分子结构与晶体类型ppt课件

1、第3章 分子结构与晶体类型学习内容3.1 化学键3.2 杂化轨道与分子构型3.3 分子间力与氢键3.4 晶体类型学习要求 1理解分子的极性，分子间力类型及变化规律，氢键的形成条件、本质及特征，掌握分子间力和氢键对物质性质的影响规律；会判断分子的极性，比较共价化合物的熔、沸点高低，溶解性强弱等性质。 2掌握晶体的类型、特点，了解离子极化概念，理解不同晶体性质差异的原因及离子极化对物质性质的影响规律；能判断分子间力、氢键及离子极化对物质物理性质影响。分子构型 对称性 非极性分子 CO2 直线形 CC143.3.1 分子的极性正负电荷中心重合的分子，称为非极性分子。正负电荷中心不重合的分子，称为极性

2、分子。1)双原子分子的极性和化学键的极性是一致的。2)多原子分子的极性由分子组成和结构决定。 H2，O2，N2，Cl2 非极性共价键 非极性分子 HF，HCl，HBr，HI 极性共价键 极性分子不对称性 极性分子 H2O V形 CHC13 分子类型空间构型分子极性常见实例三原子分子 ABA ABA ABC四原子分子 AB3 AB3五原子分子 AB4 AB3C直线形弯曲形直线形平面三角形三角锥形正四面体四面体非极性极性极性非极性极性非极性极性CO2，CS2，BeCl2，HgCl2H2O，H2S，SO2HCN，HClOBF3，BCl3，BBr3，BI3NH3，NF3，PCl3，PH3CH4，CCl

3、4，SiH4，SnCl4CH3Cl，CHCl3，CF2Cl2 多原子分子的类型、空间构型、极性 偶极矩 =qd极性分子：极性的大小可以用偶极矩 来度量。HCl1、永久偶极(固有偶极)Dipole Moment, d ：正、负电荷重心间距（偶极长）q ：电量单位： 德拜（Debye，D） 1D3.336 10-30 Cm（库仑米）表示：（） （）（矢量） 偶极矩以德拜（D）为单位，当q = 1.62 1019 库仑（电子的电量），d=1.0 1010m()时，= 4.8 D 。 偶极矩 =qd 双原子分子的偶极矩就是极性键的键矩。 HI HBr HCl NH3 H2O 乙醚 / D 0.38 0

4、.79 1.03 1.66 1.85 1.15 极性分子的偶极矩称为永久偶极。H2O 分子 多原子分子的偶极矩是各键矩的矢量和。 下列分子中偶极矩为零的是( )。A NF3 B NO2 CPCl3 DBCl3答： D 非极性分子偶极矩为零，但各键矩不一定为零。BCl3 分子 诱导偶极用 表示， 其强度大小和电场强度成正比，也和分子的变形性成正比。2、诱导偶极和瞬间偶极 而极性分子在外电场作用下，其偶极也可以增大。在电场的影响下产生的偶极称为诱导偶极。 所谓分子的变形性，即分子的正负电重心的可分程度，分子体积越大，电子越多，变形性越大。 非极性分子在无外电场作用时，由于运动、碰撞，原子核和电子的

5、相对位置变化 其正负电重心可有瞬间的不重合；极性分子也会由于上述原因改变正负电重心。 这种由于分子在一瞬间正负电重心不重合而造成的偶极叫瞬间偶极。 瞬间偶极和分子的变形性大小有关。1、取向力 极性分子之间的永久偶极 永久偶极作用称为取向力， 它仅存在于极性分子之间，F 2。 极性分子的永久部分电荷之间的吸引作用。3.2.2 分子间作用力 （范德华力） 极性分子作为电场，使非极性分子产生诱导偶极或使极性分子的偶极增大（也产生诱导偶极），这时诱导偶极与永久偶极之间产生诱导力。2、诱导力 诱导偶极 永久偶极之间的作用称为诱导力。 因此，诱导力存在于极性分子与非极性分子之间，也存在于极性分子与极性分子

6、之间。色散力的形成3、色散力 色散力存在于极性分子和极性分子，极性分子和非极性分子及非极性分子和非极性分子之间。 瞬间偶极 瞬间偶极之间有色散力。 kJmol1 取向力 诱导力 色散力 Ar 0 0 8.49 HCl 3.305 1.104 16.82色散力大小与分子的形态1）分子量愈大，色散力愈大；2）相同组成时，线性分子的色散力较大。如：正戊烷，bp=36.1 C。而(CH3)4C, bp=9.5 C。 取向力、诱导力和色散力统称范德华力。 a ) 永远存在于分子之间； b ) 力的作用很小； c ) 无方向性和饱和性； d ) 是近程力，F 1 / r7； e ) 经常是以色散力为主。

7、范德华力的大小与物质的 m. p. ，b. p. 等物理性质有关。想一想He、Ne、Ar、Kr、Xe 从左到右b. p. 依次增高。为什么？想一想 下列每组分子之间存在着什么形式的分子间作用力？ I2和CCl4 CH3OH和H2O HBr气体答： 色散力 色散力、取向力、诱导力 色散力、取向力、诱导力对物质熔、沸点的影响 分子间力越强，物质的熔、沸点越高。 如同族元素生成的单质或同类共价化合物。 HeNeArKrXe F2Cl2Br2I2 熔、沸点依次升高 HClHBrHI对溶解性的影响 “相似相溶”规律。分子间力对物质性质的影响分子间作用力 (Intermolecular Forces)Ty

8、pe of interactionTypical energy(kJ/mol)Interacting speciesdipole-dipole03polar molecules Induced-dipole01polar and nonpolar moleculesDispersion825all types of moleculesHydrogen bonds530N, O, F; the link is a shared H atom化学键能约为：100600 (kJ/mol)1、氢键的形成氢键3.2.3 氢 键（Hydrogen Bonding）氢键F H F H 氢键的形成有两个条件：

9、 1）与电负性大且 r 小的原子 ( F，O，N ) 相连的 H ； 2）在附近有电负性大，r 小的原子 ( F，O，N ) 。 （a）饱和性和方向性2、氢键的特点（b）氢键的强度（c）分子内氢键 FH F OH O NHN E/kJmol1 28.0 18.8 5.4邻硝基苯酚HNO3 想一想1、CH3CH2OH与H3COCH3b. p. 谁大？2、HF、HCl、HBr、HI b. p. 如何变化？3、对硝基苯酚和邻硝基苯酚 有分子内氢键 m. p. 4445 没有分子内氢键 m.p. 113114 想一想m. p. 谁高？想一想 N2、O2、F2等非极性分子能与H2O、NH3形成氢键吗？为

10、什么？ 答：不能，因为N2、O2、F2几种分子中不具有带局部负电荷的原子。 与非晶体不同，晶体具有以下特征： 规则的几何外形 非晶体如玻璃、松香、沥青等，没有规则的几何外形，因此称为无定形体。3.4.1 晶体的特征及内部结构1晶体的特征 晶体与非晶体的不同点 （a）可压性和扩散性均不同 （b）晶体有固定的外形，非晶体没有 （c）晶体有固定的熔点，非晶体没有 （d）晶体有各向异性，非晶体则是各向同性的晶体与非晶体玻璃、松香、沥青无定形体3.4.1 晶体的特征及内部结构晶体的内部结构十四种晶格三斜P单斜P单斜C正交P正交C正交I正交F四方P四方F三方P六方P立方P立方F立方I(a) 简单立方晶格

11、(b) 面心立方晶格 (c) 体心立方晶格 (d) 简单六方晶格几种常见晶格 最常见的为简单立方、体心立方、面心立方和简单六方等四种晶格 。晶体可划分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体等。晶格能 晶格能是气态的正负离子，结合成 1 mol NaCl 晶体时，放出的能量，用 U 表示。Na + ( g ) + Cl ( g ) = NaCl ( s ) H = U 晶格能 U 越大，则形成离子键得到离子晶体时放出的能量越多，离子键越强。 定义：晶格能表示相互远离的气态正离子和负离子结合成 1 mol 离子晶体时所释放的能量，或1 mol 离子晶体解离成自由气态离子时所吸收的能量。（一）离子

12、晶体离子化合物的性质 (The Properties of Ionic Compounds)高熔点 High melting points高沸点 High boiling points易脆性 Brittleness溶解性 Some are soluble, some not.例 Ca3(PO4)2：骨头的主要成分Osteoporosis（骨质疏松症）Fcc not ccp (阴离子面心立方，阳离子处在八面体空隙)Coordination number (6, 6)Radius ratio = rcation/ranion, 0.4-0.7 (NaCl, 0.564)Rock-salt stru

13、cture (NaCl, KBr, RbI, MgO, CaO, AgCl)Fcc (阴离子面心立方，阳离子处在四面体空隙)(2)number (4, 4) Coordination (3)Radius ratio = rcation/ranion, 0.7Cesium-chloride structure (CsCl, CsBr, CsI, NH4Cl) 在分子晶体的晶格结点上排列的都是中性分子。虽然分子内部各原子是以强的共价键相结合，但分子之间是以较弱的范德华力相结合的。以二氧化碳晶体为例，它呈面心结构，CO2分子分别占据立方体的8个顶点和6个面的中心位置，分子内部是以C=O共价键结合，而

14、在晶体中CO2分子间只存在色散力。而另一些如固体氯化氢、氨、三氯化磷、冰等由极性键构成的极性分子，晶体中分子间存在色散力、取向力、诱导力，有的还有氢键，所以它们的结点上的粒子间作用力大于相对分子质量相近的非极性分子之间的引力。（二）分子晶体(Molecular solids) 分子晶体的硬度较小，熔点也较低，挥发性大，在常温下以气体或液体存在。 分子晶体与离子晶体、原子晶体有所不同，它是以独立的分子出现，因此，化学式也就是它的分子式。属于分子晶体的有非金属单质，如卤素、H2、N2、O2；也有非金属化合物，如CO2、H2S、HCl、NH3等，以及绝大部分的有机化合物。在稀有气体的晶体中，虽然在晶

15、格结点上是原子，但这些原子间并不存在化学键，所以称为单原子分子晶体。液态和固态的H2O and Benzene冰的晶体结构Each O atom is surrounded tetrahedrally by four H atoms, two of which are sigma-bonded to it and two of which are hydrogen bonded to it.冰和苯The mobility of the valence electrons in a metal accounts for its luster(光泽), malleability, ductilit

16、y (延展性), and electrical conductivity(导电性). The resistance of conductors increase with temperature.金属的性质（三）金属晶体 (Metallic crystals)金属晶体(Metallic crystals)六方紧密堆积 IIIB，IVB面心立方紧密堆积 IB，Ni，Pd， Pt立方体心堆积 IA，VB，VIB 金属的堆积方式金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的。六方紧堆晶格面心立方紧堆晶格ABCABC, 配为数 coordination number = 12Examples: Al, Cu,

17、 Ag, Au（许多金属采取密堆积结构，但非所有）金属晶体立方密堆积，面心六方密堆积 (hexagonal close-packed, hcp)ABABAB, coordination number = 12. e.g., Mg and Zn金 (gold, Au)金晶格体心立方 body-centered cubic (bcc), e.g., Fe, Na, K, U铀（Uranium, U)简单立方（钋，Po）钋 晶格结点上交替排列着原子，原子之间以共价键相结合的晶体，称为原子晶体。 （四）原子晶体特点：硬度很大；熔点很高；导电性差，多为绝缘体或半导 体；溶解性差，不溶于常见溶剂。 常见原

18、子晶体还有金刚砂（SiC）、石英（SiO2）、氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）等。金刚石结构示意图 金刚石硬度为10，熔点3552。每个C原子以4个sp3杂化轨道下列物质按熔点由高到低的顺序排列为 。 SiC Au CO2 HCl 答： 石墨的层状晶体结构示意图（五）混合型晶体每个C原子均以3个sp2杂化轨道键角为120一个未杂化的2p轨道 石墨晶体中既有共价键，又有分子间力，是兼有原子晶体、分子晶体和金属晶体特征的混合型晶体。 四种晶体的内部结构及性质特点晶体类型晶格结点上的粒子粒子间的作用力晶体的一般性质实 例离子晶体阴、阳离子离子键熔点较高，硬度大而脆，固态不导电，熔融态或水溶液导电Na

19、Cl、MgO、CaO、BaSO4原子晶体原子共价键熔点很高，硬度很大，不导电金刚石、SiC分子晶体分子分子间力（有的有氢键）熔点低，硬度小，不导电CO2、I2、H2O、NH3金属晶体原子、离子金属键熔点一般较高，硬度一般较大，能导电，导热，具有延展性W、Au 、Cu *3.4.3 离子极化 1离子极化的概念 【实例分析】某些离子半径相近，电荷相同的二元化合物性质差异很大。例如， NaClr（Na）95pm远比CuClr（Cu）96pm在水中的溶解度大，这是由离子的极化引起的。 离子极化理论是离子键理论的重要补充。离子极化理论认为：离子化合物中除了起主要作用的静电引力之外，诱导力起着很重要的作用

20、。阴、阳离子靠近时，由于静电作用，相互产生诱导偶极的过程，称为离子极化（见链接）。 离子极化程度主要决定于阳离子极的化作用和阴离子的变形性。通常阳离子以极化作用为主；而离子以变形性为主。 2影响阳离子极化作用的主要因素 阳离子的极化作用与离子的电荷、半径和外层电子构型有关。 离子电荷 当离子壳层的电子构型相同，半径相近时，离子电荷较高的阳离子有较强的极化作用。例如：Al3+ Mg2+ Na+ 外层电子构型 当离子电荷相等，半径相近时，不同外层电子构型的阳离子，其极化作用大小顺序如下18电子,18+2电子,2电子 917电子构型（如Fe2+, 8电子构型（如Na+,Ca2+,型（如Ag+,Pb2

21、+,Li+等） Ni2+,Cr3+等） Mg2+等） 离子半径 当离子构型相同，离子电荷相等时，半径越小，离子极化作用越大。 由于阳离子半径相互差别不大，所以，阳离子的电荷数及外层电子构型对极化作用影响较大。 3影响阴离子变形性的主要因素 阴离子的变形性主要决定于离子半径，其次是离子电荷。 离子半径 当电荷相同时，阴离子半径越大，其变形性越大。例如F- Cl- Br- I- 离子电荷 当阴离子半径相近时，随阴离子电荷的增加（电子云蓬松），其变形性将逐渐增大。 4离子附加极化 上面着重讨论了阳离子对阴离子的极化作用，而当阳离子也容易变形时，阴离子对阳离子也会产生极化。两种离子相互极化，可使诱导偶

22、极进一步拉长，这种现象称为附加极化。附加极化加大了离子间引力，因而会对化合物性质产生一定的影响。 通常，具有18电子和182电子构型的阳离子（如Ag+、Cu+、Cd2+、Hg2+、Bi3+等），还具有较大的变形性，可以产生附加极化。 同族元素，当离子电荷相同时，附加极化随离子半径的增大而增大。例如，在B族元素锌、镉、汞的碘化物中，总极化作用依Zn2+ Cd2+ Hg2+顺序增大。 5离子极化对化合物性质的影响 晶型发生转变 阴、阳离子之间有强烈的相互极化作用，则会缩短离子间的距离，因而使离子晶格发生转变。在AB型化合物中，晶型将依下列顺序发生改变：CsCl 型 NaCl 型 ZnS 型 分子晶体相互极化作用递增，晶型的配位数递减 例如，AgCl、AgBr和AgI，按离子半径比规则计算，它们的晶体都应该属于NaCl 型晶格（配位数为6）。但由于AgI离子间很强的附加极化作用，离子愈加靠近，致使AgI转变为ZnS 型晶格。 熔点、沸点降低 离子极化作用加强，可引起化学键型发生变化，使离子键逐渐向极性共价键过渡，导致晶格能降低。例如：AgCl 与 NaCl 同属于NaCl 型晶体，但Ag+离子的极化力和变形性远大于Na+离子，所以，AgCl的键型为过渡型，晶格能小于NaCl。因而AgCl的熔点（455）远远低于NaCl的熔点（800）。