高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座 第6讲 晶体结构
【竞赛要求】
晶胞。原子坐标。晶格能。晶胞中原子数或分子数的计算及化学式的关系。分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。配位数。晶体的堆积与填隙模型。常见的晶体结构类型,如NaCl、CsCl、闪锌矿(ZnS)、萤石(CaF2)、金刚石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。点阵的基本概念。晶系。宏观对称元素。十四种空间点阵类型。分子的极性。相似相溶规律。分子间作用力。范德华力。氢键。其他分子间作用力的一般概念。
【知识梳理】
一、离子键理论
1916 年德国科学家Kossel(科塞尔)提出离子键理论。
(一)离子键的形成
1、形成过程
以 NaCl 为例:
(1)电子转移形成离子
Na-eˉ= Na+ Cl + eˉ= Clˉ
相应的电子构型变化:2s22p63s1 → 2s22p6 ;3s23p5 → 3s23p6
分别达到 Ne 和 Ar 的稀有气体原子的结构,形成稳定离子。
(2)靠静电吸引,形成化学键,体系的势能与核间距之间的关系如图所示:
注:横坐标——核间距r 。纵坐标——体系的势能 V 。纵坐标的零点——当 r 无穷大时,即两核之间无限远时,势能为零。
下面来考察 Na+ 和 Clˉ彼此接近时,势能V的变化。
图中可见:
r >r0时
r = r0 时,V有极小值,此时体系最稳定,表明形成了离子键。
r < r0 时,V 急剧上升,因为 Na+ 和 Clˉ彼此再接近时,相互之间电子斥力急剧增加, 导致势能骤然上升。
因此,离子相互吸引,保持一定距离时,体系最稳定,即为离子键。
2、离子键的形成条件
(1)元素的电负性差要比较大
△X > 1.7,发生电子转移,形成离子键;
△X < 1.7,不发生电子转移,形成共价键。
极性增大 非极性共价键 极性共价键 离子键
化合物中不存在百分之百的离子键,即使是 NaF 的化学键之中,也有共价键的成分,即除离子间靠静电相互吸引外,尚有共用电子对的作用。
△X > 1.7,实际上是指离子键的成分(百分数)大于50%。
(2)易形成稳定离子
Na+(2s22p6),Clˉ(3s23p6),达到稀有气体稳定结构,Ag+(4d10)d轨道全充满的稳定结构。所以,NaCl、AgCl均为离子化合物;而C和Si 原子的电子结构为ns2np2,要失去全部价电子形成稳定离子,比较困难,所以一般不形成离子键。如CCl4、SiF4 等,均为共价化合物。
(3)形成离子键,释放能量大
Na
在形成离子键时,以放热的形式,释放较大的能量。
(二)离子键的特征
1、作用力的实质是静电引力
F ∝(q1q2)/ r2 (q1、q2分别为正负离子所带电量)
2、离子键无方向性、无饱和性
因为是静电吸引,所以无方向性;且只要是正负离子之间,则彼此吸引,即无饱和性。
(三)离子键的强度
1、键能和晶格能
以 NaCl 为例:
键能:1mol 气态 NaCl 分子,离解成气体原子时,所吸收的能量。用E i 表示。
NaCl