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离子晶体
回顾:三种晶体类型与性质的比较
晶体类型 原子晶体 分子晶体 金属晶体
概念 相邻原子之间以共价键相结合而成具有空间网状结构的晶体 分子间以范德华力相结合成的晶体 通过金属键形成的单质晶体
作用力 共价键 范德华力 金属键
构成微粒 原子 分子 金属阳离子和自由电子
物 理 性 质 熔沸点 很高 很低 差别较大
硬度 很大 很小 差别较大
导电性 无(硅为半导体) 无 导体
实例 金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅 Ar、S等 Au、Fe、Cu、钢铁等
晶体 氯化钠 干冰 金刚石
熔 点 (℃) 801 -56.2 3550
材料:
思考:
为什么氯化钠的物理性质与干冰、金刚石如此不同?
Na+ Cl-
+17
+17
+11
+11
Na
Cl
Cl-
Na+
2Na + Cl2 == 2NaCl
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、组成粒子:
阴、阳离子
3、微粒间的作用力:
离子键
4、常见的离子晶体:
一、离子晶体
离子晶体中的化学键除离子键外还可能有共价键,但离子晶体微粒间的作用力只能是离子键。
5、晶胞类型:
(1)氯化钠型晶胞
1° 钠离子和氯离子的位置:
①钠离子和氯离子位于立方体的顶角上,并交错排列。
②钠离子:体心和棱中点;
氯离子:面心和顶点,或反之。
2° 每个晶胞含钠离子、氯离子的个数:
3° 与Na+等距离且最近的Na+ 有:
12个
---Cl-
--- Na+
NaCl的晶体结构模型
4°与Na+等距离且最近的Cl 有:6个
(配位数)
NaCl晶体中阴、阳离子配位数
阴、阳离子配位数均为6
NaCl晶胞的结构特点:
①Na+占据立方体的8个顶点和6个面心,Cl-占据体心和12个棱的中点;(或二离子交换)
②阴、阳离子配位数均为6
③每个Na+ 周围最近的等距离的Na+ 有12个,每个Cl- 周围最近的等距离的Cl- 有12个;
④不存在单个的NaCl分子,每个晶胞平均含Na+ 和Cl-各4个。化学式NaCl仅表示该离子晶体中阴、阳离子的个数比为1:1.
(2)氯化铯型晶胞
1° 铯离子和氯离子的位置:
铯离子:体心
氯离子:顶点;或者反之。
2° 每个晶胞含铯离子、氯离子的个数:
3° 与铯离子等距离且最近的铯离子、氯离子各有几个?
铯离子:6个;氯离子:8个(配位数)
均为1个
---Cs+
---Cl-
CsCl晶体及晶胞结构示意图
(2)氯化铯晶胞的结构特点:
① 每8个Cs+ 、8个 Cl- 各自构成一个立方体(顶点),在每个立方体的中心有一个异种离子;
②阴、阳离子配位数均为8
③每个Cs+ 周围最近的等距离的Cs+ 有6个,每个Cl- 周围最近的等距离的Cl- 有6个;
④不存在单个的CsCl分子,每个晶胞平均含Cs+ 和Cl-各1个。化学式CsCl仅表示该离子晶体中阴、阳离子的个数比为1:1.
(3)CaF2型晶胞
2° Ca2+的配位数:
F-的配位数:
1° 一个CaF2晶胞中含:
4个Ca2+和8个F
8
4
(2)氟化钙晶胞的结构特点:
① 8个Ca2+ 占据立方体8个顶点,6个Ca2+占据立方体的6个面心,8个F-在立方体内;
②Ca2+的配位数为8,F-的配位数为4;
③不存在单个的CaF2 分子,每个晶胞平均含4个Ca2+ 和8个F-。化学式CaF2 仅表示该离子晶体中阴、阳离子的个数比为2:1
(4)ZnS型晶胞
2° 阳离子的配位数:
阴离子的配位数:
1° 一个ZnS晶胞中含:
4个阳离子和4个阴离子
4
4
(2)硫化锌晶胞的结构特点:
① 8个Zn2+ 占据立方体8个顶点,6个Zn2+占据立方体的6个面心,4个S2-在立方体内;
②阴、阳离子的配位数均为4;
③不存在单个的ZnS 分子,每个晶胞平均含Zn2+ 和S2-各4个。化学式ZnS 仅表示该离子晶体中阴、阳离子的个数比为1:1
科学探究:
找出NaCl、CsCl两种离子晶体中阳离子和阴离子的配位数,它们是否相等?
离子晶体 阴离子的配位数 阳离子的配位数
NaCl
CsCl
6
6
8
8
思考:离子键有无方向性和饱和性?
无
科学探究:
你认为是什么因素决定了离子晶体中离子的配位数?根据下表分析影响离子晶体中离子配位数的因素。
配位数 4 6 8
半径比 0.23~0.41 0.41~0.73 0.73~1.0
空间构型 ZnS NaCl CsCl
晶体中正负离子的半径比(r+/r-)是决定离子晶体结构的重要因素
离子晶体 阴离子的配位数 阳离子的配位数
NaCl 6 6
CsCl 8 8
ZnS 4 4
CaF2 4 8
你认为是什么因素决定了离子晶体中离子的配位数?根据下表分析影响离子晶体中离子配位数的因素。
正负离子电荷(绝对值)相同,阴、阳离子的配位数相等;正负离子电荷(绝对值)不相同,阴、阳离子的配位数必不相等。(电中性)
6、决定离子晶体结构的因素
(1)几何因素
晶体中正负离子的半径比
(2)电荷因素
晶体中正负离子的电荷比
(3)键性因素(不讨论,只记住结论)
离子键的纯粹程度
分析下表中数据,总结离子晶体的物理性质及其规律
物质 熔点/℃ 硬度
NaF 993 3.2
NaCl 801 2.5
NaBr 747 <2.5
NaI 661 <2.5
MgO 2852 6.5
CaO 2614 4.5
SrO 2430 3.5
BaO 1918 3.3
H2O 0 很小
(1)熔沸点较高,难挥发;随着离子电荷的增加,核间距离的缩短,熔点升高。
(2)硬度较大,且脆。
(3)一般易溶于水,而难溶于非极性溶剂。
(4)固态不导电,水溶液或者熔融状态下能导电。
7、离子晶体的物理性质:
科学视野:离子晶体碳酸盐的分解
可见,金属阳离子半径越小,与氧离子间的离子键越强,其碳酸盐的分解温度越低.
如何说明离子晶体的稳定性呢?
二、晶格能
1、定义:
气态离子形成单位物质的量的离子晶体时释放的能量。通常取正值。
单位:kJ/mol
仔细阅读课本P80表3—8及下表,分析晶格能的大小与离子晶体的熔点有什么关系?离子晶体的晶格能与哪些因素有关?
氟化物 晶格能/kJ·mol-1
NaF 923
MgF2 2957
AlF3 5492
离子半径越小,所带电荷越多,晶格能越大
F- Cl- Br- I-
Li+ 1036 853 807 757
Na+ 923 786 747 704
K+ 821 715 682 649
Rb+ 785 689 660 630
Cs+ 740 659 631 604
某些离子晶体的晶格能/(kJ/mol)
结论:阴、阳离子的半径和越大,晶格能越小
分析下表中数据,总结晶格能大小与离子晶体物理性质间的关系
AB型离子晶体 离子电荷 晶格能/ (KJ/mol) 熔点/℃ 硬度
NaF 1 923 993 3.2
NaCl 1 786 801 2.5
NaBr 1 747 747 <2.5
NaI 1 704 661 <2.5
MgO 2 3791 2852 6.5
CaO 2 3401 2614 4.5
SrO 2 3223 2430 3.5
BaO 2 3054 1918 3.3
晶格能越大 ,离子键越强
(1)形成的离子晶体越稳定;
(2)熔点越高;
(3)硬度越大。
2、晶格能的大小的影响因素
离子电荷越多,阴、阳离子半径越小,即离子键越强,则晶格能越大。简言之,晶格能的大小与离子所带电荷成正比,与离子半径成反比.
3、晶格能对离子晶体性质的影响:
科学视野:岩浆晶出规则与晶格能
岩浆冷却时析出晶体按晶格能从高到低的顺序依次晶出。即晶格能高的晶体熔点较高,更容易在岩浆冷却过程中先结晶——岩浆晶出规则。
石英总是在各种硅酸盐析出后才晶出,主要原因是它的晶格能较小,次要原因是只有各种金属离子以硅酸盐析出后,石英的浓度才达饱和。
同学们:
请注意啦!
离子键既无方向性,也无饱和性
离子键与共价键的比较
1. 离子键与共价键的形成过程不同
离子键是原子间得、失电子而生成阴、阳离子,然后阴、阳离子通过静电作用而形成的;共价键是原子间通过共用电子对而形成的,原子间没有得失电子,形成的化合物中不存在阴阳离子。
2. 离子键和共价键在成键时方向性不同
离子键在成键时没有方向性,而共价键却有方向性。我们知道离子键是阴阳离子间通过静电引力形成的化学键。由于阴阳离子的电荷引力分布是球形对称的,一个离子在任何方向都能同样吸引带相反电荷的离子,因此离子键没有方向性。而共价键却大不相同,共价键的形成是成键原子的电子云发生重叠,如果电子云重叠程度越多,两核间电子云密度越大,形成的共价键就越牢固,因此共价键的形成将尽可能地沿着电子云密度最大的方向进行。除s轨道的电子云是球形对称,相互重叠时无方向性外,其余的p、d、f轨道的电子云在空间都具有一定的伸展方向,故成键时都有方向性。共价键的方向性,决定分子中各原子的空间排布。原子排布对称与否,对于确定分子的极性有重要作用。
3. 离子键和共价键在成键时饱和性不同
离子键没有饱和性,而共价键则有饱和性。离子键没有饱和性是指一个离子吸引相反电荷的离子数可超过它的化合价数,但并不意味着吸引任意多的离子。实际上,由于空间效应,一个离子吸引带相反电荷的离子数是一定的。如在食盐晶体中:一个Na+吸引6个Cl-,同时一个Cl-吸引6个Na+。也可以说Na+与Cl-的配位数都是6。共价键的饱和性,指共价键是通过电子中不成对的电子形成的。一个原子中有几个未成对电子,就可与几个自旋方向相反的电子配对形成几个共价键。成键后,再无未成对电子,也就再不能形成更多的键了。我们知道如果共用电子对处于成键的两个原子中间,是非极性键;如果共用电子对稍偏向某个原子,是弱极性键;共用电子对偏向某个原子很厉害,则是强极性键;共用电子对偏向某个原子太厉害时,甚至失去电子便成为离子键了。因此可以说,非极性键和离子键是共价键的两个极端,而极性键则是由非极性键向离子键过渡的中间状态。故离子键、极性键和非极性键并无严格的界限。也就是说纯离子键和纯共价键只是一部分,而大多数键则是具有一定程度离子性和共价性的极性键。只有同种非金属原子间的共价键,其共价性为100%,不同原子间的键则具有一定的离子性。
小结1:四种晶体的比较
晶体类型 离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体
晶体粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子、
自由电子
粒子间作用力 离子键 共价键 分子间作用力 金属键
熔沸点 硬度 较高 较硬 很高 很硬 较低 一般较软 一般较高,少部
分低 ,一般较硬,少部分软
溶解性 溶于水,难溶于非极性溶剂 难溶解 相似相溶 难溶
导电情况 固体不导电,熔化或溶于水导电 不导电 (除硅) 一般不导电 ,部分溶于水导电 良导体
离子晶体 原子晶体 分子晶体
1.活泼金属氧化物(K2O、Na2O2) 2.强碱(NaOH、KOH、 Ba(OH )2 3.绝大多数的盐类 1.金刚石、晶体硅、晶体硼 2. SiC 、 SiO2晶体、 BN晶体 1.大多数非金属单质: X2,O2,H2, S8,P4, C60 (除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)
2.气态氢化物:
H2O,NH3,CH4,HX
3.非金属氧化物: CO2, SO2, NO2(除SiO2外)
4.酸:H2SO4,HNO3
5.大多数有机物:乙醇,蔗糖(除有机盐)
小结2:典型的晶体类别
小结3:晶体熔沸点高低的判断
⑴不同晶体类型的熔沸点比较
一般:原子晶体>离子晶体>分子晶体(有例外)
⑵同种晶体类型物质的熔沸点比较
①离子晶体:
阴、阳离子电荷数越大,半径越小
熔沸点越高
金属晶体熔点差异性太大,一般不纳入比较
②原子晶体:
原子半径越小→键长越短→键能越大
熔沸点越高
③分子晶体:
相对分子质量越大,分子的极性越大
熔沸点越高
④金属晶体:
金属阳离子电荷数越多,半径越小
熔沸点越高
小结4:判断晶体类型的方法
1)依据组成晶体的微粒和微粒间的作用力判断:
构成离子晶体的微粒是离子,作用力是离子键;构成原子晶体的微粒是原子,作用力是共价键;构成分子晶体的微粒是分子,作用力是分子间作用力。
2)依据物质的分类判断:
离子化合物是离子晶体;大多数非金属单质及其氢化物、氧化物、含氧酸、有机物是分子晶体;几种特殊的非金属单质、氧化物、互化物为原子晶体。
3)依据晶体的熔点判断:
小结4:判断晶体类型的方法(续)
原子晶体硬度大,离子晶体硬度介于原子晶体和分子晶体之间且脆,分子晶体硬度小
5)依据硬度和机械性能判断:
离子晶体熔融态均导电、溶于水导电;分子晶体为非导体,部分分子溶于水能导电,原子晶体多为非导体,有些为半导体,如:硅、锗
4)依据导电性判断:
原子晶体的熔点高,一般在1000℃以上;离子晶体的熔点较高;分子晶体的熔点低,常在几百度以下甚至更低
谢谢!