-高中化学 专题1 第二单元教学资料 苏教版必修2【精品教案】

2013-2014学年高中化学 专题1 第二单元教学资料 苏教版必修

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1、 著名的量子化学家鲍林

美国著名的量子化学家鲍林（Linus Pauling，1901-1994）最早的成就，是创建近代化学键理论，揭示了化学键的本质。1925年，鲍林以出色的成绩获得化学哲学博士学位。他系统地研究了化学物质的组成、结构、性质三者的联系。他最感兴趣的问题是物质结构，他认为，人们对物质结构的深入了解，将有助于人们对化学运动、的全面认识。他对化学键理论很感兴趣，当时看不见、摸不着的化学键，是否真正存在呢？其本质是什么？在二十世纪二、三十年代尚无人知，他立志要攻克这个堡垒。经过多年精心研究，特别是受到方兴未艾的量子理论的启发，1939年他终于发表了那部惊人的著作--《化学键的本质》。在这部著作中，鲍林第一次揭示了化学键的本质。文章指出，化学键就是分子或原子团中各原子间因电子配合关系而产生的相互结合。简言之，化学键的本质就是电子的相互作用。这种相互作用有三种形式，即化学键的三种基本类型：共价键、离子键、金属键。各种各样的分子的化学键不同，也就意味着分子性质的差异。

为了解释甲烷的正四面体结构，鲍林提出了杂化轨道理论；在有机化学的结构理论中，鲍林提出了有名的共振论；鲍林化学理论的研究中创造性地提出了许多新的概念，例如，原子的共价半径、金属半径、离子半径、元素电负性标度等，这些概念的应用，对现代化学、凝聚态物理的发展都有重要意义。他还发展了原子核结构和核裂变过程本质的理论。1932年，鲍林还预言，稀有气体能与其它元素形成化合物，这一预言，在1962年被证实。

鲍林把量子力学应用于分子结构，将化学应用于生物学和医学，他实际上是分子生物学的奠基人之一，如研究了蛋白质的分子结构，麻醉作用的分子基础等，1940年以后，他开始研究氨基酸和多肽链，发现多肽链分子内可能存在良种螺旋体，为蛋白质空间构像打下了理论基础。这些研究成果，使他荣获了1954年诺贝尔化学奖。

作为化学键理论的先驱，鲍林对社会问题也十分注视。他坚决反对把科技成果用于战争，特别反对核战争。1955年，鲍林和世界知名的大科学家爱因斯坦、罗素、约里奥·居里、玻恩等，签署了一个宣言：呼吁科学家共同反对发展毁灭性武器，反对战争，保卫和平。由

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于鲍林对和平事业的贡献，他在1962年又荣获了诺贝尔和平奖。他在以《科学与和平》为题发表了领奖演说，他指出：“在我们这个世界历史的新时代，世界问题不能用战争和暴力来解决，而是按着对所有人都公平，对一切国家都平等的方式，根据世界法律来解决。”他号召：“我们要逐步建立起一个对全人类在经济、政治和社会方面都公正合理的世界，建立起一种和人类智慧相称的世界文化。”

2、化学键理论的发展

对化学键的研究是化学史上一次质的飞跃，化学键理论经历了从经典化学键理论到现代化学键理论的漫长路程，解释了原子怎样形成分子，分子为什么能够稳定存在，分子的空间构型等问题。

? 经典化学键理论

1812年，贝采里乌斯从电解水现象得到启发，发表了二元学说，认为每种化合物都是由电性相反的两部分组成。但这种理论在解释有机物时遇到了困难。1857年，凯库勒提出碳是四价的，碳原子可以以单键、双键、叁键相连接，他还提出了苯环的结构。1861年，布特列洛夫提出了化学结构理论，他认为分子不是原子的简单堆积，而是原子按一定顺序排列的化学结合，这样结合起来的每个原子之间存在复杂的化学力相互作用。1893年，维尔纳提出了配位理论来解释金属配合物的结构。1912年美国化学家路易斯（G.N.lewis）建立了经典的共价键理论，认为构成分子的同种原子或不同种原子以共用电子对吸引两个原子核，并使每个原子达到稀有气体的稳定结构，分子中原子间通过共用电子对所形成的作用称为共价键。经典共价键理论初步揭示了共价键不同于离子键的本质，解释了共价分子的结构。但是，这一理论大多从大量化学实验事实概括得到，并根据经典静电理论把电子看成是静止不动的负电荷，必然会出现许多不能解决的矛盾。

? 量子化学的诞生

随着各种物理实验方法的发展，对电子、原子等微观粒子运动规律的认识已不断深入。1913年，玻尔提出了著名的原子结构模型。这一模型圆满地解释了氢原子定态的结构及其光谱，但是，应用玻尔的模型研究最简单的H2分子的化学键和多电子原子时，都得不到满

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意的结果，便旧量子论的缺点暴露无遗，促使人们从理论上来探索微粒子运动所遵循的规律。20世纪20年代，实验研究证实了电子等实物微粒也具有波粒二象性的假设，奥地利人薛定谔提出了波动方程，美国人海特勒和伦敦通过求解氢分子的薛定谔方程建立起了新的化学概念，认为共价键的形成是由于两个原子的原子轨道相互重叠的结果，电子云分布集中在两个原子核之间，形成了化学键，使体系的能量降低。氢分子比两个独立的原子更加稳定。化学键的稳定性可以由键能来衡量，使共价键研究走向定量

? 价键理论

在30年代初期建立了两种化学理论，一种是现代价键理论，另一种是分子轨道理论。价键理论认为，如果一个原子的重叠轨道越多，所形成的共价键也就越稳定。价键理论虽然解决了基态分子成键的饱和性和方向性问题，但无法解释CH4的正四面体结构，因此鲍林提出了杂化轨道理论。分子轨道理论是由莫立根、洪特和伦纳德斯等人在1932年前后首先提出来的。这一理论将分子看作一个整体，能量相近的原子轨道可以组成分子轨道，分子中的电子在一定的分子轨道上运动，在不违背每一个分子轨道只容纳两个电子的原则下，电子将优先占据能量最低的分子轨道，并尽可能分占不同的轨道。在成键时，原子轨道重叠越多，则生成的键越稳定。利用这一理论，可以解决价键理论所不能解决的问题，并提出电子键及单电子键等概念。

? 分子轨道理论

1965年，霍夫曼在分子轨道论和有机化学反应的基础上，提出了分子轨道对称守恒理论。在解释和预示一系列化学反应进行的难易程度，以及了解产物的立体构型上具有指导作用，使化学键理论进入研究化学反应的新阶段。

? STM技术与物质结构研究

1982年IBM的科学家成功地研制出了一种新型的表面分析仪器─扫描隧道显微镜（简称STM）,1983年人类第一次利用STM在硅单晶表面观察到周期性排列的阵列，纳米科学家们又多了一个研究纳米世界的强有力的工具。STM的核心是由导电的针尖与样品表面构成的

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“量子隧道结”。针尖相对于表面的位置和运动可以由压电陶瓷精确地控制。当二者间的距离小到只有几个原子的尺度时，如果我们在针尖和导电样品之间施加一个电压，根据量子力学的隧穿原理，它们之间就会有隧道电流通过。利用压电陶瓷精确地控制针尖在样品表面上一个小区域内扫描，同时记录下针尖的运动和隧道电流的变化，就得到了可以反映样品表面结构的高分辨图象。另一方面，利用STM针尖与分子或原子的相互作用，我们还可以对原子和分子进行操纵或加工。

科学家能直接看到原子和化学键吗？自从1983年IBM的科学家第一次利用STM在硅单晶表面观察到原子阵列以后，大量的具有原子分辨率的各种金属和半导体表面的原子图象被相继发表。然而，在更多的情况下，获得高分辨率的图象并不意味着我们就可以直接看到原子。正如我们从STM的工作原理中可以预见的那样，STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。分子是由原子组成的，原子是由原子核和围绕着原子核高速运动的电子组成的。当原子组成分子后，原子中的某些电子在很多情况下将不再为某个原子所独有，而是被一些原子或整个分子所共有。这时，我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应的。因此利用STM研究分子的结构并不象我们所想象的那样容易，如何通过从STM获得的分子图象来解读分子内部的结构信息就成了一个十分重要而又具有挑战性的课题。

分子是由原子与原子通过化学键结合形成的，对化学键动“手术” 就能定向选择化学反应，产生人们所需的新分子和新材料。而直接 “看清”化学键，是进行分子“手术”的前提。2001年中国科大的科学家们利用扫描隧道显微镜，将笼状结构的碳60分子组装在一单层分子膜的表面，在零下268摄氏度时冻结碳60分子的热振动，在国际上首次“拍摄”了能够分辨碳-60化学键的单分子图像，这种单分子直接成像技术成为明察分子内部结构的“眼睛”，为纳米科学家进行单分子化学键的“切割”、“组装”等“手术”提供了可能，为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了坚实的基础。在研究中还发现了碳-60分子在平面排列时，呈现出一种独特的性状。利用这一性状，可能使计算机器件的集成度提高100至1000倍。

3．化学键、离子键、共价键的本质

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化学键在本质上是电性的，原子在形成分子时，外层电子发生了重新分布（转移、共用、偏移等），从而产生了正、负电性间的强烈作用力。但这种电性作用的方式和程度有所不同，所以有可将化学键分为离子键、共价键和金属键等。

离子键是原子得失电子后生成的阴阳离子之间靠静电作用而形成的化学键。离子键的本质是静电作用。由于静电引力没有方向性，阴阳离子之见的作用可在任何方向上，离子键没有方向性。只有条件允许，阳离子周围可以尽可能多的吸引阴离子，反之亦然，离子键没有饱和性。不同的阴离子和阳离子的半径、电性不同，所形成的晶体空间点阵并不相同。

共价键是原子间通过共用电子对（电子云重叠）而形成的化学键。形成重叠电子云的电子在所有成键的原子周围运动。一个原子有几个未成对电子，便可以和几个自旋方向相反的电子配对成键，共价键饱和性的产生是由于电子云重叠（电子配对）时仍然遵循泡利不相容原理。电子云重叠只能在一定的方向上发生重叠，。共价键方向性的产生是由于形成共价键时，电子云重叠的区域越大，形成的共价键越稳定，所以，形成共价键时总是沿着电子云重叠程度最大的方向形成（这就是最大重叠原理）。共价键有饱和性和方向性。

近代实验和理论研究表明，离子键和共价键之间并没有绝对的界限。在一个具体的化学键中，化学键的离子性和共价性各占有一定的程度，因此有“键的离子性百分数”的概念，这完全是由电子对偏移的程度决定的。从理论上讲，共用电子对完全偏移形成的化学键就是离子键。绝大部分化合物中的原子之间是以共价键结合的，只有在很活泼的非金属离子（如卤素、氧等离子）与很活泼的金属离子（如碱金属离子）之间或电负性相差很大的金属与非金属之间才形成典型的离子键。即使最典型的离子化合物氟化铯（CsF）中的化学键也不是纯粹的离子键，键的离子性成分只占93 %，由于轨道的部分重叠使键的共价成分占7 %。

4．共价键的键参数

化学键的性质可以通过表征键的性质的某些物理量来描定量地述，这些物理量如键长、键角、键能等，统称为键参数。

以能量标志化学键强弱的物理量称键能，不同类型的化学键有不同的键能，如离子键的键能是晶格能，金属键的键能是内聚能。化学1中提到的是共价键的键能。拆开1moLH—H键需要吸收436kJ的能量，反之形成1molH—H键放出436kJ的能量，这个数值就是H—H

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键的键能。如H—H键的键能为436kJ/mol，Cl—Cl的键能为243kJ/mol。不同的共价键的键能差距很大，从一百多千焦每摩至九百多千焦每摩。一般键能越大，表明键越牢固，由该键构成的分子也就越稳定。化学反应的热效应也与键能的大小有关。键能的大小与成键原子的核电荷数、电子层结构、原子半径、所形成的共用电子对数目等有关。

分子中两个原子核间的平均距离称为键长。例如氢分子中两个氢原子的核间距为76pm，H—H的键长为76pm。一般键长越长，原子核间距离越大，键的强度越弱，键能越小。如H—F，H—Cl H—Br，H—I键长依次递增，键能依次递减，分子的热稳定性依次递减。键长与成键原子的半径和所形成的共用电子对等有关。

一个原子周围如果形成几个共价键，这几个共价键之间有一定的夹角，这样的夹角就是共价键的键角。键角是由共价键的方向性决定的，键角反映了分子或物质的空间结构。例如水水是V型分子，水分子中两个H—O键的键角为10430′。甲烷分子为正四面体型，碳位于正四面体的中心，任何两个C—H键的键角为10928′。金刚石中任何两个C—C键的键角亦为10928′。石墨片层中的任何两个C—C键的键角为120。从键角和键长可以反映共价分子或原子晶体的空间构型。

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5．共价键的分类

共价键有不同的分类方法。

（1）按共用电子对的数目分，有单键（Cl—Cl）、双键（C=C）、叁键（CC）等。

（2）按共用电子对是否偏移分类，有极性键（H—Cl）和非极性键（Cl—Cl）。

（3） 按提供电子对的方式分类，有正常的共价键和配位键（共用电子对由一方提供，

另一方提供空轨道。如氨分子中的N—H键中有一个属于配位键）。

（4）按电子云重叠方式分，有σ键（电子云沿键轴方向，以“头碰头”方式成键。如

C—C。）和π键（电子云沿键轴两侧方向，以“肩并肩”方向成键。如C=C中键能较小的键。）等。

6．分子间作用力

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键的键能。如H—H键的键能为436kJ/mol，Cl—Cl的键能为243kJ/mol。不同的共价键的键能差距很大，从一百多千焦每摩至九百多千焦每摩。一般键能越大，表明键越牢固，由该键构成的分子也就越稳定。化学反应的热效应也与键能的大小有关。键能的大小与成键原子的核电荷数、电子层结构、原子半径、所形成的共用电子对数目等有关。

分子中两个原子核间的平均距离称为键长。例如氢分子中两个氢原子的核间距为76pm，H—H的键长为76pm。一般键长越长，原子核间距离越大，键的强度越弱，键能越小。如H—F，H—Cl H—Br，H—I键长依次递增，键能依次递减，分子的热稳定性依次递减。键长与成键原子的半径和所形成的共用电子对等有关。

一个原子周围如果形成几个共价键，这几个共价键之间有一定的夹角，这样的夹角就是共价键的键角。键角是由共价键的方向性决定的，键角反映了分子或物质的空间结构。例如水水是V型分子，水分子中两个H—O键的键角为10430′。甲烷分子为正四面体型，碳位于正四面体的中心，任何两个C—H键的键角为10928′。金刚石中任何两个C—C键的键角亦为10928′。石墨片层中的任何两个C—C键的键角为120。从键角和键长可以反映共价分子或原子晶体的空间构型。

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5．共价键的分类

共价键有不同的分类方法。

（1）按共用电子对的数目分，有单键（Cl—Cl）、双键（C=C）、叁键（CC）等。

（2）按共用电子对是否偏移分类，有极性键（H—Cl）和非极性键（Cl—Cl）。

（3） 按提供电子对的方式分类，有正常的共价键和配位键（共用电子对由一方提供，

另一方提供空轨道。如氨分子中的N—H键中有一个属于配位键）。

（4）按电子云重叠方式分，有σ键（电子云沿键轴方向，以“头碰头”方式成键。如

C—C。）和π键（电子云沿键轴两侧方向，以“肩并肩”方向成键。如C=C中键能较小的键。）等。

6．分子间作用力

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