化学键与分子结构

1 化学键与分子结构 化学键理论简介 一、原子间相互作用力 原子是由带电粒子组成的，我们预计原子间相互作用力大多是静电相互作用，主要取决于两个方面，一是原子的带电状态(中性原子或离子)，二是原子的电子结构，按原子最外价电子层全满状态(闭壳层)或未满状态(开壳层)来分类。 闭壳层包括中性原子，如稀有气体 He、Ne、Kr……，及具有稀有气体闭壳层结构的离子如 Li+、Na+、Mg2+、F-、Cl-等。开壳层则包括大多数中性原子，如 H、Na、Mg、C、F等。显然，闭壳层原子(或离子)与开壳层原子之间相互作用很不相同。 原子间相互作用大致可分为以下几类： (1)两个闭壳层的中性原子，例如 He-He，它们之间是 v an der Waals(范德华)引力作用。 (2)两个开壳层的中性原子，例如 H-H，它们之间靠共用电子对结合称为“共价键”。 (3)一个闭壳层的正离子与一个闭壳层的负离子，例如 Na+-Cl-，它们之间是静电相互作用，称之为“离子键”。 (4)一个开壳层离子(一般是正离子)与多个闭壳层离子(或分子)，例如过渡金属配合物Mn+(X-)m,它们之间形成配位键（属共价键范围）。 (5)许多金属原子聚集在一起，最外层价电子脱离核的束缚，在整个金属固体内运动——金属键。 讨论这些成键原理的理论称化学键理论。 二、化学键理论 从二十世纪初发展至今，化学键理论已形成三大流派：分子轨道理论(Molecu lar Orbital)、价键理论(Valence Bond)和密度泛函理论(Density Fu nctional Theory )。 1. 分子轨道理论： 分子轨道理论(MO)要点： (1)分子轨道采用原子轨道线性组合(LCAO)，例如 CH4 分子，C 原子有 1s，2s，2p 等 5 个轨道，加上 4 个 H 原子1s 轨道，共有 9 个原子轨道，可组合成 9 个分子轨道。 ( 其中 为分子轨道， 为原子轨道) (2)分子中每个电子看作是在核与其它电子组成的平均势场中运动，每个电子在整个分子中运动——称为单电子近似。 (3)分子轨道按能级高低排列，电子从低至高两两自旋反平行填入分子轨道。 2.价键理论(VB)： 二十世纪三十年代创立的化学键理论，VB 很重视化学图像。 价键波函数采用可能形成化学键的大量共价结构和少量离子结构形成键函数，通过变分计算得到状态波函数和能量。例如苯分子的 π电子可形成以下多种共振结构： 图 4-1 苯分子的多种共振结构图 这是描述电子空间轨道运动的键函数，还有描述电子自旋运动的键函数。由这些结构的键函数通过各种近似计算，可得到...