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1、第六章分子和固体结构,6、固体结构晶体结构金属晶体离子晶体分子晶体,自然界中绝大多数化合物以固体的形式存在。固体有晶体和非晶体，晶体又有单晶和多晶之分。,6、1 晶体结构和类型 晶体结构的宏观特征与晶格理论 晶体的宏观特征 晶体：晶体是由原子、离子、分子等微粒在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。排列：晶体中微粒的排列具有三维空间的周期性。特征：整齐规则的几何外型 各向异性 晶体在不同的方向上具有不同的传热、导电、机械强度等物理性质。确定的熔点 X射线的衍射效应,例如：,晶体的微观特征平移对称性,在晶体的微观空间中，原子（粒子）呈现周期性的整齐排列，对于理想的完美晶体，这种周期性是单
2、调的、不变的。宏观晶体的规则外形是晶体平移对称性微观特性的表象。非晶态不具有晶体微观结构的平移对称性。,点阵：组成晶体的质点（分子、原子、离子）在三维空间周期性地重复排列组成的化学实体，如果把重复排列的物种称为基元，并把基元抽象为几何学上的一个点，则晶体被抽象成由点组成的点阵(结晶格子)简称晶格。晶胞：晶格中含有晶体结构中具有代表性的最小重复单元，称为单元晶胞，简称晶胞。晶体的性质是由晶胞的大小、形状和质点的种类（分子、原子或离子）以及它们之间的作用力（库仑力、范德华力等）所决定。,为了研究晶体，把晶体理想化，抽象成一个几何概念。,晶格理论的基本概念,晶胞的特性：晶胞是晶体微观空间里的一个单元
3、，用晶胞的平移可以复制该晶体，显然，晶胞具有相同的顶角、相同的平行面和相同的平行棱，不仅包括“几何”上的相同，还应包括和“化学”上的相同。布拉维晶胞 三维的平行六面体晶胞（二维平行四边形）晶胞参数：描述晶胞大小、形态的物理量。由a,b,c（晶胞的边长）和，（边长所形成的夹角）显然，当a,b,c和，不同时构成种种不同形状的晶胞体系，常见的晶胞体系有7种即：立方晶系、三方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系,晶体的类型,晶体的分类 晶体名称 组成质点 作用力 基本性质 离子晶体：正负离子 静电力 高熔点、质脆，导电 原子晶体：原子 共价键 分子晶体：分子 van de weals
4、 金属晶体：金属原子 金属键,组成晶体的粒子种类不同及粒子间的作用不一样，晶体一般可分成四种基本类型：,球的密堆积 如果组成晶体的粒子是等大的，且可以把它视为一个刚性体，例如，金属原子组成金属晶体，这些粒子常采用密堆积的方式。1、h.c.p密堆积（Hexagonal Close Packed)2、c.c.p密堆积（Cubic Close Packed)两种堆积形式的比较 堆积形式 名 称 晶格类型 配位数 空间比率 例子 ABAB h.c.p 六方 12 74.05%Mg,Be ABCABC h.c.p 面心立方 12 74.05%Ca,Sr b.c.p 体心立方 8 68.02%Li,Na,
5、6.2 金属晶体,金属键理论,（1）金属特点 不透明,有金属光泽,能导电、传热,富有延展性、可塑性等。（2）金属晶体 在晶格结点上排列着金属的原子和正离子，靠金属键结合而形成的晶体称为金属晶体。（3）金属键 金属晶体中金属原子之间的作用力。（4）原子化热与金属键 原子化热：原子化热与金属键的关系,金属原子是如何组合在一起的？为什么能组合在一起？有何特点？如何来描述？,金属键理论,大多数金属元素的价电子都少于4个（多数只有1或2个），而在金属晶体中每个原子要被8或12个相邻原子所包围，这样少的价电子不足以使金属间形成共价键；金属是由同样原子组成，其电负性相同，不可能形成正、负离子键。金属原子是如
6、何结合的？金属键的本质是什么？自由电子模型理论（电子海、电子气模型）能带理论,自由电子,由于金属元素的电负性较小,电离能也较小,外层价电子容易脱落下来，形成正离子；在金属正离子和原子间，存在从一上脱落下来的电子。这些电子不固定在某个金属离子的周围，而是能够在离子晶格中相对自由地运动，并不断在原子和离子间进行交换。这些电子不受某一定的原子或离子的束缚,能在金属晶体中自由地运动,故称为“自由电子”或“离域电子”。,自由电子模型理论,在金属晶体的晶格结点上排列着金属的原子和正离子；在三维空间中运动,离域范围很大的自由电子把金属正离子和原子联系起来,形成金属晶体；在金属晶体中,自由电子与原子或正离子之
7、间的作用力称为金属键；由于金属键可以看做是由许多原子和离子共用许多自由电子而形成的化学键,故也称改性共价键；,自由电子模型理论,金属中的自由电子为整块金属晶体所共有,一块金属晶体可视为一个巨型的大分子,所以通常以元素符号代表金属单质的化学式；金属键是一种没有方向性、饱和性的离域键,所以金属晶体是由金属原子紧密堆积而成。,金属晶体的平面图,自由电子理论的应用,金属中自由电子吸收可见光，又散射出来，表现出金属的光泽；在外加电场的作用下，自由电子的定向流动形成了电流；自由电子的运动使金属不同区域之间的温差迅速减小，体现出金属良好的导热性。,能带理论,(1)能带理论的产生：金属的能带理论是在分子轨道理
8、论的基础上发展起来的。由于金属晶体中原子的紧密堆积结构，原子靠得很近，能级相同的原子轨道会互相重叠而组成分子轨道，使体系的能量降低。,(2)能带理论要点,按照分子轨道理论，把整个晶体看成一个大分子，能级相同的金属原子轨道线性组合（原子轨道重叠）起来，成为整个晶体共有的若干分子轨道群。n个原子轨道线性组合得到n个分子轨道，每个分子轨道可容纳2个电子，共可容纳2n个电子。n的数值越大，分子轨道能级间的能量差越小。按原子轨道能级的不同，金属晶体中可形成不同的能带。n个原子中的每一种能量相同的原子轨道重叠，将形成n个分子轨道，合称为一个能带。,由充满电子的原子轨道重叠所形成的能带，称为满带；由未充满电
9、子的原子轨道重叠所形成的高能量能带，称为导带；凡无电子的原子轨道重叠所形成的能带称为空带；能带与能带之间的间隔是电子不能存在的区域称为禁带。凡价电子所在的能带称为价带；相邻两个能带相互重叠的区域称为重带或叠带。满带与空带重叠，会使满带变成导带。例如：Na原子形成的Na金属能带：,满带、导带、空带和禁带,导体、半导体和绝缘体,一般金属导体的价带是导带或重带，禁带宽度Eg0.4810-19J（0.3eV）。在外电场力作用下，导带和重带中的电子可在未占满电子的分子轨道间跃迁，所以导带和重带能导电。绝缘体不导电，是由其价带是满带，且最高满带顶与最低空带底间的禁带宽度较宽，Eg810-19J（5eV），
10、故在外电场作用下，满带中的电子不能越过禁带跃迁到空带，不能形成导带，故不能导电。,半导体,6.3 离子 晶体,定义：晶格结点上交替排列着正离子和负离子，正、负离子之间以离子键结合而形成的晶体称为离子晶体。离子晶体的特点,离子之间通过静电作用力结合，每个离子都尽可能多地吸引异号离子而紧密堆积成晶体。由于离子键没有方向性、饱和性,在离子晶体中没有单个的离子化合物分子存在,整个离子晶体可视为一个巨大的分子。一般把电负性相差X 1.7的两种元素形成的化合物视为离子型化合物。,离子晶体的平面图,（1）三种典型的AB型离子晶体 NaCl型：面心立方 特点：阴离子或阳离子都是ccp密堆积 离子的配位数为6
11、阴阳离子比为1：1（每个晶胞中阳、阴离子各为4个）例子：碱土金属氧化物、硫化物、碱金属卤化物等。CsCl 型：体心立方 特点：离子的配位数为8 阴阳离子之比为1：1（每个晶胞中阳、阴离子各为1个）例子：CsI、CsBr、CsCl等。ZnS型：面心立方（闪锌矿）和六方型（纤锌矿）两类 特点：阴离子是ccp密堆积 离子的配位数为4 阴阳离子之比为1：1（每个晶胞中阳、阴离子各为4个）例子：ZnO、ZnS、CdS、BeO等。,6.3.1 离子晶体的结构,（2）几种其它类型的离子晶体 CaF2结构 AB2O4尖晶石结构 ABO4钙钛矿结构 TiO2金红石,(3)离子键,（1）离子键及离子键的形成 阴阳
12、离子通过静电（库仑）作用形成的化学键。（2）离子键的特性 离子键的强度：决定于阴阳离子的半径大小、电子层构型、所带电荷的多少（电负性）。离子键的方向性、饱和性 离子键是一种理论上的、理想的、极端的状态。最典型的离子键也有一定的共价性。（原因？）（3）离子的配位数 在ABn型离子晶体中的A+与B-比例关系:r+/r-配位数 构型 0.225-0.414 4 ZnS 0.414-0.732 6 NaCl 0.732-1.00 8 CsCl 配位数的多少、阴阳离子的性质决定了离子晶体的构型；配位数的多少与正离子半径、电荷、电子构型有关；其离子半径越大、所带电荷数越多、917e、18或18+2构型，配
13、位数越大；,(4)晶格能,什么是晶格能？晶格能受哪些因素的影响？晶格能如何计算？晶格能对晶体的稳定性有何影响？1)定义：将1mol的离子晶体解离成自由的气态正(或负)离子所吸收的能量。单位为 kJmol-1。晶格能的大小与正、负离子的电荷数成正比,与正、负离子间的距离成反比。相同类型的离子晶体比较,离子的电荷越高,正、负离子半径越小,其晶格能越大,正、负离子间的结合力越强,此离子晶体的离子键越牢固,晶体较稳定,熔点较高、硬度较大。,（1）Born-haber循环,Born-haber循环：由M.Born和F.Haber提出的、利用热化学循环计算晶格能的方法。例题 fHm0 K（s)+1/2Br
14、2 KBr(s)晶格能与其它热力学函数的关系 fHm0 rHm0(K,升）rHm0(K,电离）rHm0(Br,气化）rHm0(Br,键能）rHm0(Br,电子亲合能）rHm0(KBr,晶格能）,2)晶格能的计算,（1）Born-haber循环,（1）Born-haber循环,（2）Born-Lande公式（波恩朗德）,Born-Lande公式的提出基础 正负离子间的静电作用力 Born-Lande公式 U=(KAz1z2/R0)(1-1/n)A:Madelung常数，与晶体的结构有关。例如：晶体结构 CsCl NaCl ZnS A 1.763 1.748 1.638 Born-Lande公式特
15、点 比较直观，能表示键能的实质。存在局限性、较多的问题。,1)什么是离子极化 离子极化：在外电场的作用下，原子核和核外电子发生相对位移，使正负电荷不重合（或不重合的程度增大），产生诱导电极，这种过程叫极化。,(5)离子极化,2)离子极化程度的表示 极化：一个离子对另一个离子作用，使之变形，产生诱导偶极的现象。一般说来，阳离子的极化作用是主要的。变形性：一个离子受其它离子的极化作用，导致正负电荷不重合的现象。变形性是对阴离子而言的。但电荷少、半径大、电子构型为9-17，18，18+2的阳离子也有变形性。离子极化程度用极化率来表示。极化率是离子受电场极化作用后变形性的一种量度。,3)影响离子极化能
16、力的因素（1）离子的正电荷越大，极化力越强；（2）离子的半径越小，极化力越大；（3）离子的外层电子结构：8e(9-17)e 18e(或18+2）4)影响离子变形性的因素（1）离子的正电荷越大，变形性力越小；（2）离子的负电荷越多，变形性力越大；（3）离子的半径越大，变形性越大；（3）离子的外层电子结构：8e(9-17)e 18e(或18+2）,5)附加极化作用（相互极化作用）一般说来，阳离子的半径小，带正电荷，极化作用是主要的，变形性是次要的，阴离子则相反。但是，对于外层电子构型为18或18+2的离子，正离子的变形性比较突出了，阴离子的极化作用也不可忽视，此类离子相互作用时，会产生相互极化、相
17、互变形，两原子核间的电子云相互重叠增强，核间距缩短，使得键的极性减弱，离子键可能成为共价键。例如：AgI,若查表得知:r(Ag+)126pm,r(I-)=216pm AgI间距：126+216=342pm 实际测得的是：299pm 两者相差：312 299=43pm 原因：Ag+外层电子是18构型，极化能力强，又有变形性，与I-作用时产生附加（或称额外）极化作用。,6)离子极化对物质性质的影响,（1）解释一些物质的溶解度变化的规律例如AgX:物种 查表（r+r-)实测（r+r-)键型 溶解度（mol/L)AgF 2.59 2.46 离子型 0。14 AgCl 3.10 2.77 2*10-4
18、AgBr 3.22 2.88 2.9*10-5 AgI 3.42 2.99 共价型 2.7*10-7（2）解释一些硫化物难溶于水的现象 物种 AgS CuS PbS CdS HgS KSP 1.6*10-49 8.5*10-45 3.4*10-28 3.6*10-20 4.0*10-53（3）解释一些化合物颜色加深的现象 S2-O2-I-Zn2+白 白 无 Cd2+黄 棕灰 黄绿 Hg2+黑 红 红（4）解释一些晶体结构不符合半径比规则的现象,6.4 分子晶体与原子晶体,（1）定义：在晶格结点上排列着中性分子，即 组成晶格的质点是分子，分子以分子间力相互结合而形成的晶体。零族元素He、Ne等的
19、晶体中,虽然占据晶格结点的是中性原子,但这些原子间并无化学键的结合,靠的是色散力结合起来,仍称之为分子晶体。非金属单质和非金属元素之间的固体化合物，易形成分子晶体。,1、分子晶体,分子晶体的平面图,极性分子晶体,非极性分子晶体,由于分子间力较弱,只要供给少量的能量,晶体就会被破坏；分子晶体的硬度小,熔点较低(一般低于400),具有较大的挥发性,常温下多以气态或液态存在；如果占据晶格结点的是电中性分子,则它们在固态或熔融时均不导电。,2、分子晶体的特点,（1）什么是原子晶体 在晶格结点上排列着中性原子，原子间以牢固的共价键相连结而形成的晶体称为原子晶体。在原子晶体中，不存在独立的小分子，只能把整
20、个晶体看成一个大分子，没有确定的相对分子质量。,3、原子晶体,原子晶体的平面图,（2）原子晶体的特点,原子晶体中原子间不是紧密堆积的，它们之间是通过具有方向性、饱和性的共价键相联结的。它们具有很大的硬度，很高的熔点，难溶于任何溶剂，化学性质十分稳定。原子晶体中不含自由电子和离子，一般不导电。,各种晶体中晶格结点上质点的示意图,离子晶体,原子晶体,极性分子晶体,非极性分子晶体,金属晶体,4、分子的偶极矩和极化率,原子间的作用是化学键，形成分子，那么，分子之间有没有作用？分子间的作用对物质的性质有何影响？我们如何讨论：,（1）分子的极性,（1）极性共价键与非极性共价键 极性共价键：成键电子在两核之
21、间不对称分布，正负电荷不重合，一头呈正电，一头呈负电，例如：H+:Cl-H+:F-,非极性共价键：成键电子在两核之间对称分布，正负电荷重合：H:H Cl:Cl,（2）键的极性与分子的极性 如果一个也能分成两极，则该分子具有极性，是一个极性分子；键的极性与分子极性的关系：（以H2O分子为例说明）结论：极性分子中必有极性键，极性键构成的不一定是极性分子。,（2）极性分子的描述 偶极矩,（1）定义：描述分子极性的一种物理量，用表示。=q*l（2）特征：是一种矢量，其方向是从“正”指向“负”。（3）非极性分子的=0；例如：H2，Cl2的=0（4）极性分子的 0；例如：HCl的=3.57*10-30c.
22、m H2O的=6.17*10-30c.m（5）偶极矩的意义：偶极矩的大小表示分子极性的大小。通过测定分子的，判断分子的空间构型，例如：NH3，CO2的构型；判断分子的其它性质，如：熔点、沸点等等。,分子间作用力研究历史（1）1873年Van der weals 研究理想气体的静电力。（2）1912年，W.H.Keeson研究了极性分子与极性分子间的作用力。（3）1920-1921年，P.Debye研究了极性分子与非极性分子间的作用力。（4）1930年，London用量子力学方法研究了非极性分子与非极性分子的作用。,5、分子间吸引作用（分子间作用力）,（1）分子间存在作用力，分子间的作用力有多种
23、形式，分子间作用力统称为van der weals力（2）3种分子间力：1）取向力（keeson力）：极性分子与极性分子之间的静电作用力。特点、影响因素：极性分子之间，与r、Z有关。2）诱导力（Debye力）：极性分子与非极性分子之间的静电作用力。特点、影响因素：与作用距离、极性分子的极化力、非极性分子的变形性有关。f诱-1/r6 3）色散力（London力）：1930年，London用量子力学理论方法证明，分子间存在这种力。形成：分子中电子不断运动，原子核不断振动，瞬时产生电子与原子核相对的位移，形成瞬时偶极矩而产生的作用力。特点：任何分子之间均存在色散力。影响因素：与分子的半径、变形性有关
24、。,（4）分子间作用力特点:（1）作用力较小，只有几个至几十个kJmol-1，比化学键小1-2个数量级。（2）静电短程力，作用范围一般在几个pm，且在一定的距离范围内，远程是吸引，近距离为排斥。不具有方向性和饱和性。（3）取向力与温度有关，诱导力与色散力受温度影响不大。（4）不同类型的分子分子间作用力是不一样的，色散力存在于各种分子之中。强极性、变形性小的分子：f取 f色 f诱 强极性、变形性大的分子：f色 f取 f诱 非极性分子：f色0 f取=0 f诱=0（5）分子间作用力主要影响物质的物理性质，如：溶解性、沸点、熔点、表面吸附等等。,6、氢键,(1)氢键的形成与形成条件 电负性大 电负性大
25、 Y-H+X-氢键 化学键（2）氢键的特点：作用力的本质为静电作用力。其能量约为化学键的1/10。氢键具有饱和性 氢键具有方向性（3）氢键对物质性质的影响：影响物质的物理性质，不影响物质的化学性质。增强分子间的作用力，对键长、键角影响小。主要影响物质的物理性质，如：熔点、沸点。,（4）氢键的类型,分子间氢键 例如：HF与HF分子间的氢键：H H H F F 分子内氢键 例如：HNO3分子内的氢键 还如：邻硝基苯酚 H O O N O分子内与分子间氢键对物质性质的影响是不一样的，效果正好相反。例如，就沸点而言，分子间氢键提高了物质的沸点，而分子内氢键则降低了物质的沸点。,(1)混合键型晶体：微粒间存在着多种结合力、多种化学键的晶体。(2)类型：链状结构晶体 层状结构晶体,6、层状晶体（混合键型晶体）,链状结构晶体,(SiO3)n2n-,链间共用氧原子,层状结构晶体-石墨,C原子sp2杂化形成sp2-sp2 键（3个），另一个 2p电子（垂直）形成离域大键。,预习：复习：作业：p.306,T.23、24（第一版）p245,T.23、25（第二版）,
