安徽工业大学-普通化学-第五章.ppt

5.4 晶体结构 物质通常以气态、液态和固态三种形态存在。固体分为： 晶体 与 非晶体 大多数 较少 如：NaCl, 矿石, 云母, 石墨, 金属等 如：玻璃, 多数高分子材料 晶体的宏观特征： 自范性：晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形。 对称性：晶体理想外形中常常呈现形状和大小相同的等同晶面。 均一性：质地均匀，具有确定的熔点。 各向异性：晶体的一些物理性质因晶体取向不同而异。 晶体的微观特征：平移对称性 晶体的结构： 晶格（点阵）构成晶体的质点（如原子、分子或离子）在空 间排列的几何图形称为晶体的晶格或点阵。 结点晶体的质点在晶格中的 位置称为结点。 晶胞指晶格中晶体的最小结 构单元。 晶胞是具有上述代表性的体积最小、直角最多的平行六面体。 晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。完全等同的晶胞无隙 并置起来，则得到晶体。晶胞的代表性体现在以下两个方面： (1)是代表晶体的化学组成； (2)是代表晶体的对称性，即与晶体具有相同的对称元素 对称轴，对称面和对称中心 ) 。 5.4.1晶体的基本类型 根据晶体结点的性质可把晶体分为四种类型： 离子晶体晶体的结点是正负离子，作用力是静电引力。 分子晶体晶体的结点是分子，作用力是范德华力。 原子晶体晶体的结点是原子，作用力是共价键。 金属晶体晶体的结点是金属原子或离子，作用力是金属 键。 1.离子晶体 不同类型的晶体，物理性质差别很大，如熔沸点，导电性，溶 解性，硬度等等。 1916 年德国科学家 Kossel ( 科塞尔 ) 提出离子键理论。 （1)离子键的特点 本质是静电引力（库仑引力） 没有方向性和饱和性（库仑引力的性质所决定） 键的极性与元素的电负性有关 形成 Ne 和 Ar 的稀有气体原子的结构，形成稳定离子。 第二步 靠静电吸引， 形成化学键 。 以 NaCl 为例 。 第一步 电子转移形成离子： Na e Na+ ， Cl + e Cl 相应的电子构型变化： 2s 2 2p 6 3s 1 2s 2 2p 6 ， 3s 2 3p 5 3s 2 3p 6 X 1.7，发生电子转移，形成离子键； X 1.7，不发生电子转移，形成共价键。 NaCl （2)离子晶体的特性 结 点：+、- 离子 作用力：+、- 离子间的静电引力: F=q+q- /d2 d=r+r- 作用能：为晶格能。 晶格能定义：1mol 的离子晶体解离为自由气态离子时所吸收 的能量，以符号U 表示。 作用：用以度量离子键的强度.晶格类型 相同时，U与正、 负离子电荷数成正比，与它们之间的距离r0成反比. N0Avogadro常数, MMadelung常数, nBorn指数 993 801 747 661 2 852 2 614 2 430 1 918 +1,-1 +1,-1 +1,-1 +1,-1 +2,-2 +2,-2 +2,-2 +2,-2 231 282 298 323 210 240 257 256 923 786 747 704 3 791 3 401 3 223 3 054 Lattice energy and melting point of some ionic compounds Compound charge of the ions ro/pm U/kJmol- t (m. p.)/ NaF NaCl NaBr NaI MgO CaO SrO BaO 晶体类型相同时，晶格 能与正、负离子数成正比， 与它们之间的距离r0成反比 。 晶格能越大，正、负离子 间结合力越强，相应晶体的 熔点越高、硬度越大、压缩 系数和热膨胀系数越小。 硬度：离子晶体硬度一般较大，但性脆。 熔沸点：一般较高。离子晶体的熔沸点与晶格能大小有关，离子 核间距越小，电荷越高，晶格能越大，熔沸点越高。 溶解性：大部分的离子晶体易溶于水，难溶于有机溶剂。 导电性：离子晶体在熔融状态或水溶液，都能导电，这是因为它 们具有可以流动的自由离子，在电场作用下可发生定向流动。 物理性质 2. 原子晶体 原子晶体的结构 金刚石的结构 在原子晶体中，晶格的质点是原子， 原子间的结合力是共价键力。 原子晶体的物理性质 熔点、沸点高 硬度大 不导电 难溶于一般溶剂 原子晶体是巨型分子，用化学式表示其组成。如：金刚 石(C)、硅(Si)、锗(Ge)、石英(SiO2)、金刚砂(SiC)等。 3. 分子晶体 例子，CO2（干冰），冰，非金属单质,有机物等物质都是 分子物质。 分子晶体结构 分子晶体中的晶格质点是分子，分子 间的结合力是分子间力。 分子晶体的性质 熔点、沸点低； 硬度小； 容易挥发或升华； 固体是电的不良导体。 氯、溴、碘的 分子结构 4.金属晶体 金属晶体的特征 金属光泽；电子在能带中跃迁，能量变化 覆盖范围相当广泛。放出各种波长的光，故 大多数金属呈银白色。 导电导热性强; 延展性好 ；受外力时，金属能带不被破坏。 硬度大（S区例外），熔沸点高（但汞为液体）;一般说金属单 电子多时，金属键强，熔点高， 硬度大。如 W 和 Re， 熔 点 达 3500 K；K 和 Na 单电子少，金属键弱, 熔点低, 硬度小。 导电能力最强的金属 是银和铜 延性最强的金属是铂， 展性最强的金属是金。 硬度最大的金属是铬； 熔点最高的金属是钨。 金属晶体的这些特征都与自由电子的存在有关。 离子晶体 正负离 子 离子键 熔、沸点高, 硬度大, 无延展性, 熔/ 溶导电 分子晶体 分 子 范德华力,氢 键 熔、沸点低, 无延展性， 硬度小, 不 导电。如CO2, O2, H2O, Ar等 原子晶体 原 子共价键 熔、沸点高, 硬度大。如金刚石, 石 英SiO2, WC, 金刚砂SiC, 刚玉Al2O3, Si, GaAs 金属晶体 原子 或正电 荷 金属键 自由电子与 正电荷胶合 因键强不一, 熔、沸点、硬度高低不 一(W, Cr, Na, Hg), 有延展性(键无方 向性); 热、电良导体, 有金属光泽 。 四种晶体的比较 5.4.2过渡型晶体 许多物质的晶体结构，往往不是简单地属于上述四种基本晶体 类型，而是属于更复杂的过渡型。 如：金属锗Ge为原子晶体，Sn易发生晶型转变(锡疫)，金属 锑Sb介于分子晶体与过渡型晶体之间而金属铋Bi为过渡型晶 体。 过渡型晶体分为： 链状结构晶体 层状结构晶体 过渡型晶体又叫混合型晶体，熔点、沸点、硬度, 介于原、离子 晶体与分子晶体之间。结点间同时存在化学键和分子间力两种相 互作用 1.链状晶体 大多数硅酸盐及如天然硅酸盐中的：石棉、云母 基本结构为：Si-O四面体 结合成链或层，层间也可能层与金属离子层结合用作干燥 剂的硅酸凝胶H2SiO3亦类此大分子用于绝缘、耐热、隔热 、分子筛等 2.层状晶体 如石墨(单、多层纳米碳管)、MoS2等。C都采用sp2杂化： 如石墨(单、多层纳米碳管)、MoS2等。C都采用sp2杂化： 3.45 1.45 层内：大键，所以导电。 层间：各向异性导致不导电。 层间结合松弛，外力作用下易滑动可以做固体润滑剂:轴承密 封圈、电动机碳刷、铅笔芯、水泵轴承(尼龙+石墨粉)、