物质结构理论.doc

Tsinghua University Zhangning物质结构理论元素化合物 清华大学 张宁 20009本文稿版权有清华大学张宁所有，严禁涂改，照搬，违者必究。第一节物质的形成 晶体的类型【离子晶体】 离子晶体是由阴阳离子相互作用而组成的化合物。大多数活泼金属的盐类、可溶性强碱都是离子晶体。离子晶体熔化需要克服离子键。决定离子键强弱的是组成离子键离子的离子半径、所带的电荷数。离子半径越小、所带的电荷越多，离子键越强，离子晶体的熔沸点越高。例如MgO、Al2O3 都是高温防火材料。【金属晶体】金属晶体由金属离子和自由电子组成。决定金属熔沸点的是金属键的强弱。原子半径越小，原子核所带电荷越大，金属键越强，熔沸点越高。例如：在碱金属族（Li、 Na、 K、 Rb、 Cs），熔沸点随原子序数的增大而减小。【分子晶体】多数的非金属，非金属氧化物，不活泼金属的氧化物，难溶性弱碱，大多数的含氧酸，一些盐类、绝大多数有机物都是分子晶体。分子晶体中，分子之间以范德华力相结合。分子晶体发生物态变化不破坏化学键，只克服范德华力。熔沸点取决于范德华力的大小。结构相似，范德华力随分子量的增大而增大。例如： F2、Cl2、Br2、I2熔沸点增大；有机物的同系物（例如烷烃，醇，酸等）随碳原子个数的增加，熔沸点升高。分子极性是指分子内的正负电荷空间分布是否均匀。例如：CH4、CCl4 是非极性分子；NH3、H2O就是极性分子。大多数的有机物分子的极性很弱。分子极性与分子化学键的极性有关。有些分子内虽然有极性共价键，但因为结构对称，属于非极性分子。同样，非极性键组成的分子也不一定是非极性分子，例如：臭氧分子O3因为分子呈折线形，就是极性分子。常见分子的空间构型如下表：分子种类与代表物质键的极性分子形状分子的极性双原子分子Cl2、N2ClCl；NN 非极性键直线型非极性分子HF、HClHF；HCl 极性键直线型极性分子多原子分子CO2CS2极性键直线型、对称键角180O非极性分子H2O极性键折线型，键角104 O 30极性分子CH4、CCl4极性键正四面体型，键角109 O 28非极性分子NH3极性键三角锥型，键角107 O 18极性分子H2S极性键折线型，键角90O极性分子P4非极性键正四面体型，键角60 O非极性分子根据分子极性，有相似相溶原理。即极性分子易溶在极性溶剂中，非极性分子易溶在非极性溶剂中。例如：HCl、NH3极易溶于水；Cl2、 Br2、 I2在水中的溶解度不大，但在CCl4、汽油、苯等有机溶剂中，溶解度较大。【原子晶体】SiO2、 Si、 SiC（金刚砂）、金刚石等是原子晶体，都具有高熔点、高沸点，硬度大的特点。1、 决定原子晶体溶沸点的是组成元素原子半径的大小，原子半径越小，共价键越牢固，熔沸点越高。所以熔沸点的关系是C SiO2 SiC Si。2、 石墨不是典型的原子晶体。它是层状结构，每一层内，碳原子排成正六边形（键长0.142nm，比金刚石的键长更短，因此熔沸点更高），层与层之间以范德华力相结合，层与层之间可滑动。 石墨的晶体结构示意图 石墨的晶体结构俯视图如上图一个元素原子参与成3个六边形，即3个六边形共用一个碳原子，平均每个环有2个碳原子。这个图中属于这七个六边形的碳原子共有14个。金刚石的晶体结构示意图如上图，金刚石晶体呈立体空间网状结构，其结构单元呈正四面体。在金刚石结构中，碳原子组成的最小环是六元环，每个碳原子为12个六元环所共有。SiO2晶体与金刚石类似，只是在碳碳之间加入了一个氧原子（SiO键呈直线），其最小重复单位为12元环，每个Si 原子为12个环共有，每个12元环平均占有一个氧原子。【稀有气体】1、稀有气体的原子半径比同周期的其他元素原子半径大。2、稀有气体是单原子分子。3、稀有气体都是分子晶体。其中He因分子量小，而且是单原子分子，其熔点（272.2C）接近于绝对零度。4、原子序数大的稀有气体化学性质相对其他稀有气体活泼一些。例如Xe可以与F2形成一系列的化合物XeF2、XeF4 、XeF6。【元素周期表、元素周期律】 俄国化学家门捷列夫创立了元素周期表。在现行的长式周期表中，左侧是金属元素，中间是过渡元素，右侧是非金属元素。从元素周期表中，可以明显地看到：金属元素多于非金属元素。同主族元素的化学性质相似，随原子序数增大，原子半径增大，非金属性减弱，金属性增强。同周期元素随原子序数增大，原子半径减小，非金属性增强，金属性减弱。稀有气体的原子半径比同周期的其他元素原子半径大。元素周期表的前三周期为短周期，第四周期至第六周期为长周期，第七周期为不完全周期