离子晶体与离子键精.ppt

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1、离子晶体与离子键第1页，本讲稿共25页离子晶体的一般特征 这类晶体的基本质点是正、负离子，它们之间以静电作用力（库仑力）相结合。正、负离子相间排列，结果使异性离子之间的吸引力达到最大，同性离子之间的推斥力达到最小。晶体中并不存在有单个的分子，而是为数极多的正负离子的集合体，化学式只是反映相应晶体的化学组成。第2页，本讲稿共25页几种典型的离子晶体 各个离子可以近似地看作是带电的圆球，电荷在球上的分布式均匀对称的，异性离子可以从任何地方相互靠近和结合。第3页，本讲稿共25页 决定离子晶体结构的因素就是正、负离子的电荷多少，半径大小以及离子间的最密堆积原则。六方ZnO立方ZnO在研究离子球体排列的

2、时候，并非只是考虑到几何学一端，而且也要考虑在每一最小的晶体范围内都必须达到电性的中和。第4页，本讲稿共25页具有相反电荷的离子即依库伦定律相互吸引，也就是说，引力是与电荷的乘积成正比，与其距离的平方成反比。随着离子的靠近，引力缩减的同时会显著地呈现出一种斥力。这是因为各离子并非确为点电荷，它们都是被一种有限延展的电子云所围绕。第5页，本讲稿共25页离子之间的紧密排列 根据量子力学可以理解到离子在强烈趋近的情况下，产生斥力，此种斥力与距离的一个十分高的次幂成反比。由此，离子晶体的压缩率极小，也就是在离子晶体内离子的更进一步接近有巨大的困难，排斥能量随着离子距离的减小而急剧增加。第6页，本讲稿共

3、25页离子间的排斥力和吸引力随着带不同电荷离子之间距离而变化。同时两种离子的电荷彼此靠近时，必然呈现一种固定的距离，此时两种力共同作用所产生的合成能量，在此种离子艰巨的情况下，显示出一个极限小值。因此，各离子将依固定的距离彼此地相互固持，这一距离与一种最小位能的状态相适应。围绕一个离子的力的作用，在最接近的状态下，可以视为球形对称，因而此种力的作用也就可以视为不具方向性的作用。第7页，本讲稿共25页离子晶体的晶格能 理论计算首先由Born等人提出，他们假定正、负离子是一个带电的球，这些球借助库伦引力相互吸引，这一引力，在离子的平衡位置内和同样大小的斥力相适应。计算过程如下：两个相距为r的异性离

4、子 和 之间在真空中的相互作用力为 第8页，本讲稿共25页当它们相互靠近的时候，离子间产生吸引力。但当距离逐渐缩减，由于电子云的推斥，离子间产生了推斥力。而离子晶体的晶格能就是距离很远的正负离子相互靠近结合成晶体时释放出来的能量，即静电引力的能量和排斥势能的总和第9页，本讲稿共25页当两离子处于平衡距离时，相互作用能量为极小，体系处于最稳定的状态，总的势能为零得到B之后，进而可以求出离子间的极小势能注意，上式仅表示的是一对正负离子间的相互作用势能第10页，本讲稿共25页离子晶体中所有离子对之间的总势能，就相当于晶格能UA称为马德隆（Madelung）常数，它是一个无量纲的结构性常数，只是由晶体

5、点阵的几何因素所决定。而在精确计算时，必须加一些校正因子，因为方程式中没有计算其他次要的力。范德华力排斥能应从量子力学考虑晶体“零点能”第11页，本讲稿共25页同时，离子化合物的晶格能也可以利用Born-Haber循环，采取实验数据计算求得列出有关的热化学方程最后的方程式表示出净变化，可以通过连续执行反应达到能量之间的关系第12页，本讲稿共25页晶体中的离子半径实验方法（如X射线衍射）可以容易地测定简单晶体中离子中心之间的空间，但是不可能准确地知道电子云的位置。换句话说，可以测得 ，并由此设想 ，但是不可能准确的知道正负离子之间的分界线在哪里。指定离子半径的唯一办法是测定在固态物质中相邻两原子

6、或离子中心间距离，并假定这个距离就等于或接近于两个原子半径之和。第13页，本讲稿共25页Pauling对此作了大量的工作，以下是对他的一些论证和结论作简单介绍首先假定：1、假定阳离子和阴离子是接触的，因而可以假定核间距离等于半径之和；2、对于给定的惰性气体电子构型，假定其半径和外层电子所能感受到的有效核电荷成反比。第14页，本讲稿共25页第二步应用Stater方法估算在Ne结构的电子组态中各个电子对外层电子屏蔽了多少核电荷。Na离子为6.85，F离子为4.85根据假定（2），半径和有效核电荷成反比，因此此方程与前面半径之和的方程联立，可以解出第15页，本讲稿共25页事实上，实际测得的正离子半径

7、均大于经验法求得的，而实际测得的负离子半径均小于经验法求得的。这是由于实际离子化合物中存在着离子的极化，外围的电子云发生形变，离子并不是正负电荷中心重合的球形对称的粒子。而且离子键也包含有不同程度的共价成分，晶体中的离子间也会有电子云的重叠，所以也不能明确地说正负离子的范围在哪里。显然，从波函数的本性来看，原子和离子并没有明确地半径第16页，本讲稿共25页离子极化及含有共价键成分的离子键在离子晶体中，正、负离子核外的电子云发生变形和重叠，这时离子之间的距离也会缩短，这种现象称为离子的极化第17页，本讲稿共25页极化率和极化力离子的极化率反映离子的可极化性。在电场中正负离子的电荷中心将不再重合，

8、离子极化率系指离子在单位强度电场中所产生的偶极矩。即，P=aE一个与极化率相对的概念极化力。极化率是指一个离子在外电场下被极化的能力，而极化力系指一个离子极化别的离子的能力第18页，本讲稿共25页极化率的规律离子的半径愈大，极化率也愈大负离子的极化率一般比正离子大正离子价数愈高者一般极化率愈小负离子价数愈高者极化率愈大含有d电子的正离子的极化率较大，而且随个数的增加而增加第19页，本讲稿共25页极化力的规律高价正离子有较强的极化力同价正离子，通常半径愈小极化力愈大负离子的极化力一般小于正离子的极化力，复杂负离子（络合负离子）的极化力通常更小含有d电子的正离子的极化力较小，且随个数的增加而减小第

9、20页，本讲稿共25页正负离子相互极化的结果使电子云发生变形和重叠。所以离子型晶体总是含有一定的共价键成分。离子极化的一个极端情况是由离子型晶体转变为以共价键为主的晶体。离子极化的另一个特点是，随着离子极化的加强，晶体中共价键成分增加，键长缩短，配位数减小。这是因为共价键的方向性和饱和性的缘故。第21页，本讲稿共25页任何异核原子所形成的化学键都既有离子性，又有共价性。两种方法处理这种情况：1、将这种键看作是共价键，然后考虑电荷由一个原子向另一个原子的位移效应2、将这种键看作是离子键，然后考虑其中一定的共价性一个简便的定性的解释方法：一个体积小、电荷高的阳离子会对一个阴离子发生作用，如果这个阴

10、离子体积大而且电子云容易变形，那么阳离子就可能使他发生极化，极端的情况就可能是阳离子进入阴离子电子云之中，形成共价键第22页，本讲稿共25页第23页，本讲稿共25页我的学习心得有一个明确地认识，那就是，无机化学是研究无机物组成、结构、性质以及化学反应过程的科学。并且，由于无机化学涵盖了所有元素，研究的范围极其广泛，它在化学科学中处于基础和母体的地位。和高中比较起来，课程内容在深度、广度和难度方面都增加了很多，带来了很大的挑战！第24页，本讲稿共25页在半年的学习过程中，我们掌握了化学反应原理的相关内容，了解了物质结构的一些基础知识，同时在以前的基础上加深了对元素的认知。我认为，该课程的学习是逐步递进的，由基本原理带出平衡，再由平衡分解出反应速率、自发变化、酸碱平衡、沉淀溶解平衡以及原电池等相关内容；由原子向分子递进，再加深到固体以及配合物，在此期间，了解到了量子数、杂化、晶体构型、键、磁性等相关知识；在元素化学的学习中，我们以分区为大线，再细分到各族，在各族中找到一般性规律和特殊元素加以分析，其中还进行着各族、各周期、各区之间的相关性联系和比较。通学习我们又可以发现，导致这些特例和规律的原因其实又都来自之前所学习的结构问题，从而形成回环。第25页，本讲稿共25页