共價鍵與共價晶體原子間通過共用電子對形成的化學鍵課程目標1掌握共價鍵的形成機理2理解共價鍵的特性與表示法熟悉共價晶體的結構特點共價鍵的定義電子共享原子間共用電子對形成化學鍵成鍵原子通常為非金屬元素之間穩定性達到穩定的電子構型共價鍵的形成過程電子貢獻原子提供未成對電子電子重疊電子云相互靠近電子共享形成共用電子對能量釋放系統趨于穩定狀態共價鍵的特點方向性沿特定空間方向延伸飽和性電子對數量有限強度大鍵能較高，不易斷裂定域性電子對位于特定原子間共價鍵的類型：σ鍵定義沿原子核連線方向重疊形成特點單鍵，結構穩定，自由旋轉例子H-H,C-H,C-C單鍵共價鍵的類型：π鍵1234定義電子云側向重疊形成特點雙鍵或三鍵的組成部分結構不能自由旋轉，固定角度例子C=C,C≡C鍵中的π組分共價鍵的飽和性定義原子形成共價鍵數量有限原因價電子數和軌道數有限表現分子具有確定組成和結構共價鍵的方向性1空間定向沿特定方向排列2鍵角由電子對排斥決定3幾何構型分子具有特定形狀4性質影響決定物質物理化學性質鍵參數：鍵長定義成鍵原子核心間平衡距離影響因素原子半徑、鍵級、雜化方式測量方法光譜法、X射線衍射鍵參數：鍵角104.5°水分子鍵角H-O-H109.5°甲烷鍵角H-C-H120°乙烯鍵角H-C-H180°乙炔鍵角H-C-C鍵參數：鍵能單鍵、雙鍵和三鍵單鍵(C-C)1對共用電子對，σ鍵雙鍵(C=C)2對共用電子對，1σ+1π三鍵(C≡C)3對共用電子對，1σ+2π共價鍵的極性非極性共價鍵電負性相同，電子對均勻分布極性共價鍵電負性不同，電子對偏向一端部分電荷原子獲得δ+或δ-電荷性質影響決定分子極性和溶解性共價鍵的形成條件1元素類型通常為非金屬元素間2電負性差異相近或中等差異3價電子具有未成對電子4能量條件形成后體系能量降低共價鍵的表示方法：電子式點式表示用點表示價電子成鍵電子對用線或點對表示共用電子對孤對電子用點對表示非鍵電子對共價鍵的表示方法：結構式用線表示共價鍵，單線為單鍵，雙線為雙鍵，三線為三鍵共價鍵的表示方法：球棍模型球代表原子，棍代表共價鍵，直觀表示分子幾何構型共價鍵強弱的影響因素原子種類半徑越小，重疊越有效1鍵級單鍵<雙鍵<三鍵2軌道重疊程度重疊越多，鍵越強3電負性差異適當差異增強鍵強度4等電子原理定義含相同電子數的粒子性質相似應用預測分子結構和性質等電子體系CO、N?、NO?具有相似結構共價晶體的定義基本構成原子通過共價鍵連接空間排列形成三維有序結構整體性質一個巨大的分子共價晶體的特點硬度大共價鍵強度高高熔沸點需斷裂大量共價鍵不溶性難以形成新鍵脆性鍵定向性強共價晶體的結構1空間網狀結構三維骨架2方向性排列特定鍵角和鍵長3原子位置有序長程有序排列4結晶學對稱性具有特定空間群金剛石的結構1碳原子排列sp3雜化，四面體構型2鍵角109.5°，最穩定構型3晶胞面心立方，8個碳原子4三維網絡每個碳與4個碳相連金剛石的性質10莫氏硬度最高硬度3500°C熔點極高熔點2.42?C-C鍵長短而強3.52g/cm3密度緊密堆積石墨的結構平面結構sp2雜化，六邊形網格層間作用層內共價鍵，層間范德華力離域π鍵層內電子自由移動石墨的性質1物理性質黑色，有光澤，柔軟2導電性平面內導電，垂直方向不導電3潤滑性層間易滑移4熱穩定性空氣中高溫氧化二氧化硅的結構基本單元SiO?四面體連接方式頂點共享氧原子三維網絡形成空間骨架結構多態現象石英、鱗石英、方石英等二氧化硅的性質硬度莫氏硬度7，較硬熔點1710°C，高熔點化學性質抗酸，被HF腐蝕溶解性水中幾乎不溶碳化硅的結構與性質結構Si和C交替排列，類似金剛石硬度莫氏硬度9.5，僅次于金剛石熔點2730°C，極耐高溫應用磨料，半導體材料共價晶體與分子晶體的區別鍵類型共價鍵vs分子間力結構三維網絡vs分子堆積熔點高vs低硬度硬vs軟共價晶體與離子晶體的區別共價晶體原子通過電子共享連接離子晶體離子通過靜電引力連接導電性通常不導電vs熔融或溶解時導電共價晶體與金屬晶體的區別電子定位定域vs離域1導電性通常不導電vs良好導電2可塑性脆性vs延展性3結合方式定向共價鍵vs金屬鍵4共價晶體的熔點和沸點特征共價晶體的硬度特征1金剛石莫氏硬度102碳化硅莫氏硬度9.53剛玉莫氏硬度94石英莫氏硬度7共價晶體的導電性1典型絕緣體金剛石，二氧化硅2半導體硅，鍺，碳化硅3特殊導體石墨(平面內)4摻雜改性通過摻雜改變導電性共價晶體的溶解性水中溶解性幾乎不溶有機溶劑通常不溶特殊溶解二氧化硅溶于HF溶解機理需打破三維網絡共價晶體在自然界中的分布廣泛存在于地殼中，以礦物形式出現共價晶體的應用：半導體材料硅微電子工業的基礎材料鍺高頻電子器件碳化硅高溫高頻半導體器件共價晶體的應用：超硬材料金剛石切割工具，磨料碳化硼砂輪，噴砂碳化硅研磨材料，耐火材料立方氮化硼金屬加工，高速切削共價晶體的應用：光學材料石英光學透鏡，棱鏡金剛石寶石，高折射率碳化硅LED，光電探測器共價鍵與分子的形狀甲烷四面體形狀，鍵角109.5°水彎曲結構，鍵角104.5°乙炔線性分子，鍵角180°價層電子對互斥理論（VSEPR）基本假設電子對互相排斥排列原則最大化電子對間距影響因素鍵合對和孤對電子幾何構型預測確定分子形狀和鍵角雜化軌道理論1定義原子軌道重組形成等能雜化軌道2作用解釋共價鍵方向性3類型sp,sp2,sp3等4幾何排布決定分子的空間構型sp雜化組成1個s軌道與1個p軌道雜化幾何構型線性構型，180°角代表分子乙炔(C?H?)，BeF?sp2雜化組成1個s軌道與2個p軌道雜化幾何構型平面三角形，120°角代表分子乙烯(C?H?)，BF?π鍵形成未參與雜化的p軌道形成π鍵sp3雜化組成1個s軌道與3個p軌道雜化1幾何構型四面體，109.5°角2代表分子甲烷(CH?)，NH?3空間分布四個方向指向四面體頂點4分子軌道理論簡介1基本思想原子軌道線性組合2成鍵軌道電子密度增加區域3反鍵軌道電子密度減少區域4應用解釋復雜分子結構共價鍵與分子的極性鍵極性電負性差異導致電荷不均分子極性由鍵極性和分子幾何構型決定對稱性影響對稱分子可能無極性溶解性影響極性分子溶于極性溶劑共價鍵與分子間作用力1離子-偶極作用離子與極性分子2氫鍵強烈的偶極-偶極作用3偶極-偶極作用極性分子間引力4范德華力所有分子間存在氫鍵水分子間決定水的高沸點DNA堿基對維持雙螺旋結構蛋白質穩定二級結構醇類分子影響溶解性和沸點范德華力1色散力瞬時偶極相互作用2誘導力永久偶極誘導臨時偶極3偶極-偶極力極性分子間相互作用4強度特點短程力，與距離關系密切共價鍵與物質的物理性質1熔沸點決定相變溫度2硬度影響物質機械性質3溶解性決定在溶劑中的溶解能力4導電性影響電子傳導能力共價鍵與物質的化學性質反應活性鍵能影響反應難易選擇性鍵強弱決定優先反應位點反應機理決定反應途徑立體效應影響反應的立體選擇性共價鍵的斷裂與形成均裂電子對平均分配異裂電子對偏向一個原子加成新鍵形成于雙鍵或三鍵共價晶體的制備方法高溫合成直接元素反應1化學氣相沉積氣相前驅體分解2熔融法熔體冷卻結晶3高壓合成如金剛石的制備4共價晶體的表征方法X射線衍射確定晶體結構電子顯微鏡觀察微觀形貌拉曼光譜分析鍵合狀態共價鍵與共價晶體的研究進展1超硬材料