第六章 分子結構和晶體結構.ppt

1、第六章 分子結構和晶體結構 (Molecular Structure and Crystal Structure),根據(jù)原子之間結合方式的不同，可以把物質分為這么幾類：,稀有氣體：單原子分子 分子晶體（分子間力）,所以，除稀有氣體外，自然界中的物質都是由原子通過化學鍵結合成分子或者直接結合成晶體而形成的。原子結構決定了物質的化學性質，分子和晶體的結構則決定了物質的物理性質。這一章，我們就介紹分子結構和晶體結構的有關知識。,在分子結構中，我們主要介紹分子內部共價鍵的形成、分子空間構型、分子間相互作用力三部分內容。,6.1 共價鍵(Covalent bond),共價鍵指的是兩個相同原子或電負性相差

2、不大的原子之間的成鍵方式。共價鍵的概念最早是1916年路易斯提出來的，他認為共價鍵是兩個原子之間通過共用電子對結合的成鍵方式。1927年，德國化學家海特勒和倫敦把量子力學理論引入分子結構中，經(jīng)發(fā)展形成了兩種共價鍵理論：,一、價鍵理論(Valence bond theory),（一）共價鍵的形成,（ 共價鍵的本質） 所以價鍵理論認為：所謂共價鍵，是原子間由于成鍵電子的原子軌道相互重疊而形成的化學鍵。,（二）價鍵理論的要點,1.電子配對成鍵：自旋方向相反的單電子配對成鍵,2.原子軌道重疊成鍵：形成共價鍵時，成鍵電子的原 子軌道重疊越多，電子在兩核間出現(xiàn)的幾率密度越大，成鍵越穩(wěn)定。所以，共價鍵的形成

3、在可能范圍內總是沿著原子軌道重疊最大的方向重疊成鍵，這就是最大重疊原理。（ 最大重疊原則）,3.能量最低原理：電子配對后放出能量，使體系能量降低。,（三）共價鍵的特征：飽和性和方向性,1. 飽和性：一個原子的一個未成對電子，只能與另一個原子的自旋方向相反的單電子配對成鍵，不能再與其它電子配對成鍵。所以，一個原子有幾個未成對電子，一般就只能形成幾個共價鍵，如：HCl、 、NN。,2. 方向性：因為軌道重疊時，是沿軌道伸展的方向重疊（遵循最大重疊原理），所以共價鍵是有方向性的。（與離子鍵不同）,二、共價鍵的類型(Types of covalent bond),共價鍵按原子軌道的重疊方式不同可分為：

4、 鍵和鍵兩種。,（一）鍵：成鍵原子軌道沿鍵軸方向以“頭碰頭”的方式重疊成鍵。如果兩個原子是以單鍵結合的，都是鍵。,（二）鍵：成鍵原子軌道沿鍵軸方向以“肩并肩”的方式重疊成鍵。,（ 共價鍵的鍵型） 如果兩個原子之間形成雙鍵或叁鍵，那么其中有一個是鍵，其它的都是鍵。,共價鍵還可以按鍵有沒有極性，分為極性共價鍵和非極性共價鍵。,（ 鍵的極性）,非極性共價鍵：同種原子之間形成的共價鍵。因為原子電負性相同，對共用電子對的吸引力相同，共用電子對均勻分布在兩原子之間，這樣的鍵稱為非極性共價鍵（簡稱非極性鍵）。如：H2、O2、N2、金剛石、純硅等。 極性共價鍵：不同原子之間形成的共價鍵。原子電負性不同，共用電

5、子對會偏向電負性較大的一方，在鍵的兩端出現(xiàn)正負極，這樣的鍵叫極性鍵。如：HCl（HCl 鍵）、NH3（NH鍵）等。,有一些物理量專門用來描述化學鍵的性質，叫做鍵參數(shù)。,三、鍵參數(shù)(Bond parameters),（一）鍵能(Bond energy): （ 鍵能） ：衡量化學鍵強弱的物理量。 指氣體分子每斷裂單位物質的量的某鍵時的焓變。,很明顯，鍵能越大，說明鍵越牢固。,（二）鍵角(Bond angle)： （ 鍵角） ：分子中相鄰的兩個化學鍵之間的夾角。,如: H2O中兩個OH 鍵的夾角約為104.5，為V型結構：,NH3中每兩個NH 鍵夾角為107018，分子為三角錐型：,鍵角是反映分子空

6、間構型的一個重要參數(shù)。,顯然，雙原子分子中不存在鍵角，分子都是直線型結構。,價鍵理論的局限性：,如：H2O，若按VB法的解釋：8O： 1s22s22p4,兩個OH 鍵的夾角應該是900，但事實上OH 鍵鍵角卻是104.50。,再如：CH4， 6C：1s22s22p2，按照價鍵理論，只能形 成兩個共價鍵，鍵角應該是900，但事實上，C 與 4 個H形成4 個CH 鍵，而且鍵角是：109028。,為了解釋多原子分子的形成和空間構型，鮑林在價鍵理論的基礎上提出了“雜化軌道”理論，成為價鍵理論的重要補充和發(fā)展。,6.2 雜化軌道理論（Hybrid orbital theory）,一、雜化與雜化軌道(H

7、ybridization and hybridization orbitals),1.定義：原子在相互結合形成分子的過程中，同一原子中不同類型能量相近的某些原子軌道，會發(fā)生重新組合，形成一組能量相同的新軌道，這個過程稱為原子軌道的“雜化”，形成的新軌道就是“雜化軌道”。,2.要點：,（1）雜化發(fā)生在同一原子中能量相近的原子軌道之間。,（2）雜化前后軌道數(shù)目不變，有幾個原子軌道發(fā)生雜化，就會產(chǎn)生幾個雜化軌道。,（3）形成的雜化軌道之間滿足最小排斥原理，就是說，雜化軌道之間的夾角從空間構型來說，應達到最大，這樣成鍵后，成鍵電子之間的斥力才最小，體系比較穩(wěn)定。,(4) 雜化時，成對電子可以被激發(fā)到空

8、軌道上變成單電子。,根據(jù)參加雜化的原子軌道的類型，可將雜化分為：s-p、d-s-p和s-p-d型雜化。 后兩種雜化我們將在下一章介紹，這一章我們主要介紹s-p型雜化。,二、雜化類型與分子空間構型,（一）sp型等性雜化及分子的空間構型,(Equivalent hybrid orbital and unequivalent hybrid orbital ),1.sp雜化：BeCl2 直線型，鍵角：1800,（ sp雜化軌道）,2. sp2 雜化：BF3 平面三角形，鍵角1200,（ sp2雜化軌道）,3.sp3雜化： CH4 四面體構型，鍵角：109018,（ sp3雜化軌道）,（二）sp型不等性

9、雜化及分子的空間構型,在sp型等性雜化中，參加雜化的原子軌道都是含有單電子的原子軌道，如果參加雜化的原子軌道含有成對電子，這樣的雜化為不等性雜化，形成的雜化軌道為不等性雜化軌道。 最典型的不等性雜化的例子：NH3和H2O （ 等性雜化和不等性雜化）,總結,分子內部的原子之間，是通過共價鍵結合在一起的,而分子之間，是通過分子間作用力相互結合的。這種作用力比化學鍵要弱得多，一般只有幾個-幾十個kJmol1。分子間力雖然較弱，但它對分子晶體的物理性質：如熔沸點、溶解度、表面張力、粘度等，起著決定性的作用。,6.4 分子間力與氫鍵 (Van der Waals forces and hydrogen

10、bond),分子間力最早由范德華提出，所以也叫范德華力。分子間力從本質上說屬于靜電引力作用，這種作用的產(chǎn)生與分子的極性和變形性有關。,一、分子的極性和變形性,（一）分子的極性和偶極距(Dipole moments),極性分子和非極性分子（ 分子的極性）,分子極性的大小可以用偶極矩來衡量：分子中正（負）電荷電量與正、負電荷中心間距的乘積。值可以通過實驗測定。,（二）分子的變形性,當分子處在外加電場中時，會因電場作用發(fā)生變形。,非極性分子本身沒有極性，正、負電荷中心是重合的，但在外加電場作用下，電子云和原子核會發(fā)生相對位移，分子發(fā)生變形，正、負電荷中心不再重合，產(chǎn)生偶極誘導偶極(Induction

11、 dipole)。這個過程叫做分子的極化；分子受極化發(fā)生變形的性質，叫做分子的變形性。有的分子容易被極化，變形性大；有的則相反。分子的變形性大小跟分子的體積、分子量有關。,極性分子本身就存在固有偶極(Permanent dipole)，當處在外加電場中時，固有偶極就會順著電場的方向定向排列（正極朝向電場的負極，負極朝向電場的正極）。這個過程叫做取向(Orientation)。同時，正、負電荷的中心距離增大，分子發(fā)生變形，在固有偶極的基礎上，產(chǎn)生誘導偶極，也發(fā)生了極化。,二、分子間力(Intermolecular forces),不同類型的分子之間，產(chǎn)生的分子間力的類型也不同。,（一）非極性分子

12、和非極性分子之間： 瞬時偶極瞬時偶極 色散力 (Instantaneous dipole) (Dispersion force) （ 分子間的作用力 色散力）,非極性分子的物質正是由于色散力的作用才有可能凝聚為液體和固體。如H2、O2、N2等氣體在低溫下會被液化甚至固化，靠的就是色散力的作用。,（二）非極性分子和極性分子之間： 誘導偶極固有偶極 誘導力 (Induction force),極性分子與非極性分子相互接近時，極性分子本身存在固有偶極，相當于給非極性分子加了一個電場，使非極性分子發(fā)生極化變形，產(chǎn)生誘導偶極。誘導偶極與固有偶極之間產(chǎn)生的相互吸引力，稱為誘導力。 （ 誘導力）,當然，不管

13、極性分子還是非極性分子，都存在瞬時偶極，所以二者之間也有色散力的作用。因此，極性分子與非極性分子之間的作用力有兩種：色散力和誘導力。,（三）極性分子和極性分子之間： 固有偶極固有偶極 取向力 (Orientation force),極性分子本身有固有偶極，相互靠近時，固有偶極會發(fā)生取向作用，采取異極相鄰的定向排列，產(chǎn)生相互吸引，這種由于固有偶極的取向而產(chǎn)生的作用力稱為取向力。 （ 取向力）,同時，極性分子之間因相互極化產(chǎn)生誘導力，還有瞬時偶極產(chǎn)生的色散力。所以極性分子之間的作用力有三種：取向力、誘導力和色散力。,一般來說，除了極性很大而且分子間有氫鍵的分子之外，在大多數(shù)分子中，色散力是分子間主

14、要的作用力，其次是取向力，而誘導力通常都很小。,色散力 取向力 誘導力,（一）對熔沸點的影響：分子間力越大，熔沸點越高。,1. 一般來說，結構相似的同系列物質，分子量越大，分子變形性越大，分子間力越強。,熔沸點升高,2. 分子量相近而體積較大的分子，變形性大，分子間 力強，熔沸點較高。,三、分子間力對物質物理性質的影響,3. 液態(tài)物質，分子間力越大，汽化熱越大，沸點也就 越高；固態(tài)物質，分子間力越大，熔化熱越大，熔 點也就越高。,（二）對溶解度的影響,一般極性分子之間存在比較強的取向力，可以互溶；非極性分子之間色散力較大，也可以互溶；而極性分子和非極性分子之間的互溶性較差。這就是極性相似相溶原

15、理： Br2、I2CCl4（非極性）、HClH2O（極性） CCl4H2O。,另外，結構相似的物質一般也具有相同的極性，可以互溶，如：乙醇和水（均含有羥基）；煤油易溶于高級醇（丁醇以上）（都含有烷基），但不溶于水。,四、氫鍵(Hydrogen bond)（ 氫鍵）,從分子間力的大小來考慮，H2O、HF、NH3的熔沸點應該是同族氫化物中最低的，但實際恰恰相反，它們的熔沸點反而最高，原因就是這些分子之間存在著氫鍵。,（一）氫鍵的形成,條件：H 原子與電負性大而半徑小的原子如：N、O、 F 形成共價化合物時，分子間會產(chǎn)生氫鍵。（NH3、H2O、HF）,（ 氫鍵的形成）,有些分子間除了普通的分子間力之

16、外還有一種特殊的作用力氫鍵。,（二）氫鍵的特點：（ 氫鍵的特點）,1.方向性（有方向性的分子間力）,2.飽和性,（三）氫鍵對物質物理性質的影響,氫鍵的強度比化學鍵小，但比普通的分子間力要大，它對物質的物理性質有很大的影響。,3.氫鍵的強弱與元素電負性有關,1.對熔沸點的影響,分子間若存在氫鍵，會使相互作用力增強，使物質熔沸點升高。象剛才的NH3、H2O、HF就是因為分子間存在氫鍵，才會產(chǎn)生特殊的高熔點、高沸點。,2.對溶解度的影響,溶質分子和溶劑分子之間存在著氫鍵，溶解度就會大大增加。,NH3H2O （噴泉實驗）,3.對粘度的影響,分子之間存在著氫鍵，粘度就會大大增加。比如：甘油、濃硫酸等多羥

17、基的化合物，由于眾多氫鍵的形成，大部分為粘稠狀液體。,有若干個簡單分子聯(lián)成復雜分子而又不會改變原物質的化學性質的現(xiàn)象。如：(HF )n；(H2O)n,4.分子締合：,氫鍵通常是物質在液態(tài)時形成的，但形成后有時也能繼續(xù)存在于某些晶態(tài)甚至氣態(tài)物質之中。如：氣、液、固態(tài)的HF中都有氫鍵存在。,氫鍵的應用舉例, 6.5 晶體結構(Crystal Structure),一、晶體的特性和內部結構,（一）晶體的特性,1.具有一定的幾何外形,構成晶體的微觀粒子在空間排列是有一定規(guī)律的，所以晶體一般都有一定的幾何外形。NaCl：立方體；石英：六角柱形；明礬：八面體。（晶體）,2.具有各向異性,晶體中各個方向排列

18、的質點的距離不同，所以許多物理性質在晶體的不同方向的表現(xiàn)也有差異。,固體,3.具有固定的熔點,晶體加熱到某一溫度開始熔化，熔化過程中，溫度保持恒定，直到全部熔化，溫度才繼續(xù)上升。晶體熔化時的恒定溫度，就是晶體的熔點。在熔點溫度下，晶體吸收的熱量全部用來破壞晶體的晶格。而玻璃、石蠟加熱時，由固體轉變?yōu)橐后w是一個連續(xù)升溫的過程，慢慢變軟，沒有固定的熔點。,晶體的這些特性都是因為: 晶體中質點的排列是有一定規(guī)則的。,（二）晶體的內部結構,1.晶格(Crystal lattice)：如果把構成晶體的微粒（原子、離子或分子）看成是幾何學上的點，這些晶體中的質點按一定的規(guī)則組成的幾何圖形就叫作晶格（或點陣

19、）。每個點在晶格中的位置叫做晶格的結點。根據(jù)晶格的結構，可以把晶體分為七大晶系，共十四種晶格類型。其中最簡單、最常見的是立方晶格。立方晶格又分為：簡單立方晶格、面心立方晶格和體心立方晶格三種。（ 離子型晶體的類型）,2. 晶胞(Unit cell)：在晶體中具有代表性的最小結構單位稱為晶胞。晶胞在三維空間周期性地重復排列起來，就構成了宏觀的晶體。,晶體的性質，除了跟它的晶格類型有關外，還決定于晶格結點上質點的種類以及質點間的作用力。根據(jù)質點的種類可以把晶體分為四種類型：,二、離子鍵與離子晶體(Ionic bond and ionic crystals),離子晶體的晶格結點上是離子，離子間通過離

20、子鍵結合在一起。,（一）離子鍵：正、負離子之間靠靜電引力作用形成的化學鍵。一般電負性差別較大的原子相互結合，形成的都是離子鍵。如：A、A和鹵素（A）、氧族元素（A）相結合，生成的多是離子化合物。,特性：沒有方向性和飽和性。,離子鍵理論,影響離子鍵強弱的影響因素：,1.離子的電荷(Charge) 正、負電荷間的引力：, 電荷越高，引力越大，離子鍵越強。 KCl CaO,2.離子的半徑(Radius),離子半徑越大，引力越小，離子鍵越弱。NaCl NaI,3.離子的外層電子構型(Electronic configuration),不同構型的離子，會使離子產(chǎn)生不同的極化作用，使離子鍵鍵型發(fā)生不同程度

21、的改變。這一性質我們在無機化合物中詳細討論。,離子的外層電子構型 一般單原子負離子的外層電子構型與稀有氣體相同，均為穩(wěn)定的八電子構型。但單原子正離子的外層電子構型較復雜，有如下類型： (1) 無電子構型，如1H+:1s0；(2) 2電子構型，如3Li+:1s2 (3) 8電子構型，如11Na+:2s2 2p6 (4) 917電子構型，如26Fe3+:3s2 3p6 3d5 (5) 18電子構型，如30Zn2+:3s2 3p6 3d10 (6) 18+2電子構型，如50Sn2+:4s2 4p6 4d10 5s2,（二）離子晶體的特征和性質（ 離子型晶體）,1.離子晶體的結構特征,(1)質點：正、

22、負離子；作用力：離子鍵。每個離子周圍，都有一定數(shù)目的異號離子包圍。 如：NaCl：Na和Cl按一定規(guī)則在空間交替排列。,(2)正、負離子有一定的配位比： NaClNa：Cl6：6；CsClCs：Cl8：8； ZnSZn2：S24：4。,配位數(shù)的大小跟正、負離子的半徑比有關系。但不管配位數(shù)是多少，對于正、負離子電荷相同的晶體來說，其最簡配位比都是1：1，只有這樣，才能保持晶體的電中性。(AB型),(3)空間結構類型：典型的離子晶體結構有三種：NaCl型、CsCl型、ZnS型。晶胞形狀都是正立方體形的。,NaCl型：面心立方晶格,CsCl型：體心立方晶格,2.離子晶體的性質,（1）熔沸點高、硬度大

23、 要改變其凝集狀態(tài)，必須破壞晶格結構，破壞正、 負離子的離子鍵，所以需要提供很高的能量。,（2）導電性：晶體狀態(tài)不導電，但在熔融狀態(tài)和溶液中，產(chǎn)生帶電離子，是電的良導體。,（3）溶解性：一般都易溶于水,（4）脆性高、延展性差：一旦受到外力沖擊，離子錯位，晶格被破壞，容易破碎。,（三）離子晶體的熱穩(wěn)定性,離子晶體的穩(wěn)定性除了可以用離子鍵的強弱描述外，還有一個定量的衡量標準：晶格能U(Lattice energy)。,標準狀態(tài)下，由相互遠離的氣態(tài)正、負離子結合成1mol固態(tài)離子晶體所放出的能量。單位：kJmol1,標準狀態(tài)下，拆開單位物質的量的離子晶體使其變?yōu)闅鈶B(tài)正、負離子所需吸收的能量。單位：k

24、Jmol1,晶格能的大小實際上從另一個角度反映了離子鍵的強弱。離子鍵越強，晶格能越大，正、負離子結合越牢固，離子晶體越穩(wěn)定。,離子電荷越多，正負離子核間距越短，晶格能越大，離子鍵越牢固，反映在物性上有較高的熔點、沸點和硬度。,三、金屬晶體(Metallic crystals)：,（ 金屬型晶體）,1. 結構特點： 質點：金屬原子或金屬正離子,作用力：金屬鍵金屬原子和金屬正離子靠自由電子相互結合的作用力。,可以看作是一種特殊共價鍵：由許多原子共用許多電子，但無方向性和飽和性。每個原子在空間允許的條件下，總是與盡可能多的原子形成金屬鍵，所以金屬晶體一般都是按緊密堆積方式排列，密度較大。 自由電子模

25、型,2.性質特點：,（1）有金屬光澤（多為銀白色）,（2）良好的傳熱導電性,（3）良好的延展性：金屬鍵無方向性，外力作用使原子位移并不破壞金屬鍵。,（4）多數(shù)有較大的硬度和較高的熔沸點，但堿金屬、堿土金屬例外。d電子參加成鍵，自由電子數(shù)多，金屬鍵強；s電子成鍵，價電子數(shù)少，且原子半徑大，對電子吸引力弱，堿金屬、堿土金屬金屬鍵弱。,四、原子晶體(Covalent crystals),1. 結構特點：質點原子,作用力共價鍵,原子晶體的空間構型（晶格類型）和原子之間的配位數(shù)取決于共價鍵的方向性和飽和性。 例如：金剛石( 金剛石)，每個C原子以sp3雜化軌道與相鄰的4個C原子形成4個共價鍵（鍵）C：C

26、4：4，晶格類型：立方ZnS型。,屬于原子晶體的物質不太多，常見的象：Si、B、SiC（金剛砂）、SiO2（石英）、BN、AlN等。注意原子晶體中也不存在單個分子，晶格結點上的微粒都是原子，上述這些表示僅代表其化學組成（原子的最簡配位比），是化學式而不是分子式。,2. 性質特點：,高熔點、高沸點、硬度大、不導電 SiC：3550 （熔點）,原子之間以共價鍵結合，作用力強，不易破壞，所以熔沸點都很高，硬度也大，晶體內沒有自由電子，也不存在離子，所以不能導電。,1. 結構特點：質點分子,作用力分子間力（氫鍵）,例：干冰（CO2分子晶體）（非極性分子型晶體）,常見分子晶體：稀有氣體，非金屬單質及化合

27、物（X2、H2、O2、P、S、HCl、CO2等）、大部分有機物，固態(tài)時都是分子晶體。,五、分子晶體(Molecular crystals),2.性質特點：分子間作用力比化學鍵要弱得多，所以分子晶體一般熔沸點低、硬度小、易揮發(fā)。比如：白磷熔點為44.1（室溫下，所有的氣態(tài)物質、易揮發(fā)的液體，易熔化和易升華的固體，在一定條件下都可形成分子晶體）；干冰易揮發(fā)，可作制冷劑；樟腦球：萘。,通常不導電，但有些極性分子溶于水后，解離成離子，水溶液可以導電。如HCl溶于水：,除了這四種晶體外，還有一類特殊的晶體 混合型晶體。,六、混合型晶體(Mixed crystals),構成晶體的質點之間同時存在幾種不同的

28、作用力，典型例子：石墨（ 圖示）,結構：分層，同一層中，C原子以sp2雜化軌道與相鄰的C原子形成三個共價鍵。六個C原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán)狀結構。剩下的未進行雜化的p軌道肩并肩重疊形成一個大鍵，鍵中的電子可以在平面層上自由移動，類似于金屬鍵中的自由電子。而層與層之間，是以分子間力相結合（每一層相當于由C原子構成的一個大的巨型分子）,石墨中原子之間有三種作用力： 共價鍵、金屬鍵、分子間作用力。,性質：由于其特殊的結構，而具有特殊性質，兼具原子晶體、金屬晶體、和分子晶體的性質。,除石墨外：云母、黑磷、石棉也屬于混合型晶體。,（ 凝聚態(tài)物質的結構和性質晶狀固體結構與性質關系小結）,熔點高；導電導熱性好，有金屬光澤；層間（作用力弱）容易滑動和剝離（鉛筆芯、潤滑劑、就是利用了它的這個特點）。,四、雜化后的軌道比原來的軌道成鍵能力強，形成的化學鍵鍵能大。雜化軌道在某些方向上的角度分布，比未雜化的p和s軌道角度分布大得多。,SP2不等性雜化,SP等性雜化,共價鍵的方向性,(離子鍵),（2）氫鍵具有飽和性,每一個XH只能與一個Y原子形成氫鍵。原因是H原子半徑比X、Y原子半徑要小得多，當形成一個XHY后，如果再有一個極