第九章离子键和离子晶体

1第九章离子键和离子晶体教学重点：1.了解离子晶体的结构特征与某些物理性质的关系；2.离子晶体的晶格能。3.了解离子极化的概念及其应用；第一节离子键一、离子键的形成（一）氯化钠离子键形成过程的玻恩-哈伯循环1．形成条件：电负性相差较大（1.7）的金属和非金属元素，可通过电子得失，形成正、负离子。正、负离子间由于静电引力相互靠近，达到一定距离后体系出现能量最低点，形成离子键。2．形成过程：Na(s)+1/2Cl2(g)→NaCl(s)2△fHNaCl=-392kJ/mol上述过程实际上是多个过程的总结果，从而过程的能量变化是多个过程的能量变化的累加。这个循环包括下列步骤：（1）固态金属钠变成气态的钠原子，需要供给升华热S；氯分子变成气态氯原子需要供给解离能D，对一个Cl原子只需1/2D，这一步变化是吸热的。△H1=S+1/2D=230kJ/mol（2）气态原子间发生电子转移形成离子。△H2=I+E=495.8-348.8=147kJ/molNa(s)+12Cl2△fHNaClNaCl(s)Na(g)+(g)Cl(g)Na(g)+Cl(g)-+NaCl(g)△H1△H2△H3△H43I是电离能，E是电子亲合势∵∣I∣∣E∣，∴需供给能量。（3）气态离子结合成气态离子型化合物，即是气态Na+与Cl-结合成气态NaCl，这是由于正负离子间强烈的相互吸引而成，是高度的放热过程。△H3=-526kJ/mol（4）气态的离子化合物转变为固态的离子晶体，这也是放热过程。△H4=-243kJ/mol∴△fHNaCl=△H1+△H2+△H3+△H4=230+147-526-243=-392kJ/mol第一、二步是吸热的，第三、四步是放热的，整个过程能量是降低的。这就从能量变化的角度说明了离子化合物能稳定形成。4（二）氯化钠离子键的键能NaCl离子键的键能是指1mol气态NaCl分子离解为气态中性原子Na(g)和Cl(g)时所需要吸收的能量，它等于上述循环中第二、三步能量变化之和的负值（因为反应方向相反）。NaCl(g)→Na(g)+Cl(g)D(Na-Cl)=-（△H2+△H3)=-（147-526）=379kJ/mol由于离子型物质一般以晶体状态存在，所以离子键键能的数据并不常用，而通常用晶格能的大小来衡量离子键的强弱。二、离子键的特征：1．无方向性：由于离子的电荷分布是球形对称的，而球形电场或点电荷是无方向的。所以，离子无论在哪个方向上5都能与电荷相反的离子相互吸引。2．无饱和性：由于离子键主要是正负离子间的静电引力，只要空间条件许可，离子总是尽可能多地与异性离子相吸引。那么在离子晶体中一种离子的周围是不是可以有任意数目的异性离子呢？不是的。如NaCl晶体中每个Na+周围都有六个Cl-，每个Cl-周围也有六个Na+。那这与离子键没有饱和性有没有矛盾呢？没有矛盾。因为晶体中某离子周围异性离子的数目是由离子的大小和晶体的构型所决定的，即受空间效应所决定，一定大小的离子周围只能容纳一定数目的离子，这是配位数的问题。而键的不饱和性，却是指成键离子间的相互作用力，6互不接触的异性离子之间也有相互作用。这是两个不同的概念，二者是不矛盾的。三、离子的特征离子的电荷数、离子的电子组态(构型)和离子半径是离子的三个重要特征，也是影响离子键强度的重要因素。（一）离子的电荷数从离子键的形成过程可知，阳离子的电荷数就是相应原子失去的电子数；阴离子的电荷数就是相应原子得到的电子数。阴、阳离子的电荷数主要取决于相应原子的电子层组态、电离能、电子亲合能等。一般情况下，阳离子的电荷数多为+1或+2，最高为+3；阴离子的电荷数多为-1或-2，电荷数为-3或-4的多数为含氧酸离子或配阴离子。7（二）离子的电子构型：简单阴离子（如F-，Cl-，S2-）的外层电子构型为ns2np6，但简单阳离子的电子组态比较复杂，除8电子构型外，还有其它多种构型。离子的电子层构型有以下几种：（1）2电子构型：离子只有2个电子，电子构型为1s2，如Li+，Be2+,等。（2）8电子构型：离子的最外电子层有8个电子，价电子构型为ns2np6，如Na+，Ca2+，F-等。（3）18电子构型：价电子构型为(n-1)d10ns2np6，如Ag+，Zn2+等。（4）(18+2)电子构型：离子的次外电子层有18个电子，最外电子层有2个电子，价电子构型为：(n-1)s2(n-1)p6(n-1)d10ns2，如Sn2+，8Pb2+，Bi3+等。（5）（9-17）电子构型(不饱和型)：离子的最外电子层有9-17个电子，价电子构型为ns2np6nd1-9，如Fe3+，Cr3+等。（三）离子半径：决定离子间作用力的一个主要因素，是相邻两个离子电荷之间的距离，即核间距d，它应是相邻两离子的半径之和，d=r-+r+，离子半径本应是指离子电子云的分布范围，但电子云的分布范围较广，仅是几率密度不同，没有一个断然的分界面。所以严格讲一个离子的半径是不定的。现在所讲离子半径是离子晶体中正、负离子核间距，即它是正负离子半径之和。即d=r-+r+。在这里，我们是把离子晶体中正负离子看成是相互接触9的刚性圆球。两个圆球中心间的距离称为核间距。这种离子半径也称为正负离子的接触半径或结晶半径。半径数值的大小只能看作是近似地反映了离子的大小。离子半径变化的规律：（1）各主族元素中，由于自上而下电子层数依次增多，因此具有相同电荷数的同族离子的半径依次增大。如：Li+Na+K+Rb+Cs+（2）同一周期主族元素随着族数递增，阳离子的电荷数依次增大，离子半径依次减小。阴离子半径也依次减小。如：Na+Mg2+Al3+P(-3)S(-2)Cl(-1)..dr-r+10但要注意，阳离子与阳离子比较，阴离子与阴离子比较。（3）同一元素：阳离子半径原子半径。Na+Na阴离子半径原子半径。Cl-Cl阳离子：正电荷越高半径越小，Fe3+Fe2+（5）阴离子半径较大，130-250pm间。阳离子半径较小，在10-170pm间。第二节离子晶体固体可分为晶体和非晶体两大类。一、晶体的特征：主要有三点：(1)一般有一定的、整齐、规则的几何外形。例如食盐具有立方体外形，虽然有时晶体形成条件不同，而使晶体在外形上不相同，但其晶体表面夹角总是固定的。11(2)有固定的熔点.当我们将晶体加热到某一温度时，晶体开始熔化，在没有全部熔化完前，继续加热，温度不再上升，直到全部熔化完。（由于存在晶格能而放出能量。而当破坏晶体时，显然要吸收一部分能量，所以当加热到晶体熔点时，晶体温度不再上升。）这时它是将吸收的能量全部用来破坏晶体，直至全部熔化后，晶体温度才开始上升。所以晶体有固定的熔点。例：冰熔化，冰水温度始终是0℃。(3)各向异性.晶体中由于各个方向排列的质点距离不同，而使晶体在各个方向上性质也不同，即各向异性，例石墨，在与层垂直方向上的导电率是平行于层方向的万分之一。二、晶体的概念：12宏观上：晶体是质点（原子、离子、分子）在空间有规律地排列成的，具有整齐外形，以多面体出现的固体。微观上：为了更好地反映晶体结构的内部规律性，从数学的观点看，可以把实际晶体中原子或离子的位置想象为空间的点的排列。这些空间点的总和，叫做晶格。(1)晶格：组成晶体的质点（分子、原子、离子）以确定位置的点在空间作有规则的排列，这些点群有一定的几何形状，称为结晶格子，简称晶格。晶格是许多质点有规则的重复出现的空间图像。13晶格在三维空间无限地重复就产生宏观的晶体。(2)晶胞：晶体结构中具有代表性的最小重复单位称晶胞。或者说晶格中能表达晶体结构一切特征的最小结构单元。(3)结点：每个质点在晶格中所占有的位置，称晶体的结点。可以是分子、原子或离子。知道以上概念后，下面来区分单晶和多晶。单晶：是指晶体在整个结构中由一个晶格所贯穿。或者说是由一个晶核在各个方向上均衡生长起来的。多晶：是由很多取向不同的单晶颗粒拼凑而成。这种晶体称多晶体。在多晶体中，由于组成它们的单晶取向不同,而使它们的各向异性抵14消，从而多晶体一般并不表现显著的各向异性。若有一食盐颗粒是由上图一个晶格贯穿下来，那么这个食盐颗粒称单晶，可是实际每一食盐颗粒是由这样一个一个单晶拼凑而成的，即食盐颗粒中不是由一个晶格组成。所以这种食盐颗粒称多晶。三、晶体类型按晶格质点的种类和质点间作用力来分，共有四种15晶体类型结点质点质点间作用力晶体特性实例离子晶体阳、阴离子离子键熔点、沸点高，硬度大而脆，熔融或溶于水能导电NaCl，MgCl2原子晶体原子共价键熔点高、硬度大，导电性差C（金刚石），Si，分子晶体分子分子间力，氢键熔点、沸点低，硬度小H2NH3CO2金属晶体原子和阳离子金属键熔点、沸点有高有低，硬度有大有小，有延展性及金属光泽，导电性好FeCu16四、离子晶体的特征离子晶体的晶格结点上交替地排列着正离子和负离子，在正负离子间有静电引力（离子键）作用着。由于正负离子间静电作用力较强，所以，离子晶体有如下特点：1．有较高的熔点和沸点。常温下都是固体状态，从库仑定律可知，离子所带电荷越高，离子半径越小，静电作用力越大，因而物质熔沸点也越高，也就是它们的晶格能越大，所以，MgO、CaO、Al2O3等常作耐高温材料。2．一般硬度虽大，但比较脆，延展性差。这是由于在离子晶体中，正负离子交替地规则排列，当晶体受到冲击力时，各层离子位置发生错动，使吸引力大大17减小，斥力增大，而容易破碎。3．离子晶体在熔融或水溶液中都是电的良导体，但在固体状态，由于晶格结点上的离子只能振动，因而不导电。4．很多离子晶体可溶于水。这是由于水是极性分子，离子晶体中的正负离子与水分子容易形成“水合离子”的缘故。五、离子晶体的类型最常见的五种类型的离子晶体是：AB型：NaCl型、CsCl型、ZnS型配位数：684AB2型：CaF2型、TiO2型配位数：8：46：318空间结构类型配位情况NaCl型每一个Na+离子配位6个Cl-离子，每一个Cl-离子配位6个Na+离子CsCl型ZnS型CaF2型TiO2型正负离子配位数均是8。正负离子配位数均是4。正离子配位数为8，负离子配位数为4。正离子配位数为6，负离子配位数为3。六、离子晶体的半径比规则为什么不同的正负离子结合成离子晶体时会形成不同的空间构型呢？因为形成离子晶体时，只有正负离子靠得越近，体系的能量最低，晶体越稳定。因此，一个离子尽可能多地吸引异号离子在其周围，但配位数多少主要决定于19正负离子的半径比r+/r-。例如配位数为6的离子晶体构型：课件18页令r-=1则ac=4r=4，ab=bc=2r-+2r+=2+2r+△abc为直角三角形,由勾股定理有：ac2=ab2+bc242=2(2+2r+)2解得r+=0.414即r+/r-=0.414时，正负离子直接接触，负离子也两两接触。abc正离子负离子20r+/r-配位数空间构型0.225→0.4144ZnS0.414→0.7326NaCl0.732→18CsCl对于上述讨论做几点说明：1．上述关系在晶体化学中称为离子型化合物半径比规则。此规则只能应用于离子晶体构型的判断。2．当一个离子化合物中，r+/r-比接近于极限值（0.414，0.732）时，该物质可能同时具有两种晶体构型。例如GeO2（二氧化锗）晶体，正负离子的半径比r+/r-=53/132≈0.4015与0.414接近，此值接近于ZnS构型（四配位）半径比的上限值，NaCl构型（六配位）半径比的下限值。事实上，GeO2是具有上述两种构型的晶体。213．有些时候一些晶体的配位数与正负离子半径比值不一致。这是由于电子的分布没有一个断然界面，所以我们所讲离子半径数据都有一定误差，所以有时晶体正、负离子半径比可能超过理论极限值。例：RbCl（氯化铷）为147/184≈0.81按离子型化合物半径比规则，理论上配位数应为8，实际上配位数是6，它是NaCl型晶体，所以判断离子晶体构型必须尊重客观事实。。离子晶体构型除与正负离子半径比有关外，还与离子的电子层构型、离子的数目、离子的极化程度等因素有关，也