第三讲电子式化学键.docx
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第三讲电子式化学键
第三讲电子式化学键
【学习目的】
1、掌握电子式书写规律
2、准确掌握化学中“键”的概念
3、掌握主要晶体的结构类型
4、准确判断晶体稳定性、熔沸点的影响因素
【艾氏学案】
1、简单金属与非金属元素原子间的电子式书写与离子晶体
用“×”或“·”表示原子最外层电子变化的形式叫做电子式。
金属Na原子序数为11,最外层电子数为1,在化学反应中容易失去1个电子变为Na+;非金属Cl原子序数为17,最外层电子数为7,在化学反应中容易得到1个电子变为Cl—达到最外层8电子结构要求。
用电子式表示上述变化为:
Na+==
金属Na失去电子用形式表示,这种显正电性的离子叫做阳离子,表示原子(团)失去电子后核外电子数比核内质子数少一个;非金属Cl得到一个电子达到最外层8电子结构要求,通过阴离子形式表示得电子,并用“[]”括起。
简单的金属与非金属元素间最外层电子变化都可以参照氯化钠的电子式书写。
例1、参照氯化钠的电子式书写氧化铝的电子式
Al是13号元素,反应中失去最外层3个电子形成Al3+
O是8号元素,反应中能够得到2个电子达到最外层8电子结构要求
一个Al能够失去3个电子,一个O能够得到2个电子。
反应遵守电荷守恒定律,因此参与反应的Al与O得比例关系为2:
3,即氧化铝的化学式可以写成Al2O3
参与反应的元素的个数不同,可以通过插空法解决
OOO
AlAl
然后根据电子变化书写氧化铝的电子式为:
Al3+
Al3+
得失电子后形成的阴阳离子间存在较强的静电吸引作用(异种电荷相吸引),这种作用被称为化学键。
通过化学键结合形成的晶体叫做离子晶体。
晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列形成在结晶过程中形成具有一定规则的几何外形和固定熔沸点的固体。
NaCl晶体的最小
结构单元—晶胞
海水晒盐是食盐的主要来源
晶胞的无限重复
就构成了美丽的晶体
阴、阳离子既可以看作是带电的质点,又要以看作是带电的球体。
阳离子总是尽可能的多吸引阴离子、阴离子又总是尽可能多的吸引阴离子(只要空间条件允许的话)这种结构向空间延伸,即晶体多大,分子就有多大,晶体内根本不存在单个的小分子,整个晶体就是一个大分子。
NaCl是正立方体晶体,Na+离子与Cl-离子相间排列,每个Na+离子同时吸引6个Cl离子,每个Cl-离子同时吸引6个Na+,这些离子共同构成了晶体的最小结构单元晶胞。
距一个钠离子距离最近且相等的氯离子有6个,钠离子与六个氯离子构成正八面体结构
NaCl离子晶体中不存在分子,通常根据阴、阳离子的数目比,用化学式表示该物质的组成。
NaCl表示氯化钠晶体中Na+离子与Cl-离子个数比为1∶1
用均摊法确定NaCl离子晶体中离子个数:
处于顶点的粒子同时为8个晶胞所共有,每个粒子有1/8属于该晶胞
处于棱上的粒子同时为4个晶胞所共有,每个粒子有1/4属于该晶胞
处于面心的粒子同时为2个晶胞所共有,每个粒子有1/2属于该晶胞
处于体心的粒子,完全属于该晶胞
晶胞中钠离子个数:
8×1/8+6×1/2==4
晶胞中氯离子个数:
12×1/4+1×1==4
由于离子键的作用,使离子晶体的硬度具有较高的熔、沸点,常温呈固态;硬度较大,比较脆,延展性差;在熔融状态或水溶液中易导电;大多数离子晶体易溶于水,并形成水合离子。
三态变化的实质是粒子间距离的变化。
固→液→气三态变化实际就是粒子间距离扩大的过程。
离子晶体熔化或者沸腾,进行三态变化的过程都必须破坏离子键的作用。
离子键的键能较大,导致离子晶体的熔沸点也较高。
常见的离子晶体熔沸点多为1000℃左右。
离子晶体中,若离子半径越小,离子带电荷越多,离子键越强,该物质的熔、沸点一般就越高。
如熔沸点KCl<NaCl<MgO。
晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力。
这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子(或称价电子)的相互作用。
如果结合力强,晶体有较高的熔点。
如果它们稍弱一些,晶体将有较低的熔点,也可能较易弯曲和变形。
如果它们很弱,晶体只能在很低温度下形成,此时分子可利用的能量不多。
有四种主要的晶体键。
离子晶体由正离子和负离子构成,靠不同电荷之间的引力结合在一起。
氯化钠是离子晶体的一例。
共价晶体的原子或分子共享它们的价电子。
钻石、锗和硅是重要的共价晶体。
金属的原子变为离子,被自由的价电子所包围,它们能够容易地从一个原子运动到另一个原子。
当这些电子全在同一方向运动时,它们的运动称为电流。
分子晶体的分子完全不分享它们的电子。
它们的结合是由于从分子的一端到另一端电场有微小的变动。
因为这个结合力很弱,这些晶体在很低的温度下就熔化。
典型的分子结晶如固态氧和冰。
在离子,晶体中,电子从一个原子转移到另一个原子。
共价晶体的原子分享它们的价电子。
金属原子的一端有少量的负电荷,另一端有少量的正电荷。
一个弱的电引力使分子就位。
用来制作工业用的晶体的技术之一,是从熔液中生长。
籽晶可用来促进单晶体的形成。
在这个工序里,籽晶降落到装有熔融物质的容器中。
籽晶周围的熔液冷却,它的分子就依附在籽晶上。
这些新的晶体分子承接籽晶的取向,形成了一个大的单晶体。
蓝宝石和红宝石的基本成分是氧化铝,它的熔点高,制成一个盛装它的熔液的容器是困难的。
人工合成蓝宝石和红宝石是用维尔纳叶法(焰熔法)制成,即将氧化铝粉和少量上色用的钛、铁或铬粉,通过火焰下滴到籽晶上。
火焰将粉熔解,然后在籽晶上重新结晶。
生长人造钻石需要高于1600℃的温度和60000倍大气压。
人造钻石砂粒小且黑,它们适宜工业应用。
区域熔化过程用来纯化半导体工业中的硅晶体。
一个单晶体垂直悬挂在硅棒的顶端上。
在两者接触处加热,棒的顶端熔化,并在单晶体上重结晶,然后将加热处慢慢地沿棒下移。
2、简单非金属元素间的电子式与分子晶体、原子晶体
非金属元素除了特殊情况,不能够失去电子。
因此,非金属元素间形成化合物的电子变化与金属与非金属的化合不同,其电子式表达也具有新的特点。
非金属元素H最外层有1个电子,缺1个电子达到8电子稳定结构;非金属Cl最外层有7个电子,缺1个电子达到8电子稳定结构。
H+==H
H、Cl各提供一个最外层电子,形成共用的电子对。
非金属元素通过共用电子对形式结合在一起,但因为不同非金属元素对电子吸引能力不同,共用电子对偏向于得电子能力强的元素,使非金属元素呈现不同价态,但电子没有得失,不采用离子型化合物的价态表示形式。
+1-1
H←
再如CO2的电子式表示为
非金属元素间形成共价键必须符合得电子能力强的元素原子先达到8电子稳定结构要求的原则。
得电子能力弱的元素原子最外层不一定达到8电子稳定结构。
SO2中得电子能力强O最外层缺2个电子达到稳定结构,以氧为主书写电子式
S与O以共用电子对结合后,S最外层超过8个电子。
一把钥匙开一把锁
一条鱼竿钓一条鱼
钓鱼是一项爱好,也是一门艺术
但不注意环保,以后的人们到哪里钓鱼呢?
在书写非金属元素间形成的化合物的电子式时,可以认为氧化性强的元素是钓鱼的选手。
选手想钓到鱼就必须提供鱼饵(提供电子)才能从池塘中钓到鱼。
并且一个鱼饵只能钓到一条鱼。
得电子能力强的非金属元素原子最外层缺几个电子达到稳定结构就必须自己提供几个电子共用。
同样,起到鱼塘作用的另外一种元素原子也要提供等量电子共用。
在SO2中两个选手(O)在同一池塘钓鱼,则两个选手会选择分别在池塘两侧。
两个选手钓到鱼后,池塘中仍有两条鱼剩余,可以满足第三个选手的钓鱼需要。
因此SO3的电子式为
在H2O中,得电子能力强的O在一个H池塘中只能够钓到一条鱼,不能够满足达到8电子结构的要求。
因此O必须同时在两个H池塘中钓鱼才可以。
即1个O可以与2个H结合。
同种非金属元素间的电子式书写也可以参照上面的理论。
如N2的电子式。
N最外层有5个电子缺3个电子达到8电子稳定结构。
将1个N作为选手,另外1个N作为池塘,池塘中的鱼数目足以满足选手的要求。
因为2个N对共用电子对吸引能力相同,共用电子对没有偏移。
因此,单质N2中每个N都表现为0价。
非金属元素间通过无偏移的共用电子对结合生成的键称为非极性共价键;通过有偏移的共用电子对结合生成的键称为极性共价键。
通过共价键形成的化合物称为共价化合物,所形成的晶体除特殊情况都称为分子晶体。
注意:
AlCl3也属于分子晶体
典型分子晶体结构——CO2
在CO2晶体结构中,每个质点都是一个小分子,CO2晶体为立方体结构。
每个立方体顶点上都有一个CO2分子。
在立方体的六个面心也有一个CO22分子存在。
每个CO2分子与12个CO2分子相邻。
以共价键形成的CO2分子呈现电中性对周围的CO2分子没有静电吸引的作用。
单个CO2分子就能够构成封闭的结构。
但每个CO2分子都存在着类似于作用力很小的万有引力作用,这种力的作用称为分子间作用力,又叫范德华力(范德瓦尔斯力)。
组成结构类似的分子,其分子量越大,分子间作用力也越大。
但分子间作用力很微弱,远远小于键能的作用。
CO2进行三态变化时破坏的正是这种作用很小的分子间作用力,因此,分子晶体的熔沸点很低。
常见的分子晶体熔沸点为几十度甚至零下。
CO2分子间通过共价键结合在一起。
要想拆开CO2分子必须破坏共价键的作用。
因此尽管分子晶体的熔沸点很低,但其稳定性则必须视共价键的键能才能够确定。
分子晶体一般硬度很小,晶体状态不导电,部分分子晶体在水溶液中形成水合离子能够导电。
典型原子晶体结构——金刚石和二氧化硅
天然金刚石经过复杂
工艺加工就成了钻石
金刚石是硬度最大的单质
常用作机械钻头
碳原子间通过无限延展的非极性共价键
形成的空间网状结构就构成了金刚石
原子通过共价键形式结合生成无限延展结构,构成原子晶体。
原子晶体的化学式只代表组成元素的个数比,不能代表其真实组成。
金刚石中每个碳以非极性共价键形式与周围4个碳原子结合。
原子晶体中没有封闭的分子结构,也没有类似于离子晶体中的晶胞。
计算金刚石中的碳原子与碳碳键个数,也可以适用分摊法。
每个C与周围4个C形成共价键,每个共价键分属2个C原子,因此每个C原子有4×0.5个键。
同离子晶体类似,原子晶体的三态变化和稳定性比较都必须破坏共价键作用。
因此原子晶体熔沸点很高,一般为几千度。
原子晶体硬度很大,不溶于一般溶剂且不导电。
金刚石是典型的原子晶体,熔点高达3550℃,是硬度最大的单质。
因为金刚石硬度大、耐磨,常用作机械钻头。
天然金刚石经过加工就是钻石。
SiO2在空间构型上类似于金刚石。
不同的是运用分摊法计算时,1个Si有4×1个Si-O键。
中学阶段另外需要知道的原子晶体是晶体硅和SiC
在晶体模型中可以看到,化学中常常用“—”代替共用电子对而省略其余核外电子。
用这样的表达方式表示叫做结构式。
如SO2和NH3用结构式表示为:
O=S=O;H—N—H
H
3、较复杂的非金属元素间的电子式
书写较复杂的非金属元素间形成的化合物的电子式仍然遵循前面学到的理论。
HClO是一个由3中不同非金属元素原子共同构成的化合物。
该化合物中得电子能力最强的元素是O,最外层缺2个电子达到稳定结构。
得电子能力最弱的元素是H(可认为H是最容易钓上鱼的池塘,但池塘中只有1条鱼),其最外层有1个电子。
书写电子式时以氧化性最强的O为主,O先与H共用1个电子,之后再与Cl共用一个电子满足其最外层达到稳定结构的要求(可以类比钓鱼先从最容易钓上鱼的池塘开始,最后才选择尽管鱼多但难钓的池塘钓鱼)。
H2O2的电子式书写也是以得电子能力强的O为主。
可以认为有两个选手可以选择在两个池塘钓鱼。
分别钓到鱼后仍没有达到要求,其中一个选手就可以将另外一名选手当做池塘。
复杂非金属元素间形成的化合物其晶体类型属于分子晶体。
同样可以将复杂非金属元素间形成的化合物以结构式形式表示。
4、金属与非金属形成的较复杂化合物的电子式
NaOH电子式书写以得电子能力强的O为主,O先从化合物中失电子能力最强的Na最外层得到一个电子,然后通过与H共用电子达到最外层稳定结构要求。
(可以理解为O先从Na处得到电子再去钓鱼)
阳离子Na+与OH—间通过离子键形成无限延展的空间结构,晶体类型属于离子晶体。
NaOH表现离子晶体的性质,并且不能用结构式表示。
CaC2与NaOH类似,可以认为C先从Ca中得到1个电子,其中一个C再将另外一个C当做池塘。
CaC2电子式为
5、金属单质形成的晶体——金属晶体以及石墨
金属晶体模型图
金属晶体中的自由电子起到
导电、导热、延展性的作用
由金属单质形成的晶体,金属单质失去电子形成能够自由移动的电子。
金属阳离子与自由电子间以金属键连接。
一个金属阳离子同时吸引多个自由电子;一个自由电子同时吸引多个金属阳离子,金属阳离子与自由电子相互吸引形成无限延展的规则结构(金属晶体)。
金属晶体一般硬度大;熔沸点不固定,最高的W可达到3000℃,最低的Hg常温呈液态;金属晶体无水溶液状态;是电热的良导体(导电能力前三位的金属依次是Ag、Cu、Al);Au是延展性最好的金属。
石墨的空间结构模型
石墨的层状结构
石墨中每个碳原子以非极性共价键形式与周围三个碳原子结合形成无限延展的层状结构,并以另外一个电子形成层间的自由电子。
是过渡性晶体。
熔沸点高于金刚石(每层是无限延展结构,层间分子间作用力很大),硬度很小,是最软的单质,可以导电。
石墨中碳原子与碳—碳键的比例为1:
1.5。
6、氢键
F得电子能力很强,使H接近于失电子状态。
并且HF分子间距离较近就形成了氢键。
冰中氢键的存在
构成氢键的条件:
非金属元素与氢结合生成氢化物;与氢结合的非金属元素对电子吸引足够强,使氢接近失电子状态;与氢结合的非金属元素核外有孤对电子(非金属元素自身核外电子形成的电子对);氢与孤对电子形成氢键,但氢没有失去自己的电子,因此氢键没有构成化学键;分子间距离要足够小,否则接近失电子的氢无法与孤对电子形成氢键(气态物质中不存在氢键)。
水分子间氢键结合形式
符合构成氢键条件的非金属元素有N、O、F
存在氢键的物质:
只要分子间距离足够小,并且有氢与N、O、F直接相连就有氢键的存在。
氢键不是化学键,有氢键的存在对物质性质尤其是熔沸点却有较大的影响,氢键强于分子间作用力但弱于化学键,因此存在氢键的化合物熔沸点会升高。
存在氢键的物质:
无机物:
HF、H2O、HClO、H2O2、NH3;有机物:
醇、酸、蛋白质、DNA、氨基酸等
7、配位键
H与酸根结合,酸根对电子吸引能力强,使H接近于失电子状态。
而NH3中N元素原子存在孤对电子,接近于失电子状态的H结合N的孤对电子,从而失去电子形成NH4+阳离子。
同样道理H3O+也是有配位键结合生成的。
中学阶段接触到的有配位键的物质只有NH4+,H3O+存在配位键是酸溶液能够导电的主要原因。
孤对电子
共用电子对
配位键
配位键的形成促进了H失去电子。
得失电子形成的晶体是离子晶体。
因此含有配位键的化合物属于离子型化合物,晶体类型为离子型晶体。
8、共价型化合物及非金属单质分子极性判断
按照封闭结构的分子空间构型上分子的重心与电荷中心是否重叠将分子分为极性分子和非极性分子。
水分子模型NH3模型
水分子的空间构型为折线形,重心与电荷中心不重叠为极性分子;同样NH3也是极性分子。
在不了解分子的空间构型前提下,可以利用下面原则进行判断:
A—A型:
非极性;A—B型:
极性
ABn型:
看中心原子A最外层电子全部参与成键——非极性
未全部参与成键——极性
AmBn型:
看其是否能形成对称结构,如H2O2为极性分子;C2H2为非极性分子。
【高中化学】高考考前每周一练之三——电子式化学键练习
(2010-11-1808:
07:
26)
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高中化学
艾丁老师
电子式
化学键
教育
分类:
化学教学
【随堂作业】
1、右图,直线交点处的圆圈为NaCl晶体中的Na+或Cl-所处的位置。
这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。
⑴请将其中代表Na+的圆圈涂黑,(不考虑体积的大小)以完成
NaCl晶体结构示意图。
⑵晶体中,在每个Na+的周围与它最接近的且距离相等的Na+共有个。
⑶晶体中每一个重复的单元叫晶胞,在NaCl晶胞中正六面体的顶点上、面上、棱上的Na+或Cl-为该晶胞与其相邻的晶胞所共有。
则一个晶胞中:
平均含Cl-个,即:
(填计算式)
平均含Na+个,即:
(填计算式)
⑷每个Na+周围的6个Cl-所围成的空间构型为体
2、单质硼有无定形和晶体两种,参考数据,回答问题;
金刚石
晶体硅
晶体硼
熔点(K)
3823
1683
2573
沸点(K)
5100
2628
2823
硬度(Moh)
10
7.0
9.5
⑴晶体硼的晶体类型属于:
理由是:
⑵已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体,其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶角,每个顶点各有一个硼原子。
此基本结构单元是由个硼原子构成,其中B—B键的键角为:
⑶此基本结构单元是由个B—B键构成,且硼原子与B—B键数目之比为:
3、化工行业已合成一种硬度比金刚石还大的晶体——氮化碳,已知氮在此化合物中显-3价,推断:
⑴它的化学式为:
晶体类型为:
⑵氮化碳晶体的结构中,每个碳原子周围与它成键的氮原子有个,每个氮原子周围与它成键的碳原子有个,
⑶你认为其硬度比金刚石大的主要原因是:
4、晶体熔沸点高低的判断:
A.同种晶体:
⑴离子晶体:
离子半径越小,带电荷越多,离子键越强,熔沸点越高。
将下列离子晶体用序号按熔沸点从高到低排列起来:
①NaCl②LiCl③CsCl④KCl
①NaCl②MgCl2③MgO④KCl
⑵原子晶体:
键长越短,键能越大,共价键越强,熔沸点越高。
将下列原子晶体用序号按熔沸点从高到低排列起来:
①金刚石②Si③SiC
⑶分子晶体:
结构和组成相似的分子晶体,分子量越大,范德瓦尔斯力越大,熔沸点越高。
将下列分子晶体用序号按熔沸点从高到低排列起来:
①CCl4②GeCl4③SnCl4④PbCl4
B.不同晶体:
一般说来,熔沸点规律是:
原子晶体>离子晶体>分子晶体
将下列晶体用序号按熔沸点从高到低排列起来:
①NaCl②石墨③干冰④MgCl2⑤金刚石⑥I2⑦Hg⑧SiC⑨KCl⑩SO2
5、2001年报道硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的
最高记录,右图示意的是该化合物的晶体结构单元:
镁原子间形成正六棱柱,且棱柱的上下底面还各有一个镁原子,
6个硼原子立于棱柱内,则该化合物的化学式可表示为
6、1996年诺贝尔化学奖授予致力研究碳的球状结构问题的三位
化学家。
碳的球状结构典型代表物质为C60,C60分子是形如球的
多面体,该结构的建立基于以下考虑:
⑴C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键;
⑵C60分子只含有五边形和六边形;
⑶多面体的顶点数、面数和棱边数的关系,遵循欧拉定理:
顶点数+面数-棱边数=2
请回答下列问题:
⑴C60与金刚石、石墨互为
A、同分异构体B、同系物C、碳的同位素D、碳的同素异形体
⑵C60晶体中存在的作用力有
①离子键②非极性键③极性键④范德瓦尔斯力⑤不饱和键⑥饱和键
⑶固体C60与金刚石比较,熔点较高者是
理由是
⑷估计C60跟F2在一定条件下,能否发生反应生成C60F60
⑸通过计算,确定C60分子所含单键数双键数
⑹通过计算,确定C60分子结构中五边形数六边形数
7、按要求填写下表
物质
电子式
键的种类
有无分子间力
有无氢键
晶体类型
H2O
CO
NaOH
SO2
HClO
SO3
Fe
N2
He
Na2O2
AlCl3
SiO2
CaC2
C2H2
Mg3N2
NO
NO2
(NH4)2S
NH3
H2O2
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