分子结构与晶体结构.doc

【本讲教育信息】一. 教学内容：分子结构与晶体结构二. 教学目标了解化学键的含义，理解并掌握共价键的主要类型及特点，共价键、离子键及金属键的主要区别及对物质性质的影响。能根据杂化轨道理论和价层电子对互斥模型判断简单分子或离子的空间构型，了解等电子体的含义。了解原子晶体、分子晶体和金属晶体的结构特征，掌握不同晶体的构成微粒及微粒间的相互作用力，掌握影响晶体熔沸点、溶解性的因素。三. 教学重点、难点分子结构与晶体结构的特点，影响物质熔沸点和溶解性、酸性的因素四. 教学过程（一）化学键与分子结构：1、化学键：相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用，通常叫做化学键。三种化学键的比较：离子键共价键金属键形成过程阴阳离子间的静电作用原子间通过共用电子对所形成的相互作用金属阳离子与自由电子间的相互作用构成元素典型金属（含NH4+）和典型非金属、含氧酸根非金属金属实例离子化合物，如典型金属氧化物、强碱、大多数盐多原子非金属单质、气态氢化物、非金属氧化物、酸等金属配位键：配位键属于共价键，它是由一方提供孤对电子，另一方提供空轨道所形成的共价键，例如：NH4+的形成在NH4+中，虽然有一个NH键形成过程与其它3个NH键形成过程不同，但是一旦形成之后，4个共价键就完全相同。共价键的三个键参数概念意义键长分子中两个成键原子核间距离（米）键长越短，化学键越强，形成的分子越稳定键能对于气态双原子分子AB，拆开1molA-B键所需的能量键能越大，化学键越强，越牢固，形成的分子越稳定键角键与键之间的夹角键角决定分子空间构型键长、键能决定共价键的强弱和分子的稳定性：原子半径越小，键长越短，键能越大，分子越稳定。共价键的极性极性键非极性键共用电子对偏移程度偏移不偏移构成元素不同种非金属元素同种非金属元素实例HCl、H2O、CO2、H2SO4H2、N2、Cl2共价键按成键形式可分为键和键两种，键主要存在于单键中，键主要存在于双键、叁键以及环状化合物中。键较稳定，而键一般较不稳定。共价键具有饱和性和方向性两大特征。2、分子结构：价层电子对互斥理论：把分子分成两大类：一类是中心原子上的价电子都用于形成共价键。如CO2、CH2O、CH4等分子中的C原子。它们的立体结构可用中心原子周围的原子数来预测，概括如下：ABn立体结构范例n=2直线型CO2n=3平面三角形CH2On=4正四面体型CH4另一类是中心原子上有孤对电子（未用于形成共价键的电子对）的分子。如H2O和NH3中心原子上的孤对电子也要占据中心原子周围的空间，并参与互相排斥。因而H2O分子呈V型，NH3分子呈三角锥型。杂化轨道理论：在形成多原子分子的过程中，中心原子的若干能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道，这个过程叫做轨道的杂化，产生的新轨道叫杂化轨道。据参与杂化的s轨道与p轨道的数目，存在sp3、sp2 、sp三种杂化。杂化轨道理论分析多原子分子（离子）的立体结构化学式中心原子孤对电子对数杂化轨道数杂化轨道类型分子结构CH404sp3正四面体C2H403sp2平面三角形BF303sp2平面三角形CH2O03sp2平面三角形C2H202sp直线型CO202sp直线型NH314sp3三角锥型NH4+04sp3正四面体H2O24sp3V形H3O+14sp3三角锥型价层电子对互斥模型判断简单分子或离子的空间构型电子对数 目电子对的空间构型成键电子对数孤电子对 数电子对的排列方式分子的空间构型实 例2直 线20直 线CO2、C2H23三角形30三角形BF3、SO321V形SnCl2、PbCl24四面体40四面体CH4、SO42-CCl4、NH4+31三角锥NH3、PCl322V形H2O、H2S说明：（1）等电子原理是指原子总数相同，价电子总数相同的分子或离子，对于主族元素而言，价电子就是其最外层电子数，即为最外层电子总数相等。这一类分子或离子具有相似的化学键特征、分子结构以及部分物理性质相似，但一般情况下，化学性质并不相似。同样，化学键相似，并不是指键角等一定相同。利用等电子原理可判断一些简单分子或离子的主体构型，如：CO2、CNS、NO2、N3的原子总数均为3，价电子总数均为16，因此，它们的空间构型均为直线型。（2）运用价层电子对互斥模型可预测分子或离子的空间构型，但要注意判断其价层电子对数，对ABn型分子或离子，其价层电子对数的判断方法为：n在确定中心原子的价层电子对数时应注意如下规定： 作为配体原子，卤素原子和氢原子提供一个电子，氧族元素的原子不提供电子； 作为中心原子，卤素原子按提供7个电子计算，氧族元素的原子按提供6个电子计算； 对于复杂离子，在计算价层电子对数时，还应加上负离子的电荷数或减去正离子的电荷数； 计算电子对数时，若剩余1个电子，也当作1对电子处理，双键、叁键等多重键作为1对电子看待。3、杂化类型的判断：公式：n；或：n中心原子的孤对电子对数配位原子总数根据n值判断杂化类型：n2时，sp杂化；n3时，sp2杂化；n4时，sp3杂化；当电荷数为正值时，公式中取“”，当电荷数为负值时，公式中取“”；当配位原子为氧原子或硫原子时，成键电子数为0。杂化轨道所形成的化学键一般为单键，即为键。4、价层电子对互斥模型和杂化轨道理论：说明的是价层电子对（杂化轨道）形成的键的共用电子对和孤对电子对的空间构型，而分子的空间构型指的是形成键电子对的空间构型，不包括孤对电子。 它包括两种类型：当中心原子无孤对电子时，两者的构型一致；当中心原子有孤对电子时，两者的构型不一致。如：物质H2ONH3CH4CCl4中心原子孤对电子对数21无无价层电子对互斥模型四面体四面体四面体四面体分子的空间构型V三角锥正四面体正四面体键角1051071092810928杂化类型sp3sp3sp3sp35、键的极性和分子的极性并非完全一致，只有极性键形成的分子不一定是极性分子，如CH4、CO2等。极性分子中也不一定不含非极性键。所以，二者不是因果关系。只含非极性键的分子是非极性分子，如H2、N2等；含极性键的分子，若分子空间构型是对称的是非极性分子，如CO2、CH4等，分子空间构型不对称的是极性分子。如H2O、NH3等。它们的关系表示如下：6、配合物的命名关键在于配合物内界（即配离子）的命名。其命名顺序一般为：自左向右：配位体数（即配位体右下角的数字）配位体名称“合”字或“络”字中心离子的名称中心离子的化合价。如：Zn（NH3）2SO4内界为二氨合锌（）K3Fe（CN）6内界合称为：六氰合铁（）配合物可看作盐类，若内界为阳离子，则外界必为阴离子。若内界为阴离子，则外界必为阳离子。可按盐的命名方法命名：自右向左为：某酸某或某化某。配合物易溶于水电离为内界配体离子和外界离子，而内界的配体离子和分子通常不能电离。（二）晶体结构：几种类型的晶体的比较晶体类型金属晶体离子晶体原子晶体分子晶体结构构成微粒金属阳离子和自由电子阴、阳离子原子分子微粒间作用力金属键离子键共价键分子间作用力性质熔、沸点随金属键强弱变化，差别较大较高很高较低硬度随金属键强弱变化，差别较大较大很大较小导电性良好水溶液和熔融状态能导电一般不导电一般不导电举例所有固态金属NaCl、CsCl、CaF2金刚石、晶体硅、SiO2干冰、冰、I2典型离子晶体的结构特征NaCl型晶体CsCl型晶体每个Na+离子周围被六个离子所包围，同样每个也被六个Na+所包围。每个正离子被8个负离子包围着，同时每个负离子也被8个正离子所包围。金属键对金属通性的解释金属通性解释金属光泽金属中的自由电子能在一定范围内自由活动，无特征能量限制，可以在较宽范围内吸收可见光并随即放出，因而使金属不透明、具一定金属光泽（多数为银白色）。导电在外加电场的作用下，自由电子在金属内部发生定向运动，形成电流。导热自由电子把能量从温度高的区域传到温度低的区域，从而使整块金属达到同样的温度。有延展性当金属受到外力作用时，金属原子之间发生相对滑动，表现为良好的延展性。金属原子在空间的堆积方式钠、钾、铬、钨等体心立方堆积镁、钛、锌等六方堆积金、银、铜、铝等面心立方堆积说明：1、分子晶体的微粒间以分子间作用力或氢键相结合，因此，分子晶体具有熔沸点低、硬度密度小，较易熔化和挥发等物理性质。影响分子间作用力的大小的因素有分子的极性和相对分子质量的相对大小。一般而言，分子的极性越大、相对分子质量越大，分子间作用力越强。分子晶体的熔沸点的高低与分子的结构有关：在同样不存在氢键时，组成与结构相似的分子晶体，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增大，分子晶体的熔沸点增大；对于分子中存在氢键的分子晶体，其熔沸点一般比没有氢键的分子晶体的熔沸点高，存在分子间氢键的分子晶体的熔沸点比存在分子内氢键的分子晶体的熔沸点高。分子晶体的溶解性与溶剂和溶质的极性有关：一般情况下，极性分子易溶于极性溶剂，非极性分子易溶于非极性溶剂这就是相似相溶原理。如：HCl、NH3等分子晶体易溶于水，而溴和碘等分子则易溶于汽油和四氯化碳等非极性溶剂。分子间作用力不具有方向性和饱和性，而氢键具有方向性和饱和性。所以，不存在氢键的分子晶体可以以紧密堆砌的方式排列，而存在氢键的分子晶体则必须在一定的方向上堆砌排列。由于水中存在氢键，所以水在凝结成冰时，体积增大，密度减小。2、原子晶体的构成微粒是原子，原子间通过共价键相互结合，因此原子晶体的物理性质与分子晶体有明显的不同，熔沸点高，硬度、密度大等特点。原子晶体中不存在分子，其化学式表示晶体中各组成微粒的原子个数比。3、金属晶体的熔沸点差异很大，主要与金属键的相对强弱有关，一般情况下，金属原子半径越小，电荷越大，金属键越强，金属晶体的熔沸点越高，反之越低。4、离子键的实质是阴阳离子间的静电作用，它包括阴、阳离子间的静电引力和两种离子的核之间以及它们的电子之间的静电斥力两个方面，当静电引力与静电斥力之间达到平衡时，就形成了稳定的离子化合物，它不再显电性。离子键不具有方向性和饱和性。决定离子晶体结构的因素有几何因素和电荷因素，除此以外还有键性因素。（1）几何因素：晶体中正负离子的半径比（2）电荷因素：晶体中阴、阳离子电荷比（3）键性因素：离子键的纯粹程度对晶体构型相同的离子化合物，离子电荷数越多，核间距越小，晶格能越大；晶格能越大，离子键越强，晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。【典型例题】例1. 下列关于化学键的叙述正确的是：A. 化学键存在于原子之间，也存在于分子之间B. 两个原子之间的相互作用叫做化学键C. 离子键是阴、阳离子之间的吸引力D. 化学键通常指的是相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用解析：理解化学键、离子键等基本概念是解答本题的关键。化学键不存在于分子之间，也不仅是两个原子之间的相互作用，也可能是多个原子之间的相互作用，而且是强烈的相互作用。所以A、B都不正确。C项考查的是离子键的实质，离子键是阴、阳离子间通过静电作用（包括吸引力和排斥力）所形成的化学键，故C项也不正确。正确选项为D。答案：D例2. NH3分子的空间构型是三角锥形，而不是正三角形的平面结构，其理由是：A. NH3分子是极性分子B. NH3分子内三个NH键的键长相等，键角相等C. NH3分子内三个NH键的键长相等，3个键角都等于10718D. NH3分子内三个NH键的键长相等，3个键角都等于120解析：空间构型决定分子的极性，反过来分子的极性验证了分子的空间构型，即分子有极性说明其空间结构不对称。若NH3分子是正三角形的平面结构，则其键角应为120，分子无极性；若NH3分子是极性分子，说明NH3分子不是正三角形的平面结构，故A正确。若键角为10718则接近于正四面体的10928，说明NH3分子应为三角锥形。也可以从NH3分子的价层电子对互斥模型（或杂化轨道理论）分析。答案：A、C例3. 下列关于化学键的叙述中，正确的是A. 离子化合物可以含共价键B. 共价化合物可能含离子键C. 离子化合物中只含离子键D. 共价化合物中不含离子键解析：本题主要考查离子型化合物与共价型化合物的化学键类型。化学键之间相互关系必须搞清，同一化合物中可能含多种键，如既有共价键，又有离子键，离子的形成可能由单一原子转化而来，也可能由原子团形成，所以离子化合物中可能有共价键（极性键或非极性键）而共价化合物中不可能有离子键。所以选A、D。答案：AD例4. 下列说法中正确的是A. 分子中键能越大，键越长，则分子越稳定B. 失电子难的原子获得电子的能力一定强C. 化学反应中，某元素由化合态变为游离态，该元素被还原D. 电子层结构相同的不同离子，其半径随核电荷数增多而减少解析：A. 分子中键能越大，键越短，分子越稳定；B. 失电子难的原子，获得电子的能力不一定强，例如A族中的碳原子、零族的稀有气体原子，失电子难，得电子也难。C. 化学反应中，元素由化合态变为游离态，可能被氧化，也可能被还原，如：CuCl2+Fe = FeCl2+Cu，则Cu2+被还原；CuBr2+Cl2 = CuCl2+Br2，则Br被氧化。因此答案为D。答案：D例5. 氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300反应获得。（1）氮化硅晶体属于_晶体。（2）已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式_.（3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为_.解析：原子晶体具有熔沸点高、硬度大等特点，因此氮化硅晶体属于原子晶体，所以氮化硅的晶体结构中每个氮原子周围连接3个硅原子，而每个硅原子周围连接4个氮原子，相互之间通过共价键相连形成立体网状结构，在原子的最外层形成8电子的稳定结构，故氮化硅的化学式为：Si3N4。四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下生成氮化硅，反应方程式为：3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl答案：原子、Si3N4、3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl例6. 参考下表中物质的熔点，回答下列问题。物 质NaFNaClNaBrNaINaClKClRbClCsCl熔点（）995801755651801776715646物 质SiF4SiCl4SiBr4SiI4SiCl4GeCl4SbCl4PbCl4熔点（）-90.4-70.25.2120-70.2