文档介绍：高中化学竞赛
【第六讲晶体结构】
河南省太康县第一高级中学----乔纯杰
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【竞赛基本要求】
1、晶胞。
2、晶格能。
3、晶胞的相关计算。
4、分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。
5、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。
6、点阵的基本概念、晶系、宏观对称元素;十四种空间点阵类型。
7、分子间作用力、范德华力、氢键的概念。
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【知识点击】
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
(1)电子转移形成离子
(2)靠静电吸引,形成化学键.
2、离子键的形成条件
(1)元素的电负性差要比较大
△X > ;
△X < 。化合物中不存在纯离子键, NaF 中也有共价键的成分, △X > ,实际上是指离子键的成分大于50%。
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(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
Nas +1/2 Cl2g= NaCls △H = - kJ·mol –1
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。
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(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。
NaClg= Na+g + Clg △H = 键能E i越大,表示离子键越强。
晶格能:气态的正负离子,结合成 1mol NaCl 晶体时,放出的能量。用 U 表示。
Na+g+ Cl–g= NaCls △H = -U(U为正值)
晶格能 U 越大,则形成离子键时放出的能量越多,离子键越强。键能和晶格能,均能表示离子键的强度,而且大小关系一致。通常,晶格能比较常用。如何求得晶格能?
2、玻恩-哈伯循环( Born-Haber Circulation)
Born 和 Haber 设计了一个热力学循环过程,从已知的热力学数据出发,计算晶格能。具体如下:
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由盖斯定律:△H6= △H1 +△H2+△H3+△H4+△H5
所以:△H5=△H6-(△H1 +△H2+△H3+△H4)
即:U = △H1 +△H2+△H3+△H4-△H6
=++496-+ = kJ·mol –1
以上关系称为Born-Haber循环
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3、影响离子键强度的因素
从离子键的实质是静电引力 F ∝(q1q2) / r2出发,影响 F 大小的因素有:离子的电荷数q 和离子之间的距离 r(与离子半径的大小相关)。
(1)离子电荷数的影响
电荷高,离子键强。
(2)离子半径的影响
半径小,则作用力大。
(3)离子半径概念
将离子晶体中的离子看成是相切的球体,正负离子的核间距 d 是r+ 和r –之和。
1926年,哥德希密特(Goldschmidt)用光学方法测定,得到了F–和O2–的半径,分别为133 pm 和132 pm,结合X射线衍射数据得到一系列离子半径:这种半径为哥德希密特半径。
1927年,Pauling 用最外层电子到核的距离,定义为离子半径,并利用有效核电荷等关系,求出一套离子半径数据,称为 Pauling 半径。
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(四)离子晶体的特点
1、无确定的分子量
NaCl