第3章-----晶体结构.pptx

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1、 晶体晶角示意图 结晶格子示意图 2.2.晶体有固定的熔点晶体有固定的熔点NaCl(801)NaCl(801)、MgO(2800)MgO(2800)3.3.晶体的各向异性晶体的各向异性云母云母(导热性导热性)、石墨、石墨(导电性导电性)4.4.晶体的解理性晶体的解理性食盐食盐易易碎成小碎成小立方体、云母、云母易易撕成薄片、撕成薄片、方解石方解石易裂成小菱面体易裂成小菱面体第1页/共52页晶体的内部结构晶体的内部结构1.1.晶格和晶胞晶格和晶胞为了研究晶体的几何结构，通常将晶体中的粒子想象为几何为了研究晶体的几何结构，通常将晶体中的粒子想象为几何学中的点，这些点的总和构成的点群具有一定的几何形状

2、，学中的点，这些点的总和构成的点群具有一定的几何形状，称为称为点阵或结晶格子点阵或结晶格子，简称，简称晶格晶格。在晶格上排有粒子的那些点，称为在晶格上排有粒子的那些点，称为晶格的结点晶格的结点。在晶体内，能够表现晶体结构特性的基本单位叫在晶体内，能够表现晶体结构特性的基本单位叫单元晶胞单元晶胞晶胞晶胞。氯化钠的晶格和晶胞 第2页/共52页2.2.几种简单的晶格几种简单的晶格 在晶格中，我们总可找到一个一个的在晶格中，我们总可找到一个一个的平行六面体平行六面体。这些平行六面。这些平行六面体的形状，可用三边之长体的形状，可用三边之长a a、b b、c c 及夹角及夹角、来表示。根据来表示。根据a

3、a、b b、c c、的不同特征，将晶体分为七大晶系。在同一晶系中又有的不同特征，将晶体分为七大晶系。在同一晶系中又有不同的晶格类型，共有十四种晶格类型。本节只简单介绍常见的立方晶不同的晶格类型，共有十四种晶格类型。本节只简单介绍常见的立方晶系中的简单立方、体心立方和面心立方三种晶格和六方晶系中的六方密系中的简单立方、体心立方和面心立方三种晶格和六方晶系中的六方密集晶格集晶格。简单立方晶格：简单立方晶格：由由8 8个粒子堆积而成，外形为一立方体。八个个粒子堆积而成，外形为一立方体。八个粒子分别排列在单个晶胞立方体的八个角顶上。粒子分别排列在单个晶胞立方体的八个角顶上。体心立方晶格：体心立方晶格：

4、由由9 9个粒子堆积而成，外形是个立方体。有八个粒子堆积而成，外形是个立方体。有八个粒子占据立方体的八个角顶，第九个粒子排布在立方体的个粒子占据立方体的八个角顶，第九个粒子排布在立方体的体心体心面心立方晶格面心立方晶格：由：由1414个粒子堆积而成，外形是个立方体。有个粒子堆积而成，外形是个立方体。有八个粒子占据立方体的八个角顶，剩余八个粒子占据立方体的八个角顶，剩余6 6个粒子分别排布在立个粒子分别排布在立方体的六个正方形平面的中心。方体的六个正方形平面的中心。第3页/共52页六方密集晶格：六方密集晶格：六方密集晶格的外形为六面柱体，第一层的六方密集晶格的外形为六面柱体，第一层的正六正六 边

5、形的每一个角上和其中心都各有一个边形的每一个角上和其中心都各有一个粒子粒子 (以绿色圆圈表示以绿色圆圈表示)；第二层在柱体中间；第二层在柱体中间有三有三 个粒子排成等边三角形个粒子排成等边三角形(以红色圆圈表示以红色圆圈表示)；第三、五第三、五,奇数层与第一层相同；第四、奇数层与第一层相同；第四、六六，偶数层与第二层相同，如此堆积，偶数层与第二层相同，如此堆积构成构成 六面体拄。这是粒子间的一种最紧密的六面体拄。这是粒子间的一种最紧密的堆积方式之一。堆积方式之一。某些物质在不同的条件下可以以不同的晶格存在。例如，某些物质在不同的条件下可以以不同的晶格存在。例如，铁在温度变化是可发生如下的铁在温

6、度变化是可发生如下的晶格转变晶格转变：不同晶格结构在固体中构成不同的相，因此，这种转变不同晶格结构在固体中构成不同的相，因此，这种转变称为称为固体相变固体相变。同一物质，晶格不同时，其性质也会有所差异同一物质，晶格不同时，其性质也会有所差异。例如，。例如，FeFe在室温下溶碳量为在室温下溶碳量为0.005%0.005%，723723时为时为0.02%0.02%，而在，而在FeFe中最大溶碳量可达中最大溶碳量可达2%2%。910 1300910 1300Fe Fe Fe第4页/共52页 3.2 3.2 晶体的基本类型及特性晶体的基本类型及特性 依据晶格结点上粒子的种类不同将晶体分为下列四种主要类

7、型 离子晶体：离子晶体：晶格结点上交替地排列着正、负离子晶格结点上交替地排列着正、负离子(图图a)a)；原子晶体：原子晶体：晶格结点上排列着中性原子晶格结点上排列着中性原子(图图b)b)；分子晶体：分子晶体：晶格结点上排列着极性分子或非极性分子晶格结点上排列着极性分子或非极性分子(图图c)c)；金属晶体：金属晶体：晶格结点上排列着金属的原子或正离子晶格结点上排列着金属的原子或正离子(图图d)d)。第5页/共52页离子晶体离子晶体 定义定义：由正、负离子交替地排列在晶格结点上所形成的晶由正、负离子交替地排列在晶格结点上所形成的晶体叫离子晶体。离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力是静电体叫离子晶体。

8、离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力是静电引力。引力。特点特点：配位数高；熔点高硬度大；有脆性；固态下不导电，配位数高；熔点高硬度大；有脆性；固态下不导电，水溶液和熔融态导电；大多数易溶于水形成水合离子；晶体中水溶液和熔融态导电；大多数易溶于水形成水合离子；晶体中无独立存在的分子等。无独立存在的分子等。1.1.离子晶体的配位数高离子晶体的配位数高 配位数和配位数高的原因配位数和配位数高的原因 表表3-13-1离子晶体的配位数与空间构型对照表离子晶体的配位数与空间构型对照表因为离子键即没有方向性，又没有饱和性，所以，在离子晶体中，只要空因为离子键即没有方向性，又没有饱和性，所以，在离子晶体中，只要

9、空间条件允许，每个离子将尽可能多地吸引异号离子在自己的周围。间条件允许，每个离子将尽可能多地吸引异号离子在自己的周围。空间构型空间构型晶晶 格格 类类 型型配位数配位数NaCl型型面心立方晶格面心立方晶格Na+一套一套Cl-一套一套Na+6Cl-6CsCl型型简单立方晶格简单立方晶格Cs+一套一套Cl-一套一套Cs+8Cl-8ZnS型型面心立方晶格面心立方晶格Zn2+一套一套S2-一套一套Zn2+4S2-4CaF2型型面心立方晶格面心立方晶格Ca2+一套一套F-两套两套Ca2+8F-4第6页/共52页 离子晶体是如何实现高配位数的？离子晶体是如何实现高配位数的？第7页/共52页 离子型化合物的

10、离子型化合物的半径比规则半径比规则-半径比与配位数的关半径比与配位数的关系系 有两种例外情况有两种例外情况:当一个化合物中当一个化合物中r r+/r/r-等于或接近两种构型的转变值时，该物质可等于或接近两种构型的转变值时，该物质可能同时具有两种晶型。能同时具有两种晶型。GeOGeO2 2 ：r r+/r/r-53/1320.4053/1320.40，有时有时r r+/r/r-可能超过理论的转变值，可能超过理论的转变值，如如RbClRbCl中中r r+/r/r-147/1840.80147/1840.80，配位数应为，配位数应为8 8，但事实上却等于，但事实上却等于6 6，为，为NaClNaCl

11、型。型。影响配位数的因素：影响配位数的因素：r r+/r/r-，离子的电子构型，组成元素的比例，外，离子的电子构型，组成元素的比例，外界条件。例如，界条件。例如，CsClCsCl常温是常温是CsClCsCl型，高温转变成型，高温转变成NaClNaCl型型。r r+/r/r-0.2250.2250.4140.4140.4140.4140.7320.7320.7320.7321.001.00配位数配位数4 468空间构型空间构型ZnSZnS型型NaClNaCl型型CsClCsCl型型第8页/共52页离子晶体的空间构型对化合物性质的影响离子晶体的空间构型对化合物性质的影响 吸水性吸水性:无水无水Mg

12、(ClOMg(ClO4 4)2 2是一个强的吸水剂，而高氯酸锂的是一个强的吸水剂，而高氯酸锂的水合水合 物物Li(HLi(H2 2O)O)2 2ClOClO4 4却是稳定的。却是稳定的。-r-r+/r/r-太小太小 溶解度溶解度:例如，例如，LiClOLiClO4 4比比NaClONaClO4 4 溶解度约大溶解度约大1010倍，而倍，而KClOKClO4 4则则 属微溶盐。即属微溶盐。即AA的高氯酸盐，从上到下溶解度依次降低。的高氯酸盐，从上到下溶解度依次降低。-离子水合热大小和晶体结构稳定性离子水合热大小和晶体结构稳定性 热稳定性：若热稳定性：若r r+/r/r-太小，则离子晶体热稳定性较

13、小。受太小，则离子晶体热稳定性较小。受热时热时 易分解，生成正、负离子半径比更合适的，负离子变小的易分解，生成正、负离子半径比更合适的，负离子变小的离子离子 晶体。如晶体。如 LiLi2 2COCO3 3 Li Li2 2O O COCO2 2(g)(g)2NaO 2NaO2 2 Na Na2 2O O 3/23/2 O O2 2(g)(g)离子半径离子半径 离子半径本来应该是指离子电子云分布的范围。但是离子半径本来应该是指离子电子云分布的范围。但是 电子云的分布范围是较广的，仅几率密度不同而已，电子云的分布范围是较广的，仅几率密度不同而已，没有一个断然的截面。因此严格说来，一个离子的半径是不

14、定的，一般没有一个断然的截面。因此严格说来，一个离子的半径是不定的，一般所了解所了解 的离子半径是：离子晶体中正负离子的核间距是正负离子的半径之和。的离子半径是：离子晶体中正负离子的核间距是正负离子的半径之和。x x射线分析实验测射线分析实验测 标准标准 r(Fr(F-)=133pm;r(O)=133pm;r(O2-2-)=132pm)=132pm NaF NaF的的d=230pmd=230pm r(Na+)230133=97pm正负离子的半径和与核间距的关系 第9页/共52页2.2.离子晶体一般熔沸点高，硬度大离子晶体一般熔沸点高，硬度大 离子键的键能比较大，离子键的键能比较大，离子晶体具有

15、较高的熔点和沸点。离子晶体具有较高的熔点和沸点。离子晶体的熔沸点规律离子晶体的熔沸点规律 一些离子型化合物的熔点和沸点一些离子型化合物的熔点和沸点 离子电荷和离子大小对其熔点的影响离子电荷和离子大小对其熔点的影响 物质物质MgOCaONaClKCl熔点熔点/28002572801768沸点沸点/3600285014131417化合物化合物MgOBaONaFNaClNaBrNaI离子电荷离子电荷2,22,21,11,11,11,1离子核间距离子核间距/pm197266230278293317熔点熔点/29001920988800740660第10页/共52页离子晶体的晶格能离子晶体的晶格能U U

16、 定义定义:当气态离子从远处逐渐接近结合为一摩尔离子晶体当气态离子从远处逐渐接近结合为一摩尔离子晶体时所时所 放出的能量，称为离子晶体的晶格能（或点阵能）。放出的能量，称为离子晶体的晶格能（或点阵能）。玻恩玻恩-哈伯循环哈伯循环推算晶格能的实验值：推算晶格能的实验值：U UQ QS S1/2D1/2DI IE E 如如NaClNaCl：U U769.45769.45kJkJmolmol-1-1 如如NaClNaCl：d d278pm,A278pm,A1.7476,n1.7476,n8,8,求得求得U U761.77761.77 kJkJmolmol-1-1 MX(晶)M+(g)X-(g)Q I

17、EUM(晶)1/2X2(g)M(g)X(g)S1/2Dd=r+r-A马德隆常数；n玻恩指数玻恩-郎德公式：化合物化合物NaClKFCaSBaOSrOCaOMgO晶格能晶格能/kJmol-1769.45807.813028.823125.413309.513514.603928.78熔点熔点8018501923243025852800硬度硬度3.33.54.56.5越大，化合物的硬度越大，熔点愈高，愈稳定。第11页/共52页离子晶体的硬度离子晶体的硬度 硬度：物质对于某种外来机械作用的抵抗程度。硬度是一硬度：物质对于某种外来机械作用的抵抗程度。硬度是一种物种物 质与另一种物质相刻画，利用其相对的

18、等级来确定质与另一种物质相刻画，利用其相对的等级来确定的。的。莫氏硬度标准莫氏硬度标准 离子晶体的离子晶体的硬度与下列因素有关：硬度与下列因素有关：配位数增大，硬度增大；配位数增大，硬度增大；极化作用增强而变软。极化作用增强而变软。物物 质质组组 成成硬度硬度物物 质质组组 成成硬度硬度滑石滑石Mg3(OH)2Si2O521正长石正长石KAlSi3O86石膏石膏CaSO42H2O2石英石英SiO27方解石方解石CaCO33黄晶黄晶Al2(FOH)2SiO48萤石萤石CaF24刚玉刚玉Al2O39磷灰石磷灰石Ca5F(PO4)35金刚石金刚石C10离子的电荷增大，硬度增大离子的半径减小，硬度增大

19、晶格能愈大，则硬度愈大第12页/共52页3.3.离子晶体有脆性离子晶体有脆性 离子晶体虽硬但比较脆，这是因为晶体受到冲击力时，各离子晶体虽硬但比较脆，这是因为晶体受到冲击力时，各层离子发生错动，则吸引力大大减弱而破碎。层离子发生错动，则吸引力大大减弱而破碎。离子晶体的错动示意图 4.4.故态下不导电水溶液或熔融态导电故态下不导电水溶液或熔融态导电5.5.大多数易溶于水形成水合离子（大多数易溶于水形成水合离子（CaFCaF2 2除外除外）6.6.离子晶体物质的化学式离子晶体物质的化学式第13页/共52页原子晶体原子晶体 在晶格结点上排列着中性原子，原子以共价键相结合，即在晶格结点上排列着中性原子

20、，原子以共价键相结合，即晶格结点上微粒间的作用力是共价键，这类晶体叫原子晶体。晶格结点上微粒间的作用力是共价键，这类晶体叫原子晶体。金刚石的晶体结构 石英的晶体结构 1.1.原子晶体的配位数小原子晶体的配位数小 2.2.原子晶体熔点很高，硬度很大原子晶体熔点很高，硬度很大 金刚石的硬度金刚石的硬度10,10,最大最大;t;tf f=3570=3570，单质中最高。工业应用，单质中最高。工业应用:耐磨或耐火材料。金刚耐磨或耐火材料。金刚石、金刚砂都是极重要的磨料。是应用极广的耐火材料，石英石、金刚砂都是极重要的磨料。是应用极广的耐火材料，石英和它的变体，如水晶和玛瑙等，是工业上贵重的材料。和它的

21、变体，如水晶和玛瑙等，是工业上贵重的材料。第14页/共52页3.3.原子晶体延展性小，有脆性原子晶体延展性小，有脆性 当原子晶体在外力作用下沿晶体内某一平面相对移动错位当原子晶体在外力作用下沿晶体内某一平面相对移动错位时，时，共价键被破坏，晶体被破损，因而，延展性小且性脆。共价键被破坏，晶体被破损，因而，延展性小且性脆。4.4.原子晶体固态液态均不导电原子晶体固态液态均不导电 这是因为原子晶体是由中性原子组成的，所以无论在固态这是因为原子晶体是由中性原子组成的，所以无论在固态或液或液 态下，系统内即没有自由移动的离子，也没有自由移动的态下，系统内即没有自由移动的离子，也没有自由移动的电电 子，

22、因而不能导电。子，因而不能导电。5.5.原子晶体不溶于一般溶剂中原子晶体不溶于一般溶剂中6.6.原子晶体中无独立存在的分子原子晶体中无独立存在的分子 在周期表中能形成原子晶体的元素并不多，主要是在周期表中能形成原子晶体的元素并不多，主要是AA主族主族及及AA、AA和和AA主族元素互化物。如碳，硅，锗等单质的晶主族元素互化物。如碳，硅，锗等单质的晶体是原子晶体；碳化硅（体是原子晶体；碳化硅（SiCSiC），碳化硼（），碳化硼（B B4 4C C），砷化镓），砷化镓（GaAsGaAs）也属于原子晶体。碳化硅的晶格与金刚石一样，只是）也属于原子晶体。碳化硅的晶格与金刚石一样，只是碳原子和硅原子乡间的

23、排列起来。碳原子和硅原子乡间的排列起来。第15页/共52页分子晶体分子晶体 1.1.分子间力和氢键分子间力和氢键 化学键是分子内部相邻原子间的强烈的作用力。分子内部的化学键决定物质的化学性质。分子间作用力(或称范德华引力)是决定物质的沸点、熔点、汽化热、熔化热以及溶解度、表面张力、粘度等物理性质的主要因素。分子的极化分子的极化 非极性分子的极化-诱导偶极极性分子的极化-固有偶极取向+诱导偶极+-(a)极化极化P0+-+-+-+-+-+-+-+-(b)PP诱诱+-+-+-+-+-+-+-+-(b)P P固固+P诱诱极化极化(a)PP固固+-+-+-+-+-+-+-+-第16页/共52页分子间力的

24、分类和形成分子间力的分类和形成 分子间力可以归结为下列三种力的总和：取向力-极性分子 极性分子 取向作用示意图当两个极性分子相互接近时，一个分子的带负电的一端要和另一个分子带正电的一端接近。这样就使得极性分子按照异极相邻的状态排列取向，由于分子中固有偶极之间的取向而产生的分子间引力称为取向力。取向力的大小可由下式计算：式中：1 1、2 2分子1 1和分子2 2的固有偶极矩；RR通用摩尔气体常数；TT绝对温度（K K）；dd分子间距离。取向力只存在于极性分子之间。两个极性分子间相互吸引作用但由于分子的热运动，分子不会完全定向排列成行。第17页/共52页诱导力-极性分子 非极性分子；极性分子 极性

25、分子 诱导作用示意图由于极性分子的固有偶极与非极性分子的诱导偶极之间相互吸引而产生的作用力，称为诱导力。式中2 2非极性分子的变形性。同样，极性分子与极性分子相互接近时，除了上述的取向力外，在彼此偶极相互影响下，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极。因此诱导力不仅存在于极性分子与非极性分子之间，也存在与极性分子之间。第18页/共52页色散力 由于每个分子的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，因而产生了瞬时偶极，而且两个瞬时偶极必然采取异极相邻的状态而相互吸引。瞬时偶极存在的时间极短，但是上述情况在不断地重复着，使得分子间始终存在着引力。象这种由非极性分子瞬间

26、偶极相互吸引而产生的分子间作用力叫色散力。理论计算公式:式中I I1 1、I I2 2分子1 1和2 2的极化力；1 1、2 2分子1 1和2 2的变形性。分子间色散力随着分子量的增大而增大；色散力普遍存在于各种分子之间；三种力中所占比例一般较大。第19页/共52页 分子间作用能的分配分子分子取向能取向能诱导能诱导能色散能色散能总能总能Ar008.4938.493H2001.6741.674N2007.7827.782Cl20030.96130.961CH40011.29711.297HI0.0250.11325.85725.995HBr0.6350.50221.92423.112HCl3.3

27、061.00416.82021.129CO0.002930.008378.7458.456NH313.3051.54814.93729.790H2O36.3581.9258.99647.279非极性分子非极性分子 非极性分子：色散力；非极性分子：色散力；极性分子极性分子 非极性分子：色散力、诱导力；非极性分子：色散力、诱导力；极性分子极性分子 极性分子：色散力、诱导力、取向力。极性分子：色散力、诱导力、取向力。第20页/共52页 分子间作用力的特点分子间作用力的特点 没有方向性和饱和性 。微弱的作用力(分子间作用能0.20.250kJmol50kJmol-1-1；共价键键 能100100450

28、kJmol450kJmol-1-1；相比差10101 12 2 。近程力 作用范围很小，随分子之间距离的增大而迅速减弱 分子间作用力和物质性质的关系：分子间作用力和物质性质的关系：熔、沸点的规律性 同类物质的熔、沸点随着分子量的增大而升高。例如 相互溶解规律-相似相溶 极性分子可以溶解在极性分子中；非极性分子可以溶解在非极性分子中；而极性分子与非极性分子则不能互溶X2F2Cl2Br2I2熔点熔点()-223-102.4-7.3113.6(加压加压)沸点沸点()-187.9-34.058.0184.5(加压加压)第21页/共52页 分子间力小结：分子间力小结：分子类型分子类型分子间作用力类型分子

29、间作用力类型作用力作用力种类数种类数互溶情况互溶情况预测预测极性极性极性极性取向力，诱导力，色散力取向力，诱导力，色散力3可互溶可互溶极性极性非极性非极性诱导力，色散力诱导力，色散力2不互溶不互溶非极性非极性非极性非极性 色散力色散力1可互溶可互溶第22页/共52页 氢氢 键键 NH3、H2O和HF沸点反常地高，这说明了在这些物质的分子中除上述三种分子间力之外，还存在着另一种较强的作用力。氢键及其形成氢键及其形成 氢键是指氢原子与电负性较大的X X 原子(如F,O,NF,O,N原子)以极性共价键相结合时，还能吸引另一个电负性较大，而半径又较小的Y Y原子(X(X原子也可与Y Y原子相同，也可不

30、同)的孤对电子所形成的分子间或分子内的键。X XHY HY 裸露的质子 缔合 水分子间的氢键水分子间的氢键 沸沸点点2 3 4 5CH4SiH4GeH4SnH4100500-50-100-150NH3PH3AsH3SbH3HFHClHBrHIH2OH2SH2SeH2TeAA族氢化物的沸点随周期变化图族氢化物的沸点随周期变化图 第23页/共52页氢键的特点氢键的特点 氢键具有方向性和饱和性 XHY XHY 一条直线 解释：(a)(a)冰的密度很小，能浮在水面 (b)4(b)4时水的密度最大。氢键基本上还属于静电吸引作用 一般，键能41.84kJmol41.84kJmol-1-1化学键的键能分子间

31、力，且和分子间 力的数量级相近，氢键是较强的有方向性的分子间作用力那些物质可以形成氢键？那些物质可以形成氢键？H HX(NX(N、O O、F)F)HFHF、H H2 2O O、NHNH3 3、无机含氧酸、有机羧酸、醇、胺、蛋白质、脂肪、糖、某些成高分子化合物的分子(或分子链)之间都存在着氢键。氢键能存在于晶态，液态甚至于气态之中。HF HF分子间形成的氢键分子间形成的氢键 冰晶体中水分子间的氢键冰晶体中水分子间的氢键第24页/共52页氢键的类型氢键的类型分子间氢键：A A分子的XHY(BXHY(B分子).).强的分子间氢键的生成:(a)(a)使得甲酸，醋酸等缔合成二聚物；(b)(b)产生缔合使

32、物质的介电常数增大(水)(c)(c)使化合物的熔沸点升高。分子内氢键：A A分子的XHY(AXHY(A分子).).如在苯酚邻位上有CHOCHO、COOHCOOH、OHOH、NONO2 2等时可形成氢键螯合环。(a)(a)分子内氢键不可能在一条直线上；(b)(b)分子内氢键一般会使化合物沸点、熔点降 低，汽化热、升华热减少。(c)(c)分子内氢键也影响化合物的溶解度，如邻位硝基苯酚比其间位、对位更不易溶 于水，而更易溶于非极性溶剂中。总之，有氢键的液体常有反常的性质，氢键的形成对化合物的物理，化学性质有各种不同的影响。OHONO H C C HOH OO HO第25页/共52页 2.2.分子晶体

33、分子晶体在晶格结点上排列着电中性分子，分子内各原子间虽是以坚强在晶格结点上排列着电中性分子，分子内各原子间虽是以坚强的共价键相结合，但分子之间却是以较弱的分子间力或氢键相的共价键相结合，但分子之间却是以较弱的分子间力或氢键相结合。结合。特点：配位数一般比较高；硬度较小，熔点较低，挥发性配位数一般比较高；硬度较小，熔点较低，挥发性大；大；固态和熔融态时都不导电，但某些极性分子水溶液可导电；固态和熔融态时都不导电，但某些极性分子水溶液可导电；分子晶体中有独立存在的分子，化学式分子式分子晶体中有独立存在的分子，化学式分子式。绝大多数共价化合绝大多数共价化合物都形成物都形成 分子晶体，只有很分子晶体，

34、只有很少一部分少一部分 共价化合物形成原共价化合物形成原子晶体。子晶体。分子晶体有：分子晶体有：非金属单质：非金属单质：F F2 2,Cl,Cl2 2,O,O2 2,N,N2 2；非金属化合物：非金属化合物：COCO2 2,HCl,H,HCl,H2 2O O；绝大部分有机化合绝大部分有机化合物；物；稀有气体的单原子稀有气体的单原子分子晶体。分子晶体。COCO2 2和和SiOSiO2 2组成相似，化学性质也相近，如它们都能和碱反应组成相似，化学性质也相近，如它们都能和碱反应生成盐。但其物理性质相差很大。如生成盐。但其物理性质相差很大。如SiOSiO2 2熔点很高，硬度很大；熔点很高，硬度很大；C

35、OCO2 2在在300K300K时升华为气体。为什么？时升华为气体。为什么？氯、溴、碘的晶体结构氯、溴、碘的晶体结构 二氧化碳分子的晶体结构二氧化碳分子的晶体结构第26页/共52页金属晶体金属晶体 在晶格结点上在晶格结点上排列着金属原子或金属阳离子排列着金属原子或金属阳离子，晶格结点间微粒间的作用力是金属键，这种晶体叫金属晶体。晶格结点间微粒间的作用力是金属键，这种晶体叫金属晶体。1.1.金属晶体的主要特点金属晶体的主要特点：配位数高，如金属配位数高，如金属MgMg、金属、金属CaCa的配位数竟高达的配位数竟高达1212；金属晶体中无独立存在的原子或分子；金属晶体中无独立存在的原子或分子；具有

36、金属的通性，如导电性、导热性、各种机械加工性能；具有金属的通性，如导电性、导热性、各种机械加工性能；熔沸点高，硬度大（除钠、汞外）。熔沸点高，硬度大（除钠、汞外）。这些特点，都与金属键和金属晶体的紧密堆积方式有关。这些特点，都与金属键和金属晶体的紧密堆积方式有关。2.2.金属晶体的紧密堆积金属晶体的紧密堆积 金属晶体都是紧密堆积的排列方式。紧密堆积的意思就是金属晶体都是紧密堆积的排列方式。紧密堆积的意思就是粒子之间的作用力，使粒子间尽可能的互相接近，使它们占有粒子之间的作用力，使粒子间尽可能的互相接近，使它们占有最小的空间。如果把金属原子视为球体，则金属晶体的等径园最小的空间。如果把金属原子视

37、为球体，则金属晶体的等径园球紧密堆积方式有三种：球紧密堆积方式有三种：六方紧密堆积；面心立方紧密堆积；体心立方紧密堆积 第27页/共52页第一层等径圆球的最紧密排列只有一种方式第一层等径圆球的最紧密排列只有一种方式A A。第二层只能排列。第二层只能排列三个原子，最紧密排列方式三个原子，最紧密排列方式B B。第三层堆上去有两种方式：。第三层堆上去有两种方式：第三层与第一层相对，第三层与第一层相对，这样的这样的 堆积就成为堆积就成为ABAB、ABAB的的重复方重复方 式，如图式，如图a a、b b所示。由所示。由于在这于在这 种堆积中可以找到六方种堆积中可以找到六方的晶的晶 胞，因此称为胞，因此称

38、为六方紧密六方紧密堆积堆积。第三层与第一层不相对，第三层与第一层不相对，即第即第 三层球在第一，第二层三层球在第一，第二层凹隙之凹隙之 上。这样堆积上去就成上。这样堆积上去就成为为 ABCABC、ABCABC的重复。由的重复。由于在这于在这 种堆积中可以找出立方种堆积中可以找出立方的晶的晶 胞，且球是按面心立方胞，且球是按面心立方晶型分晶型分 布着，因此称为布着，因此称为面心立面心立方紧密方紧密 堆积堆积。第28页/共52页金属晶体紧密堆积的第三种方式为金属晶体紧密堆积的第三种方式为体心立方紧密堆积体心立方紧密堆积。金属金属晶体晶体的三种紧密堆积方式比较表的三种紧密堆积方式比较表 通常把面心立

39、方和六方紧密堆积称为通常把面心立方和六方紧密堆积称为最紧密堆积方式。最紧密堆积方式。由于面心立方紧密堆积与六方紧密堆积的紧密程度非常相由于面心立方紧密堆积与六方紧密堆积的紧密程度非常相似，这两种形式的稳定程度也很接近。因此象似，这两种形式的稳定程度也很接近。因此象CoCo、NiNi等元素在等元素在低温时为六方紧密堆积，在较高温度下则为面心立方紧密堆积。低温时为六方紧密堆积，在较高温度下则为面心立方紧密堆积。名名 称称晶系晶系晶格类型晶格类型配位配位数数空间利空间利用率用率%典典 型型 实实 例例面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积 立方立方 面心立方面心立方121274.0574.05B B,Pb

40、,Pd,Pt,Pb,Pd,Pt体心立方紧密堆积体心立方紧密堆积 立方立方 体心立方体心立方8 868.0268.02A A,B B,B B等等六方紧密堆积六方紧密堆积六方六方 六方六方121274.0574.05Be,Mg,Be,Mg,B B,B B,B B第29页/共52页3.3.金属键金属键 大多数金属元素的价电子都少于大多数金属元素的价电子都少于4 4个个(多数只有多数只有1 1或或2 2个价电个价电子子)，而在金属晶格中每个原子要被，而在金属晶格中每个原子要被8 8或或1212个相邻原子所包围。个相邻原子所包围。以钠为例，它在晶格中的配位数是以钠为例，它在晶格中的配位数是8 8，它只有

41、，它只有1 1个价电子，很难个价电子，很难想象它怎样同相邻想象它怎样同相邻8 8个原子结合起来。金属键的本质是什么？个原子结合起来。金属键的本质是什么？金属键的改性共价理论金属键的改性共价理论 该理论认为，在固态或液态金该理论认为，在固态或液态金属中，属中，价电子可以自由的从一个原子价电子可以自由的从一个原子跑向跑向 另一个原子，这样一来就好象另一个原子，这样一来就好象是一个是一个 价电子为许多原子所共有。这价电子为许多原子所共有。这些共用些共用 电子起到把许多原子粘合在一电子起到把许多原子粘合在一起的作起的作 用，形成了所谓的金属键。这用，形成了所谓的金属键。这种键可以认为是改性的共价键，这

42、种键是由多个原子共用一些种键可以认为是改性的共价键，这种键是由多个原子共用一些能够流动的自由电子所组成的。对于这种键有两种形象化的说能够流动的自由电子所组成的。对于这种键有两种形象化的说法：一种说法是法：一种说法是“在金属原子之间有电子气在自由流动在金属原子之间有电子气在自由流动”；另；另一种说法是一种说法是“金属离子浸沉在电子的海洋中金属离子浸沉在电子的海洋中”。(小黑点代表在晶格空隙中运动的电子小黑点代表在晶格空隙中运动的电子)金属键示意图金属键示意图第30页/共52页自由电子的存在和晶体的紧堆结构使金属获得了共同的性质，自由电子的存在和晶体的紧堆结构使金属获得了共同的性质，例如相对较大的

43、比重，均有金属光泽，导电性，导热性，机械例如相对较大的比重，均有金属光泽，导电性，导热性，机械加工性等。加工性等。不同类型的晶体中各层相对滑动示意图不同类型的晶体中各层相对滑动示意图金属紧堆结构允许在外力下使一层原子在相邻的一层原子上滑金属紧堆结构允许在外力下使一层原子在相邻的一层原子上滑动而不破坏金属键，这是金属有良好的机械加工性能的原因。动而不破坏金属键，这是金属有良好的机械加工性能的原因。而原子晶体和离子晶体则不同，在外力下使一层原子在相邻的而原子晶体和离子晶体则不同，在外力下使一层原子在相邻的一层原子上滑动时就会破坏共价键和离子键，所以原子晶体和一层原子上滑动时就会破坏共价键和离子键，

44、所以原子晶体和离子晶体有脆性，而且机械加工性能差。离子晶体有脆性，而且机械加工性能差。第31页/共52页LiLi2 2分子轨道图分子轨道图 LiLi3 3分子轨道图分子轨道图 LiLi金属晶格的分子轨道图金属晶格的分子轨道图 金属键的能带理论-量力学模型-分子轨道理论能带理论的基本论点 成键时价电子必须是“离域”的，所有的价电子为整个金属晶格 全体所公用。金属晶格中原子很密集，能组成许多分子轨道，而且相邻的分 子轨道间的能量差很小，以致可以认为各能级间的能量变化基 本上是连续的。以金属锂为例。每个分子轨道延伸到整个金属晶格，并对金属键的形成提供了 贡献。由于分子轨道很多且能量差很小，形成如右图

45、所示的由许多等距离能级线所组成的能带，这种能带是属于整个金属晶体的，这就是金属键的能带模型。第32页/共52页由分子轨道所形成的能带，也可以看成是紧密堆积的金属原子的电子能级(原子轨道)发生的重叠，由不同的原子轨道能级重叠可得到不同的能带。例如金属锂中锂原子的 1s能级互相重叠形成了金属晶体中的1s能带；2s能级互相重叠组成了金属晶格中的2s能带，等等。每个能带包括许多相近的能级，因而每个能带会包括相当大的能量范围，有时可以高达831 kJmol-1的程度。依原子轨道能级和电子填充情况的不 同，将金属晶体中的能带分为满带和 导带。满带和导带间的能量间隔叫做 “禁区”。在接受外来能量的情况下电

46、子可以在导带内相邻能级中自由运动。金属中相邻的能带也可以互相重叠。例如铍(1s22s2)，它的2s能带应该是 个满带，似乎铍应该是一个非导体。但由于铍的2s能带和空的2p 能带很接近而可以重叠，因此2s能带中的电子可以升级进入2p能带运动，于是铍依然是一种有良好导电性的金属，并有一切金属的通性。金属导体的能带模型金属导体的能带模型第33页/共52页能带理论对导体、非导体和半导体的解释：金属能带之间的能量差和能带中电子充填的状态决定了一种物质是导体，非导体还是半导体。非导体：物质的所有能带都全满，而且能带间的能量间隔很大。导体：物质的能带只有部分被电子充满，或者有空能带而能量间隔很小，能够和相邻

47、（有电子的）能带发生重叠。半导体：是由于在晶格中有缺陷（间充原子、夹杂、或晶格空缺），这种晶格缺陷在晶体中引入了外加能级，使电子能进入这些能级，引起有条件的导电现象。能带理论对金属通性的解释：向金属施以外加电场时，导带中的电子便会在能带内向较高能级跃迁，并沿着外加电场方向通过晶格产生运动，这就是金属的导电性。能带中的电子可以吸收光能，而且也能将吸收的能量又发射出来，所以金属有金属光泽而且是辐射能的优良反射体。电子也可以传输热能，表现出导热性。给金属晶体施加机械应力时，由于在金属中电子是离域的，一个地方的金属键被破坏，在另一个地方又可以生成新的金属键，因此机械加工根本不会破坏金属结构，而仅能改变

48、金属的外形。这也就是为什么金属有延性、展性、可塑性等共同的机械加工性能。能带理论对金属物理性质的解释：金属原子对于形成能带所贡献的不成对价电子越多，金属键就越强，金属的熔点和沸点越高，比重和硬度越大。第34页/共52页4.4.四种类型晶体和性质小结四种类型晶体和性质小结不同元素间形成不同的化学键、不同类型的化学键构成不同类型的晶体。不同元素间形成不同的化学键、不同类型的化学键构成不同类型的晶体。晶体类型晶体类型离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体化学键类型化学键类型离子键离子键共价键共价键分子间作用力分子间作用力金属键金属键晶格质点晶格质点正、负离子正、负离子原子原

49、子分子分子原子或正离子原子或正离子硬度硬度略硬而脆略硬而脆高硬度高硬度软软较硬较硬熔点熔点,沸点沸点较高较高高高低低高高导热性导热性不良导体不良导体不良导体不良导体不良导体不良导体良导体良导体导电性导电性固态不导电，熔态固态不导电，熔态或水溶液可导电或水溶液可导电非导体非导体非导体非导体良好导体良好导体机械加工性机械加工性不良不良不良不良不良不良良好良好溶解性溶解性易溶于极性溶剂，易溶于极性溶剂，不溶于非极性溶剂不溶于非极性溶剂不溶于一般溶剂不溶于一般溶剂极性分子易溶于极性极性分子易溶于极性溶剂；非极性分子易溶剂；非极性分子易溶于非极性溶剂溶于非极性溶剂不溶于一般溶不溶于一般溶剂，剂，实例实例

50、食盐、食盐、KNO3、CsCl、CaF、MgO金刚石、单晶硅、金刚石、单晶硅、晶体硼、晶体硼、SiC、AlN、SiO2冰冰H2O、干冰、干冰CO2、HCl、SO2、NH3、H2、I2各种金属及各种金属及一些合金一些合金四种类型晶体和性质的对比表第35页/共52页混合键型晶体混合键型晶体 晶格节点上粒子间存在着一种以上结合力的晶体，称为混晶格节点上粒子间存在着一种以上结合力的晶体，称为混合键型晶体，亦称过渡型晶体。合键型晶体，亦称过渡型晶体。1.1.层状结构的晶体层状结构的晶体石墨石墨层中层中(sp(sp2 2-sp-sp2 2)键键,六边形的网格状大六边形的网格状大键，键，对称分布在碳环平面上