1、7.5 共價(jià)型物質(zhì)的晶體,晶體(crystal)具有一定的幾何形狀，由組成晶體的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子等)在空間周期性地排列而構(gòu)成的，如氯化鈉、金剛石、石英等均為晶體。 無(wú)定形物質(zhì)(amorphous solid)沒(méi)有規(guī)則的幾何形狀，其內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)排列是沒(méi)有規(guī)律的，如玻璃、石蠟、橡膠等。 氣態(tài)、液態(tài)物質(zhì)和無(wú)定形物質(zhì)在一定條件下也可以轉(zhuǎn)變成晶體。,一、晶體的特征,(1)各向異性(anisotropy)，即在晶體的不同方向上具有不同的物理性質(zhì)，如光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)熱性質(zhì)等在晶體的不同方向上往往是各不相同的，如石墨特別容易沿層狀結(jié)構(gòu)方向斷裂成薄片，石墨在與層平行方向的電導(dǎo)率要比與層垂直方

2、向上的電導(dǎo)率高一萬(wàn)倍以上。 (2) 具有一定的熔點(diǎn)，而無(wú)定形體則沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，只有軟化溫度范圍（如玻璃、石蠟、瀝青等）。 晶體還有一些其它的共性，如晶體具有規(guī)則的幾何外形；具有均勻性，即一塊晶體內(nèi)各部分的宏觀性質(zhì)（如密度、化學(xué)性質(zhì)等）相同。,X射線研究的結(jié)果得知，晶體是由在空間排列得很有規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元(可以是離子、原子或分子等)組成 晶體中具體的結(jié)構(gòu)單元抽象為幾何學(xué)上的點(diǎn)(稱結(jié)點(diǎn))，把它們連接起來(lái)，構(gòu)成不同形狀的空間網(wǎng)格，稱晶格。晶格中的格子都是六面體。 晶格中最小的重復(fù)單元（平行六面體），稱為晶胞(unit cell)。,晶胞在三維空間無(wú)間隙地堆砌構(gòu)成的晶格。晶胞為平行六面體，但是它的三條

3、邊的長(zhǎng)度不一定相等，也不一定互相垂直，晶胞的形狀和大小用晶胞參數(shù)表示，即用晶胞三個(gè)邊的長(zhǎng)度a、b、c和三個(gè)邊之間的夾角 、 表示，如圖7-33所示。,二、 晶體的分類,（1）按晶體的對(duì)稱性分類 晶 系 晶 胞 類 型 實(shí) 例 立方晶系 a = b = c = = = 90 NaCl、CaF2、金屬Cu 四方晶系 a = b c = = = 90 SnO2、TiO2、金屬Sn 六方晶系 a = b c = = 90, = 120 AgI、石英(SiO2) 菱形晶系 a = b = c = = 90 90 KClO3、KNO2、 三斜晶系 a b c CuSO45H2O、K2Cr2O7、高嶺土,(

4、2) 按結(jié)構(gòu)單元間作用力分類,離子晶體 離子晶體中晶胞的結(jié)構(gòu)單元上交替排列著正、負(fù)離子，離子晶體具有較高的熔點(diǎn)和較大的硬度，而多電荷離子組成的晶體則更為突出。 是電的不良導(dǎo)體，比較脆，機(jī)械加工性能差。,原子晶體,原子晶體中組成晶胞的結(jié)構(gòu)單元是中性原子，結(jié)構(gòu)單元間以強(qiáng)大的共價(jià)鍵相聯(lián)系。 具有很高的熔點(diǎn)和硬度； 原子晶體是電的不良導(dǎo)體，即使在熔融時(shí)導(dǎo)電性也很差； 溶解性能差，在大多數(shù)溶劑中都不溶解； 石英(SiO2)也是原子晶體，它有多種晶型。其中石英俗稱水晶，具有旋光性，是旋光儀的主要光學(xué)部件材料。常見(jiàn)的原子晶體還有碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)和氮化鋁(AlN)等。,分子晶體,分子晶體中晶

5、胞的結(jié)構(gòu)單元是分子，通過(guò)分子間的作用力相結(jié)合，此作用力要比分子內(nèi)的化學(xué)鍵力小得多。 分子晶體的熔點(diǎn)和硬度都很低； 分子晶體多數(shù)是電的不良導(dǎo)體；因?yàn)殡娮硬荒芡ㄟ^(guò)這類晶體而自由運(yùn)動(dòng) 非金屬單質(zhì)、非金屬化合物分子和有機(jī)化合物大多數(shù)形成分子晶體。例如硫、磷、碘、萘、非金屬硫化物、氫化物、鹵化物、尿素、苯甲酸等。,金屬晶體,金屬晶體中晶胞的結(jié)構(gòu)單元上排列著的是 中性原子或金屬正離子，結(jié)構(gòu)單元間靠金 屬鍵相結(jié)合。,晶體的種類,離子晶體晶格結(jié)點(diǎn)上交替排列著正負(fù)離子，靠離子鍵結(jié)合 分子晶體晶格結(jié)點(diǎn)上排列著分子，靠分子間力或氫鍵相結(jié)合 原子晶體晶格結(jié)點(diǎn)上排列著中性原子，靠共價(jià)鍵結(jié)合 金屬晶體晶格結(jié)點(diǎn)上排列著原子

6、或正離子，通過(guò)自由電子而結(jié)合（金屬鍵） 過(guò)渡型晶體晶格結(jié)點(diǎn)粒子間的鍵型發(fā)生變異的晶體 混合形晶體管晶格結(jié)點(diǎn)粒子間存在多種相互作用力的晶體,晶體性質(zhì)總論,延展性、可加工性等,思考題：解釋為何大多數(shù)金屬具有金屬光澤、導(dǎo)電性，而且隨溫度升高其導(dǎo)電性下降、導(dǎo)熱性、延展性及機(jī)械加工性能？,三、 金屬晶體（自學(xué)）,晶體缺陷,點(diǎn)缺陷晶體的某些點(diǎn)陣點(diǎn)未被原應(yīng)占有的粒子所占有或非點(diǎn)陣點(diǎn)上被物質(zhì)粒子所占領(lǐng)。,晶體中的點(diǎn)缺陷,面缺陷線缺陷在平行位置上的擴(kuò)展就形成面缺陷,體缺陷在晶體結(jié)構(gòu)中存在著空洞或包裹了雜質(zhì)。,線缺陷出現(xiàn)線狀位置的短缺或錯(cuò)亂。,晶體中的線缺陷,四、 分子晶體,分子晶體中晶格的結(jié)構(gòu)單元是小分子，而粒

7、子間 的作用力是分子間力(包括氫鍵)。 如Cl2、N2、CO2、H2O等。 分子間力不僅存在于分子晶體中，當(dāng)任意兩分子 相互接近到一定程度時(shí)，就存在分子間力。,1. 分子的極性,化學(xué)鍵分為極性鍵和非極性鍵。 極性鍵兩個(gè)不同原子形成的化學(xué)鍵； 非極性鍵兩個(gè)相同原子形成的共價(jià)鍵； 在任何一個(gè)分子中都可以找到一個(gè)正電荷中心 和一個(gè)負(fù)電荷中心。 正、負(fù)電荷中心不重合的分子為極性分子 正、負(fù)電荷中心重合的分子為非極性分子,同核雙原子分子：原子的電負(fù)性相同，原子之間的化學(xué)鍵是非極性鍵，分子是非極性分子。 異核雙原子分子：由于電負(fù)性不同，兩個(gè)原子之間的化學(xué)鍵為極性鍵，分子是極性分子。 多原子分子：分子的極性

8、取決于鍵的極性和分子的空間構(gòu)型。,如是相同原子組成的、且僅有非極性鍵，則分子通常是 非極性分子，如P4、S8等； 如果組成原子不相同，那么分子的極性不僅與鍵的極性 有關(guān)，還與分子的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。 例如，SO2和CO2都是三原子分子，都是由極性鍵組成， 但CO2的空間結(jié)構(gòu)是直線型，鍵的極性相互抵消，分子 的正、負(fù)電荷中心重合，分子為非極性分子。而SO2的 空間構(gòu)型是角型，正、負(fù)電荷重心不重合，分子為極性 分子,分子極性的大小用偶極矩來(lái)量度。在極性分子中，正、負(fù)電荷中心的距離稱偶極長(zhǎng)，用符號(hào)d表示，單位為米(m)；正、負(fù)電荷所帶電量為q和q，單位庫(kù)侖(C)； = q d 偶極矩是個(gè)矢量，它的方向規(guī)

9、定為從正電荷中心指向負(fù)電荷中心。其SI單位是庫(kù)侖米 (Cm)，實(shí)驗(yàn)中常用德拜(D)來(lái)表示： 1D = 3.336 1030Cm 例如 (H2O) = 6.171030 Cm = 1.85 D 實(shí)際上，偶極矩是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的,*根據(jù)偶極矩大小可以判斷分子有無(wú)極性，比較分子極性的大小。 = 0，為非極性分子；值愈大，分子的極性愈大。 *偶極矩還可幫助判斷分子可能的空間構(gòu)型。 例如NH3和BCl3都是由四個(gè)原子組成的分子，可能的空間構(gòu)型有兩種，一種是平面三角形，一種是三角錐形，根據(jù) (NH3)=5.001030 Cm (BCl3)= 0.00 Cm 可知，BCl3分子是平面三角形構(gòu)型，而NH3分子是

10、三角錐形構(gòu)型。,2. 分子變形性 極化率,極性分子的這種固有的偶極稱為永久偶極。 非極性分子在外電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生偶極，成為極性分 子（瞬間偶極）；極性分子在外電場(chǎng)作用下，本來(lái)就 具有的固有偶極會(huì)增大，分子極性進(jìn)一步增大。這種 在外電場(chǎng)作用下，正、負(fù)電荷中心距離增大的現(xiàn)象， 稱為變形極化，所形成的偶極稱為誘導(dǎo)偶極。,誘導(dǎo)偶極與外電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比： 誘導(dǎo) = E 式中為比例常數(shù)，稱為極化率(polarizability)。 如果外電場(chǎng)強(qiáng)度一定，則極化率愈大，誘導(dǎo)愈大，分 子的變形性也愈大，所以極化率可表征分子的變形性。 極性分子受到外電場(chǎng)作用時(shí)，極性分子要順著電場(chǎng)方 向取向。這一現(xiàn)象稱為取向極化。

11、 同時(shí)電場(chǎng)也使分子正、負(fù)電荷中心距離增大，發(fā)生變 形，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。所以此時(shí)分子的偶極為固有偶極 和誘導(dǎo)偶極之和。,3. 分子間作用力（范德華力）,分子的變形不僅在電場(chǎng)中發(fā)生，在相鄰分子間也會(huì)發(fā)生。 分子的極性和變形性，是產(chǎn)生分子間力的根本原因。 (1)色散力 任何分子由于其電子和原子核的不斷運(yùn)動(dòng)，常發(fā)生電子云和原子核之間的瞬間相對(duì)位移，從而產(chǎn)生瞬間偶極。瞬間偶極之間的作用力稱為色散力 。 分子的變形性愈大，色散力愈大。分子中原子或電子數(shù)越 多，分子量越大、分子愈容易變形，所產(chǎn)生的瞬間偶極矩 就愈大，相互間的色散力愈大。 色散力不僅存在于非極性分子間，同時(shí)也存在于非極性分 子與極性分子之間和極

12、性分子與極性分子之間。所以色散 力是分子間普遍存在的作用力。,（2）誘導(dǎo)力,當(dāng)極性分子與非極性分子相鄰時(shí)，極性分子就如同一 個(gè)外電場(chǎng)，使非極性分子發(fā)生變形極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶 極。極性分子的固有偶極與誘導(dǎo)偶極之間的這種作用 力稱為誘導(dǎo)力。 誘導(dǎo)力的本質(zhì)是靜電引力，極性分子的偶極矩愈大， 非極性分子的變形性愈大，產(chǎn)生的誘導(dǎo)力也愈大；而 分子間的距離愈大，則誘導(dǎo)力愈小。 極性分子之間也會(huì)相互誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，所以極性 分子之間也會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)力。,（3）取向力,極性分子與極性分子之間，由于同性相斥、異 性相吸的作用，使極性分子間按一定方向排列 而產(chǎn)生的靜電作用力稱為取向力。 取向力的本質(zhì)是靜電作用，可根據(jù)

13、靜電理論求 出取向力的大小。偶極矩越大，取向力越大； 分子間距離越小，取向力越大。同時(shí)，取向力 與熱力學(xué)溫度成反比。,圖7-40 極性分子間的相互作用,極性-極性分子間 取向力、誘導(dǎo)力、色散力 分子間力最強(qiáng) 極性-非極性分子間 誘導(dǎo)力、色散力 分子間力其次 非極性-非極性分子間 色散力 分子間力最弱,分子間力的特點(diǎn)：,*分子間力屬靜電作用，既無(wú)方向性，也無(wú)飽和性。分子間力是一種永遠(yuǎn)存在于分子間的作用力，隨著分子間距離的增加，分子間力迅速減小，其作用能的大小約比化學(xué)鍵小12個(gè)數(shù)量級(jí)，在幾到幾百焦耳每摩爾之間。 *分子間力主要影響物質(zhì)的物理性質(zhì)，如物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等。例如，HX的分子量依HClHB

14、rHI順序增加，則分子間力(主要是色散力)也依次增加，故其熔沸點(diǎn)依次增高。然而它們化學(xué)鍵的鍵能依次減小，所以其熱穩(wěn)定性依次減小。此外分子間力愈大，它的氣體分子越容易被吸附。,4. 氫鍵,p區(qū)同族元素氫化物的熔、沸點(diǎn)從上到下升高，而 NH3、H2O和HF卻例外。 如H2O的熔、沸點(diǎn)比H2S、H2Se和H2Te都要高。 H2O還有許多反常的性質(zhì)，如特別大的介電常數(shù) 和比熱容以及密度等。 又如HF分子氣相為二聚體(HF)2，HCOOH分子氣相 也為二聚(HCOOH)2。 根據(jù)甲酸二聚體在不同溫度的解離度，可求得它的解 離能為59.0 kJmol1 ，這個(gè)數(shù)據(jù)顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的 分子間力。,氫鍵:當(dāng)氫

15、與電負(fù)性很大、半徑很小的原子X(jué)(X可以是F、O、N等高電負(fù)性元素)形成共價(jià)鍵時(shí)，共用電子對(duì)強(qiáng)烈偏向于X原子，因而氫原子幾乎成為半徑很小、只帶正電荷的裸露的質(zhì)子。這個(gè)幾乎裸露的質(zhì)子能與電負(fù)性很大的其他原子(Y)相互吸引，也可以和另一個(gè)X原子相互吸引，形成氫鍵。 形成氫鍵的條件是： l氫原子與電負(fù)性很大的原子X(jué)形成共價(jià)鍵； l有另一個(gè)電負(fù)性很大且具有孤對(duì)電子的原子Y（ F、O、N、 S、Cl）；一般在XHY中，把“”稱作氫鍵。,易形成氫鍵的元素有F、O、N，及Cl、S。 這些元素的電負(fù)性愈大，氫鍵愈強(qiáng)；原子半 徑愈小，氫鍵也愈強(qiáng)。 氫鍵的強(qiáng)弱與這些元素的電負(fù)性大小、原子 半徑大小有關(guān)，氫鍵的強(qiáng)弱順

16、序?yàn)椋?FHF OHO NHN OHCl OHS,氫鍵的特點(diǎn)： *鍵能一般在40kJmol1以下，比化學(xué)鍵的鍵能小得多，而和范德華力處于同一數(shù)量級(jí)。 *具有飽和性和方向性。 氫鍵的飽和性表示一個(gè)XH只能和一個(gè)Y形成氫鍵。氫鍵的方向性是指Y原子與XH形成氫鍵時(shí)，其方向盡可能與XH鍵軸在同一方向，即XHY盡可能保持180。因?yàn)檫@樣成鍵可使X與Y距離最遠(yuǎn)，兩原子的電子云斥力最小，形成穩(wěn)定的氫鍵。,氫鍵的分類：,分子間氫鍵：見(jiàn)前述 分子內(nèi)氫鍵：HNO3分子，以及在苯酚的鄰位上有NO2、COOH、CHO、CONH3等基團(tuán)時(shí)都可以形成分子內(nèi)氫鍵。分子內(nèi)氫鍵由于分子結(jié)構(gòu)原因通常不能保持直線形狀。,氫鍵對(duì)物質(zhì)的物理性質(zhì)的影響：,分子間形成氫鍵時(shí)，使分子間結(jié)合力增強(qiáng)，使化合 物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熔化熱、汽化熱、粘度等增大， 蒸汽壓則減小。例如HF的熔、沸點(diǎn)比HCl高，H2O 的熔、沸點(diǎn)比H2S高，分子間氫鍵還是分子締合的主 要原因。因?yàn)楸袣滏I，必須吸收大量的熱才能使 其斷裂，所以其熔點(diǎn)大于同族的H2S。 分子內(nèi)氫鍵的形成一般使化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熔 化熱、汽化熱、升華熱減小。,氫鍵對(duì)化合物的溶解度的影響：,當(dāng)溶質(zhì)和溶劑分子間形成氫鍵時(shí)，使溶質(zhì)的溶解度增 大；