势能零点。 2 H — H 2 H = E ( H2 ) - E ( 2H ) = -D - 0 = -D < 0 , 即 H < 0 ,这表示由 2 个 H 形成 H2 时,放出热量。 其相反过程 H 2 — 2 H H = E ( 2 H )- E ( H2 ) = 0 - ( - D ) = D > 0, H > 0
V 计算还表明,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。 如图中上方红色曲线所示,能量不降低 。 0 从电子云的观点考虑,可认为 H 的 1s 轨道在两核间重叠,使电子在两核间出现的几率大,形成负电区。两核吸引核间负电区,使 2 个 H 结合在一起。 -D r ro 这说明破坏 H2 的化学键要吸热 ( 吸收能量 ),此热量 D 的大小与 H2分子中的键能有关。 H2中的化学键,可以认为是电子自旋相反成对,结果使体系的能量降低 。
x x px + + 绕键轴旋转 z 180° + + 键 成键轨道绕键轴旋转 180°时,图形复原,但符号变为相反。 例如两个 px沿 z 轴方向重叠的情况。 YOZ 平面是成键轨道的通过键轴的节面。则 键的对称性可以描述为:对通过键轴的节面呈反对称,即图形相同,但符号 相反。
N2分子中两个原子各有三个单电子 , px py pz 沿 z 轴成键时,pz与 pz “ 头碰头” 形成一个 键 。此时, px和 px , py和 py以 “ 肩并肩 ” 形式重叠,形成两个 键。 所以 N2 分子的 3 键中,有 1 个 键, 2 个 键 。 形象化的描述, 键是成键轨道的 “肩并肩”重叠 。 4°键参数 化学键的状况,完全可由量子力学的计算结果进行定量描述。但经常用几个物理量简单地描述之,这些物理量称为键参数。 键能 AB ( g ) —— A ( g ) + B ( g ) H = EAB 对于双原子分子,键能 EAB 等于解离能 DAB 。但对于多原子分子,则要注意键能与解离能的区别与联系。如 NH3 :
E N-H = = 390.5 ( kJ·mol-1 ) NH3 ( g ) —— H ( g ) + NH2 ( g ) D1 = 435.1 kJ·mol-1 NH2 ( g ) —— H ( g ) + NH ( g ) D2 = 397.5 kJ·mol-1 NH ( g ) —— H ( g ) + N ( g ) D3 = 338.9 kJ·mol-1 三个 D 值不同。 D1 > D2 > D3,为什么? 键长 分子中成键两原子核之间的距离叫键长。 一般键长越小,键越强。 键长 / pm 键能 / kJ·mol-1 C - C 154 345.6 C = C 133 602.0 C C 120 835.1