物质简介/水分子
水（化学式：H2O）是地球表面上最多的分子，除了以气体形式存在于大气中，其液体和固体形式占据了地面70-75%的组成部分。标准状况下，水在液体和气体之间保持动态平衡。室温下，它是无色，无味，透明的液体。作为通用溶剂之一，水可以溶解许多物质。因此，自然界极少有水的纯净物。 微生物易寄在水体表面。水分子心脏能跳动，血液能流动肺能呼吸，关节能活动，肌肉能运动多亏有了人体的冷却系统！－－埃维昂公司瓶装水广告语节选水的功能远不止这些。水是用得最普遍的物质。没有水就没有生命，世界气候就会是另一个样子，最要紧的是无法用微波炉加热食物。水这种物质如此特殊的原因何在？关键在于它的分子结构。
水的形态/水分子
水以多种形态存在，固态的水即我们熟知的冰，气态的水即我们所说的水蒸气（无色，我们看到的白色水气是水蒸气冷凝后的液态小水滴），而一般只有液态的水才被视为水。在其临界温度及压力（647K及22.064MPa）时，水分子会变为一种“超临界”状态，液态般的水滴漂浮于气态之中。重水是普通水的氢原子被它更重的同位素氘所取代而形成的。其化学性质和普通水基本一致，常用在核反应堆中减速中子。在宇宙中在银河系星云中被探明存在水，由于氢和氧是构成宇宙的主要元素，科学家认为其他星系中依然存在大量水。由于星云尘埃的凝聚，形成各种彗星，行星，矮行星及其卫星，水也会存在于这些天体上。在太阳系中，水以固体形式存在于以下天体：月球水星，火星，海王星冥王星天然卫星，如海卫一，木卫二只在地球上发现液态形式的水，科学家也预测说液态水极有可能存在于土卫二的表面。在地球上水以水循环为载体存在于地球上，包括大气层，土壤含水，河流水，地下水，植物含水。地球上的水含量（全部水）大约是1,360,000,000 km? (326 000 000 mi?)。包括了：1,320, 000, 000 km? (316 900 000 mi? 即 97.2%)在海洋中。25, 000, 000 km? (6 000 000 mi? 即1.8%) 在冰川，冰盖，冰原中。13 ,000, 000 km? (3,000,000 mi? 即0.9%) 是地下水。250 ,000 km? (60,000 mi? 即0.02%)是淡水，包括河湖，内陆海。13, 000 km? (3,100 mi? 即0.001%)存在于大气层中。
结构分析/水分子
一个水分子的质量为：水的摩尔质量除阿伏伽德罗常数：18g/mol ÷ 6.022 141 29 *10^23mol^-1 ≈ 3*10^-23 g水分子的书写：H2O是由2个氢原子一个氧原子构成的尽管水的行为复杂又独特，它却是又小又简单的分子。它由两个氢原子分别和一个氧原子键合而成（见图1）。水分子水分子的三个原子形成104.5度角。每个氢原子和氧原子之间的键，叫共价键，通过分享一对电子形成。应当指出，一对电子的共享程度并不均衡。氧比氢更需要电子（这种特性称为电负性）。换言之，氢原子和氧原子键合时，在这个过程中共价电子主要在负电的氧原子周围运动。因此，共价键氧的一侧带负电(-)，氢的一侧带正电(+)（高中物理课本就介绍过-e。注：亦有+e）。如果水是线性分子，这些电荷就无关紧要。这种分子应该对称（见图2）。（为了检验水分子是由三个原子组成的具有对称性性质的分子，画一条横线与一条竖线穿过分子中部。如果分子对称，上下、左右看上去都应该一样。）正电荷均匀地分布在负电荷周围，作用相互抵消。只有一个电荷中心；分子为无极性分子。但是水分子为非线性，呈角分布，因而差异很大。水分子因为呈角分布，因而分子不对称。在负电荷周围，正电荷不均匀分布。作用不能相互抵消，两者都有自己的电荷中心。分子有正负极。这是有极分子，化学家称为偶极子。事实上，水分子是一种特殊的有极分子，其有极属性比几乎其他所有分子都明显。因而水分子呈非线性，且呈角分布。这方面哪怕稍有差池，生命就不会存在。因为偶极子有正极与负极，活像小磁铁。分子的正极吸引邻近分子的负极，从而分子黏在一起。蜂蜜黏性大，就是这个原因。图5为水分子相互吸引的示意图。水分子用虚线表示吸引，因为偶极子间相互吸引涉及氢原子，故称为氢键（氢键表示含氢的有极分子间的相互吸引。氢键比水分子内氧与氢两种原子间的共价键弱）。水分子因其有明显的偶极子属件而由稳固的氢键结合在一起。它们趋于牢牢地粘在一起。牢固到什么程度？用一个医药用的滴管，将水滴小心地滴到硬币上。在水尚未从硬币边沿溢下来之前，数一下硬币上的水滴数。为了用别的方法演示水分子的黏性，在两个玻璃杯或茶杯中分别装上油和水，尽量将它们放平（和平面平行），分别在两种液体上轻轻地放一个用密度比水和油大得多的钢制成的小纸夹。纸夹本应沉入液体中，但事实是它漂浮在水面上，而不是在油上浮着。其实，纸夹浮在水面上并非因为有浮力，或两者存在密度差异，而是因为水有黏性，水面上的分子粘在一起构成透不过去的复盖层，叫表面张力。将纸夹往水面下压，纸夹就会沉下去。黏在一起的分子形成固体和液体。为了使分子不黏在一起而相互分开，并变成气体，必须向水中增加大量的能量，通常都通过加热。就是说，水的沸点高，往往呈液态。必须将水温提高到212°F（100℃），分子才能有足够能量克服氢键的强作用力而分开。温度在32°F（0℃）和212°F之间时，水为液体。世界上几乎所有地区的水全年多半为液体。水分子但是如果水不呈角分布，无极性，而不是有极性，就不会很黏，水的沸点将特别低。如果水无极性，估计在-85°F（-65℃）就会沸腾，那么在地球的所有温度下水都应该是气体。微波炉之所以能烹调食物，是因为食物中含水。水是一种强偶极子。电学上的水是正、负极性很强的分子。微波像无线电波、光和X射线一样是一种电磁辐射能，具有电和磁两种特性。电磁能穿过食物时，导致水等极化分子振动。振动产生热，这种热煮熟放在微波炉中的食物。微波炉并不是常说的由里向外煮熟食物，煮熟食物的热源来自食物内部而不是外部。水妙不可言，实际上是分子的妙不可言。实际上水是液体，水分子呈角分布且有极性，而不是呈线性分布且无极性，因此水成为生命的源泉。
内部结构/水分子
北京大学科学家在世界上首次拍到水分子的内部结构，并揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态。这一成果发表在《自然-材料》杂志上。水分子的内部结构单个水分子、四分子水团簇的内部结构上图显示了水分子在氯化钠表面上的排列方式和单个水分子、四分子水团簇的内部结构单个水分子的内部结构单个水分子的内部结构图像。图中花瓣部分是水分子的电子云，中间的暗缝是水分子内部化学键水分子是地球表面上最多的分子，其内部结构非常基本，但是又具有很多奇妙的化学性质。水作为良好的溶剂为生命存在提供了基本条件，其独特的氢键结构也一直让科学家难以解释。北京大学量子材料中心、量子物质科学协同创新中心江颖课题组与王恩哥课题组合作，在水科学领域取得重大突破，在国际上首次实现了水分子的亚分子级分辨成像，使在实空间中直接解析水的氢键网络构型成为可能。相关研究成果于日以Article的形式在线发表在《自然-材料》[Nature Materials DIO: 10.1038/nmat3848]。江颖和王恩哥是文章的共同通讯作者，博士研究生郭静、孟祥志和陈基是文章的共同第一作者，物理学院的李新征研究员和量子材料中心的施均仁教授在理论方面提供了重要的支持和帮助。这项工作得到了国家基金委、科技部、教育部和北京大学的资助。
水的性质/水分子
水的物理性质是指水的热学、力学、电学、光学、声学等特性，让我们从以下几项指标，来了解水异常惊人的物理特性。纯水密度大部分物质固态时的密度比液态时要高；因此，一块固态纯“物质”会沉入液态的纯“物质”中。但是，一块普通的冰却会在水上浮，这是因为固态水的密度比液态水要“低”。这是水的一项非常重要的特性。在室温时，液态水在温度降低时密度会增加，这跟一般物质无异。但在接近冰点的3.98°C 时，水达到其最大密度，而且当水的温度继续向冰点下降，在标准状态下液态水会膨胀，密度并因此会变“低”。这现象的物理原因跟普通冰的晶体结构有关，该结构又被称为六角形冰I。水、镓、铋、锑和硅都会在凝固时膨胀；其他大部份材料则收缩。但要注意的是，并不是所有种类的冰密度都比液态水低。例如高密度非结晶冰和超高密度非结晶冰的密度都比液态纯水要高。因此，普通冰密度比水高的理由并不能容易地凭直觉所得，而且它跟氢键固有的不寻常特性有很大关系。总的来说，水在凝固时的膨胀是由于其以氢键不寻常的弹性而排成的纵列分子结构，以及能量特别低的六角形晶体形态（也就是标准状态下所采用的形态）。那就是当水冷却的时候，它尝试在晶格形态下成堆，而该晶格会把键的旋转及振动分量拉长，所以一个水分子会被邻近的几个分子推挤，这实际上就减少了当水在标准状态下成冰时的水密度ρ。这特性在地球生态系统中的重要性是不言而喻的。例如，“如果”水凝固的时候密度较高的话，极地环境中的湖泊和海洋最后都会结成冰（从上至下）。这是因为此时冰会沉到湖底及河床，而必要的升温现象（见下文）在夏季时则因暖水层质量比底下的固态冰层低而发生不了。自然界的一个重要特征就是上述并不会在环境中自然发生。然而，冷水（在相关生物系统中的一般自然设定下）因氢键而在从冰点以上的3.98°C所开始产生的不寻常膨胀，为淡水生物在冬季提供了一重要的好处。在表面上被冷冻的水沉下，形成提供对流的水流并冷却整个水体，但当湖水到达4°C 时，若继续冷却则表面水密度降低，形成一表面层，该层水最后会凝固成冰。由于向下的冷水流被密度的转变挡住，冬季任何由淡水所成的大水体最冷的水都会在表面附近，离开湖底及河床。这说明了多种不为人知的冰性质，它们跟湖中的冰相关及像二十世纪早期科学家卡夫特（Horatio D. Craft）所描述的“跌出湖的冰”。以下是水在不同温度下的密度（g/cm）：
温度 (°C)
密度 (g/cm?)
0 °C以下的密度值参看过冷水。热冰热冰是水的另一个惊人现象，即水在室温下，加以10伏特的电场，也能变成冰。这个现象被用来解释云的形成，云层里的冰晶初次形成时需要-10 °C的低温，而后来再次结冰只需要-5 °C，这意味着晶体的结构发生了改变。颜色密度谁都知道：水是无色、无味的液体。 可是，著名诗人白居易在描绘江南水乡美好春色时却说：“日出江花红胜火，春来江水绿如蓝。”是诗人的艺术夸张和丰富想象吗？碧波荡漾的海洋为什么又是蔚蓝色的呢？原来这是由太阳光所引起的，当太阳光照射在浅薄的水层时，光线几乎毫无阻挡地全部透过，因此，水看上去是无色透明的。而当太阳光照射在深水层时，情况发生了变化。不同波长的光的特征就表露出来，产生不同效果。波长长的光线穿透力强，容易被水吸收；波长短的光穿透力弱，易发生散射和反射。红、橙和黄色一类波长较长的光，进入水体，在不同的深度被相继吸收，并利用它们自己储蓄的能量将海水加热；蓝光、紫光波长较短，经散射和反射后映入我们的眼帘，因此，浩渺海水便显得蔚蓝一片。水分子如果水体中含有大量粗而带色的悬浮物，或有为数众多的浮游生物繁殖，水也会出现某种特殊的颜色。例如，红海中生长了大量的蓝绿藻，其体内藻红素将红海变成名副其实的红色海洋；黄海则由于黄河带来大量黄色泥沙而呈黄色；黑海的命名应该归功于其深水中含有的硫化氢；而白海则完全是由于周围环境的皑皑冰雪所致，也难怪古人云“近朱者赤，近墨者黑”。大家知道，一切物质受热时都增大自己的体积，即热胀冷缩，同时减小密度。水也具有这种性质，但是在 0℃和 4℃之间例外，此时随着温度的升高，水的体积并不是增加，而是缩小。4℃时水的密度最大。因此，水的体积和温度之间的关系不是直线关系，而是曲线关系，这和大多数物质不一样。多数物质受热时密度减小（将物质的紧密度或将分子挤压在一起的程度看作密度最为方便），以一块铜币为例。铜币受热时，铜原子运动加快且扩散。铜币所占空间略有增加，密度减小。继续加热直到最后熔解。液态铜的密度肯定比固态小。液体铜受热，其分子继续扩散，密度越来越小。几乎所有的纯物质都按照这一规律，但水例外。水在50°F（10℃）时为液体，我们将水冷却，而不将其加热。据推测，水冷却时，分子运动减慢，相互靠近，水的密度增加。但在39°F（4℃）时出现了反常现象，将水进一步冷却时，水分子开始扩散。32°F（0℃）时，水凝固，水分子进一步扩散，体积增加近10%（在温度低于“凝固点”的地区，必须往汽车水箱中加入防冻液，就是这个原因。一旦水凝固，会将汽车的发动机组胀破）。也就是说，39°F水的密度比32°F时水的密度大。任何温度下，液体水的密度都比冰的密度大。冰块在水面上漂浮，就是这个原因。这一反常现象，归因于冰中的水分子形成一种相当开放的晶体结构。溶解时，这种开放结构崩溃，分子进一步聚拢，加大了物质的密度。这种开放结构只有在水温达到39°F时才完全崩溃。水的反常现象对我们周围的世界产生有趣的影响。例如，季节变化时，湖泊和深的池塘发生的变化。冬天来临，气温下降，湖面的水受冷，密度加大而下沉，下面的温度稍高的水上升又被冷却。温度在39°F以上时，水受冷会下沉。由39°F降到32°F时，水的密度减小，停留在表面，最后凝固成冰。水体自上而下凝固。而几乎所有其他液体是自下而上凝固。湖泊或池塘中的水，自上而下凝固，即使在气温低于32°F时仍能保持液态。水面的冰起了热障的作用，将下面的液体同上面寒冷的空气隔开。除了浅池塘外，水体底部通常保持液态。因此，海洋生物能在严冬中生存下来。水分子将冰逐渐加热融化成0℃的水，这时结晶中的空隙由于水的侵入而被填充，使 0℃水的密度比冰的密度急速增大。但比较起来，此时水的分子空隙并不是完全填满的，其密度应为0.99987g/cm3。可在 4℃时，水的空隙被依次填满了，此时的密度最大，密度为0.9999720g/cm3，相对密度为1．0000000g/cm3。而大于4℃的水则发生热膨胀，分子运动逐渐变得活跃起来，其密度又逐渐变小了。尽管水有上述异常，但它仍然是密度的标准，4℃时，1cm3的水的质量为1g。冰点沸点标准大气压下，水的冰点为0℃，沸点为100℃。不难看出，这又是以水的物理特征为标准，进行温度的测定。如果以氢和化学元素周期表中VIa族的一些化合物，如H2Te、 H2Se、 H2S、 H20相比较，计算一下它们的相对分子量，结果发现水的冰点和沸点不在其他3个化合物的普遍规律性之中，其他3个化合物的相对分子量越大，沸点和冰点就越高。假如水也符合此规律，那么水的冰点似乎应为一90℃-－120℃，沸点大约为一75℃-－100℃，而实际上则分别为全0℃和100℃，相差甚远。水的沸点随压力的增加而升高，很久以前，水的这一性质被用在山地高程的确定上。沸腾时的温度也随水中溶解物质含量的增加而升高。压力和水的冰点之间存在着另一种奇异的关系：在 2200 个大气压以下，随着压力的增加冰点降低；越过 2200 个大气压以后，水的冰点随压力增加而升高。3530 个大气压力下，水于 -17℃结冰；6380 个大气压下为 0℃；16500 个大气压力下为 60℃，而20670 个大气压力下，水在76℃时才结冰。如果后两种情况存在，那么我们便可以得到热冰。但事实是在地球岩石圈和上地幔并不存在着这样温度和压力的组合。汽化熔化为了保证液体能在恒温下蒸发，必须向它提供足够的热量以补偿由于高能分子的逃逸所造成的损失，这份热量称为汽化热。汽化热不是水所特有的，任何液体蒸发时都需要吸收这份热量，只是水的汽化热特别高，才是它的突出之处。水具有超乎寻常的汽化热，在日常生活和生产上得到了应用。比如，大的食堂利用锅炉蒸汽来蒸饭；手扶拖拉机则利用它来散热。汽化热在恒温下是一个常数。温度变了，汽化热将随之发生变化。水分子液态水变成气态的水蒸气，水分子本身的大小依然如故，保持不变，但是，分子间的距离却大大增加了，体积发生了惊人的变化。如1摩尔水，在1个大气压下，100℃时，体积约为18.8mL；当变成水汽后，在同样条件下，体积增大到301000mL。也就是说，体积增大了16000倍。我们可以想象，利用蒸汽做功时，发挥的力量该是多大啊！水的熔化潜热（融解热）很高，在0℃和一个标准大气压下，大约为333.69J/g。这是指水凝结成冰时放出的热量，或冰熔化成水时需要吸收的热量。水的熔化潜热与一般物质相比，除了其值较高（例如，纯铁的熔化"潜"热为 25J/g，硫的是39.8SJ/g，铅的是 23J/g）外，还有一个异常的特点：冰在一个大气压力下的温度，可以为 -1~-7℃之间，看来好像是冰的温度越低，需要熔化它的热就越多，这个结论似乎是理所当然的，我们普通读者--作为热物理学的门外汉--对这个问题大概不会有太多的异议。然而，事实却并非如此，－70℃时，熔化潜热并不是333.69J/g，而是301.45J/g！这真是一个不容争辩，而且相当难以置信、出乎意料的异常特性。冰的温度每降低1度，其熔化热大约减少2J，因为冰的单位热容量比水小。热容量把1克物质的温度升高（或下降）1℃时所需要（释放）的热量称作比热容，在数量上等于此物质的热容量。在 15℃时，水的热容量为41868J/（g·0℃）也就是说，1g水，若要使其温度上升1℃，需要41868J的热量。这又是以水的物理特征作为标准的一个例子。水的热容量比大多数物质的热容量都大（只有氧、铝等的热容量比水大）。例如，土和砂之类的物质，热容量为0．84J/（g·℃），铁和铜等金属仅为 0．42J/（g·℃），酒精和甘油为 1．26J/（g·℃），铂为 0．12J/（g·℃），木料为0．6J/（g·℃）。这种水与土之间热容量的巨大的差异，反映在气候学上，就是海洋性气候比大陆性气候升温慢，降温亦慢，变幅较小的现象。除汞和液态水外，一切物质的单位热容量都随温度的升高而增加。在0～35℃，水的单位热容量随温度升高而降低，在35℃以后，水的热容量则随温度的升高而增加。水的热容量和水的密度一样，与温度的关系不是直线，而是曲线关系。例如，25℃和 50℃时水的单位热容量一样，都是4.17843J/g·℃。雪片水也可以是艺术品。雪是固态水的一种，其形状美丽迷人，是自然界最精美的图案之一。但雪也常常令人想起铲雪、汽车开不动和霜伤等诸多不便。下雪时，取一片雪花放在一张黑纸上用放大镜仔细观察。就会看到雪花呈六边形，这是水分子相连的结果。如果降雪地区气温较高（仍然低于凝固点），雪花会又大又复杂。如果气温很低，雪花小且简单。因为温度较高的空气一般都较潮湿，雪晶体生成时有较多的水分子。这些不寻常的晶体形状差异很大。有的内部扁平像绣出的六边形，或六边圆柱体，或是星形，六边支叉从中心向外不同的方向辐射。雪晶体的形状很大程度上取决于温度，也受到雪花落到地面的速率等其他因素的影响。雪片的结构完全开放，就是说，雪晶体有许多大孔。因此，雪的密度比普通的冰低得多（众所周知，冰的密度又比液体水低）。实际上，厚50英寸的干粉末状的雪溶化后只有约一英寸厚的雨水。水蒸气在尘埃周围聚集凝固，在高层大气中形成雪。雪通常不是由液体水凝固而成，这倒挺有意思的。水分子常言道找不到两片完全一样的雪花。这种说法是否站得住？从某种意义说，是正确的。普通的雪晶体约有1019个水分子。它们的三维组成几乎是无穷的。任何两片雪花的分子结构都不一样。乍一看，雪片的外形和大小都相似。《今日美国》的气象学家杰克·威廉姆斯在《天气》一书中说到：“许多小的雪晶体结构简单，为六面形雪片，形状上没有明显的不同。即使再复杂的晶体也可能相似”。表面张力表面张力是水以及固体的边界分子联结、"集合"、缩小体积（内聚力）的一种能力。水的表面分子凝聚形成张力膜，若要破坏张力膜需要相当大的力，也就是说，水的表面张力比较大。比水重8倍多的东西，比如保险刀片和针等能够平放在水面上而不会沉入水下。 18℃时水的表面张力是 72X10－5J/cm2，应该说这个数值是很高的，因为，酒精的表面张力为22 X 10-5J/cm2，丙酮为24 X 10-5J/cm2，汽油为29 X10－5J/cm2。事实上，水的表面张力在所有液体中仅次于水银（其表面张力约为 500X10－5J/cm2）而名列第二。水所具有的较强的表面张力控制着土壤和植物中的水分存在状况，影响着地球表层的自然地理现象。水还有一个奇怪的性质，就是在细玻璃管（毛细管）中可以观察到"粘着性"（附着性）。毛细管中的水向上升，与引力（重力）相反。在与空气接触的边界层里，水分子的凝聚力，同水使管壁湿润对管壁"粘着"力相配合，结果，毛细管中便形成高于自然水面的凹形面。具有更大表面张力的汞没有粘着力，所以汞在毛细管中不是凹形面，而是凸形面。必须注意，水对油质管壁不粘着，比如水在内壁涂以石蜡的毛细管中的液面，如同汞一样是凸形，而不是凹形。毛细常数的概念是指液体的上升高度与毛细管半径的乘积。纯水的毛细常数随温度的升高而呈线性减小，而在达到极限时等于零。15℃时水的极限毛细上升高度，粗砂为0.2m，细砂为1.2m，而纯粘土则为12m。上升持续的时间是：粗毛管为5～10天，细毛管16个月，这在土壤物理学上有着重大的实际意义。动力粘滞性水的这个性质在通过孔隙介质（比如沙）的渗透过程中有很大意义。矿化水，尤其是盐水，在相同温度下透过孔隙介质时，其粘滞性大大提高。0℃条件下，纯水的动力粘滞系数为1．789 X 102Pa·s，而100℃时只是0．282X102Pa·s，少了约5/6。为比较起见，我们以汞的粘滞系数为例，0℃时等于 1．69X102Pa· s，100℃时为 l．22X102Pa· s，仅仅减少了 7%。水蒸气的粘滞系数，15℃时只有 0 98Pa· s，即比同温度下水的粘滞系数小得多，差了180倍。水的粘滞性高和表面张力大，合起来的作用使农田水分流失较慢，无需经常灌溉；反之，如果水分流失较快，就需要经常灌溉。介电常数电容器的电容C，由于电极板之间存在的物质种类不同而有很大的变化。这种变化的程度，可用下式定义的介电常数。来表示，其数值为该物质及其状态所固有：C=εC0 式中，和εC0分别为在电极板间有物质存在时和真空时电容器的电容。的值，在空气中是1．0006，在云母中为604，在CS2中为2.6左右，水的值特别大，一定条件下为80左右。水的介电常数高是由于分子极性强造成的，这个性质使水成为一种优良溶剂。其他性质水除了具有上述较为奇异的物理性质外，还有一些其他异常的物理特性，例如，水的导热性较其他液体小，在20℃时水的热导率为 0.00599 J/（s· cm·℃），冰的热导率为 0.0226 J/（s·cm·℃），雪的热导率与雪的密度有关，当密度为 0．1kg/L时，其热导率为 0.00029 J/（s·cm·℃）。水的压缩率很小，体积压缩系数为 4.74X10-10m2/N，一般认为不可压缩。光在水中的传播速度为空气中的75%。水的折射率为1．33，所以在以空气为界面的情况下，光在水中可以产生全反射。纯水几乎是不导电的，天然水有微弱的导电性，含有离子杂质(盐类)的水则是良好的导体.
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化学竞赛 第二讲 分子结构
分 构子结字典中的”键”1、使轴与齿轮、皮带轮等连接并固定 在一起的零件。 2、插门的金属棍子。生物中的腱连接肌肉与骨骼的结缔组织，白色，质地坚韧。物理中的“键”连接电路,使电路开合或改变线路的装
置。[比较归纳]：这些键（腱）都 起着什么共同的作用？连接化学键1、定义：物质中直接相邻的原子或离子 之间存在的强烈的相互作用叫做化学键。 理解要点 : （1）直接相邻 （2）原子或离子 之间 （3）强烈的相互 2、分类：离子键、共价键、金属键 作用离子键１．定义:使阴、阳离子结合成化合物的相互作用， 叫做离子键。含有离子键的化合物，叫做离子化合物。氯化钠的形成过程Na+11 2 8 1e-Na+ Cl-Cl+17 2 8 7思考在氯化钠晶体中，Na+和Cl- 间存在哪些作用力？Na+和Cl-之间的静电吸引作用 电子与电子间原子核与原子核间 当阴阳离子接近到某一定距离时，吸引和排斥 作用达到平衡，阴阳离子间形成稳定的化学键。 的静电排斥作用1．形成离子键的微粒是什么？ 阴、阳离子2．在离子化合物中,离子间有哪些作用?静电引力和静电斥力(统称静电作用)3．哪些元素的原子之间可能形成离子键？活泼金属（第ⅠA族、第ⅡA族）的金 属与活泼非金属（第ⅥA族、第Ⅶ A 族的非金属）电负性差值大于1.7在元素符号周围用小黑点或小叉表示最外层电子的式子叫电子式。原子、离子、离子化合物电子式的书写规律1、原子的电子式：在原子元素符号周围用“? ” 或“×”来表示最外层电子，最外层有几个电 子，就点几个点。 2、简单阳离子的电子式：阳离子的离子符号 3、简单阴离子的电子式：一般情况，在元素符 号周围点4对电子，用中括号括起来，标上离 子所带的电荷数。 4、离子化合物电子式：把阴、阳离子的电子式 结合起来即可，注意有多个阴、阳离子时，不 能合并，要把阴、阳离子的电子式间隔排列。Cl2分子共价键1、定义： 原子间通过共用电子对所形成的 的化学键。 2、成键微粒： 原 子3、成键本质：共用电子对 4、成键原因：不稳定要趋于稳定；体系 能量降低5.成键过程中的能量变化：放出能量6.共价分子的表示方法： 电子式结构式物质分子的几种表示方法：描述金属键的最简单的理论是“电子气”理 论. 该理论把金属键描述为金属原子脱落下来 的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”.这 些电子不是专属于某几个特定的金属离子,而 是均匀分布于整个晶体中,被所有原子共用, 从而把所有的金属原子维系在一起.金属原子 则“浸泡”在“电子气”的“海洋”中.苏教版高中化学资讯中心 新化学网 () 17金属键1.定义：金属离子和自由电子之间的强烈的相互作 用。2.形成 成键微粒:金属阳离子和自由电子 存在:金属单质和合金中3.特征: 无方向性,无饱和性?路易斯结构式：用“―”表示共价键/键合电子/成 键电子；用“ ?”表示孤对电子/非键合电子。 简单分子的路易斯结构式可用观察法直接得到。?路易斯结构式书写步骤（1） 按原子的键合关系写出元素符号并将相邻原子用单键连接. 在大多数 情况下,原子间的键合关系是已知的, 例如, NO2中的键合关系不是N― O―O, 而是O―N―O. 有时还可作出某些有根据的猜测。 （2）将各原子的价电子数相加, 算出可供利用的价电子总数. 如果被表达的 物种带有正电荷, 价电子总数应减去正电荷数; 如果被表达的物种带有 负电荷, 价电子总数应加上负电荷数。 （3）扣除与共价单键相应的电子数(单键数×2)后，将剩余的价电子分配给 每个原子, 使其占有适当数目的非键合电子。对第2周期元素而言, 非 键合电子数与键合电子数之和往往能使每个原子满足八隅律。 （4）如果剩余的电子不够安排，可将一些单键改为双键或叁键。对于复杂分子，先根据分子中各原子的价电子数计算出分子 的总价电子数，写出骨架结构式，根据“八隅体规则” 判断该 分子的 Lewis 结构式。原子排列遵循的一般规律：? ? ?氢原子总是形成单键，碳原子通常是4个键。在含有几个氧原子和一个非金属原子的化合物或离 子里，氧原子通常围绕非金属中心原子排列。 含氧酸中，可电离的氢原子通常与氧原子键合，而 氧原子与非金属原子键合。如H―O―X同一分子有几个碳原子，可能会键合成链状或环状。?例1：写出氯酸根离子 ClO3- 的路易斯结构式.解：Cl 原子的电负性小于 O 原子，意味着不存在 O－O 之间的 键合. 合理的排布应该如下所示： O Cl O OClO3-离子中价电子总数等于 26(四个原子的价电子数相加再加 1), 扣除3个单键的6个电子，余下的20个电子以孤对方式分配给四 个原子, 使它们均满足八隅律的要求。例2：写出 NO+ 离子的路易斯结构式.解：NO+ 离子只可能有一种排布方式 + + + +NONONONONONO+ 离子中价电子总数等于10 (两个原子的价电子数相加后减 1) ，扣除 1 个单键的 2 个电子， 余下的 8 个电子无论按上图中第二个 那样以孤对方式分配给两个原子，还是按上图中第三或第四个那样 将 N－O 单 键改为双键，都不能使两个原子同时满足八隅律的要求 . 这一要求只有将单键改为叁键才能满足.例3：写出 BF4- 离子的 Lewis 结构.解：各原子共提供3+4×7=31个价电子；离子的一价负电荷表明还 应加一个电子. F F B FF解：CH2O总价电子数为各原子价电子数之和：4+2+6=12个 余下6个电子分布：例4：写出甲醛CH2O的结构式HHHHCOCOC与O形成双键，可使C与O具有8隅体，且可使C与O 原子可能提供的价电子数与成键电子数一致例5：画出HNO3 、CO32- 、H2SO3、SO2Cl2、SO42-的路易斯结构式。HNO3O H O N OCO322-H2SO3H O S O H OO O C O24e ―24e ―26e ―SO2Cl2SO42－2-o clso clo o s o o32e ―32e ―?①缺电子结构 ―― 包括形成共价键的共用电子对 之内，少于 8 电子的，称为缺电子结构。如第 3 主族的硼和铝，典型的例子有 BCl 3 、 AlCl 3 ，缺电子 结构的分子往往有形成配合物的能力。例如：BCl3 ＋:NH3＝Cl3B←NH3?能够接受电子对的分子称为“路易斯酸”，能够给出电子对的分子称为“路易斯碱”。路易斯酸 和路易斯碱以配价键相互结合形成的化合物叫做 “路易斯酸碱对”。?②多电子结构 ――如 PCl5里的磷呈 5价，氯呈 -1价。中性磷原子的价电子数为 5。在PCl5磷原子的周围的电子数为 10 ，超过 8 。这种例外只有第 3 周期或更高周期的元素的原子才有可能出现。路易斯结构式的局限性??对作为中心原子的第3周期及其以下周期的元素而言, 价层电子数可以 大于 8。例如，[SiF6]2-，PCl5 和 SF6 中的中心原子价层 电子数 分别为 12，10 和 12 (超价化合物)。 对于 氧分子的结构，第一种表示虽然符合路易斯结构式，但它不能表 达氧分子显示的磁性，后两种表示方法对。?? O? ?O?? ?? ??? ?O?O? ? ????? ?? ?O?? ? ? ?O ?? ?有些物种的合理结构能写出不止一个. 例如对 NO3- 离子而言，可以写 出能量相同的三个式子（但3个式子都不代表NO3-离子的实际构），此 时鲍林的共振论此时应运而生 。O N OOO N+ OO N OOO二、σ键和π键――价键理论(一)?又称电子配对法：共价键是由不同原子的电子云重叠形成的，是1927年海特勒(Heitler)和伦敦 (London)用量子力学处理H2问题所得结果的推广。两个核外电子自旋方向相反的氢原子靠近V势能0r核间距r0v势能0r0r核间距r0v势能0r0r核间距两个核外电子自旋方向相同的氢原子靠近v势能0r核间距氢气分子形成过程的能量变化共价键的形成与类型根据共价键形成的本质，请解释氢分子为 H 2 而 不是H3？↑↓1sH2根据H2分子的形成过程，讨论HF分子、H2O分 子和NH3分子的形成1s↑↓↑↓ ↑↓ ↑↓1s↑↓ ↑↓1s↑ ↓↑ ↓2s2p2s2pHF1s↑↓↑↓O H21s↑↓1s↑↓2s2pN H3 2共价键的特征1、具有饱和性 在成键过程中,每种元素的原子有几个未成对电 子通常就只能形成几个共价键，所以在共价分 子中每个原子形成共价键数目是一定的。形成的共价键数未成对电子数哪些电子云重叠方式有利于共价键的形成？以最简单的s电子和p电子为例分析:s－ s头碰头s－ p头碰头头碰头p－p肩并肩s－ s s－ p p－p“头碰头”σ 键p－p“肩并肩” π 键共价键的特征1、具有饱和性2、具有方向性共价键的方向性是指一个原子与周围原子形成 共价键有一定的角度。共价键具有方向性的原 因是因为原子轨道(p、d、f)有一定的方向性， 它和相邻原子的轨道重叠成键要满足最大重叠 条件。共价键的分类σ键：原子轨道以“头碰头”方式互相重叠形 成的共价键。(如：s－s，s－p，p－p) π键：原子轨道以“肩并肩”方式互相重叠形 成的共价键。(如：p－p )大量化学事实表明：上述σ键和π键只是共价键中最 简单的模型，此外还存在十分多样的共价键类型。如苯环中的大π键、硫酸根中的大π键、硼烷中的多中心键等。?σ键的特点是重叠的电子在两核连线上，受原子核束缚力 较大，重叠程度也大，比较牢固，σ键绕轴旋转时，电子 云重叠程度不受影响。π键的特点是重叠的电子云分布在两核连线的两方，受 原子核束缚力小，电子云重叠程要比σ键小得多，所以π 键不如σ键牢固。π键绕键轴(两轴连线)旋转后会发生破 裂。 所以π键电子的能量较高，易活动，其化学性质较σ键活 泼。 一般来说，π键不能独立存在，总是和σ键一起形成双键 或叁键。???思考试分析 H 2 、 HF 、 F 2 中分别存在哪一种类型的σ键？N2分子在空气中很稳定，主要是因为N原 子间形成了N≡N，请根据原子轨道表示式 及共价键的特征，一起分析氮气分子中氮 原子的轨道如何重叠形成共价键的？共价键的形成与类型H? + H?↑↓H:H1sH2H H s－s σ键共价键的形成与类型1s↑↓↑↓ ↑↓ ↑↓2s2pHFHFs－p σ键共价键的形成与类型↑↓↑↓↑↓↑↑↓↑↓↑↓↓2s2p2s2pFFFFp－p σ键N原子外围电子轨道表示式2pz↑↓↑↑↑2px2s2px2py2pz2py2px2py2pzN≡N分子结构分析2pzπ键2pz2pxσ键2px2py2pyπ键N≡N分子：1个 σ键和2个π键价层电子对互斥理论(VSEPR)? ?VSEPR：Valence Shell Electron Pair Repulsion 1940年希吉维克(Sidgwick)和坡维尔(Powell)在总结实验事实的基础上提出了一种简单的理论模 型。?20世纪50年代经吉列斯比(R.J.Gillespie)和尼霍 尔姆(Nyholm)加以发展。价层电子对互斥理论中心内容为：?在ABn型的分子中，中心原子A周围电子对排布的 几何形状主要取决于中心原子A的价电子层中的电 子对(包括成键电子对和孤对电子对)的互相排斥作 用。分子的几何构型总是采取电子对相互排斥最 小的那种结构。价层电子对相互排斥作用的大小决定于电子对之 间的夹角和电子对的成键情况。一般规律为：?? ?电子对之间的夹角越小排斥力越大； 电子对之间斥力大小的顺序： (i) l―l＞l―b ＞b―b l：孤电子对；b：成键电子对 (ii)t―t ＞t―d ＞d―d ＞d―s ＞s―s t―叁键；d―双键；s―单键ABm型分子（A是中心原子、B为配位原子），分 子中价电子对数可能通过下式确定：中心原子的价电子数 ? 每个配位原子提供的价电子数×m n? 2?在正规的共价键中，氢与卤素每个原子各提供一 个共用电子，氧族元素(ⅥA族)原子作为配位原子 时，可认为不提供电子(如氧原子有6个价电子，作为配位原子时，可认为它从中心原子接受一对 电子达到8电子结构)；但作为中心原子时，氧族 原子提供所有6个价电子，卤族原子提供所有7个 价电子。?如果讨论的是离子，则应加上或减去与离子电荷 相应的电子数。如PO43－离子中P原子的价层电子 数应加上3，而NH4＋离子中N原子的价层电子数则 应减去1。如果价层电子数出现奇数电子，可把这个单电子 当作电子对看待。如NO2分子中N原子有 5个价电 子，O原子不提供电子。因此中心原子N价层电子?总数为5，当作3对电子看待。理想构型价电子 对数目 几何 分布 2 直线形 3 平面 三角形 4 正四 面体 5 三角 双锥 6 正八 面体苏教版高中化学资讯中心 新化学网 ()59判断共价分子构型的一般规则??确定中心原子价电子对数。根据价电子对数，从下表中选出相应的几何构型。?绘出构型图，将配对原子排布在中心原子周围， 每一电子对连接一个配位原子，剩余的电子对称 为孤对电子对，也排在几何构型的一定位置上。根据孤电子对，成键电子对之间相互排斥力的大 小，确定排斥力最小的稳定结构，并估计这种结 构对理想几何构型的偏离程度。??电子对 ： 数目空间 构型成键电 子对数孤电子 对数排列方式分子 构型实 例2直线 三 角 形2 3 2 40 0 1 0 1 2直线 三角形 V ―形 四面体 三角锥 V ―形BeCl2 CO23BF3 SO3SnBr2 PbCl24四 面 体CH4 CCl4 NH3 PCl3 H2O3 25 三 角 双 锥 4 3 20 1 2 3三角双 锥 变形四 面体 T ―形 直线形PCl5 SF4 BrF3 XeF2566 八 面 体 5 401 2八面体四角锥 正方形SF6IF5 XeF4例：CH4 中心原子C的价层电子对 （4+4）÷2＝ 4 其中孤对电子对 4 － 4＝ 0 查表，CH4为 正四面体构型 键角109.5°例：NH3 中心原子N的价层电子对 （5+3）÷2＝ 4 其中孤对电子对 4 － 3＝ 1 查表，NH3为 三角锥形键角107.3°例：H2O 中心原子O的价层电子对 （6+2）÷2＝ 4 其中孤对电子对 4－ 2＝ 2 查表，NH3为 V形 键角104.5°如上所述，用 VSEPR 理论可以预测分子的几何构型以及估计键角的变化趋势，特别是判断第一、二、三周期元素所形成的分子（或离子）的构型，简单方便。但用来预测含有 d 电子的过渡元素以及长周期主族元素形成的分子与实验 结果有出入。同时，VSEPR 理论也不能说 明共价键的形成和稳定性。杂化轨道理论-价键理论（二）甲烷是正四面体结构，四个 C―H键的键长均为 。 109.1pm，键角均为109 28′。如果按价键理论， 碳原子具有两个未成对电子，只能与两个氢原子 。 形成CH2分子，且键角应90 ，这与实验事实是不 符合的。在BCl3、HgCl2分子中也有类似 情况。 1931年,鲍林和斯莱特在价键理论的基础上提出 了轨道杂化的概念,较好的解释了许多分子的空间 构型问题,形成了杂化轨道理论。理论要点 轨道杂化的原理就是原子在化合过 程中,为了使轨道重叠更多,形成的化学键更 强,更有利于体系的能量降低,趋向于将不同 特征(如s和p)轨道混合起来,重新分配能量和 改变空间伸展方向,以满足化合的需要。 在形成分子的过程中，同一原子 中能量相近的几个原子轨道经过混杂平均化， 组合出数目相同的新的原子轨道，这种混杂 均一化过程称为原子轨道的“杂化”，所得 新的原子轨道称为杂化轨道。 注意：在孤立的原子中，原子轨道不能杂 化。1、在形成分子时，原子中只有那些能量相近的不同类型的 原子轨道才能进行杂化，如ns，np； (n-1)d，ns，np 等。 2、杂化前后原子轨道的总数没有变化。原子中有n个不同类 型的原子轨道参与杂化，杂化后仍有n个新的杂化轨道 形成。 3、杂化轨道在成键时更有利于轨道间的重叠。因为原子轨道 经杂化后，电子云的分布发生改变，成键时在较大的一 头 重叠，可以重叠得更多，形成的共价键更加牢固，生成 的分子更稳定，增强了成键能力，所以一般成键过程中， 总同时发生杂化。 4、形成的杂化轨道之间应尽可能地满足最小排斥原理。化学 键间的排斥力越小，系统越稳定。为满足最小排斥原理， 杂化轨道间的夹角应达到最大。杂化的过程形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠等过程。C：2s22p22s2pCH 4的形成2s2p激发2s32psp 杂化sp3sp3杂化及其成键过程杂化轨道的类型（1）sp杂化1个s轨道1个p轨道杂化当中心原子取sp杂化轨道时，形成直线 形的骨架结构，中心原子上有一对垂直于分子骨 架的未参与杂化的p轨道。 例如CO2中的碳原子、H-C≡N:中的碳原子、 BeF2分子中的铍原子等等都是sp杂化。sp杂化轨道 :激 发BeF2 的立体结构为线性杂 化CO2乙炔（2）sp2杂化1个s轨道2个p轨道杂化 BCl3、CO32C、NO3C、H2C=O、SO3、烯烃&C=C&结构中的中心原子都是以sp2杂化的。 以sp2杂化轨道构建结构骨架的中心原子必有一 个垂直于sp2 -骨架的未参与杂化的p轨道，如果这个轨道跟邻近原子上的平行p轨道重叠，并填入电子，就会形成π 键。如，乙烯H2C=CH2、甲醛H2C=O的结构图：H C H C H H =?键H H C C H HH C H O =?键H H C Osp2杂化sp2杂化：乙烯（3）sp3杂化CH4、CCl4、NH4+、CH3Cl、NH3、H2O等等都采取sp3杂化。2s2pC：2s22p2甲烷、乙烯、乙炔的结构及 sp 3 、 sp 2 、 sp 杂109.5化.sp 3 杂化轨道碳原子的四个 sp 杂化轨道3甲烷分子pZ 120sp 2..碳原子的 sp 杂化轨道和 p Z 轨道3乙烯分子乙炔的σ键乙炔分子..杂化轨道理论如何解释分子的几何构型三角锥形不等性sp3杂化NH 32p?HNH ? 107ο 18'sp3杂化2sH 2O?HOH ? 104 30ο'2p 2ssp 杂化3sp3不等性sp3杂化与中心原子键合的是同一种原子，分子呈 高度对称的正四面体构型，其中的4个sp3杂化 轨道没有差别，这种杂化类型叫做等性杂化。中心原子的4个sp3杂化轨道用于构建不同 的σ 轨道，如H2O的中心原子的4个杂化轨道分 别用于σ 键和孤对电子对，这样的4个杂化轨 道显然有差别，叫做不等性杂化。氧原子以两 个sp3的杂化轨道与氢原子的1s轨道成键，两对 孤对电子分别分布在另两个sp3的杂化轨道上。小结:杂化轨道的特点1.形成分子时，通常存在激发、杂化和轨道重叠 等过程。 2.原子轨道的杂化只有在形成分子的过程中才会 发生,孤立的原子是不可能发生杂化的 3.杂化轨道的数目杂化前后轨道数目不变。 4.杂化后轨道伸展方向，形状发生改变。 5.只有能量相近的轨道才能杂化（2s2p） 6.杂化轨道成键时要满足化学键间最小排斥原理 杂化轨道间的夹角→分子空间构型7.杂化轨道的角度部分一头大，一头小，成键 时利用大的一头，可以使轨道重叠程度更大， 从而形成稳定的化学键。即杂化轨道增强了成 键能力。 8.杂化轨道所形成的化学键全部为σ 键.共价分子的性质共价键的强度，可以通过表征键的性质的某些物理量来描述。 这些物理量如键长、键角、键级以及键能等，统称为键参数。 键长 1、定义 ：分子中两原子核间的平衡距离称为键长。 例如：氢分子中两个氢原子的核间距离为76pm，所以H―H 键的键长为76pm。 2、键长缩短，键能增加，共价键更为稳定。从表中的数据可以看出，H―F 、H―Cl 、H―Br 、H―I的 键长依次增加，表明核间距增大，键的强度减弱。因此HF 到HI分子的热稳定性逐渐减小。而碳原子间形成单键、双键和叁键的键长逐渐缩短，键 的强度也逐渐增强，愈加稳定。3、同一种键长，例如羰基C=O的键长，随分子不同而异，通常的数据是一种统计平均值。键长的大小与原子 的大小、原子核电荷以及化学键的性质(单键、双键、 三键、键级、共轭)等因素有关。键能在常温(298K)下基态化学键分解成气态基态原子所需要的能量。 对于双原子分子,键能就是键解离能。?这里所说的是共价键的键能，不同类型的化学键有不同的键能。 离子键的键能叫晶格能，金属键的键能叫内聚能。 键能数据不是直接测定的实验值，而是根据大量实验数据综合所 得的一种统计平均近似值。 例如: H2O中有两个O―H键，要断开第一个O―H键所需能量为 502kJ? mol-1，而要断开第二个O―H键只需426kJ? mol-1。表中所列 O―H键的键能为460kJ? mol-1，这是多种化合物中的O―H键的断键 能量的平均值。?共价键 H-H H-N H-O H-S H-P H-F H-Cl H-Br H-I C-H C-C C=C C≡C C-N C=N C≡N C-O C=O C-P键能/kJ? molC1 436.4 393 460 368 326 568 432 366 298 414 347 620 812 276 615 891 351 745 263共价键 C-S C=S N-N N=N N≡N N-O N-P O-O O=O O-P O=S P-P P=P S-S S=S F-F Cl-Cl Br-Br I-I键能/kJ? molC1 255 477 193 418 941 176 209 142 499 502 469 197 489 268 352 157 243 196 151? ?? ?一般说来，键能越大表明键越牢固，由该键构成的分子也就越稳定。 同周期元素的同类键(如H-F、H-Cl、H-Br、H-I)的键能从上到下减小。 但F-F键能明显反常，竟然比Cl-Cl甚至Br-Br的键能还小。主要 是由于氟原子过小，一个原子的电子对另一原子的电子会因形成分 子而互相排斥。 键能对估算化学反应中的能量变化还很有实用价值。 化学变化的实质是化学键的改组。化学变化的热效应就是来源于化 学键改组时键能的变化。例如CH4燃烧生成CO2和H2O： CH4 + 2O2 = CO2+2 H2O 可用结构简式表明上述化学反应化学键改组情况，并参 考各物质的键能：当1molCH4燃烧时，反应物断键共需吸收能量 1660kJ+996kJ=2656kJ 而生成物成键共释放能量为 1596kJ+1860kJ=3456kJ 即随着1molCH4气体完全燃烧时，从键能估算，肯定是 一个放热反应，可获得的化学能为： 0（kJ） 实验直接测定1molCH4完全燃烧可以放出818kJ，两者 很近似。键角键角是指多原子分子中原子核的连线的夹角。?它也是描述共价键的重要参数。然而，键角不像键长和键能，一 个分子一个样儿，不可能形成通用数据。 利用分子的振动光谱可以获得键角的实验值。键角的大小严重影 响分子的许多性质，例如分子的极性，从而影响其溶解性、熔沸 点等。?由表中数据可以看出，知道一个分子的键长和键角，就 可以确定分子的几何形状。键的极性与分子的极性 （一）键的极性 1、非极性共价键 在共价键中，若成键的两原子属于同种元素，电负性差 值为零，这种共价键称为非极性共价键。2、极性共价键若成键的两个原子所属的元素的电负性差值不等于零， 这种共价键称为极性共价键。键的极性与电负性差有关，两个原子的电负性差值越大， 键的极性就越大。（二）分子的极性1、非极性分子 由相同原子组成的双原子分子，两个原子的电负性相 同，对共用电子对的吸引力相同，分子中电子云分布均匀， 整个分子的正电荷重心与负电荷重心重合。这种分子叫非极 性分子，分子中的键是非极性共价键。如H2，Cl2。 2、极性分子 由两个不同原子组成的双原子分子，分子的正电荷重心 与负电荷重心不相重合，形成正负两极。这种分子叫极性分 子，分子中的键是极性共价键。例HCl。。分子的极性不仅与键的极性有关，而且与分子的空间构型有关。如果组成分子的化学键是极性键，对于双原子分子则一定是极性分子，而对于多原子分子来说，就要考虑分子 的空间构型。空间结构对称（直线形、等边三角形、正四面体等）的多原子是非极性分子。一种简单的方法是：如果在分子中能找到2个轴，绕轴旋转180度，分子能重合则此分子 是非极性分子。 例如，NH3 和 BF3两种分子 虽然 N－H 键和 B－F 键都是极性键，但是具有平面三 角形构型的 BF3 分子，其正、负电荷重心相重合，是非极性 分子；而具有三角锥形构型的 NH3 分子，其正、负电荷重心 不相重合，是极性分子。?在极性分子中，其极性的大小用偶极矩 ? 来衡量。大小相等，符号相反彼此相距为 l 的两个电荷（+q 和-q）组成的体系称为偶极子， 其电量与距离之积，就 是分子的偶极矩。 q-q+l偶极矩(μ )：度量极性的物理量μ＝q×lq：偶极子两极(带相同电量的正电端和负电端)的电量。l：偶极子两极的距离(偶极子长)。偶极矩 ? 的单位称为“德拜”，用 D 表示 。偶极矩??0的共价键叫做非极性共价键；偶极矩?≠0的共价 键叫做极性共价键。 偶极矩 ??0 的分子叫做非极性分子 ;偶极矩 ?≠0 的分子叫做 极性分子。某些分子的偶极矩实测值分子 H2 F2 P4 S8 O2 O3 HF HCl HBr偶极矩??D分子 HI H 2O H 2S NH3 SO2 CH4 HCN NF3 LiH偶极矩??D0 0 0 0 0 0.54 1.92 1.08 0.780.38 1.85 1.10 1.48 1.60 0 2.98 0.24 5.88■同核双原子分子的实测偶极矩都等于零，是非极性分子。 ■异核双原子分子HF、HCl、HBr、HI的极性依次减小。 ■多原子分子的几何构型决定了分子的偶极矩是否等于零，因此，测定偶极矩可用来判别分子的几何构型。注意：1、偶极长不是核间距。异核键的偶极长跟两个原子的电负 性差值的大小有关。 电负性大的原子的对键合电子的吸引或 偏移能力强，负电中心向它偏移，与正电中心不重合。异核 键的两原子电负性差值越大，键偶极长就越大。2、偶极矩是矢量，其方向是从正电重心指向负电重心。-q- q+ q+ qO Cμ=0O H + Hμ=1.85DOO Oμ=0.54DO判断分子偶极矩的矢量法举例分子间力除化学键(共价键、离子键、金属键)外，分子与分子之 间，某些较大分子的基团之间，或小分子与大分子内的基团 之间，还存在着各种各样的作用力，总称分子间力。相对于 化学键，分子间力是一类弱作用力。 化学键的键能数量级达 102，甚至103kJ/mol，而分子间力的能量只n~n? 10kJ/mol的数 量级，比化学键弱得多。 相对于化学键，大多数分子间力 又是短程作用力，只有当分子或基团距离很近时才显现出来。一、范德华力范德华力最早是由范德华研究实际气体对理想气体状态方程的偏差提出来的。 范德华力普遍地存在于固、液、气态任何微粒之间。微 粒相离稍远，就可忽略；范德华力没有方向性和饱和性，不 受微粒之间的方向与个数的限制。分为色散力、诱导力和取 向力。（一）几种偶极 1、瞬时偶极 由于分子中的电子在不停地运动，原子核也在不断地振 动，经常会出现电子和核间的相对位移。所产生的偶极矩。 2、诱导偶极 在外电场的作用下，分子发生变形，正负电荷重心发生 相对位移，所产生的偶极。 3、固有偶极 极性分子本身具有的偶极。（二）分子间力的类型 1、色散力瞬时偶极和瞬时偶极之间的作用力。色散力存在于所有 分子之间。色散力没有方向，分子的瞬时偶极距的矢量方向在时刻 变动着。分子越大，分子内电子越多，分子刚性越差，分子 里的电子云越松散，越容易变形，色散力越大。 衡量分子变形性的物理量叫做极化率(符号α )。 分子 极化率越大，变形性越大，色散力就越大例：下列两组物质的色散力大小 1）卤素单质；2）卤化氢 解：卤素单质按色散力从大到小：I2, Br2, Cl2, F2; 卤化氢按色散力从大到小：HI, HBr, HCl, HF 思考：实际上卤化氢中HF的沸点高于HCl, 说明在HF分子 中还存在其它的相互作用？可能是什么？2、诱导力固有偶极与诱导偶极之间的作用力，存在于极性分子之 间或极性分子与非极性分子之间。 诱导偶极矩的大小由(1)固有偶极的偶极矩大小和(2)分 子变形性的大小决定。极化率越大，分子越容易变形，在同 一固有偶极作用下产生的诱导偶极矩就越大。 极化率相同的分子在偶极矩较大的分子作用下产生的诱 导力也较大。-± +-+附图 诱导力产生的示意图3、取向力分子固有偶极之间的作用力，存在于极性分子中。取 向力只有极性分子与极性分子之间才存在。分子偶极矩越 大，取向力越大。对大多数极性分子，取向力仅占其范德华力构成中的 很小分额，只有少数强极性分子例外。相互接近距离较远时距离较近时附图 取向力示意图（三）各种分子间的作用力 1、非极性分与非极性分子 只存在色散力两种异极 相邻状态两个非极性 分子靠拢2、非极性分子与极性分子之间 色散力、诱导力3、极性分子与极性分子之间 色散力、诱导力、取向力（四） 范德华力构成对比分子 分子偶极矩 ?/D 分子极化率 ?/10C24cm3 取向力 kJ/mol 诱导力 kJ/mol 色散力 kJ/mol 范德华力 kJ/molAr CO HI HBr HCl NH3 H2O0 0.10 0.38 0.78 1.03 1.47 1.941.63 1.99 5.40 3.58 2.65 2.24 1.480 0.003 0.025 0.69 3.31 13.31 36.390 0.008 0.113 0.502 1.00 1.55 1.938.50 8.75 25.87 21.94 16.83 14.95 9.008.50 8.75 26.00 23.11 21.14 29.60 47.31实验证明，对于大多数分子来说，色散力是主要的，只有偶极矩很大的分子取 向力才显得较为重要，诱导力通常都是很小的。范德华力的特点：?永远存在于分子间的弱相互作用； ?短程力 ?没有方向性、没有饱和性 ?以色散力为主氢键（一）氢键的定义 氢键是已经以共价键与其他原子键合的氢原子与另一个原子 之间产生的分子间作用力，是除范德华力外的另一种常见分子间 作用力。通常发生氢键作用的氢原子两边的原子必须是强电负性 原子。X―H? ? ? ? ? ? ? ? YＸ和Ｙ通常是电负性很强、半径很小的Ｆ、Ｏ、Ｎ。 一方面，Ｘ的电负性越强，将使Ｘ－Ｈ的键合电子强烈偏 向Ｘ原子，氢原子核就相对地从键合电子云中“裸露”出来； 另一方面，Ｙ电负性越强，半径越小，其孤对电子的负电场就 越集中而强烈，已键合的氢原子正电性的裸露原子核就有余力 吸引Ｙ的孤对电子，形成氢键。传统意义的氢键只有9种可能:F O N■H H HF O N氢键的键能介于范德华力与共价键之间，最高不超过40kJ/mol。从本质上讲，氢键是一种长距离静电相互作用，氢键的 形成必须具备两个条件： （a）分子中有一个极性 X－H 键作为氢键给予体。X原子 的电负性要较大，使得氢原子带部分正电荷。（b）分子中有一个具有孤对电子、电负性较大、半径较小的 Y 原子，或具有电子给予体性质的基团，作为氢键接受 体。（二） 氢键的特点 1、 氢键的饱和性 氢键的饱和性是指每一个 X－H 键只能与一个 Y 原子形成氢键。由于氢原子比 X、Y 原子小得多，形成 X－H --- Y键以后，X、Y 原子电子云的斥力使得另一个极性分子 Y′很 难靠近。2、 氢键的方向性r X H θ 这种方向与富电 子氢化物中孤对电子 占据的轨道在空间的 伸展方向有关.dYRRepresent of hydrogen bond现代结构研究证明，大 部分物质氢键中的 ? 角并不 是180°（三） 氢键的类型 1、分子间氢键 X－H --- Y2、分子内氢键（四）氢键的强度氢键的强弱与 X 和 Y 的电负性大小有关：X、Y 的电负性越大，则形成的氢键越强。此外，氢键的强弱也与 X 和 Y 的半径大小有关；较小的原子半径有利于形成较强的 氢键。 例如，F 原子电负性最大，半径最小，形成的氢键最 强；Cl 原子的电负性比较大，但原子半径也较大，形成的氢键较弱；C 原子的电负性比较小，形成的氢键也较弱。键长*MpmF－H---F O－H---O N－H---N N－H---F N－H---O 255 276 358 266 286键能Mk J? molC128.1 18.8 5.4 20.9 -* 其中氢键的键长是指 X 原子中心到 Y 原子中心的距离。氢键的强弱次序一般如下； F－H---F & O－H---O & N－H---N & Cl－H---Cl & C－H---X（五） 氢键的应用 1、氢键对HF、H2O及NH3化合物熔点和沸点的影响0150-20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160100 50沸点 / 摄氏度熔点/摄氏度0 -50 -100 -150-180 -200-200AH4AH3H2AHAAH4AH3H2AHA主族元素氢化物熔点对比主族元素氢化物沸点对比分子间形成氢键时，化合物的熔点、沸点显著升高。HF、H2O 和 NH3 等第二周期元素的氢化物，由于分子间氢 键的存在，要使其固体熔化或液体汽化，必须给予额外的能量破坏分子间的氢键，所以它们的熔点、沸点均高于各自同族的氢化物。 能够形成分子内氢键的物质，其分子间氢键的形成将受 到影响，因此它们的熔点、沸点不如只能形成分子间氢键的 物质高。硫酸、磷酸都是高沸点的无机酸，但是硝酸由于可 以生成分子内氢键的原因，却是挥发性的无机强酸。有分子 内氢键的邻硝基苯酚，其熔点远低于它的同分异构体对硝基 苯酚。2、氢键解释了水的特殊物理性质水的物理性质十分特异。与同周期氢化物相比，冰的密度小、4?C时水的密度最大、水的熔沸点高、水的比热大、水的蒸气压小等等。水的密度随温度变化的现象是所有氢化物 中的唯一特例；液态水是分子量相近的所有液态中熔沸点最高、比热容最大、蒸气压最小的。冰的密度低：构成冰的水 分子在冰的晶体里空间占有率 较低的缘故。 每个水分子周围最邻近的 水分子只有4个。冰中水分子 中的作用力―氢键O―H…O 具有方向性。氢键有方向性的 性质不同于范德华力,而与共 价键相同。氢键有饱和性，每冰的晶体结构 (小球代表氢原子,大球代表氧原子,实 线代表H―O键，虚线代表氢键)摩尔冰里只有2NA个氢键。水分子间的氢键冰熔化为液态水，至多只能打破冰中全部氢键的约13%。 这就意味着,刚刚熔化的水中仍分布着大量近距有序的冰晶结构微 小集团(有人称之为“冰山结构”iceberg)。随温度升高，同时发生 两种相反的过程：一是冰晶结构小集团受热不断崩溃；另一是水分 子间距因热运动不断增大。 0～4?C间，前者占优势，4?C以上，后 者占优势，4?C时，两者互不相让，招致水的密度最大。 水的比热大，也是由于水升温过程需要打破除范德华力外的额 外氢键。水的蒸发热高，原因相同。3、氢键对氟化氢是弱酸的解释 氟化氢是卤化氢里唯一的弱酸。其他卤化氢分子在水溶液表现酸性只是它们与水分子反应生成的“游离的”H3O+离子和XC离子的能力的反映， 但对于HF，由于反应产物H3O+可与另一反应产物F C以氢 键缔合为[+H2OH…FC]，酸式电离产物FC还会与未电离的 HF分子以氢键缔合为[F―H…F]C，大大降低了HF酸式电离生成“游离”H3O+和FC的能力； 同浓度的HX水溶液相互比较，HF分子因氢键缔合成相对不自由的分子，比起其 他HX，“游离”的分子要少得多，这种效应相当于HX的有效浓度降低了，自然也使HF发生酸式电离的能力降低。4、氢键对某些物质的熔沸点差异的解释氢键不仅出现在分子间，也可出现在分子内。如:邻硝基苯酚中羟基上的氢原子可与硝基上的氧原子形成分子内氢键 ；间硝基苯酚和对硝基苯酚则没有这种分子内氢键，只有分 子间氢键。这解释了为什么邻硝基苯酚的熔点比间硝基苯酚 和对硝基苯酚的熔点低。O O N O 熔点： 45oC H O O N O H H 114oC O O N O96oC5、氢键对生物高分子的高级结构的影响如：生物的遗传基因本质上是就是DNA(脱氧核糖核酸 ) 分子中的碱基 (A 、 T 、 C 、 G) 顺序，而 DNA 的双螺旋是 由两条 DNA 大分子的碱基通 过氢键配对形成的，氢键的 方向性和饱和性使双螺旋的 碱基配对具有专一性 ― A 和 T配对而C与G配对，即A…T由2 个氢键配对而 C … G 由 3 个氢 键配对，是遗传密码(基因)复 制机理的化学基础之一。DNA双螺旋是由氢键使碱基 (A…T和C…G)配对形成的(图中N―H…O， N…H―N，O…H―N，N…H―N，N―H…O是氢键)6、结晶水合物中的类冰结构 指水分子彼此间通过氢键形成笼，将外来中性分子或离子晶体).(Cl2,CH4, Ar, Xe等)包于笼内的水合物(分子三、范德华半径范德华半径：是指以范德华力作用而相邻 的原子半径。例如：碘分子之间因范德华 力相互作用(I―I…I―I，其中的虚线表 示范德华力)。I I2rvI 2rc I范德华半径的数据也是一种统计平均值。范德华半径是考察分子结构的一种重要参考数据。例如，当 发现两原子的核间距明显小于范德华半径之和时，可以预言，这两个 原子之间一定存在某种比范德华力更强的作用力，如存在氢键或其他 分子间力，或者存在共价键或其他化学键。 利用范德华半径和共价半径的数据可以通过几何学计算分子的大 小。
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