《晶体结构》PPT课件.ppt

第十章晶体结构 晶体结构和类型离子晶体分子晶体层状晶体 晶体的结构特征 晶体是由原子 离子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体 宏观特性 有规则的几何外形呈现各向异性有固定的熔点 晶体结构和类型 晶体的分类 晶体类型 当活泼金属原子和活泼非金属原子相互接近时 发生电子转移 形成正 负离子 正离子和负离子之间通过静电引力结合在一起形成离子键 也就是说离子键的本质是静电作用力 根据库仑定律 两个带有相反电荷q 和q 的正负离子之间的静电作用力与离子电荷的乘积成正比 与离子间距离成反比 所以 离子的电荷越大 离子间的距离越小 离子间的静电引力越强 离子晶体 1 离子键 由于离子键是由正离子和负离子通过静电吸引作用相连接 因此决定了离子键的特点是没有方向性和饱和性 没有方向性是指由于离子的电荷是球形对称分布的 它可以在空间任何方向吸引带相反电荷的离子 不存在在某一特定方向上吸引力更强的问题 没有饱和性是指在空间条件允许的情况下 每一个离子可吸引尽可能多的带相反电荷的离子 每个离子周围排列的相反电荷离子的数目是一定的 这个数目是与正负离子半径的大小和所带电荷多少等有关 离子晶体 密堆积空隙的填充 阴离子 大球 密堆积 形成空隙阳离子 小球 填充空隙规则 阴阳离子相互接触稳定配位数大稳定 2离子晶体的特征结构 b CsCl a NaCl c ZnS 立方晶系AB型离子晶体的结构 三种典型的离子晶体 晶胞 代表晶体结构的小的平行六面体单位 这就是晶胞 晶胞在三维空间无限地重复就产生宏观的晶体 NaCl型 晶胞中离子的个数 晶格 面心立方配位比 6 6 CsCl型 晶胞中离子的个数 晶格 简单立方配位比 8 8 晶胞中离子的个数 ZnS型 晶格 面心立方配位比 4 4 半径比 R R 规则 NaCl晶体 某中一层横截面为 最理想的稳定结构 NaCl 半径比规则 定义 1mol离子晶体变为气态正负离子时所吸收的能量称为晶格能 3晶格能 U latticeenergy 利用Born Haber循环 计算晶格能 K g Br g KBr s 利用Born Lande公式计算晶格能 了解 正负离子核间距离 正负离子电荷的绝对值 A Madelang常数 与晶体类型有关 N Born指数 与离子电子层结构类型有关 A的取值 CsCl型A 1 763 NaCl型A 1 748 ZnS型A 1 638 n的取值 利用经验 卡氏 公式计算晶格能 了解 晶体分子式中正离子的个数 晶体分子式中负离子的个数 影响晶格能的因素 离子的电荷 离子的半径 晶体的结构类型 离子电子层结构类型 Z U 例 U NaCl U MgO R U 例 U MgO U CaO 晶格能对离子晶体物理性质的影响 MgO CaO SrO BaO 小 大 高 大 RU熔点硬度 大小低小 课堂练习 下列物质中 何者熔点最低 1 NaClKBrKClMgO 2 NaFNaClNaBrNaI 3 BaOSrOCaOMgO 阳离子有多余的正电荷 一般半径较小 而且外壳上缺少电子 对相邻的阴离子会起诱导作用 这种作用通常称作离子的极化作用阴离子半径一般较大 在外壳上有较多的电子容易变形 在被诱导过程中能产生临时的诱导偶极 这种性质通常称为离子的变形性 4离子的极化 离子键向共价键过渡 描述一个离子对其它离子的影响能力 2 离子的极化力 f 描述离子变形性的物理量 1 离子的极化率 8 9 17 18 18 2 离子的极化率 的一般规律 正离子 小负离子大 负离子 大 大 R相近 但电荷不同时负离子 大 大正离子 大 小 R相近 Z相同时 与电子构型有关 小 大 影响离子极化力f的相关因素 Z高 小 f大 Z相同 相近 与电子构型有关 8 9 17 18 18 2 f小 大 1 2电子构型 最外层有2个电子的离子 如Li Be2 H 等 2 8电子构型 最外层有8个电子的离子 如Na Cl O2 Ca2 等 3 18电子构型 最外层有18个电子的离子 如Zn2 Cd2 Hg2 Cu Ag 等 4 18 2 电子构型 次外层为18个电子 最外层为2个电子的离子 如Pb2 和Sn2 等 5 9 17电子构型 最外层有9 17个电子的离子 如过渡金属的离子 Fe2 Cr3 Mn2 等 思考 1 2 解释沸点的差异TiCl4 136 与LiCl 1360 ZnCl2的沸点和熔点低于CaCl2 离子间的极化作用 举例 AgF AgCl AgBr AgI 键型离子键晶体类型NaCl型溶解度大化合物颜色浅 共价键ZnS型小深 物理性质变化 练习 下列离子中 何者极化率最大Na I Rb Cl 下列物质中离子极化作用最大的是MgCl2NaCl2AlCl3SiCl4HgCl2为白色 溶解度较大 HgI2为黄色或红色 溶解度较小 解释原因 思考题 解释碱土金属氯化物的熔点变化规率 熔点 405714782876962 分子晶体 分子的极性分子间的作用力氢键 分子的极性 电负性表示分子内原子对电子的吸引能力 在共价键中 若成键的两原子属于同种元素 电负性差值为零 这种共价键称为非极性共价键 若成键的两个原子所属的元素的电负性差值不等于零 这种共价键称为极性共价键 由相同原子组成的双原子分子 如H2 Cl2等 两个原子的电负性相同 对共用电子对的吸引力相同 整个分子的正电荷重心与负电荷重心重合 这种分子叫非极性分子 分子中的键是非极性共价键 而由两个不同原子组成的双原子分子 如HCl 由于Cl的电负性大于H 氯原子对共用电子对的吸引力大于氢原子 使氯原子一端显负电 氢原子一端显正电 分子的正电荷重心与负电荷重心不相重合 形成正负两极 这种分子叫极性分子 分子中的键是极性共价键 例如 NH3和BF3两种分子 虽然N H键和B F键都是极性键 但是具有平面三角形构型的BF3分子 其正 负电荷重心相重合 是非极性分子 而具有三角锥形构型的NH3分子 其正 负电荷重心不相重合 是极性分子 键的极性与电负性差有关 两个原子的电负性差值越大 键的极性就越大 分子的极性不仅与键的极性有关 而且与分子的空间构型有关 如果组成分子的化学键是极性键 对于双原子分子则一定是极性分子 而对于多原子分子来说 就要考虑分子的空间构型 显然 偶极矩的大小与正电荷重心与负电荷重心之间的距离 偶极长d 以及正负电荷重心的电量q有关 分子的偶极矩定义为分子的偶极长与偶极一端的电量的乘积 即 q l 在极性分子中 其极性的大小用偶极矩 来衡量 分子的偶极矩 说明分子的极性 极性分子 0 非极性分子 0 双原子分子 异核HX 多原子分子 V字形 同核 同核 同核 O3 异核 分子的极化率 表征分子的变形性 极化 正负电荷中心分化的过程 规律 分子越大 含有的电子越多 就会有较多的电子被吸引 极化率越大 分子易变形 由于极性分子的正 负电荷重心不重合 因此分子中始终存在一个正极和一个负极 这种极性分子本身固有的偶极矩称为固有偶极或永久偶极 但是分子的极性并不是固定不变的 在外界电场作用下非极性分子和极性分子中的正 负电荷重心会发生变化 如图所示 外电场对分子极性的影响 分子间作用力 分子间力最早是由VanderWalls研究实际气体对理想气体状态方程的偏差时提出来的 又称为VanderWalls力 VanderWalls力可根据不同来源分为如下三个部分 1取向力 取向力 orientationforce 是极性分子与极性分子之间的固有偶极与固有偶极之间的静电引力 因为两个极性分子相互接近时 同极相斥 异极相吸 使分子发生相对地转动 极性分子按一定方向排列 并由静电引力互相吸引 当分子之间接近到一定距离后 排斥和吸引达到相对平衡 从而使体系能量达到最小值 极性分子固有偶极间存在作用力是Keeson于1912年首先提出来的 因此取向力也称为Keeson力 2诱导力 极性分子与非极性分子相互作用示意图 在极性分子和非极性分子之间以及极性分子之间都存在诱导力 inducedforce 当极性分子和非极性分子充分接近时 在极性分子的固有偶极诱导下 邻近的非极性分子产生诱导偶极 于是诱导偶极与固有偶极之间产生静电引力 极性分子与非极性分子之间的这种相互作用称为诱导力 当极性分子与极性分子相互接近时 除取向力外 在彼此偶极的相互作用下 每个分子也会发生变形而产生诱导偶极 因此极性分子相互之间也存在诱导力 诱导力是Debye 德拜 于1921年提出来的 所以诱导力又称为Debye力 3色散力 任何一个分子 由于电子的运动和原子核的振动而产生瞬间偶极 这种瞬间偶极也会诱导邻近分子产生瞬间偶极 于是两个分子可以靠瞬间偶极相互吸引在一起 这种瞬间偶极产生的作用力称为色散力 dispersionforce 色散力是London于1930年根据近代量子力学方法证明的 由于从量子力学导出的理论公式与光色散公式相似 因此把这种作用称为色散力 又叫做London力 与共价键不同 分子间力没有方向性和饱和性 分子间力包括三种作用力 由于相互作用的分子不同 这三种力所占的比例也不同 但色散力通常是最主要的 分子间作用力较弱 没方向性 没饱和性 一般情况 色散作用 诱导作用 取向作用 分子间作用力对物质物理性质的影响 氢键 水分子中由于氧元素的电负性比氢的大得多导致O H键极性很强 共用电子对强烈地偏向于氧原子一端 结果氧原子带部分负电荷 而氢原子带部分正电荷 几乎成为裸露的质子 当两个水分子充分靠近时 带正电荷的氢原子与另一分子中含有孤对电子 带部分负电荷的氧原子产生相互吸引 这种吸引力称为分子间的氢键作用 氢键的形成 以H2O为例 氢键通常可用 表示 如X H Y 其中X Y可以是同种原子 也可以是不同原子 经典的氢键中的X Y一般是电负性大 半径小的F N O等原子 这样的氢键较强 邻硝基苯酚的分子内氢键示意图 除了分子间的氢键外 某些物质也可以形成分子内氢键 从本质上讲 氢键是一种长距离静电相互作用 氢键的形成必须具备两个条件 a 分子中有一个极性X H键作为氢键给予体 X原子的电负性要较大 使得氢原子带部分正电荷 b 分子中有一个具有孤对电子 电负性较大 半径较小的Y原子 或具有电子给予体性质的基团 作为氢键接受体 氢键的特点 键长特殊 F HF 键能介于化学键和分子间作用力之间E F HF 25 40kJ 具有饱和性和方向性 分子中有H和电负性大 半径小的元素 O N F 小结 注意 1分子间氢键使溶沸点升高2分子内氢键使溶沸点降低 分子间形成氢键时 化合物的熔点 沸点显著升高 HF H2O和NH3等第二周期元素的氢化物 由于分子间氢键的存在 要使其固体熔化或液体汽化 必须给予额外的能量破坏分子间的氢键 所以它们的熔点 沸点均高于各自同族的氢化物 能够形成分子内氢键的物质 其分子间氢键的形成将受到影响 因此它们的熔点 沸点不如只能形成分子间氢键的物质高 硫酸 磷酸都是高沸点的无机强酸 但是硝酸由于可以生成分子内氢键的原因 却是挥发性的无机强酸 有分子内氢键的邻硝基苯酚 其熔点远低于它的同分异构体对硝基苯酚 下列化合物中哪些存在氢键C6H6 NH3 C2H6 邻羟基苯甲酸 间硝基苯甲醛 对硝基苯甲醛 硝酸的沸点比水的沸点低 为什么 下列几种物质中 偶极矩为零的是 1 H2O 2 H2S 3 NCl3 4 BF3 5 PH3 下列分子中存在哪几种分子间作用力 1 Xe 2 P4 3 H2O 4 NO 5 BF3 6 C2H6 7