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第三章 晶体结构与性质
第三节 金属晶体与离子晶体
第2课时 离子晶体 过渡晶体与混合型晶体
胆矾
萤石
重晶石
烧碱
CuSO4·5H2O
CaF2
BaSO4
NaOH
下列晶体构成微粒有什么共同点?
微粒之间存在哪种相同的作用力?
强碱、活泼金属氧化物、大部分的盐类。
1、定义:
由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。
2、成键粒子:
阴、阳离子
3、相互作用力:
离子键
4、常见的离子晶体:
一、离子晶体
5.离子键
阴阳离子间通过静电作用所形成的强烈的相互作用
成键粒子
键的本质
静电引力和斥力
(1)影响因素:
一般说来,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,离子键越强,离子晶体的熔、沸点越高,硬度越大
(2)特征:
离子键没有方向性和饱和性。
因此,以离子键结合的化合物倾向于形成紧密堆积,使每个离子周围尽可能多地排列异性电荷的离子,从而达到稳定的目的。
离子键的实质:是静电作用,它包括阴、阳离子之间的引力和两种离子的原子核之间以及它们的电子之间的斥力两个方面,当引力与斥力之间达到平衡时就形成了稳定的离子化合物,它不显电性。
(3)实质:
6、离子晶体的物理性质
①具有较高的熔、沸点,难挥发:离子晶体中,阴、阳离子间有强烈的相互作用(离子键),要克服离子间的相互作用使物质熔化和沸腾,就需要较多的能量。一般说来,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,离子键越强,离子晶体的熔、沸点越高。
②离子晶体的硬度较大,难于压缩。阴阳离子间有较强的离子键,使离子晶体的硬度较大,当晶体受到冲击力作用时,部分离子键发生断裂,导致晶体破碎。
③离子晶体不导电。离子晶体中,离子键较强,离子不能自由移动,即晶体中无自由移动的离子。
④大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水),难溶于非极性溶剂(如汽油、苯等),遵循“相似相溶”规律。当把离子晶体放入水中时,极性水分子对离子晶体中的离子产生吸引作用,使晶体中的离子克服了离子间的作用而电离,变成在水中自由移动的离子。
7、晶胞类型:
NaCl的晶胞示意图
CsCl的晶胞示意图
CaF2的晶胞示意图
思考:氯化钠晶体中钠离子和氯离子分别处于晶胞的什么位置?
顶点和面心是钠离子
棱上和体心是氯离子
(1) 氯化钠晶体微观结构
每个晶胞含钠离子和氯离子的个数:
钠离子和氯离子的个数比为
4、4
1:1
Na+
Cl-
3
1
5
6
2
4
1
5
4
2
3
6
每个Na+ 周围与之最接近且距离相等的Cl-共有6个,。
这几个Na+在空间构成的几何构型为正八面体
NaCl晶体中离子的配位数
配位数
配位数:一种离子周围最邻近的带相反电荷的离子数目
NaCl晶胞
每个Na+周围与之等距且距离最近的Cl-有___个,Na+有___个。
每个Cl-周围与之等距且距离最近的Na+有____个,Cl-有____个。
Cl-
Na+
6
12
6
12
铯离子
氯离子
氯离子位于顶点,铯离子位于体心。
(2)氯化铯晶体
氯化铯晶胞中氯离子和铯离子分别处于晶胞的什么位置?
或者反之;交错排列
CsCl晶胞配位数
每个Cs+周围与之等距且距离最近的Cl-有____个。
它们所围成的空间几何构型是 。
8
正六面体
1.含金属阳离子的晶体一定是离子晶体吗?
深度思考
2.含有阴离子的晶体一定含有金属离子吗?
Na+、Cs+所带电荷一样,但Na+的半径小于Cs+的半径,NaCl中的离子键强于CsCl中的离子键,所以NaCl的熔点高于CsCl的熔点。
不一定。也可能是金属晶体。
含有阴离子的晶体,一定含有阳离子,但不一定是金属阳离子,如铵盐。
3.NaCl的熔点为801 ℃,CsCl的熔点为645 ℃,试解释其原因。
结论:
离子晶体的熔点差距也较大
化合物 熔点 /℃ 化合物 熔点 /℃
CaO 2613 Na2SO4 884
CuCl2 1326 Ca2SiO4 2130
NH4NO3 169.6 Na3PO4 340
BaSO4 1580 CH3COOCs 194
LiPF6 200分解温度 NaNO2 270
我们知道,金属的熔点差异很大,如钨的熔点为 3410 ℃。而常温下,汞却是液体。离子晶体的熔点是不是也差异很大呢?请从理化手册或互联网查找下列离子晶体的熔点数据,得出结论。
共价晶体 分子晶体 离子晶体 金属晶体
晶体类型之间存在绝对的界限吗?
离子键、共价键、金属键等都是化学键的典型模型,但是,原子间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态,由于微粒间的作用存在键型过渡,即使组成简单的的晶体,也可能介于离子晶体、共价晶体、分子晶体和金属晶体之间的过渡状态,形成过渡晶体。
思考:离子键的百分数与元素的什么性质有关?
形成化合物的元素之间的电负性相差越大,离子键百分数越高
二、过渡晶体与混合型晶体
1.过渡晶体
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2
离子键的 百分数/% 62 50 41 33
第三周期元素的氧化物中,化学键中离子键成分的百分数
化学键既不是纯粹的离子键,也不是纯粹的共价键
P2O5 SO2 Cl2O7
既不是纯粹的离子晶体,也不是纯粹的共价晶体
当作离子晶体处理
当作共价晶体处理
离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体
分子晶体
离子键成分的百分数更小
共价键不再贯穿整个晶体
回顾思考:
金刚石和石墨是碳的两种同素异形体,他们的物理性质有什么异同点?
金刚石
石墨
熔点很高
质地坚硬
不能导电
熔点很高
质地较软
导电性好
钻石恒久远,一颗永流传
钻石并不久远,至少在地表上无法达到永恒。它的同胞兄弟石墨其实更稳定,钻石最终都会变成石墨。
①所有碳原子均采取sp2杂化,形成平面六元并环结构
②碳原子与碳碳键个数比为2︰3.
金刚石碳原子均采取sp3杂化,形成三维骨架结构
金刚石中碳原子与碳碳键个数比为1︰2.
质量相同的金刚石与石墨,两者碳原子的个数比为1︰1
两者碳碳键的个数比为4︰3
石墨
2. 混合型晶体
石墨晶体的结构与性质
④层内的碳原子核间距为142pm,层间距离为335pm,说明层间没有化学键相连,是靠范德华力维系的
各层之间以范德华力结合,容易滑动,所以石墨质软
石墨结构中未参
与杂化的 p 轨道
③石墨晶体是层状结构
有一个未参与杂化的2p电子,
所有的p轨道相互平行而且
相互重叠(即形成π键),使p轨道的电子可在整个碳原子平面中运动,
⑤石墨有类似金属晶体的导电性。
石墨的导电性只能沿石墨平面方向
由于相邻碳原子平面之间相隔较远,电子不能从一个平面跳跃到另一个平面。
石墨晶体结构小结
范德华力
混合型晶体
层内碳原子
之间
未参与杂化的轨道上的电子可在层内运动
层与层碳原子
之间
构成 键的 sp2杂化轨道
构成 π 键的p轨道
共价键
有金属键的性质
2.混合型晶体
既有共价键又有范德华力,同时还存在类似金属键的作用力,兼具共价晶体、分子晶体、金属晶体特征的晶体,称为混合型晶体。
硅酸盐是地壳岩石的主要成分。硅酸盐的阴离子结构丰富多样,既有有限数目的硅氧四面体构建的简单阴离子,如SiO44-、Si2O76-、(SiO3)612-(六元环)等,也有以硅氧四面体为结构单元构成一维、二维、三维无限伸展的共价键骨架。金属离子则以离子键与阴离子或阴离子骨架结合。部分Si被Al取代则得到铝硅酸盐。
六元环
单链
双链
资料卡片
纳米晶体时晶体颗粒尺寸在纳米(10-9 m)量级的晶体。纳米晶体相对于通常的晶体,在声、光、电、磁、热等性能上常会呈现新的特性,有广阔的应用前景。仅以熔点为例,当晶体颗粒小至纳米量级,熔点会下降。
科学◎技术◎社会
金属铅的晶粒大小与熔点的关系如下表所示:
r/nm 5 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
T/K 34.7 144 294 420 473 502 520 533 542 549 554 559
科学◎技术◎社会
①从金属铅的晶粒大小与熔点的关系图和表中,能得出什么结论?
金属铅的晶粒大小与熔点的关系
50
100
150
200
200
400
600
0
T/K
r/nm
晶体颗粒小于200nm时,晶粒越小,金属铅的熔点越低。因此,我们通常说纯物质有固定的熔点,但当纯物质晶体的颗粒小于200nm(或者250nm)时,其熔点会发生变化
主要原因是晶体的表面积增大。
②纳米晶体为什么会有不同于大块晶体的特性呢
三、晶体类型的判断
1.依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断
(4)离子晶体的构成微粒是阴、阳离子,微粒间的作用是离子键。
(2)共价晶体的构成微粒是原子,微粒间的作用是共价键。
(1)分子晶体的构成微粒是分子,微粒间的作用为分子间作用力。
(3)金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子,微粒间的作用是金属键。
2.依据物质的分类判断
(4)金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。
(2)金刚石、晶体硅、晶体硼、碳化硅、二氧化硅等是共价晶体。
(1)大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2等外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
(3)金属单质(除汞外)和合金是金属晶体
3.依据晶体的熔点判断
(4)离子晶体的熔点较高
(2)共价晶体的熔点很高
(1)分子晶体的熔点低
(3)金属晶体的多数熔点高,但也有少数熔点相当低
合金的熔、沸点比其成分金属低
4.依据导电性判断
(4)离子晶体溶于水及熔融状态时能导电
(2)共价晶体一般为非导体,但硅为半导体
(1)分子晶体为非导体,而分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)溶于水,使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子,也能导电
(3)金属晶体是电的良导体
5.依据硬度和机械性能判断
(4)离子晶体硬度较大、硬而脆
(2)共价晶体硬度大
(1)分子晶体硬度小且较脆
(3)金属晶体多数硬度大,但也有较低的,且具有延展性合金的硬度比其成分金属大
二、物质熔点、沸点高低的比较
1.首先看物质状态
一般情况下,固体>液体>气体
2.其次看物质所属晶体类型
一般情况下,共价晶体>离子晶体>分子晶体。
金属晶体的熔、沸点差别很大,如钨、铂等金属的熔、沸点很高,汞、铯等金属的熔、沸点很低。
3.同种类型晶体的熔、沸点的比较
分子晶体:
①看是否含有氢键
有分子间氢键的熔沸点高
有相同的分子间氢键,看氢键的个数,个数越多,熔沸点越高
②比较范德华力
组成和结构相似,相对分子质量越大,熔沸点越高
③比较分子极性
相对分子质量相近,分子极性越大,熔沸点越高。
④同分异构体的支链越多,熔、沸点越低。
3.同种类型晶体的熔、沸点的比较
共价晶体:
①晶体的熔、沸点高低取决于共价键的键长和键能。
键长越短,键能越大,共价键越稳定,物质的熔、沸点越高。
②若没有告知键长或键能数据时,可比较原子半径的大小。
一般原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔点就越高。
3.同种类型晶体的熔、沸点的比较
金属晶体:
①金属离子半径越小,离子所带电荷数越多,
其金属键越强,金属的熔、沸点越高
②合金的熔点比组成合金的纯金属低
3.同种类型晶体的熔、沸点的比较
离子晶体:
①一般地,离子所带的电荷数越多,离子半径越小,
则离子间的作用力就越强,其离子晶体的熔、沸点就越高
②离子所带的电荷数的影响大于离子半径的影响