化学键(二)

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化学键物质结构元素周期律知识图解

化学键(二)

用图解搞懂化学键类型、形成机制与性质差异

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化学键物质结构元素周期律知识图解

化学键(二)

用图解搞懂化学键类型、形成机制与性质差异

1第 1 页 · 化学键(二)

电子式

上页我们区分了离子键和共价键,但电子究竟「在哪里」「怎么搬家或合租」?这就需要化学家的速写本——电子式。

定义
用元素符号和小黑点表示原子最外层电子的化学式
原子电子式
按最外层电子数在元素符号周围画小黑点,每个方向最多 2 个
离子电子式
简单阳离子如 Na⁺ 直接写离子符号;其余离子(阴离子、原子团)须加 [ ] 并标电荷
离子化合物电子式
体现电子从阳离子「转移」到阴离子,多个阴离子须逐个并列写
共价化合物电子式
体现电子「共用」;相同原子间共用电子对画在中间,不标电荷
电子房产过户图对应 →电子式

离子键=电子彻底过户;共价键=两人合租,共用电子对居中

2第 2 页 · 电子式

结构式

上一页我们用电子式看清了每个原子「身边」有几个价电子、共用了几对。但只知道「电子怎么排」还不够——我们还想知道「谁和谁牵着手」。结构式正好回答后者。

结构式的定义
用短线「—」表示共价键,展示原子间连接顺序的图示
核心价值:区分异构
分子式相同而结构不同的物质(同分异构体)只能靠结构式区分
与电子式的分工
电子式重在表现价电子分布,结构式重在表现连接关系,两者互补
常用简化:键线式
有机化学常用,拐点和端点代表碳原子,C—H 键省略不画
二维的边界
结构式只画连接,不画键角与空间排布,立体构型需另行表示
社交网络关系图对应 →结构式中的键线

节点是原子,连线是共价键;分子式像通讯录名单,结构式才是关系网

分子式:H2O结构式:HOH\text{分子式:}\mathrm{H_2O} \quad\text{结构式:}\mathrm{H{-}O{-}H}
3第 3 页 · 结构式

分子空间结构

结构式把分子画在纸面上,是一张'俯视图'。但分子是立体的——同样的原子连接,空间排列不同,性质可能天差地别。

空间结构的含义
原子在三维空间的排布,不只是连接顺序;还包括键角、键长
决定因素
中心原子价层电子对(含孤对)相互排斥,趋于斥力最小的几何排布
常见几何类型
直线形(sp)、平面三角形(sp²)、四面体(sp³)分别对应不同杂化
结构影响性质
对称结构(如CO₂)无极性;不对称(如H₂O)有极性,影响沸点与溶解性
乐高积木搭建对应 →分子空间结构

同样的积木块,搭成高塔或平铺——形状不同,能承受的力、能放的场景都不同

4第 4 页 · 分子空间结构

分子间作用力

根据结构式和分子空间结构,我们已能判断分子是否显极性;可水的相对分子质量比甲烷小,室温却是液体。差别不只在“分子长什么样”,还在分子间吸引有多强。

定义与边界
相邻分子间吸引作用的统称;它作用在分子之间,通常不改写分子内的共价键。
普遍来源
极性分子有偶极作用,所有分子都有色散力;非极性分子彼此也能产生吸引。
氢键特例
H与N、O、F成键后,又受邻近N、O、F孤对电子吸引;方向性较强,通常强于一般范德华力但弱于共价键。
性质应用
据此比较熔沸点、黏度和表面张力,并解释水的高比热及相似相溶倾向;结构、相对分子质量也须同看。
分开两张交叠的砂纸对应 →拉开相邻分子

砂粒间的摩擦不磨碎砂粒,只让两片不易分离;阻力大小类比分子间吸引强弱。

5第 5 页 · 分子间作用力

范德华力

你撕开一封快递,塑料包装自己吸在手上很难抖落——这背后正是范德华力。

定义
分子间普遍存在的弱静电吸引力,无方向性、无饱和性
三种成分
取向力(永久偶极间)、诱导力、色散力(瞬时偶极间)
色散力主导
多数分子间色散力贡献最大;非极性分子间仅存色散力
短程可加和
作用距离 0.3~0.5 nm;强度虽小,但分子数量多时可累积
魔术贴上的小钩对应 →单个分子间的范德华力

一根钩几乎无感,但数百万根钩同时咬合,就能牢牢抓住整件衣物

UCr6(r 为分子间距)U \propto -\dfrac{C}{r^{6}}\quad(r\text{ 为分子间距})
6第 6 页 · 范德华力

氢键

上页范德华力普适但弱。可 H₂O 沸点 100°C,远高于同族 H₂S(-60°C)、H₂Se(-41°C),HF、NH₃ 也同族反常——是什么在「额外用力」拉住它们?这就是氢键。

形成条件
H 与 N、O、F 形成共价键后,再吸引另一 N/O/F 上的孤对电子
强度量级
约 5–30 kJ/mol,比范德华力强约一个量级,仍远弱于共价键
饱和性与方向性
一个 H 只能形成一个氢键;X–H···Y 三个原子尽量共线
典型应用
水的沸点反常、DNA 双螺旋、蛋白质二级结构、冰浮于水
已牵手的小孩又伸手拉另一位大人对应 →氢键

H 像这小孩:已抓一个电负性原子(共价键),又去抓另一个(氢键),第二个'拉手'就是氢键

XHY(X,Y{N,O,F})X{-}H\cdots Y \quad (X,Y \in \{N,O,F\})
7第 7 页 · 氢键

价电子与 8 电子稳定结构

前面我们看到水分子有特定空间结构,分子间还有氢键维系。但你想过没有——分子内部,原子之间为什么能紧紧抱在一起?答案藏在最外层电子里。

价电子
原子最外层电子,决定原子的化学性质与成键能力
8 电子稳定结构
最外层达 8 电子(K 层为 2),即稀有气体构型,能量最低最稳定
化学键的形成动机
原子通过得失或共用价电子,使各自最外层达到稳定结构
局限性
存在例外如 BF₃、PCl₅;过渡金属更复杂,不能机械套用
凑满 8 人团购享最低价对应 →原子凑满 8 电子达稳定

都需凑齐指定数量门槛才能享受最优待遇——团购享折扣,原子享最低能量

8第 8 页 · 价电子与 8 电子稳定结构

化学反应的本质(化学键观

前几页我们认识了离子键、共价键这些「牵手」方式。那化学反应到底发生了什么?——本质上,就是这些「牵手」在重新洗牌。

本质定义
反应 = 旧化学键断裂 + 新化学键形成
能量变化
断键吸收能量,成键释放能量
方向判据
新键总键能 > 旧键总键能 → 放热
键能公式
ΔH = ΣE断键 − ΣE成键
拆旧房盖新房对应 →化学反应

拆旧房要花力气(断键吸能),盖新房释放价值(成键放能);盈亏取决于新旧总价值对比

ΔH=E断键E成键\Delta H = \sum E_{\text{断键}} - \sum E_{\text{成键}}
9第 9 页 · 化学反应的本质(化学键观

本节要点

  • 分子内为化学键,分子间为分子间作用力,分属两个层级
  • 描述共价分子:电子式、结构式、空间结构缺一不可
  • 氢键不是化学键,是特殊的分子间作用力
  • 反应本质=旧键断裂+新键形成,能量取决于键能差
  • 8电子稳定有例外,如BF3、BeCl2,需具体判断
延伸主题:极性键与非极性键键能与反应热计算配位键与配合物
10第 10 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考再看参考答案,每题花 3 分钟琢磨,比答案本身更有价值。

1稀有气体氙(Xe)能与氟形成 XeF₂ 等化合物,而氩(Ar)几乎不反应。这说明「8 电子稳定结构」有什么局限?

参考答案Xe 原子半径大、外层电子受核束缚弱,强电负性的 F 可将外层电子拉入成键;Ar 半径小、电子紧密束缚、难以参与反应。8 电子规则对大原子或 d 轨道可参与时不适用。

2H₂S 与 H₂O 分子结构相似(均为 V 型),但 H₂S 沸点(-60°C)远低于 H₂O(100°C)。请从分子间作用力角度解释。

参考答案O 电负性大、半径小,可与 H 形成氢键,分子间作用力强;S 电负性小、半径大,无法形成氢键,仅有较弱的范德华力,故 H₂S 沸点远低于 H₂O。

3CO₂ 是直线型分子而 H₂O 是 V 型分子,但两者中心原子周围都有 4 对电子。如何用价层电子对互斥理论解释?

参考答案VSEPR 中:CO₂ 中心 C 有 2 对成键电子对、无孤对电子对,故呈直线型;H₂O 中心 O 有 2 对孤对电子对,孤对电子排斥更强,将两个 O-H 键压缩为约 104.5°。

11第 11 页 · 课后思考