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第12章 晶体化学篇(2)

在原子晶体的晶格结点上排列着中性原子,原子间以坚强的共价键相结合,如单质硅(Si)、金钢石(C)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)金刚砂、金刚石(C)和氮化硼BN(立方)等。以典型原子晶体二氧化硅晶体(SiO2方石英)为例,每一个硅原子位于正四而体的中心,氧原子位于正四面体的顶点,每一个氧原子和两硅原子相连。如果这种连接向整个空间延伸,就形成了三维网状结构的巨型“分子”。

原子晶体具有很大的硬度、很高的熔点、不导电、不易溶于任何溶剂的特点,化学性质十分稳定。例如金刚石,由于碳原子半径较小,共价键的强度很大,要破坏4个共价键或扭歪键角都需要很大能量,所以金刚石的硬度最大,熔点达3570℃,是所有单质中最高的。又如立方BN的硬度近于金刚石。因此,原子晶体在工业上多被用作耐磨、耐熔或耐火材料。金刚石、金刚砂都是极重要的磨料。SiO2是应用极广的耐火材料。石英和它的变体,如水晶、紫晶、燧石和玛瑙等,是工业上的贵重材料。SiC、BN(立方)、Si3N4等是性能良好的高温结构材料。

有些物质,如炭黑及人工合成的粉体材料,其外观并无规整外形,但结构测定表明,它们是由微细晶体构成的多晶态物质,常称为微晶体。

多晶体由很多细小晶粒结合而成,晶粒间由界面相互隔开,晶粒的结构和成份可以是同一的,也可以是异类的。多晶体中每一小晶粒虽有各向异性,但由于晶粒的混乱排列,总体上一般不表现出各向异性。天然矿物、工业中的金属和陶瓷等材料都是多晶体物质。

单晶体是由一个微小的晶核各向均匀生长而成,其内部的粒子基本上按其特有的规律整齐排列,具有典型的晶体结构和突出的晶体的特性。

七、金属晶体

1.结合力:金属键力(无饱和性、方向性)。2.堆积方式:紧密堆积(质点间作用力,使质点间尽可能的相互接近使它们占有最小的空间)。

晶格类型配位数空间利用律为体心立方紧密堆积,体心立方是80.6802面心立方紧密堆积,面心立方是120.7405,六方紧密堆积六方是120.7405

八、晶体缺陷

(一)产生缺陷的原因。

298K时每1015个晶格点中仅有一个缺陷。

NaCl在780K时每106个晶格点中仅有一个缺陷1080K时每104个晶格点中仅有一个缺陷在0K时,分子倾向于完全有序的排布。随着温度的升高,离子脱离晶格的机会加大,质子发生位移,而使晶体产生空穴。

(二)缺陷的几种形式

两种离子双位移缺陷。即正离子单离位缺陷离子双离位缺陷。

特点:

1.晶格中同时有一个负离子和一个正离子脱离,而出现一对空穴,形成离子双离位缺陷。

2.具有高配位数n=6,n=8,正负离子半径相接近的离子型化合物易形成这种缺陷,如NaCl、CsCl、KCl、 KBr等。

3.正离子单离位缺陷的

特点

(1)由于有一个离子占入间充位置而未占入它的正确的晶格位置上,在晶格中出现一个“空穴”而形成正离子单离位缺陷。

(2)低配位数,正负离子半径差别大时易形成正离子单离位,如ZnS、AgCl、AgBr、AgI等。

(3)对物理性质的影响

产生缺陷所需的能量,约为200KJ/mol,形成一种缺陷比破坏晶格容易。产生部分导电性,离子机理导电。

导电机理:n—半导体(金属过量)。

p—半导体(金属短缺)。

a.由于缺少阴离子而引起的金属过量缺陷

双离位缺陷晶体形成的被电子占据空位称颜色中心,中心升高,结果会使颜色升高,电子升高、e-吸收光跃入导带。

b.由间充离子所引起的金属过量缺陷。

正离子单离位缺陷晶体形成,如ZnO冷白、热黄因为,电子激发到较高能级而产生吸收光谱。

c.由于缺少正离子而引起的金属短缺缺陷,如FeO FeS NiO属此类。

d.由间充离子引起的金属短缺缺陷(要求金属有变价)。

九、原子半径

1.共价半径:两原子的共价键结合。r=d/2。同一元素的共价半径经常因两个原子以单键、双键、三键等组合方式而不同,而有不同的共价键半径数据。

2.金属半径:金属晶体中每个金属原子看作球形原子。r=d/2。

3.范氏半径:卤素在低温下形成双原子分子晶体。相邻的不同分子里的两个卤素原子的核间距的一半。

十、离子极化

AgF、AgBr、AgCl、AgI在水溶液中的溶解度和分子极化是离解离子的性质的重要方面。

1.离子的极化作用和变形性

(1)离子极化

①极化作用:一种离子被异号离子极化而变形的作用,被称为该离子的极化作用。

②变形性:被异号离子极化而发生离子电子云变形的性质。称为该离子的变形性或可极化性。

注意:无论是阳离子还是阴离子都有极化作用和变形性两个方向。但是阳离子半径一般比阴离子小,电场强,所以阳离子的极化作用大。

(2)极化作用

规律:

①阳离子Z升高r降低,极化作用升高。

②同离子的电子结构有关。 2e,18e,18+2e > 9-17e > 8e③同核元素来说极化作用同r有关 r降低极化作用升高。④复杂阴离子有一定的极化作用。

(3)变形性

规律:

①变形性与阴离子半径有关,半径变大,变形性变大。②当负离子的结构相似时,变形性与负离子所带电荷高低有关,电荷多,变形大。③复杂阴离子变形性小。

④18e,9-17e的阴离子,原子序数大,具有一定的变形性。

(4)附加极化作用

每个离子一方面作为一个带电体,使临近的离子发生变形,另一方面在周围离子的作用下,本身发生变形。阴阳离子相互极化的结果是导致原子之间彼此的变形性增大,产生诱导偶极距加大,从而进一步加强了它们的极化作用,这种加强的极化作用叫做附加极化作用。

总极化作用=极化作用+附加极化作用

(5)离子极化率:是离子变形程度的一个量度,极化率增大,离子的变形性增大。

①电子层结构相同的离子,离子半径增大,极化率增大。

②负离子的极化率大于正离子。

③正离子带电荷多的极化率降低,负离子带电荷多的升高。

ⅳ)含有dx正离子,极化率大。

2.极化作用对键型的影响:

对于含dx或d10电子的阳离子与半径大或电荷高的阴离子结合的尤为突出。

AgFAgClAgBr AgI

离子型共价型

d降低 配位数降低

极化作用对化合物性质的影响

(1)溶解度

极化作用大,溶解度小,极化作用可以改变电荷分布离子间距离,缩短轨道重复离子键向共价键过渡。

①卤化银的溶解度从AgF到AgI溶解度减小。②一些金属离子半径相似Mn+的溶解度不同。③IB的硫化物难溶。

a.电子层结构为18e,Cu2+、Ag+对阴离子电子云作用的有效核电荷数要比碱金属大。极化作用大。

b.S2—的变形性大。

(2)对晶型的影响

物质AgClAgBrAgI

r+/r—0.6950.630.58

n444

极化作用缩短了离子间的距离减小了晶体的配位数。

(3)对化合物颜色的影响

ZnI2CdIHgI2

无色黄绿红

极化作用增强

CuF2CuCl2CuBr2CuI2

无色浅绿色深红色 棕色

所以不存在极化作用增强,颜色加深,阳离子变形性CuFCuClCuBrCuI

红无无无

说明Cu+附加极化作用不容忽视。

F-半径降低,极化作用升高,因此Cu+变形性升高,所以总极化作用升高所以显示红色。

(4)对物质的熔点、沸点的影响

体系的极化作用升高,熔点降低,沸点 降低固体液体 液体气体

解释:熔点降低

极化升高,晶型n降低,加热破坏内部,而极化作用有破坏的趋向。

固体液体转变,晶格被破坏,所以熔点降低bp升高,此时液体气体(单个分子)。

晶体的内部结构

晶体的X射线衍射研究表明,晶体的特性是由晶体结构的周期性决定的。晶体结构的周期性是指一切晶体无论其外形如何,它的内部粒子总是呈规则排列并贯穿于整个晶体。也就是说,粒子按一定方式在空间做周期性重复性排列,这是晶体最基本的结构特性。晶体与非晶体性质上的差异是内部结构的反映。组成晶体的粒子是规则有序排列的并贯穿于整个晶体。而非晶体,其粒子只在几个原子间距的短距离内处于有序状态,在更大的距离范围就混乱而不规则了。所以非晶体是粒子排列“短程有序,长程无序”的状态。

为了便于讨论和描述晶体内部粒子排列的周期性,人们把晶体中微粒抽象成一个几何点,找出其周期性重复的方式,然后再把具体的原子、分子或离子安放上去,就得到了晶体的结构。

这些几何点三维空间的规则排列就构成了点阵(也称为晶格)。点阵能形象而充分地反映晶体的结构特征。晶体与非晶体区别就是由点阵结构所决定的。在不同类型的晶体中,粒子在空间排列的规律性可能不同,但对特定的晶体,粒子空间排列的规律性,即其点阵结构是确定不变的。因此同种晶体都有其整齐而规则的几何外形。

在晶体中结点上的粒子通过化学键或分子间力相互结合,在一定条件下晶格结点上粒子的位置固定,相互作用力的类型和大小固定,因此破坏晶格所需要的能量也是一个定值,这就是晶体都有固定熔点的原因。

晶体内部粒子在相同方向上按确定的规律规则地周期性排列,而在不同方向上粒子排列的方式往往有所不同,因而造成晶体的各向异性。

在晶体内能表现其结构特征的基本单位称为晶胞。晶胞在空间连接并无限重复就形成了形状各异、特性不同的晶体。因此晶体的性质就由晶胞的大小、形状和内容(粒子的性质、数目和分布 )所决定。