当前课程知识点：大学化学 > 第四章 分子结构与化学键理论 > 4.2 共价键理论—现代价键理论 > Video
同学们好
下边我们继续
共价键理论的学习
上节课我们讨论了
路易斯的八隅体规则
解释了典型共价键形成的
共用电子对
所形成的共价键的特征
但是我们也发现
八隅体规则没有办法解析
许许多多实际当中研究的
理论和实验问题
所以
20世纪初
人们又开始进入了
新的共价键理论的
研究和探索
这样一个新的阶段
最有代表性的是
海特勒和伦敦
两位科学家
在1927年海特勒和伦敦
两位科学家
成功的将量子力学的
研究成果
用于研究氢原子
构成氢分子的过程
在这一研究过程当中
他们不仅把氢的原子的
核外电子的自旋状态
作为形成分子的
一个重要的参量
而且把自旋状态
相同和相反的两种状态
所形成的分子的稳定性
作为研究的
主要对比的对象
这样研究的结果
为VBT理论
也就是
现代共价键理论的形成
奠定了理论和实验基础
他们的研究
首先着眼于
当两个氢原子相互作用时
如果氢原子当中的核外电子
它的自旋方向
如果是相反的
这时候
随着它们彼此之间的
距离的靠近
核外的电子
不仅受到
自身原子核的吸引
同时也会受到
相邻的原子的
原子核的吸引
由于在两个原子核外
它的电子的自旋方向
是处在完全相反的
这样一种状态
当它们彼此靠近的距离
越来越近的时候
会在一个特殊的距离上
形成稳定的结构
这个最低的能量的位置
就预示着对于两个原子
所组成的分子体系当中的
一个特殊的能量位置
也就是我们后来了解的
共价键的成键的位置
我们从氢分子的
势能曲线上
我们可以发现
当两个自旋方向
平行的氢原子
相互靠近的时候
从氢分子的势能曲线上
我们可以发现
如果两个氢原子
它们的核外电子
自旋方向
是完全平行的
这时候
当它们相互靠近的时候
体系的整个能量
会高于两个氢原子
单独存在的
体系当中的能量
无论两个原子它们处在
怎么样的一个靠近的位置
它的能量的状态
都是在升高的
这就意味着核外自旋方向
平行的两个电子
它们彼此之间
存在着排斥的作用
相距越近
排斥作用就会越大
由于这样的排斥作用
使体系的能量
处在不断的升高的位置
这时候它们就不能够
形成稳定的化学键
这种不稳定的状态
称为氢分子的排斥态
或者激发态
如果我们从
自旋方向相反和相同
所构成的未成对电子
所形成的
配对的状态来看
我们可以发现
在处在两个自旋方向
相反的电子
相互靠近的时候
这时候形成的氢分子
它们在彼此之间
所形成的电子云的密度
会是出现升高的状态
也就意味着
两者之间的电子云的重叠
是有效的重叠
所形成的共用电子对
可以稳定的出现在
两个氢原子核之间
从波函数模的平方
这样一个曲线上
我们可以看到
电子云的密度
在两个核之间
出现了最大值
而这样的一个值
也就预示着稳定的
共价键的出现
与此相对的是
当自旋方向相同的
两个未成对电子
它们彼此在处在
相同的这样的一个
几何学位置上的时候
我们可以发现
这时候
两个原子核之间的
波函数的模的平方
出现了一个极小值
也就是说
电子出现的机会
是远离于
两个核中心的位置的
那么这时候
显然就不能够形成
稳定的共用电子对的状态
也就意味着
不能够形成
稳定的共价键结构
这时候所形成的
两个原子之间的相互作用
就是处在所谓的
激发状态
海特勒和伦敦的研究
为人们展示了一个
核外电子共用电子对
与电子的自旋方向
相互之间的关系
而且把这样的关系
作为量子化研究的起点
从而为共价键理论
注入了新的活力
以此为契机
量子化学的奠基人
鲍林等人
进一步完善了
共价键理论
使共价键理论
真的能够从氢原子的模型的
解释的成功的基础上
走入了解释其它更为复杂的
共价键形成的新的理论
和实验模型的阶段
通过研究人们发现
共价键它的本质
也是电性的
这一点和离子键
在一定程度上
是完全相似的
但是共价键
不是靠电子的转移
和电子的得失而形成的
它的结合力
是通过两个原子核之间
共用电子对而形成的
对于电子的共同吸引力的
负电性的区域
这种负电性的区域
既可以稳定
两个不同原子核之间的
几何距离
同时又可以
共用它们核外的
自旋方向相反的电子对
这样的共同的作用
就使他们彼此之间的
相互作用力
不同于
我们在离子化合物当中
已经了解的静电的库仑力
共价键在研究形成特殊的
配位结构
或共价结构的时候
所要关注的是
首先
如果由AB两个原子
所形成共价键的话
两个原子核的
核外的价电子
它们必须要处在
自旋方向相反的
这样一种状态
才有可能形成
稳定的共价键
此外如果形成共价键的
两个原子
它们所形成共价键的
未成对电子
不是一个而是多个
这时候就要求
这多个电子都要处在
自旋方向完全相反的状态
而由多个自旋方向相反的
未成对电子所形成的
共用电子对
这时候我们就称为
共价的双键
或三键
同时由于共价键形成
是通过核外未成对电子
它们通过自旋方向相反的
这样的一个原子轨道的
相互作用
而形成的共用电子对
由于每个原子
能够提供的原子轨道
和承担的电子数目
是确定的
所以它们能够成为
自旋方向相反的
配对电子的数目
也是确定的
共价键的形成
具有了一个明显的
不同于离子键的方式
就是它具有饱和性
我们这里可以看到
由s轨道当中的1s电子
相互作用形成的
s和s轨道的
共用电子对的形式
自旋方向相反的
两个电子
就会形成
在两个核之间的
密集的电子云的分布
形成稳定的共价键
当s轨道和p轨道当中
自旋方向相反的电子
相互作用的时候
也会在两个轨道之间
形成电子云密度的增加
而导致两个核之间
共用电子对的形成
同时
从我们前边已经了解过的
解薛定谔方程
所得到的波函数
是描述核外原子轨道的
数学模型
这样一个概念出发
我们还可以
进一步的引申
波函数它的描述的
原子轨道
是有正负之分的
而由波函数的模的平方
所描述的
核外电子运动的几率波
以及核外电子
在特殊的几何空间
或几何位置上
所出现的概率
是没有方向性的
所以电子云的密度
是与波函数的
模的平方成正比的
这样一个数学模型
而波函数
是通过我们取
不同的量子数
这样的边界条件
所解析薛定谔方程
所描述的电子运动的
几何位置
与能量之间的关系
它是带有方向性的
这一点
同学们
在以后的学习当中
要加以注意
了解了
原子轨道的方向性
和电子云密度的
无方向性
对我们认识共价键的
方向性
就有了实验的依据
首先原子轨道
和相邻原子的
原子轨道的重叠
是形成共价键的
基本的条件
而要形成稳定的共价键
就需要构成
最大的重叠程度
如果我们从
不同的原子轨道
它们在特定的几何方向的
重叠类型来看
我们会发现
以HF分子为例
如果氢原子的s轨道
与我们F的p轨道相互作用
从这样的方向
和这样的方向相互作用
都不会达到最大的重叠条件
只有当它们
沿着这样一个方向
来进行重叠的时候
波函数同号相加
这时候可以达到
它们最大的重叠条件
而在这样的条件
虽然是同号
但是它们并不是
最大的重叠方向
而这样的方向呢
波函数既有同号的部分
也有异号的部分
所以它们的重叠
也不是最有效的
了解了这样一个
重叠最大的规则
也是我们了解
共价键方向性的
一个重要的
理论和实验的依据
不同的方式
进行原子轨道的重叠
会形成不同类型的共价键
如果原子轨道
是按照键轴的方向
按照头碰头的方式
来进行重叠的话
这时候键轴
就会成为原子轨道的对称轴
这样的方式形成的共价键
我们称为σ键
比如
这样的一个键型
就是σ键的一个示意图
在两个原子核之间
电子会以s和s轨道
进行最大的头碰头的重叠
在两个原子核之间
形成了电子云的
密度分布增加
从而形成有效的共价键
σ键不仅可以通过
s和s轨道的这样的一个
头碰头的组合
还可以通过
同号的s轨道和p轨道的
头碰头的组合
不同的是
一定要沿着p轨道的
这样一个键轴方向
来进行重叠
同样p轨道和p轨道
进行重叠的时候
它们不仅要按照键轴的方向
来形成最大的重叠
同时还要保证它们的
波函数的符号
要完全相同
这样才能够形成
最终的稳定的σ键
与σ键不同的
还有原子轨道
是以肩并肩的方式
形成的重叠
这类的共价键
我们称为π键
π键的形成
以p轨道的重叠最为典型
在这样的一个过程当中
p轨道和p轨道
它们的波函数的符号
相同的部分相互靠近
但是它们重叠的方向
却以键轴的方向是平行的
它们形成的
电子云的最大密度方向
也是处在两个原子核之间
只是它们的分散的程度
要比σ键
要来得更广泛
所以π键之间的
相互作用的强度
要低于σ键之间的
作用强度
从原子轨道的重叠来看
π键的重叠化程度低
所以π键的键能
就会比σ键能要小
从我们的
化学反应的过程来讲
键能越小的键
在化学反应过程当中
是越容易开启的键
所以π键的稳定性
虽然低于σ键
但是它却是化学反应的
积极的参与者
从共价键的特点上
我们可以看
σ键
它们的重叠方向
是沿键轴方向
波函数相同的位置
来进行重叠
而π键呢
是沿键轴平行方向
实现的重叠
从重叠的程度上来看
σ键重叠程度要大
π键要小
从键的强度上来讲
自然σ键的强度高
而π键的强度要弱
但是
如果我们从化学反应的
活泼性上来讲
π键却更容易在
化学反应的过程当中
被开启
所以它会成为化学反应的
积极的推动者
这也就是σ键和π键
形成机理的不同
导致它们在
化学反应过程当中的
行为有明显的差异的
最主要的原因
同时当两个原子之间
有多个未成对的电子
相互共用
所形成稳定共价键时
我们还要注意区分
以下三种情况
也就是说当彼此之间
只靠一对
自旋方向相反的电子
形成稳定共价键的时候
这时候它们形成的
往往是单一的σ键
当两个原子
它们彼此共用了
自旋方向相反的两对电子
通过原子轨道的重叠
所形成了
两个共价键的时候
这时候双键当中
往往只有一个σ键
而另一个
会是平行排列的π键
同样
当两个原子之间
形成三键的时候
这时候相似的情况是
在三键当中
也只能有
唯一的一个σ键
而另外两个
也是平行排列的
肩并肩的π键
有关这样的多键当中的
σ键和π键之间的关系
同学们可以参照
刚才我们的分析
在后续的学习当中
再一 一的加以甄别
有关共价键形成的特点
我们这节课就介绍到这
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
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-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
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-2.1 物质的聚集状态—液体
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-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
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-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
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-2.1 物质的聚集状态—等离子体
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-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
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-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
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-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
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-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
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-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
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-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
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-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
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-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
