離子鍵和離子晶體

1、 第九章 離子鍵和離子晶體第一節(jié)離子鍵第二節(jié)離子晶體第三節(jié)離子晶體的晶格能第四節(jié)離子極化在分子或晶體中，直接相鄰的原子或離子之間存在強烈相互作用?；瘜W上把分子或晶體中直接相鄰的原子或離子間的強烈相互作用稱為化學鍵?；瘜W鍵的類型有離子鍵、共價鍵和金屬鍵。晶體的種類繁多，但若按晶格內部微粒間的作用力來劃分，可分為離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體四種基本類型。第一節(jié) 離 子 鍵一、離子鍵的形成二、離子鍵的特征三、離子的特征 當電負性較小的活潑金屬元素的原子與電負性較大的活潑非金屬元素的原子相互接近時，金屬原子失去最外層電子形成帶正電荷的陽離子；而非金屬原子得到電子形成帶負電荷的陰離子。陽、陰離

2、子之間除了靜電相互吸引外，還存在電子與電子、原子核與原子核之間的相互排斥作用。當陽、陰離子接近到一定距離時，吸引作用和排斥作用達到了平衡，系統(tǒng)的能量降到最低，陽、陰離子之間就形成了穩(wěn)定的化學鍵。這種陽、陰離子間通過靜電作用所形成的化學鍵稱為離子鍵。一、離子鍵的形成二、離子鍵的特征 離子鍵的特征是沒有方向性和沒有飽和性。 由于離子的電荷分布是球形對稱的，它在空間各個方向與帶相反電荷的離子的靜電作用都是相同的，陰、陽離子可以從各個方向相互接近而形成離子鍵，所以離子鍵是沒有方向性的。 在形成離子鍵時，只要空間條件允許，每一個離子可以吸引盡可能多的帶相反電荷的離子，并不受離子本身所帶電荷的限制，因此離

3、子鍵是沒有飽和性的。 形成離子鍵的必要條件是相互化合的元素原子間的電負性差足夠大。 三、離子的特征 離子的電荷數(shù)、離子的電子組態(tài)和離子半徑是離子的三個重要特征。（一）離子的電荷數(shù) 從離子鍵的形成過程可知，陽離子的電荷數(shù)就是相應原子失去的電子數(shù)；陰離子的電荷數(shù)就是相應原子得到的電子數(shù)。陰、陽離子的電荷數(shù)主要取決于相應原子的電子層組態(tài)、電離能、電子親和能等。（二）離子的電子組態(tài) 離子的電子層組態(tài)有以下幾種： （1）2 電子組態(tài)：離子只有 2 個電子，外層電子組態(tài)為 1s2。 （2）8 電子組態(tài)：離子的最外電子層有 8 個電子，外層電子組態(tài)為 ns2np6。 （3）18 電子組態(tài)：離子的最外電子層有

4、 18 個電子，外層電子組態(tài)為 ns2np6nd10 。 （4）182 電子組態(tài)：離子的次外電子層有 18 個電子，最外電子層有 2 個電子，外層電子組態(tài)為 (n1)s2(n1)p6(n1)d10ns2。 （5）917 電子組態(tài)：離子的最外電子層有 917 個電子，外層電子組態(tài)為 ns2np6nd19。（三）離子半徑 離子半徑是根據(jù)離子晶體中陰、陽離子的核間距測出的，并假定陰、陽離子的平衡核間距為陰、陽離子的半徑之和。 離子半徑具有如下規(guī)律： (1) 同一元素的陰離子半徑大于原子半徑，陽離子半徑小于原子半徑。 （2）同一周期中電子層結構相同的陽離子的半徑，隨離子的電荷數(shù)的增加而減??；而陰離子的

5、半徑隨離子的電荷數(shù)減小而增大。 （3）1 族、2 族、1317 族的同族電荷數(shù)相同的離子的半徑，隨離子的電子層數(shù)增加而增大。第二節(jié) 離子晶體 一、晶格和晶胞 二、離子晶體的特征 三、離子晶體的類型 四、離子晶體的半徑比規(guī)則 固體可分為晶體和非晶體兩大類。 晶體與非晶體的主要區(qū)別是： （1）晶體一般具有整齊規(guī)則的幾何外形，而非晶體（如玻璃、瀝青、石蠟等）沒有固定的幾何外形。 （2）晶體具有固定的熔點，而非晶體沒有固定的熔點。 （3）晶體具有各向異性，其某些物理性質在不同方向上是不同的（如石墨在與層垂直方向上的電導率為與層平行方向上的 1/104 )，而非晶體的物理性質在不同方向上都相同。一、晶格

6、和晶胞 構成晶體的微觀粒子在三維空間進行有規(guī)則的排列，把組成晶體的每一個微觀粒子抽象為一個點，由這些點按一定規(guī)則組成的幾何構型稱為晶格。晶格上微觀粒子所處的位置稱為晶格格點。 按晶格格點上微粒之間的作用力不同，可分為離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體。 晶體類型晶體類型 結點微粒結點微粒 微粒間作用力微粒間作用力 晶晶 體體 特特 性性離子晶體離子晶體 陽、陰離子陽、陰離子離子鍵離子鍵熔點、沸點高，硬度大而脆，熔點、沸點高，硬度大而脆，熔融或溶于水能導電熔融或溶于水能導電原子晶體原子晶體原子原子共價鍵共價鍵熔點高、硬度大，導電性差熔點高、硬度大，導電性差分子晶體分子晶體分子分子分子間力，氫

7、鍵分子間力，氫鍵熔點、沸點低，硬度小熔點、沸點低，硬度小金屬晶體金屬晶體原子和陽離原子和陽離子子金屬鍵金屬鍵熔點、沸點有高有低，硬度熔點、沸點有高有低，硬度有大有小，有可塑性及金屬有大有小，有可塑性及金屬光澤，導電性好光澤，導電性好 離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體的結構和特性 晶格中能表達晶體結構一切特征的最小結構單元稱為晶胞。晶體就是由無數(shù)個相互緊密排列的晶胞所組成。（a）CsCl 型晶體型晶體 （b）NaCl 型晶體型晶體 （c）ZnS 型晶體型晶體 CsCl 晶體、晶體、NaCl 晶體和晶體和 ZnS 晶體的晶胞晶體的晶胞二、離子晶體的特征 由陽離子與陰離子通過離子鍵結合而形成的

8、晶體稱為離子晶體。離子晶體一般具有較高的熔點、沸點和較大的硬度。 離子晶體的硬度雖然較大，但比較脆。這是因為當離子晶體受到外力作用時，各層晶格結點上的離子發(fā)生位移，使原來異號離子相間排列的穩(wěn)定狀態(tài)轉變?yōu)橥栯x子相鄰的排斥狀態(tài)，晶體結構遭到破壞。 在離子晶體中，陽、陰離子被限制在晶格格點上振動，不能移動，因此離子晶體不導電。但是當離子晶體熔融或溶于水時，產生自由移動的陽、陰離子，從而可以導電。 三、離子晶體的類型 在離子晶體中，由于陽、陰離子在空間的排列方式不同，因此離子晶體的空間結構也就不相同。對于AB 型離子晶體，常見的有 CsCl 型、NaCl 型和 ZnS 型三種典型晶體結構類型。 （l

9、）CsCl 型晶體： CsCl 型晶體的晶胞是正立方體，l 個 Cs+ 處于立方體中心，8 個 Cl 位于立方體的 8 個頂點處，每個晶胞中有 1 個 Cs+ 和 1 個 Cl-。CsCl 晶體就是 CsCl 晶胞沿著立方體的面心依次堆積而成。在 CsCl 晶體中，每個 Cs+ 被 8 個 Cl 包圍，同時每個 Cl 也被 8 個 Cs+ 包圍，Cs+ 與 Cl 的個數(shù)比為 1:1 。 （2）NaCl 型晶體: NaCl 型晶體是 AB 型晶體中最常見的晶體構型，它的晶胞也是正立方體，每個晶胞中有 4 個 Na+ 和 4 個 Cl-。在 NaCl 晶體中，每個 Na+ 被 6 個 Cl 所包圍

10、，同時每個 Cl 也被 6 個 Na+ 所包圍，Na+ 與 Cl 的個數(shù)比為 1:1。 （3）ZnS 型晶體: ZnS 型晶體的晶胞也是正立方體，每個晶胞中有 4 個 Zn2+ 和 4 個 S2-。在 ZnS 晶體中，每個 Zn2+ 被 4 個 S2 包圍，同時每個 S2 也被 4 個 Zn2+ 包圍，Zn2+ 與 S2 的個數(shù)比為 1:1。 離子晶體的結構類型，與離子半徑、離子的電荷數(shù)、離子的電子組態(tài)有關，其中與離子半徑的關系更為密切。只有當陽、陰離子緊密接觸時，所形成的離子晶體才是最穩(wěn)定的。陽、陰離子是否能緊密接觸與陽、陰離子半徑之比 r+/r 有關?，F(xiàn)以陽、陰離子的配位數(shù)均為 6 的晶體

11、構型的某一層為例，說明陽、陰離子的半徑比與配位數(shù)和晶體構型的關系。四、離子晶體的半徑比規(guī)則 陽、陰離子半徑比與配位數(shù)的關系的示意圖陽、陰離子半徑比與配位數(shù)的關系的示意圖abc 在 abc 中， ab = bc = 2(r+r), ac = 4r，則: 2(r+r)2 + 2(r+ r)2 = (4r)2r+ = 0.414 r陽、陰離子的半徑比為：當 r+/r = 0.414 時，陽、陰離子是直接接觸，陰離子也是直接接觸。當 r+/r 0.414 時，陽、陰離子直接接觸，陰離子不再接觸，這種構型比較穩(wěn)定，這就是配位數(shù)為 6 的情況。但當 r+/r 0.732 時，陽離子相對較大，它有可能接觸更

12、多的陰離子，從而使配位數(shù)提高到 8。 0.4140.414rrrr當 r+/r 0.414 時，陰離子直接接觸，而陽、陰離子不能直接接觸，這種構型是較不穩(wěn)定的。由于陽離子相對較小，它有可能接觸更少的陰離子，可能使配位數(shù)減少到。離子晶體中，陽、陰離子的半徑比與配位數(shù)、晶體構型的這種關系稱為離子半徑比規(guī)則。 AB AB 型離子晶體的離子半徑比與配位數(shù)、晶體構型的關系型離子晶體的離子半徑比與配位數(shù)、晶體構型的關系第三節(jié) 離子晶體的晶格能 離子鍵的強度常用離子晶體的晶格能來度量。晶格能越大，離子鍵的強度就越大，熔化或破壞離子晶體時消耗的能量也就越多，離子晶體的熔點越高，硬度也越大。 在標準狀態(tài)下，使單

13、位物質的量的離子晶體變?yōu)闅鈶B(tài)陽離子和氣態(tài)陰離子時所吸收的能量稱為離子晶體的晶格能。 離子晶體的晶格能可通過玻恩-哈伯循環(huán)利用熱化學實驗數(shù)據(jù)計算得到。例如: NaCl 晶體的晶格能為： lasubmid2eafm1(NaCl) = (Na)+(Na)+(Cl )(Cl)(NaCl)2EHEEEH 離子晶體的晶格能也可以利用玻恩-朗德方程進行計算：A 為馬德隆常數(shù)，CsCl、NaCl、ZnS 型晶體的 A 分別為 1.763、1.748、1.638；n 為玻恩指數(shù)，它與電子組態(tài)有關：71+la01.389 101/kJ mol =(1)/mAz zERn離子的電子組態(tài)離子的電子組態(tài)HeNeAr(C

14、u+)Kr(Ag+)Xe(Au+)n5791012第四節(jié) 離子極化一、離子的極化力和變形性二、離子極化對化學鍵類型的影響三、離子極化對晶體構型的影響四、離子極化對化合物性質的影響 離子在周圍帶相反電荷離子的作用下，原子核與電子發(fā)生相對位移，導致離子變形而產生誘導偶極，這種現(xiàn)象稱為離子極化。 一、離子的極化力和變形性 離子極化的強弱決定于離子的極化力和離子的變形性。離子的極化力是指離子使帶相反電荷離子變形的能力，它取決于離子所產生的電場強度。影響離子的極化力的因素有離子的半徑、電荷數(shù)和外層電子組態(tài)。 （1）離子的半徑: 離子的半徑越小，極化力就越強； （2）離子的電荷數(shù): 陽離子的電荷數(shù)越多，極

15、化力就越強； （3）離子的外層電子組態(tài): 當離子半徑和電荷數(shù)相近時，極化力與離子的外層電子組態(tài)有關： 18、182、2電子917 電子8 電子 離子的變形性是指離子被帶相反電荷離子極化而發(fā)生變形的能力。離子的變形性取決于離子的半徑、電荷數(shù)和外層電子組態(tài)。 （1）離子的半徑：離子的半徑越大，變形性就越大； （2）離子的電荷數(shù)：陰離子的電荷數(shù)越高，變形性就越大，而陽離子的電荷數(shù)越多，變形性就越小； （3）離子的外層電子組態(tài)：917、18 和182電子組態(tài)的陽離子的變形性比半徑相近的 8 電子組態(tài)的離子要大。 雖然陽離子和陰離子都有極化力和變形性，但一般說來， 陽離子半徑小，極化力大，變形性??；而陰

16、離子半徑大，極化力小，變形性大。因此在討論離子極化時，主要考慮陽離子的極化力和陰離子的變形性。如果陽離子也具有一定的變形性，它也能被陰離子極化而變形，陽離子被極化后，又增加了它對陰離子的極化作用。這種加強的極化作用稱為附加極化作用。 二、離子極化對化學鍵類型的影響 陽離子與陰離子之間如果完全沒有極化作用，則所形成的化學鍵為離子鍵。實際上陽離子與陰離子之間存在不同程度的極化作用。當極化力強、變形性又大的陽離子與變形性大的陰離子結合時，由于陽、陰離子相互極化作用顯著，使陽、陰離子發(fā)生強烈變形，導致陽、陰離子外層軌道發(fā)生重疊，陽、陰離子的核間距縮短，化學鍵的極性減弱，使鍵型由離子鍵過渡到共價鍵。 離子極化對化學鍵型的影響離子極化對化學鍵型的影響 當離子極化作用顯著時，陽、陰離子的外層軌道發(fā)生部分重疊，共價鍵成分增大，使離子晶體過渡到原子晶體或分子晶體。 如果陽、陰離子間存在強烈的相互極化作用，會使鍵長縮短，晶體構型也向配位數(shù)較小的晶體構型轉變。 三、離子極化對晶體構型的影響 四、離子極化對化合物性質的影響（一）離子極化對無機化合物溶解度的影響 當離子間極化作用顯著時，離子鍵過渡到共價鍵。由于水不能有效地減弱共價鍵的結合力，所以離子極化使無機化合物在水中的溶解度減小。 影響無機化合物溶解度的因素是多