第7章 化学键理论概述（课件）- 《无机化学》同步教学（吉林大学版）

第 7 章 化学键理论概述 化学键主要分为离子键、共价键和金属键三种类型，其共同点是体现着原子或离子之间的强相互作用。化学键的键能每摩尔一般在几十到几百千焦。 本章的主要内容，除在原子结构的基础上，结合各种化学键讨论分子的构型及晶体的结构之外，也将探讨分子间作用力，并进一步介绍它们与物质的物理、化学性质的关系。 7 -1 离子键理论 7 -1 -1 离子键的形成 由活泼金属元素和活泼非金属元素组成的化合物如 NaCl，KCl，NaOH，CaO 等，在通常情况下，大多数是结晶状的固体，具有较高的熔点和沸点，熔融状态时能够导电。这些化合物大多数都能溶于水，水溶液也能够导电。为了说明这类化合物的原子之间相互作用的本质，1916 年，德国化学家 W. Kossel 根据大多数化合物具有稀有气体稳定结构的事实，提出了离子键的概念。 这类化合物之所以导电，是因为它们在熔融状态或水溶液中能够产生带电荷的粒子，即离子。Kossel 认为电离能小的活泼金属元素的原子和电子亲和能大的活泼非金属元素的原子相互接近时，金属原子上的电子转移到非金属原子上，分别形成具有稀有气体稳定电子结构的正、负离子。正离子和负离子之间通过静电引力结合在一起，形成离子化合物。这种正、负离子间的静电吸引力就叫做离子键。 当不同的原子通过离子键结合形成分子时，必然伴随着体系能量的变化，而且新体系的能量大大低于旧体系。 在 Kossel 的离子键模型中，可以把正、负离子看作半径大小不同的球体。根据库仑定律，两个距离为r，带有相反电荷 q+ 和 q- 的正、负离子之间的势能 V吸引为： (7－1) V吸引 =  q+ · q 4 ε0 r （7－1） 式中 q+ 和 q- 分别是 1 个正电荷和 1 个负电荷所带的电量，即 1.6  10-19 C,ε0 是介电常数。 当正、负离子相互接近时，它们之间主要是静电吸引作用。 但当正、负离子进一步相互接近时，除了静电吸引外，还存在外层电子之间以及原子核之间的相互排斥作用。这种排斥作用当 r 较大时可以忽略。 V吸引 =  q+ · q 4 ε0 r 但当正、负离子充分接近，r 极小时，这种排斥作用的势能迅速增加。量子力学研究表明，这种排斥作用的势能 V排斥 是用指数形式表示的 (7－2) 式中 A 和ρ为常数。因此，正、负离子之间的总势能与距离 r 的关系为 V = V吸引 + V排斥 (7－3) r - r Ae V ＝ 排斥 q+ · q 40r = + Ae -  r ρ 根据公式 7 － 3，可以得到正、负离子之间的总势能与距离 r 的关系的势能曲线，如图 7－1 所示的是 NaCl 的势能曲线。 V 0 Vr0 r0 r 图 7－1 NaCl 的势能曲线 当钠离子和氯离子相互接近时，在 r 较大时钠离子和氯离子之间的排斥作用可以忽略，主要表现为吸引作用，所以体系的能量随着 r 的减小而降低。当钠离子和氯离子非常接近时，r 很小，此时排斥作用为主，体系能量迅速增大。 V 0 Vr0 r0 r 当钠离子和氯离子接近平衡距离 r0 时，体系的吸引作用和排斥作用处于动态平衡，这时钠离子和氯离子在平衡位置附近振动，体系的能量最低。即体系的势能的值最小时的距离是平衡距离，此时正、负离子之间形成了稳定的化学键  离子键。 V 0 Vr0 r0 r 7－1－2 离子键的性质 　　从离子键形成过程中可以看出，当活泼金属原子和活泼非金属原子相互接近时，发生电子转移，形成正、负离子，正离子和负离子之间通过静电引力结合在一起形成离子键。也就是说离子键的本质是静电作用力。 根据库仑定律，两个带有相反电荷 q+ 和 q- 的正、负离子之间的静电作用力与离子电荷的乘积成正比，与离子间距离成反比。所以，离子的电荷越大，离子间的距离越小，离子间的静电引力越强。 　　由于离子键是由正离子和负离子通过静电吸引作用相连接，因此决定了离子键的特点是没有方向性和饱和性。 没有方向性是指由于离子的电荷是球形对称分布的，它可以在空间任何方向吸引带相反电荷的离子，不存在在某一特定方向上吸引力更强的问题。 　　没有饱和性是指在空间条件允许的情况下，每一个离子可吸引尽可能多的带相反电荷的离子。每个离子周围排列的相反电荷离子的数目是一定的，这个数目是与正、负离子半径的大小和所带电荷多少等有关。