第七章晶体结构【学习目标与要求】1、学习目标（1）价值目标：研究晶体结构需要运用到观察、推理、建模等科学方法，这有助于培养我们的逻辑思维和问题解决能力，提高我们面对复杂问题的分析和处理能力。【课程目标3】（2）知识目标：理解离子极化对晶体键型、配位数、溶解度和颜色的影响；从晶格质点上粒子间结合力的不同来理解晶体的类型，掌握四种典型的离子晶体的结构特征和晶格配位数；掌握离子晶体的内部结构与性质的关系、分子的极性，分子间力（取向力、诱导力、色散力、范德华力）及氢键的要领并解释物质的性质、离子极化作用要领并能运用离子极化作用解释化合物结构和物质的性质。【课程目标1】【课程目标2】（3）能力目标：能用所学理论解释化合物结构和物质的性质。【课程目标1】【课程目标3】2、学习要求理解离子极化对晶体键型、配位数、溶解度和颜色的影响。【课程目标1】【课程目标2】【教学重点与难点】1、教学重点（1）分子间作用力：取向力、诱导力、色散力；离子键特征(2）离子极化作用，离子极化作用对化合物结构和性质的影响【课程目标1】【课程目标2】2、教学难点(1）离子极化作用(2）离子极化作用对化合物结构和性质的影响【课程目标2】【教学方法】讲授法、案例分析法、讨论法。【课程目标1】【课程目标2】【教学手段】多媒体、雨课堂。【课程目标3】【教学过程】
第七章 晶体结构 【学习目标与要求】 1、学习目标 （1）价值目标：研究晶体结构需要运用到观察、推理、建模等科学方法， 这有助于培养我们的逻辑思维和问题解决能力，提高我们面对复杂问题的分析和 处理能力。【课程目标3】 （2）知识目标：理解离子极化对晶体键型、配位数、溶解度和颜色的影响； 从晶格质点上粒子间结合力的不同来理解晶体的类型，掌握四种典型的离子晶体 的结构特征和晶格配位数；掌握离子晶体的内部结构与性质的关系、分子的极性， 分子间力（取向力、诱导力、色散力、范德华力）及氢键的要领并解释物质的性 质、离子极化作用要领并能运用离子极化作用解释化合物结构和物质的性质。【课 程目标1】【课程目标2】 （3）能力目标：能用所学理论解释化合物结构和物质的性质。【课程目标1】 【课程目标3】 2、学习要求 理解离子极化对晶体键型、配位数、溶解度和颜色的影响。【课程目标1】 【课程目标2】 【教学重点与难点】 1、教学重点 (1) 分子间作用力：取向力、诱导力、色散力；离子键特征 (2) 离子极化作用，离子极化作用对化合物结构和性质的影响 【课程目标 1】【课程目标 2】 2、教学难点 (1) 离子极化作用 (2) 离子极化作用对化合物结构和性质的影响【课程目标 2】 【教学方法】讲授法、案例分析法、讨论法。【课程目标 1】【课程目标 2】 【教学手段】多媒体、雨课堂。【课程目标 3】 【教学过程】
第七章晶体结构7.1分子晶体和分子间作用力分子与分子之间还存在着一种较弱的相互作用，大约只有几个到几十个KJ·mol-l，比化学键小一、二个数量级，这种分子间的作用力称为范德华尔力。它是决定物质熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一个重要因素。7.1.1分子的极性双原子分子形成的共价键可分为极性键和非极性键，若两个相同原子组成的分子（如H2、O2），由于电负性相同，两原子间形成非极性共价键，即分子中的正负电荷重心重合，这种分子是非极性分子。如果由两个不同原子组成分子（如HCI、CO），由于它们的电负性不相同，两原子间形成极性键，即分子中的正负电荷重心不会重合，这种分子是极性分子。如果由多个不同原子组成的分子（如SO2、CO2、CH4、CHCls等），它们是否为极性分子？不仅决定于元素的电负性（或是键的极性），而且决定于分子的空间构型。例如：SO2、CO2中S=O键、C=O都是极性键，但因为CO2是直线型结构，键的极性相互抵消，正负电荷重心重叠，所以，CO2是非极性分子。相反，SO2为V型结构，正负电荷重心不能重合，因而SO2是极性分子。分子极性的强弱，可以用偶极矩（u）表示。分子偶极矩定义为：偶极长（极性分子正负电荷之重心间的距离d与偶极电荷q的乘积，即：μ=q×d表7-1一些物质的偶极矩（单位德拜D)H201.85H200N2HCI1.030BCl2HBr0.790CO2HI0.380CS2NH31.661.1cOH2S0.12SO21.62.1HCN因为一个电子所带电量为4.8×10-10静电单位，而偶极长d相当于原子间距离，其数量级为10-8cm。通常把10-18厘米静电单位作为偶极矩u的单位，称为
第七章 晶体结构 7.1 分子晶体和分子间作用力 分子与分子之间还存在着一种较弱的相互作用，大约只有几个到几十个 KJ·mol-1，比化学键小一、二个数量级，这种分子间的作用力称为范德华尔力。 它是决定物质熔点、沸点、溶解度等物理化学性质的一个重要因素。 7.1.1 分子的极性 双原子分子形成的共价键可分为极性键和非极性键，若两个相同原子组成的 分子（如 H2、O2），由于电负性相同，两原子间形成非极性共价键，即分子中 的正负电荷重心重合，这种分子是非极性分子。如果由两个不同原子组成分子（如 HCl、CO），由于它们的电负性不相同，两原子间形成极性键，即分子中的正负 电荷重心不会重合，这种分子是极性分子。如果由多个不同原子组成的分子（如 SO2、CO2、CH4、CHCl3 等），它们是否为极性分子？不仅决定于元素的电负性 （或是键的极性），而且决定于分子的空间构型。例如：SO2、CO2 中 S=O 键、 C=O 都是极性键，但因为 CO2 是直线型结构，键的极性相互抵消，正负电荷重 心重叠，所以，CO2 是非极性分子。相反，SO2 为 V 型结构，正负电荷重心不能 重合，因而 SO2 是极性分子。 分子极性的强弱，可以用偶极矩（μ）表示。分子偶极矩定义为：偶极长（极 性分子正负电荷之重心间的距离 d 与偶极电荷 q 的乘积，即：μ=q × d 表 7-1 一些物质的偶极矩(单位 德拜 D) H2 0 H2O 1.85 N2 0 HCl 1.03 BCl2 0 HBr 0.79 CO2 0 HI 0.38 CS2 0 NH3 1.66 H2S 1.1 CO 0.12 SO2 1.6 HCN 2.1 因为一个电子所带电量为 4.8×10-10 静电单位，而偶极长 d 相当于原子间距 离，其数量级为 10-8 cm。通常把 10-18 厘米·静电单位作为偶极矩 μ 的单位，称为
“德拜”（Debye）用D表示。偶极矩是一个矢量，可以通过实验测得。偶极矩越大，分子极性越大，偶极矩μ=0，它是非极性分子。表7-1列出一些物质的偶极矩（单位D）。由于极性分子的正、负电荷重心不重合，因此分子中始终存在着正极端和负极端。极性分子固有的偶极叫做永久偶极。而非极性分子在外电场的影响下可以变成具一定偶极的极性分子，极性分子也一样在外电场的影响下其偶极增大。这种在外电场影响下所产生的偶极叫诱导偶极。诱导偶极的大小同外界电场的强度成正比。变形性大的分子，产生的诱导偶极也大。此外，非极性分子在没有外电场的作用下，正负电荷重心也可能发生变化。这是因为分子内部的原子和电子都在不停地运动着，不断地改变它们的相对位置。在某一瞬间，分子的正负电荷重心发生不重合的现象，这时所产生的偶极叫做瞬间偶极。瞬间偶极的大小同分子的变形性有关，分子越大，越容易变形，瞬间偶极也越大。7.1.2范德华力十九世纪未范德华尔发现造成实际气体偏离理想气体方程的那种作用力，是分子间的作用力，后人将它称之为范德华尔力。它包括取向力、诱导力、色散力三个部分。（1）取向力（定向力）。这是指极性分子与极性分子之间的作用力。极性分子具有永久偶极，它们具有正、负两极。当两极接近，同极相斥，异极相吸，一个分子带负电的一端和另一个分子带正电的一端接近，使分子氨一定的方向排列。已取向的极性分子，由静电引力而相互吸引，称为取向力。（2）诱导力。这是发生在极性分子和非极性分子之间以及极性分子与极性分子之间的作用力。非极性分子与极性分子相遇时，非极性分子受到极性分子偶极电场的影响，电子云变形，产生了诱导偶极。诱导偶极同极性分子的永久偶极间的作用力叫做诱导力。同样，极性分子与极性分子之间除了取向力外，由于极性分子的电场互相影响，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极，从而也产生诱导力。（3）色散力。任何一个分子，由于电子的不断运动和原子核的不断振动，都有可能在某一瞬间产生的与核的相对位移，造成正负电荷重心分离，从而产生瞬时偶极，这种瞬时偶极可能使它相邻的另一个非极性分子产生瞬时诱导偶极于是两个偶极外在异极相邻的状态，从而产生会分子间的相互吸引力，这种由于
“德拜”（Debye）用 D 表示。偶极矩是一个矢量，可以通过实验测得。偶极矩越 大，分子极性越大，偶极矩 μ＝0，它是非极性分子。表 7-1 列出一些物质的偶 极矩（单位 D）。 由于极性分子的正、负电荷重心不重合，因此分子中始终存在着正极端和负 极端。极性分子固有的偶极叫做永久偶极。而非极性分子在外电场的影响下可以 变成具一定偶极的极性分子，极性分子也一样在外电场的影响下其偶极增大。这 种在外电场影响下所产生的偶极叫诱导偶极。诱导偶极的大小同外界电场的强度 成正比。变形性大的分子，产生的诱导偶极也大。此外，非极性分子在没有外电 场的作用下，正负电荷重心也可能发生变化。这是因为分子内部的原子和电子都 在不停地运动着，不断地改变它们的相对位置。在某一瞬间，分子的正负电荷重 心发生不重合的现象，这时所产生的偶极叫做瞬间偶极。瞬间偶极的大小同分子 的变形性有关，分子越大，越容易变形，瞬间偶极也越大。 7.1.2 范德华力 十九世纪末范德华尔发现造成实际气体偏离理想气体方程的那种作用力，是 分子间的作用力，后人将它称之为范德华尔力。它包括取向力、诱导力、色散力 三个部分。 （1）取向力（定向力）。这是指极性分子与极性分子之间的作用力。极性 分子具有永久偶极，它们具有正、负两极。当两极接近，同极相斥，异极相吸， 一个分子带负电的一端和另一个分子带正电的一端接近，使分子氨一定的方向排 列。已取向的极性分子，由静电引力而相互吸引，称为取向力。 （2）诱导力。这是发生在极性分子和非极性分子之间以及极性分子与极性 分子之间的作用力。非极性分子与极性分子相遇时，非极性分子受到极性分子偶 极电场的影响，电子云变形，产生了诱导偶极。诱导偶极同极性分子的永久偶极 间的作用力叫做诱导力。 同样，极性分子与极性分子之间除了取向力外，由于极性分子的电场互相影 响，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极，从而也产生诱导力。 （3）色散力。任何一个分子，由于电子的不断运动和原子核的不断振动， 都有可能在某一瞬间产生的与核的相对位移，造成正负电荷重心分离，从而产生 瞬时偶极，这种瞬时偶极可能使它相邻的另一个非极性分子产生瞬时诱导偶极， 于是两个偶极外在异极相邻的状态，从而产生会分子间的相互吸引力，这种由于
分子不断产生瞬时偶极而形成的作用力称为色散力。色散力必须根据近代量子力学原理才能正确解释它的来源和本质，从量子力学导出的这种力的理论公式与光色散公式相似，因此把这种力称为色散力。量子力学的计算表明，色散力与分子的变形性有关。变形性愈大，色散力愈大，色散力与分子间距离的七次方成反比，色散力还与相互作用分子的电离能有关。分子取向力诱导力色散力总和Ar0.0000.0008.498.49CO0.00290.00848.748.75HI0.0250.11325.8625.98HBr0.6860.50221.9223.09HCI3.3051.00416.8221.13NH313.311.54814.9429.581.9298.99647.28H2036.38由上表可以看出，分子间总是存在色散力的。在一般分子中，色散力往往是主要的，只有极性很大的分子，取向力才显的重要。7.1.3次级键和氢键氢键是一种存在于分子之间也存在分子内部的作用力，它比化学键弱，又比范德华尔力强。1.氢键的形成：在HF分子中，H和F原子以共价键结合，但因F原子的电负性大，电子云强烈偏向F原子一方，结果使H原子一端显正电性。由于H原子半径很小，又只有一个电子，当电子强烈地偏向F原子后，H原子几乎成为一个“裸露的质子，因此正电荷密度很高，可以和相邻的HF分子中的F原子产生静电吸引作用，形成氢键。氟化氢的氢键表示为F一H.....F
分子不断产生瞬时偶极而形成的作用力称为色散力。色散力必须根据近代量子力 学原理才能正确解释它的来源和本质，从量子力学导出的这种力的理论公式与光 色散公式相似，因此把这种力称为色散力。 量子力学的计算表明，色散力与分子的变形性有关。变形性愈大，色散力愈 大，色散力与分子间距离的七次方成反比，色散力还与相互作用分子的电离能有 关。 分子 取向力 诱导力 色散力 总和 Ar 0.000 0.000 8.49 8.49 CO 0.0029 0.0084 8.74 8.75 HI 0.025 0.113 25.86 25.98 HBr 0.686 0.502 21.92 23.09 HCl 3.305 1.004 16.82 21.13 NH3 13.31 1.548 14.94 29.58 H2O 36.38 1.929 8.996 47.28 由上表可以看出，分子间总是存在色散力的。在一般分子中，色散力往往是 主要的，只有极性很大的分子，取向力才显的重要。 7.1.3 次级键和氢键 氢键是一种存在于分子之间也存在分子内部的作用力，它比化学键弱，又比 范德华尔力强。 1. 氢键的形成： 在 HF 分子中，H 和 F 原子以共价键结合，但因 F 原子的电负性大，电子云 强烈偏向 F 原子一方，结果使 H 原子一端显正电性。由于 H 原子半径很小，又 只有一个电子，当电子强烈地偏向F原子后，H原子几乎成为一个“裸露”的质子， 因此正电荷密度很高，可以和相邻的 HF 分子中的 F 原子产生静电吸引作用，形 成氢键。氟化氢的氢键表示为 F－H.F
1.63A.2.55A不仅同种分子间可形成氢键，不同种分子间也可以形成氢键，NH3和H2O间的氢键如下：HHHHNHOH，OHNHHH氢键通常用表示X一H......Y，X和Y代表F、O、N等电负性大，半径较小的原子。除了分子间的氢键外，某些物质的分子也可以形成分子内氢键如：邻硝基苯酚、NaHCO3晶体等。总之，分子欲形成氢键必须具备两个基本条件，其一是分子中必须有一个与电负性很强的元素形成强极性键的氢原子。其二是分子中必须有带孤电子对，电负性大，而且原子半径小的元素。2.氢键的特点（1）氢键具有方向性。它是指Y原子与X一Y形成氢键时，尽可能使氢键的方向与X一H键轴在同一条直线上，这样可使X与Y的距离最远，两原子电子云间的斥力最小，因此形成的氢键愈强，体系愈稳定。（2）氢键具有饱和性。它是指每一个X一H只能与一个Y原子形成氢键。这是因为氢原子的半径比X和Y的原子半径小很多，当X一H与一个Y原子形成氢键X一H......Y之后，如有另一个极性分子Y原子接近时，则这个原子受到X、Y强烈排斥，其排斥力比受正电荷的H的吸引力大，故这个H原子未能形成第二个氢键。3.氢键的键长和键能氢键不同于化学键，其键能小，键长较长。氢键的键能主要与X、Y的电负性有关，还与存在于不同化合物有关。一般，电负性越大，氢键越强；氢键的键能还与Y的原子半径有关，半径越小，键能越大。如F一H......F为最强的氢键
不仅同种分子间可形成氢键，不同种分子间也可以形成氢键，NH3 和 H2O 间的氢键如下： 氢键通常用表示 X－H.Y，X 和 Y 代表 F、O、N 等电负性大，半径较 小的原子。 除了分子间的氢键外，某些物质的分子也可以形成分子内氢键如：邻硝基苯 酚、NaHCO3 晶体等。 总之，分子欲形成氢键必须具备两个基本条件，其一是分子中必须有一个与 电负性很强的元素形成强极性键的氢原子。其二是分子中必须有带孤电子对，电 负性大，而且原子半径小的元素。 2. 氢键的特点 （1）氢键具有方向性。它是指 Y 原子与 X－Y 形成氢键时，尽可能使氢键 的方向与 X－H 键轴在同一条直线上，这样可使 X 与 Y 的距离最远，两原子电 子云间的斥力最小，因此形成的氢键愈强，体系愈稳定。 （2）氢键具有饱和性。它是指每一个 X－H 只能与一个 Y 原子形成氢键。 这是因为氢原子的半径比 X 和 Y 的原子半径小很多，当 X－H 与一个 Y 原子形 成氢键 X－H.Y 之后，如有另一个极性分子 Y 原子接近时，则这个原子受到 X、Y 强烈排斥，其排斥力比受正电荷的 H 的吸引力大，故这个 H 原子未能形 成第二个氢键。 3. 氢键的键长和键能 氢键不同于化学键，其键能小，键长较长。氢键的键能主要与 X、Y 的电负 性有关，还与存在于不同化合物有关。一般，电负性越大，氢键越强；氢键的键 能还与 Y 的原子半径有关，半径越小，键能越大。如 F－H.F 为最强的氢键