任务二|分子结构
分子结构包含两个方面的内容：分子中直接相邻的原子间的相互作用力，即化学键问题和分子的空间构型（几何形状）问题。
一、化学键
在自然界中，除了稀有气体元素的原子能以单原子形式稳定出现外，其他元素的原子则以一定的方式结合成分子或以晶体的形式存在。例如：氧分子由两个氧原子结合而成；干冰是众多的CO2分子按一定规律组合形成的分子晶体；而纯铜以众多铜原子结合形成的金属晶体形式存在。
由于参与化学反应的基本单元是分子，而分子的性质是由其内部结构决定的，所以研究化学键理论是当代化学的一个中心问题。
按照化学键形成方式与性质的不同，化学键可分为三种基本类型：离子键、共价键和金属键。
1.离子键
离子键理论是1916年德国化学家柯塞尔提出的。他认为当活泼金属原子与活泼非金属原子接近时，它们在反应中有得到或失去电子以达到成为稀有气体稳定结构的趋势，由此形成的正离子和负离子以静电引力相互吸引在一起。因而离子键的本质就是正负离子间的静电吸引作用。
（1）离子键 原子间发生电子的转移形成阴阳离子并通过静电引力而形成的化学键。
例如氯和钠以离子键结合成氯化钠。两个原子间的电负性相差极大，电负性大的氯会从电负性小的钠抢走一个电子，以符合最外层8电子稳定结构。之后氯会以-1价的方式存在，而钠则以+1价的方式存在，二者再以库仑静电力因正负相吸而结合在一起，因此也有人说离子键是金属与非金属结合用的键结方式。而离子键可以延伸，所以并无分子结构。即
（2）离子键的特点 由于离子键是正负离子通过静电引力作用相连接的，从而决定了离子键的特点是没有方向性和饱和性。正负离子近似看作点电荷，所以其作用不存在方向问题。没有饱和性是指在空间条件许可的情况下，每个离子可吸引尽可能多的相反离子。由于离子键的这两个特点，所以在离子晶体中不存在独立的“分子”，整个离子晶体就是一个大分子，即无限分子。例如NaCl晶体，其化学式仅表示Na离子与Cl离子的离子数目之比为1∶1，并不是其分子式，整个NaCl晶体就是一个大分子。
由离子键形成的化合物叫离子型化合物，相应的晶体为离子晶体。离子键亦有强弱之分。其强弱影响该离子化合物的熔点、沸点和溶解性等性质。离子键越强，其熔点越高。离子半径越小或所带电荷越多，阴、阳离子间的作用就越强。例如钠离子的微粒半径比钾离子的微粒半径小，则氯化钠NaCl中的离子键较氯化钾KCl中的离子键强，所以氯化钠的熔点比氯化钾的高。
2.共价键
离子键理论很好地说明了CsF，NaBr，NaCl等电负性差值较大的离子型化合物的成键与性质，但无法解释同种元素间形成的单质分子如H2，N2等，以及电负性接近的非金属元素间形成的大量化合物如HCl、CO2、NH3和大量的有机化合物。
美国化学家路易斯提出了共价键的电子理论。他认为原子结合成分子时，原子间可共用一对或几对电子，形成稳定的分子。
（1）共价键 共价键是常见化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫作共价键。与离子键不同的是进入共价键的原子向外不显示电荷，因为它们并没有获得或损失电子。共价键的强度比氢键要强，与离子键差不太多或有些时候甚至比离子键强。本质是在原子之间形成共用电子对。同一种元素的原子或不同元素的原子都可以通过共价键结合。
例如：A，B两原子各有一个未成对电子，并自旋反平行，则互相配对构成共价单键，如H—H单键。H—Cl也是以单键结合的，因为H原子上有一个1s电子，而Cl原子有一个未成对的3p电子。如果A，B两原子各有两个或三个未成对电子，则在两个原子间可以形成共价双键或共价叁键。如N≡N分子以叁键结合，因为每个N原子有三个未成对的2p电子。He原子则因为没有未成对电子因而不能形成双原子分子。如果A原子有两个未成对电子，B原子只有一个未成对电子，则A原子可同时与两个B原子形成两个共价单键，则形成AB2分子，如H2O分子。
（2）共价键的特征
①共价键的饱和性：在形成共价键时，成键的原子需要共用未成对电子，一个原子有几个未成对电子，就只能和几个自旋相反的电子配对成键。所谓共价键的饱和性是指每个原子的成键总数或以单键相连的原子数目是一定的。因为共价键的本质是原子轨道的重叠和共用电子对的形成，而每个原子的未成对电子数是一定的，所以形成共用电子对的数目也就一定。
例如两个H原子的未成对电子配对形成H2分子后，如有第三个H原子接近该H2分子，则不能形成H3分子。又如N原子有三个未成对电子，可与三个H原子结合，生成三个共价键，形成NH3分子。这就是共价键的饱和性。
②共价键的方向性：原子轨道中，除s轨道呈球形对称没有方向性外，p，d，f轨道都具有一定的空间伸展方向。根据最大重叠原理，在形成共价键时，原子间总是尽可能的沿着原子轨道最大重叠的方向成键。成键电子的原子轨道重叠程度愈高，电子在两核间出现的概率密度也愈大，形成的共价键就愈稳固。因此，在形成共价键的时候，除了s轨道和s轨道之间在任何方向上都能达到最大程度的重叠外，p，d，f原子轨道的重叠，只有沿着一定的方向才能发生最大程度的重叠。这就是共价键的方向性。
（3）共价键的类型
①根据提供电子对的方式：共价键分为普通共价键，配位键。配位键是一类特殊的共价键，它是共用电子对由成键原子中的某个原子单方面提供，另一个原子只提供空轨道，为成键双方所共用。即A原子有能量合适的空轨道，B原子有孤电子对，B原子的孤电子对所占据的原子轨道和A原子的空轨道能有效地重叠，则B原子的孤电子对可以与A原子共享，这样形成的共价键称为共价配键，以符号A←B表示。
②根据共用电子对是否偏移：共价键分为极性键和非极性键。极性键是电负性不同的两种非金属元素之间或者金属与非金属元素之间形成的共价键。其共用电子对发生偏移。非极性键是电负性相同的同种非金属元素形成的共价键。其共用电子对不发生偏移。
③根据共用电子对数：共价键分为单键、双键、三键。
④根据原子轨道的重叠方式不同：可分为σ键和π键。σ键是由两个原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠导致电子在核间出现概率增大而形成的共价键，称为σ键，可以简记为“头碰头”。π键是成键原子的未杂化p轨道，通过平行、侧面重叠而形成的共价键，称为π键，可简记为“肩并肩”。
（4）共价键参数 共价键具有一些表征其性质的物理量，如键长、键角、键能、键级等，这些物理量统称为键参数。
键级是一个描述键的稳定性的物理量。在价键理论中，用成键原子间共价单键的数目表示键级。如Cl—Cl分子中的键级=1；N≡N分子中的键级=3。
键能是从能量因素衡量化学键强弱的物理量。其定义为在标准状态下，将气态分子AB（g）解离为气态原子A（g），B（g）所需要的能量，用符号E表示，单位为kJ/mol。
一般说来键能越大，化学键越牢固。双键的键能比单键的键能大得多，但不等于单键键能的两倍；同样叁键键能也不是单键键能的三倍。
当两原子间形成稳定的共价键时，两个原子间保持着一定的平衡距离，这距离称为键长，符号l，单位m或pm。在不同分子中，两原子间形成相同类型的化学键时，键长相近，即共价键的键长有一定的守恒性。
键角是反映分子空间结构的重要参数。分子中相邻的共价键之间的夹角称为键角，通常用符号θ表示，单位为“°”“′”。其数据可以用分子光谱和X射线衍射法测得。如果知道了某分子内全部化学键的键长和键角的数据，那么这些分子的几何构型便可确定。
3.金属键
金属键是化学键的一种，属于非定域键，主要存在于金属中。金属晶体靠金属键结合。由于金属原子只有少数价电子能用于成键，这样少的价电子不足以使金属原子间形成正常的共价键。因此金属在形成晶体时倾向于组成极为紧密的结构，使每个原子拥有尽可能多的相邻原子，这样原子轨道可以尽可能多的发生重叠，使少量的电子自由地在较多原子、离子之间运动，将这些金属原子或金属离子结合起来。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。金属键有金属的很多特性。例如一般金属的熔点、沸点随金属键的强度而升高。
二、分子间力
1.分子间力
分子间力是1872年由荷兰物理学家范德华首先发现并提出的。分子中除有化学键外，在分子与分子之间还存在着比化学键弱得多的相互作用力，称为分子间力，也叫范德华力。与化学键相比，分子间力是比较弱的力。分子间力一般随相对分子质量的增大而增大。气体的液化、液体的凝固主要靠分子间力。分子间力是决定物质熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一个重要因素。
2.氢键
分子间力一般随相对分子质量的增大而增大。p区同族元素氢化物的熔、沸点从上到下升高，而NH3、H2O和HF却例外。如H2O的熔点、沸点比H2S，H2Se和H2Te都要高。H2O还有许多反常的性质，如特别大的介电常数和比热容以及密度等。又如实验证明，有些物质的分子不仅在液相，甚至在气相都处于紧密的缔合状态中。例如HF分子气相为二聚体（HF）2，HCOOH分子气相也为二聚体（HCOOH）2。根据甲酸二聚体在不同温度的解离度，可求得它的解离能为59.0kJ/mol，这个数据显然远远大于一般的分子间力。这些反常的现象除与分子间力有关外，还存在另外一种力，这就是在这些反常分子间还存在氢键。
（1）氢键 当氢与电负性很大、半径很小的原子X（X是F、O、N等高电负性元素）形成共价键时，共用电子对强烈偏向于X原子，使氢原子几乎成为半径很小、只带正电荷的裸露质子。这个几乎裸露的质子能与电负性很大的其他原子（Y）相互吸引，或和另一个X原子相互吸引，从而形成氢键。
（2）形成氢键的条件
①氢原子与电负性很大的原子X形成共价键；②有另一个电负性很大且具有孤对电子的原子X（或Y）。
氢键一般用X—H—X（Y）表示，把H—X（Y）之间的键称作氢键。在化合物中，容易形成氢键的元素有F、O、N，有时还有Cl、S。氢键的强弱与形成氢键的元素电负性大小、原子半径大小有关，这些元素的电负性愈大，氢键愈强；这些元素的原子半径愈小，氢键也愈强。氢键的强弱顺序：F—H—F＞O—H—O＞N—H—N＞O—H—Cl＞O—H—S。
氢键的键能一般在40kJ/mol以下，比化学键的键能小得多，和范德华力处于同一数量级。但氢键有两个与范德华力不同的特点，那就是它的饱和性和方向性。氢键的饱和性表示一个X—H只能和一个Y形成氢键，这是因为氢原子半径比X，Y小得多，如果另有一个Y原子接近它们，则受到X和Y原子的排斥力比受氢原子的吸引力大得多，所以X—H—Y中的H原子不可能再形成第二个氢键。氢键的方向性是指Y原子与X—H形成氢键时，其方向尽可能与X—H键轴在同一方向，即X—H—Y尽可能保持180°。因为这样成键可使X与Y距离最远，两原子的电子云斥力最小，形成稳定的氢键。
（3）氢键的类型 氢键可以分为分子间氢键和分子内氢键两大类。前面的例子都是分子间氢键。HNO3分子以及在苯酚的邻位上有—NO2，—COOH，—CHO，—CONH2等基团时都可以形成分子内氢键。冰是分子间氢键的一个典型。由于分子必须按氢键的方向性排列，所以它的排列不是最紧密的，因此冰的密度小于液态水。同时，因为冰有氢键，必须吸收大量的热才能使其断裂，所以其熔点大于同族的H2S。
氢键的形成对物质的物理性质有很大影响。分子间形成氢键时，使分子间结合力增强，使化合物的熔点、沸点、熔化热、汽化热、黏度等增大，蒸气压则减小。例如：HF的熔、沸点比HCl高，H2O的熔点、沸点比H2S高，分子间氢键还是分子缔合的主要原因。分子内氢键的形成一般使化合物的熔点、沸点、熔化热、汽化热、升华热减小。氢键的形成还会影响化合物的溶解度。当溶质和溶剂分子间形成氢键时，使溶质的溶解度增大；当溶质分子间形成氢键时，在极性溶剂中的溶解度下降，而在非极性溶剂中的溶解度增大。当溶质形成分子内氢键时，在极性溶剂中的溶解度也下降，而在非极性溶剂中的溶解度则增大。例如：邻硝基苯酚易形成分子内氢键，比其间、对硝基苯酚在水中的溶解度更小，更易溶于苯中。
此外，氢键在生物大分子如蛋白质、DNA、RNA及糖类等中有重要作用。蛋白质分子的α—螺旋结构就是靠羰基（CO）上的O原子和氨基（—NH）上的H原子以氢键（CO—H—N）结合而成。DNA的双螺旋结构也是靠碱基之间的氢键连接在一起的。氢键在人类和动植物的生理、生化过程中也起着十分重要的作用。