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分子结构

铜臭 / 2022-07-13

在自然界中，除了稀有气体外，其他元素原子是不能独立存在的。原子失去电子后形成离子构成品体或原子与原子之间相互作用形成分子构成物质。在化学上，把分子或晶体中相邻的两个原子(或离子)之间强烈的相互作用力，称为化学键。下面我们将在原子结构知识的基础之上，来研究有关化学键的问题。

化学键通常分为三大类型:离子键、共价键和金属键。化学键的作用能(键能)一般在 100 ~ 600kJ/ mol范围内。虽然三种化学键的成因有本质区别，但是由于离子极化和分子极化，实际上三种化学键之间没有严格的界限，在化合物的分子内存在着大量的离子键与共价键的过渡键型。

4.2.1化学键参数

化学键的性质可以用某些物理量来描述，如键能、键长、键角等，这些能表征化学键性质的量，称为键参数。

4.2.1.1键能

原子之间形成的化学键的强度可用键能来衡量。

对于双原子分子来说，在一定温度、标准态下，将1mol的气体分子断裂成2mol的气态原子所需要的能量，称作键离解能D(kJ/mol)。即:

对于多原子分子，断裂气态分子中的某一个键，形成两个“碎片”时所需的能量称为分子中这个键的离解能。例如

键能是指在标准态下，1mol气态分子断裂成气态原子，每个键所需能量的平均值。键能用 E表示，单位为kJ/mod,例如298K，标准态下，H₂O分子中，O—H键的键能为

由此可见对于多原子分子若莫健不止个则该健健能为同种健离解能的平均值。对于双原子分子来说，键能在数值上就等于键离解能。例如

这里需要注意，严格说来，ΔH表示的是键培面不是健能。键能是内能的部分，化学取应中旧键的断裂或新键的形成，都会引起系统内能的变化，所以应用内能的变化(ΔU)肉示键能。但考虑到-般化学反应中体积功(pΔV)很小，因此可用反应过程的焙变能的变化。

键能可通过光谱实验来测定成利用标准生成焙的数据进行计算。键能越大，断裂该化学键所需的能量越多，键越牢固。一些常见的共价键的键能和键长见表4-6。

表4-6 一些共价键的键能和键长
键	键长/pm	键能/kJ·mol⁻¹	键	键长/pm	键能/kJ·mol⁻¹
H-H	74	436	C-H	109	414
C-C	154	347	C-N	147	305
C=C	134	611	C-O	143	360
C≡C	120	837	C=O	121	736
N-N	145	159	C-CI	177	326
O-O	148	142	N-H	101	389
CI-CI	199	244	O-H	96	464
Br-Br	228	192	S-H	136	368
I-I	267	150	N≡N	110	946
S-S	205	264

4.2.1.2键长

分子内成键的两个原子核间的平衡距离，称为键长，用Lb表示，单位为pm。键长的数据可通过分子光谱实验或X衍射方法得到。部分常见的化学键的键长见表4-6。

由表4-6可以看出，两个确定的原子之间所形成的不同的化学键，其键长越短，键能越大，键越牢固。两个原子之间所形成的共价单键的键长等于两个原子的共价半径之和。例如: C-C、N-N、N-Cl键的键长分别是154pm、 145pm、 175pm, 则C-Cl键的键长约为Lbc-cl (Lbc-c +2Lbn-cl-Lbn-n)2= (154 +2x175-145)/2 = 179. 5pm。

4.2.1.3键角

分子中相邻的两个化学键的夹角，称作键角。NH,₃分子中N-H键夹角107°18'，H₂O分子中O-H键夹角104°45'。键角可通过分子光谱实验或X衍射方法测定。键角和键长都是反映分子空间构型的重要因素，根据键长和键角数据，可推断分子的空间构型。例如S₈分子，实验测得Lhs-s=207pm,键角∠sss=105°，且8个S原子间两两间距都是207pm。由此推断S₈应是环状分子，若环在同一平面内，键角应为135°，所以环不在同一平面内，呈“八角绉环”

4.2.1.4偶极矩

当分子中成键的两个原子的电负性不同时，共用电子对将偏向电负性较大的一方，键具有了极性。例如，HCI分子中，共用电子对偏向Cl原子，从而CI带负电，H带正电，可以用H⁺⁸-Cl⁻⁸表示。

键的极性大小可以用偶极矩来衡量，用μ表示

μ=q·l

式中，q为电量; l为两个原子的核间距，即键长; μ的单位为C·m。偶极矩是矢量，方向是从正电荷指向负电荷。

偶极矩可由实验测得。例如，HCI 的偶极矩μ=3.57 x10⁻³⁰C· m,已知HCI的键长为127pm,由此可计算出

相当于0.18单位电荷(单位电荷的电量为1.602 x10⁻¹⁹C)，即0. 18个单位电荷。也可以说，H-CI键具有18%的离子性。

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