《西昌学院西昌学院(精)PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西昌学院西昌学院(精)PPT课件.ppt（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西 昌 学 院 西 昌 学 院 第八章 晶体结构 本章要求 掌握晶体的特征 晶格的类型 掌握晶格能的意义 有关计算及其应用 掌握各种晶体类型的特征及其化合物性质的关系 理解离子极化的概念及其应用 理解化合物的性质与分子结构间的关系 西 昌 学 院 西 昌 学 院 1 晶体 通常人们说的 固 体 可分为晶态和非晶态两 大类 晶态物质 即晶体 是真正意义的固体 第一节 晶体的特征 一 晶体的宏观特征 西 昌 学 院 西 昌 学 院 单晶 单一的晶体多面体 双晶 有时两个体积大致相当的单晶按一 定规则生长在一起 晶簇 许多单晶以不同取向连在一起 有的晶态物质 看不到规则外形 是多 晶 是许多肉眼看不
2、到的小晶体的集合体 有的多晶压成粉末 放到光学显微镜或 电子显微镜下观察 仍可看到整齐规则的 晶体外形 西 昌 学 院 西 昌 学 院 2 晶体的特征 有固定的几何外形 有确定的熔点 有各向异性 各向异性 晶体的导热 导电 光的 透射 折射 偏振 压电性 硬度等 性质常因晶体取向不同而异 叫做各 向异性 西 昌 学 院 西 昌 学 院 3 结晶格子 组成晶体的质点 分子 原子 离子 以确定位置的点在空 间作有规则的排列 这些点群具有一 定的几何形状 称为结晶格子 简称 晶格 有的资料中称为点阵 西 昌 学 院 西 昌 学 院 结点 每个质点在晶格中所占有 的位置称为晶体的结点 晶胞 晶格中含有
3、晶体结构中具 有代表性的最小重复单位 称为 单元晶胞 简称晶胞 西 昌 学 院 西 昌 学 院 二 晶体的类型 按照晶格上质点的种类和质点间作 用力的实质 化学健的健型 不同 晶 体可分为离子晶体 原子晶体 分子晶 体和金属晶体四种基本类型 西 昌 学 院 西 昌 学 院 1 离子晶体 晶格上的结点是正 负 离子 2 原子晶体 晶格上的结点是原子 3 分子晶体 晶格结点是极性分子或 非极性分子 4 金属晶体 晶格上结点是金属的原 子或正离子 西 昌 学 院 西 昌 学 院 第二节 金 属 晶 体 一 金属键 金属晶体中原子之间的化学作用力叫 做金属键 金属键是一种遍布整个晶体的 离域化学键 金
4、属晶体是以金属键为基本 作用力的晶体 西 昌 学 院 西 昌 学 院 二 电子气理论 经典的金属键理论叫做 电子气理论 它 把金属键形象地描绘成从金属原子上 脱落 下来 的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的 电子气 金属原子则 浸泡 在 电子气 的 海洋 之中 电子气理论定性地解释金属的性质 例如 金 属具有延展性和可塑性 金属有良好的导电性 金 属有良好的导热性 等等 电子气理论的缺点是定 量关系差 西 昌 学 院 西 昌 学 院 堆积模型 把金属晶体看成是由直径 相等的圆球状金属原子在三维空间堆 积构建而成的模型叫做金属晶体的堆 积模型 金属晶体堆积模型有三种基本形 式 体心立方堆积
5、 六方最密堆 积和面心立方最密堆积 三 金属晶体的堆积模型 西 昌 学 院 西 昌 学 院 1 体心立方堆积 体心立方堆积的晶胞 金属 原子分别占据立方晶胞的顶点位 置和体心位置 每个金属原子周 围原子数 配位数 是8 西 昌 学 院 西 昌 学 院 2 六方最密堆积 将第一层球称为A 球 第二层球称为B球 得到ABABAB 的垛积 配位数为12 这是两层为一个周期 的垛积 西 昌 学 院 西 昌 学 院 3 立方面心最密堆积 如果上述三维垛积取 ABCABCABCABC 三层为一周 期的垛积方式 配位数为12 这种三 层为一周期的最密堆积被称为面心立方最 密堆积 西 昌 学 院 西 昌 学
6、院 第三节 离 子 晶 体 典型的离子晶体是指由带电的原子 阴离 子和阳离子通过离子键相互作用形成的晶体 但是 完全由单原子离子构成的离子晶体在 总量上并不多 大量离子晶体并非只有离子或只 有离子键 例如 尽管KNO3只有离子 K 离子 和NO3 离子 它们之间的化学键是离子键 然而 在NO3 离子内的化学作用力却是共价键 广义地说 所有存在大量阴阳离子的晶体都 是离子晶体 西 昌 学 院 西 昌 学 院 简单离子可以看成带电的球体 它的特征主要有离子电荷 离子的电 子构型和离子半径3个方面 对于复 杂离子 还要讨论其空间构型等问题 1 离子电荷 离子电荷是简单离子的核电荷 正电荷 与它的核外
7、电子的负电荷的 代数和 一 离子 西 昌 学 院 西 昌 学 院 如 Na 和Ag 的离子电荷都是 1 在 它们周围呈现的正电场的强弱不相等 否则难以理解NaCl与AgCl在性质上为 何有如此巨大的差别 由此可见 所谓 离子电荷 在本质上只是离子的形式电荷 Na 和Ag 的形式电荷都等于 1 有 效电荷 Z 却并不相等 不难理解 Ag 离子的有效电荷大大高于Na 离子 这是由于它们的电子层构型不同 西 昌 学 院 西 昌 学 院 2 离子构型 通常把处于基态的离子电子层构 型简称为离子构型 负离子的构型大 多数呈稀有气体构型 即最外层电子 数等于8 正离子则较复杂 可分如 下5种情况 西 昌
8、学 院 西 昌 学 院 1 2e构型 第二周期的正离子的电子 层构型为2e构型 如Li Be2 等 2 8e构型 从第三周期开始的IA IIA族元素正离子的最外层电子层为8e 简称8e构型 如Na 等 Al3 也是 8e构型 IIIB VIIB族元素的最高价 也具有8e构型 不过电荷高于 4的带 电原子 如Mn7 并不以正离子的方 式存在于晶体之中 西 昌 学 院 西 昌 学 院 3 18e构型 IB IIB族元素表现族价 时 如Cu Zn2 等 具有18e构型 p区过渡后元素表现族价时 如Ga3 Pb4 等也具有18e构型 4 9 17e构型 d区元素表现非族价 时最外层有9 17个电子 如
9、Mn2 Fe2 Fe3 等 5 18 2 e构型 p区的金属元素低 于族价的正价 如Tl Sn2 Pb2 等 它们的最外层为2e 次外层为18e 称为18 2e构型 西 昌 学 院 西 昌 学 院 在离子电荷和离子半径相同的 条件下 离子构型不同 正离子的 有效正电荷的强弱不同 顺序为 8e 9 17e2 5 NaI323704661 2 5 MgO210379128526 5 CaO240340126144 5 SrO257322324303 5 BaO256305419183 3 西 昌 学 院 西 昌 学 院 晶格能越大 表明离子晶体中的离子键 越稳定 一般而言 晶格能越高 离子晶体 的
10、熔点越高 硬度越大 晶格能大小还影响 着离子晶体在水中的溶解度 溶解热等性质 注 离子晶体在水中的溶解度与溶解热 不但与晶体中离子克服晶格能进入水中吸收 的能量有关 还与进入水中的离子发生水化 放出的能量 水化热 有关 晶格需用实验方法或理论方法估算 获 得晶格能的方法很多 常见的方法有 西 昌 学 院 西 昌 学 院 波恩 哈伯循环 把离子晶体中的离子变成气 态离子的过程分解为若干过程之和 例如 E a E b E c NaCl s Na s 1 2Cl2 g Na g Cl g Na g Cl g E a 由单质化合成离子晶体的生成热的负值 E b 为1摩尔金属钠气化吸收的能量 升华热 与
11、 0 5摩尔氯分子的解离能之和 E c 为金属钠的电 离能与氯原子的电子亲和能之和 晶格能是这些 能量项的加和 U E a E b E c 由于以上各能项均可用实验方法测定 故这种 由波恩和哈伯设计的热化学循环可以估算出许多离 子晶体的晶格能 西 昌 学 院 西 昌 学 院 四 离子晶体结构模型 1 概述 CsCl 氯化铯 配位数8 8 NaCl 岩盐 配位数6 6 ZnS 闪锌矿 配位数4 4 CaF2 萤石 配位数8 4和TiO2 金红石 配位数6 3 是最具有代表性的离子晶体结构类型 许多离 子晶体或与它们结构相同 或是它们的变形 西 昌 学 院 西 昌 学 院 5种离子晶体结构的代表物
12、种 常见的离子晶体化合物 晶体结构型实例 氯化铯型 氯化钠型 闪锌矿型 萤石型 金红石型 CsCl CsBr CsI TlCl NH4Cl 锂钠钾铷的卤化物 氟化银 镁 钙锶钡的氧化物 硫化物 硒化 物 铍的氧化物 硫化物 硒化物 钙 铅 汞 II 的氟化物 锶 和钡的氯化物 硫化钾 钛 锡 铅 锰的二氧化物 铁 镁 锌的二氟化物 西 昌 学 院 西 昌 学 院 一个离子周围异电性离子的个数受离子半径比 等因素制约 离子半径越大 周围可容纳的异电性 离子就越多 在理论上 只有当正负离子半径比处 在一定范围内 才能在离子晶体中呈现某种稳定的 配位多面体 离子晶体中的稳定配位多面体的理论半径比 配
13、位多面体配位数半径比 r r 范 围 平面三角形30 155 0 225 四面体40 225 0 414 八面体60 414 0 732 立方体80 732 1 000 立方八面体121 000 西 昌 学 院 西 昌 学 院 这里所谓的 理论上 是指上述离子键是 100 理想离子键 从相反的角度看 非极性共价 键中的共用电子对是不偏不移地被两个原子共用 的 当形成共价键的原子的电负性不同时 共用 电子对就要偏向电负性较大的原子一侧 使共价 键呈现极性 形成共价键的两原子电负性相差越大 共价 键的极性越大 电负性相差过大 共用电子对因 偏移而完全不能共用了 就变成离子键 因此 离子键可以看作是
14、极性共价键的极限 泡林用共价键的离子性百分数的概念 提出 用电负性差值大小来衡量共价键的离子性百分数 西 昌 学 院 西 昌 学 院 共价键的键合原子的电负性差与共价键的离子性百 分数的关系 电负性差离子性 电负性差离子性 0 211 855 0 442 063 0 692 270 0 8152 476 1 0222 682 1 2302 886 1 4393 089 16473 292 西 昌 学 院 西 昌 学 院 西 昌 学 院 西 昌 学 院 第四节 离子极化 离子和分子一样 在阳 阴离子自身 电场作用下 产生诱导偶极 导致离子的 极化 即离子的正负电荷重心不再重合 致使物质在结构和性
15、质上发生相应的变 化 西 昌 学 院 西 昌 学 院 一 离子的极化作用和变形性 离子本身带有电荷 所以电荷相 反的离子相互接近时就有可能发生 极化 也就是说 它们在相反电场 的影响下 电子云发生变形 西 昌 学 院 西 昌 学 院 一种离子使异号离子极化而变形 的作用 称为该离子的 极化作用 被异号离子极化而发生离子电子 云变形的性能 称为该离子的 变形 性 或 可极化性 虽然无论阳离子或阴离子都有极 化作用和变形性的两个方面 但是阳 离子半径一般比阴离子小 电场强 所以阳离子的极化作用大 而阴离子 则变形性大 西 昌 学 院 西 昌 学 院 1 离子的极化作用 1 离子正电荷数越大 半径越
16、小 极 化作用越强 2 不同外壳电子层的离子 离子极化 作用依次为 8电子 9 17电子 18电子和18 2电子 3 外壳电子层结构相似 所带正荷相 同的离子 半径愈小 极化作用越大 如 Mg2 Ba2 西 昌 学 院 西 昌 学 院 2 离子的变形性 1 简单阴离子的负电荷数越高 半径 越大 变形性越大 如S2 O2 F Cl Na K Hg2 Mg2 Ca2 3 对于一些复杂的无机阴离子 因为 形成结构紧密 对称性强的原子集团 变形 性通常是不大的 而且复杂阴离子中心离子 氧化数越高 变形性越小 西 昌 学 院 西 昌 学 院 一些常见一价和二价阴离子按照 变形性增加的顺序对比如下 ClO4 F NO3 H2O OH CN Cl Br I SO42 H2O CO32 O2 S2 西 昌 学 院 西 昌 学 院 正负离子一方面作为带电体 使邻近异号离子 发生变形 同时本身在异号离子作用下也会发生变 形 阴 阳离子相互极化的结果 彼此的变形性增 大 从而进一步加强了异号离子的相互极化作用 这种加强的极化作用称为附加极化作用 每个离子的总极化作用应是它原来的极化作用 和附加极化作用之和
