无机化学——原子晶体与分子晶体
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氯化氢、氨、三氯化磷、冰等由极性键构成的极性分子，晶体 中分子间存在色散力、取向力、诱导力，有的还有氢键，所以 它们的结点上的粒子间作用力大于分子量相近的非极性分子之 间的引力。
分子晶体的特性 分子晶体是以独立的分子出现的 ，化学式就是分子式。
分子晶体可以是非金属单质，如卤素、H2、N2、O2； 非金属化合物，如CO2、H2S、HCl、HN3等 绝大多数有机化合物，稀有气体的晶体
如 F-<Cl-<Br-<I-,O2-<S2-<Se2-<Te2-
（2）对称性强，结构紧密的复杂阴离子变形性不大。 极化力大的是电荷高半径小的阳离子，如Al3+,Fe3+。变形性大 的是体积大的阴离子和18，18+2电子构型的阳离子.
极化作用和相互极化作用较强的有CdS,PbS,HgS等。
5 附加极化作用 当正离子半径较大时，也可被负离子极化，极化变形后的
正离子又可反过来对负离子产生极化作用，这种加强了的极化
作用叫附加极化作用，作用的结果，使得正负离子电子云发生
部分重叠，键型由离子键向共价键过渡。
如： NaCl MgCl2 AlCl3 又如：AgF AgBr AgI
离子键 → 共价键
离子键 → 共价键
＋－
离子相互极化作用增强
典型离子键
键的极性减弱
典型共价键
7.3 原子晶体与分子晶体 Atomic Crystals
在原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间以极强的 共价键相结合，如单质硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、碳化 硅（SiC）金刚砂、金刚石（C）和氮化硼BN（立方）等。
Diamond(金刚石)（C） 碳原子 C sp3杂化 配位数＝4
7.3.1 Atomic Crystals——Silicon dioxide(二氧化硅) 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”。
层与层则以范德华力结合，电子可在 同一层内自由移动。层状结构故有各 向异性（导电性、滑动）。
混合型晶体还有云母、滑石纤维状石 棉、黑磷等
7.5.2 实际晶体的缺陷及其影响
晶体缺陷对晶体的物理、化学性质会产生影响，如光、电、 磁、声、热、力学性质。如各种合金钢、半导体、超导体、 催化活性中心等。
7.6 离子极化与物质性质的关系 一、离子极化的概念
B
B
C A
A
面心立方 紧密堆积
六方紧密堆积
Body-centered cubic cell (BCC)
体心立方紧密堆积 CN=12，利用率 =68% K、Rb、Cs、Li、 Na A B
A
体心立方 紧密堆积
7.4.2 金属键 金属键：金属原子的价电子可以完全失去成为自由电子，并在 晶格中运动，自由电子把金属阳离子胶合成金属晶体，这种胶 合作用就叫金属键。金属键无饱和性和方向性。
分子晶体的硬度较小，熔点也较低，挥发性大，在常温下以 气体或液体存在。由于分子之间引力很弱，只要供给较少的 能量，晶体就会被破坏。如碘（I2）、萘（C10H8）等即使在 常温下呈固态的，其挥发性大，蒸气压高，常具有升华性，
固态和熔融态时都不导电。分子晶体结点上是电中性分子， 它们都是性能较好的绝缘材料，尤其键能大的非极性分子如 SF6等是工业上极好的气体绝缘材料。
氢键型分子晶体：冰、草酸、硼酸、间苯二酚
7.4 Metallic Crystals(金属晶体) 7.4.1金属晶体的内部结构 金属晶体中晶格结点上的微粒是金属原子或离子。它们是以等 径园球的紧密堆积的形式存在的。 金属有许多共性：金属光泽、延展性、良好的导热导电性能， 都源于金属晶体的内部结构。常有以下三种密堆积方式。
n个2s1 n个1s2
7.4.3 金属的能带理论
半满
导带
n个3p0
禁带
全满
n个
满带
3s2
空的3p能带
重叠 满的3s能带
原子轨道 能带 电子填充 导电性 （AO） （MO）
金属锂晶体内的能带图
原子轨道 能带 电子填充及导电性 （AO） （MO）
金属镁晶体内的能带图
2、半导体和绝缘体
能
导带
量
升 高
禁带
改性的共价键理论：
该理论认为，金属原子失去电子，金属晶格中既有金属原子也 有金属离子，其间存在自由电子，自由电子可在整个金属中自 由运动，电子运动把金属原子联系在一起形成金属键。
一般共价键是两中心两电子键，而金属晶体中是少电子多 中心键，故叫改性的共价键，不具有方向性和饱和性。
金属能带理论
该理论认为，金属晶体中的电子不定域于某两个或多个原子， 而属于整个金属晶体，不存在定域共价键。只要空间允许会尽 可能多地堆积原子，可用分子轨道理论来描述其电子能级。
3、变形性：指离子在电场作用下，电子云发生变形的能力
正离子：Z越大，r越小变形性越小，反之变形性越大。
负离子：Z越大，r越大变形性越大，18+2>18>9-17>8
极化力与变形性 1、极化力与变形性大小常用极化率表示。
即离子在单位电场中被极化产生的诱导偶极矩。
2、阳离子 （1）Z越大，r+越大，极化力越强。 （2）Z，r+相近时，极化力：8 < 9-17 < 18 < (18+2) （3）r+越大,离子变形性越大 Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+ 3、阴离子 （1）电子层结构相同时，Z越大，r-越大，变形性越大
3、颜色：
2K+(无色)+CrO42-(黄色）= K2CrO4(黄色) 2Ag+(无色)+CrO42-(黄色）= Ag2CrO4(砖红色) Ag+(无色)+I-(无色）= AgI(黄色)
离子极化对物质许多方面的性质都有影响，其规律有待进一 步深入研究。
返回
常见离子的极化率(10-4·C·m2·V-1)
离子 极化率 Li+ 0.034 Na+ 0.199 K+ 0.923 Pb2+ 1.56 Cs2+ 2.69 Be2+ 0.0009 Mg2+ 0.105
离子 极化率 Ca2+ 0.52 Sr2+ 0.96 B3+ 0.0033 Al3+ 0.058 Hg2+ 1.39 Ag+ 1.91 Zn2+ 0.317
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。
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、AIN、BN（立方）、Si3N4等是性能良好的高温结构材料。
7.3.2 Molecular crystals（分子晶体） 在分子晶体的晶格结点上排列的都是中性 分子。虽然分子内部各原子是以强的共价 键相结合，但分子之间是以较弱的范德华 力相结合的。 二氧化碳晶体 面心结构，CO2分子分别占 据立方体的8个顶点和6个面的中心位置， 分子内部是以C=O共价键结合，而在晶体 中CO2分子间只存在色散力。
离子 极化率
OH- 1.95
F-
1.16
Cl- 4.07
Br- 5.31
I-
7.9
O2- 4.32
S2- 11.3
离子极化对物质性质的影响 1、对键型的影响
AgX r++ r- 实测键长 键型
溶解度
AgF 259 246
离子键 易溶
AgCl 307 277
过渡型 难溶
AgBr 322 288
过渡型 难溶
六方密堆积 面心立方密堆积 体心立方密堆积
上述几种晶格类型在离子型化合物中也存在，只是晶格结点 上是正负离子。
7.4.1金属晶体的内部结构
Face-centered
cubic cell (FCC)
c
120o
a
a
面心立方紧密堆积 CN=12，利用率 =74% Sr、Ca、Pb、Ag
A
六方最紧密堆积 CN=12，利用率 =74% La、Y、Mg、Hg、 Cs A
分子间力氢键 硬度小熔沸点低
NH3，CO2
金属键
热电良导体，有金属光泽。 Au,Ag,Cu
离子晶体 分子晶体
金属晶体
7.5 混合型晶体和晶体缺陷 7.5.1 混合型晶体——石墨的结构
C原子：采取sp2杂化，120度夹角， 平面三角形，第个C原子与同平面内 的三个C原子以σ共价键结合。
所有C原子均还有一个未参与杂化的 单电子p轨道，且相互平ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，同一层 内可形成离域大π键。
AgI 346 299
共价键 难溶
2、其它卤化物、硫化物的颜色
Hg2+
Pb2+
Bi3+
Ni2+
Cl-
白
白
白
黄
Br-
白
白
橙
棕
I-
红
黄
黄
黑
S2-
红
黄
黑
黑
颜色 白 白 浅黄 黄
7.7 固体的物性
解理性 硬度 非线性光学效应 超导性 纳米物质的特性
Summary 一、晶体的特征和性质
1、一定的外形 2、固定的熔点 3、有各向异性
7.6.3 离子极化对物质性质的影响 一、离子的电子构型
外层电子结构 电子构型 阳离子实例
ns2np6
8
Na+, Mg2+,Al3+,Ti4+
ns2np6 nd1-9
9-17
Cr3+,Mn2+,Fe3+,Cu2+
ns2np6 nd10
18
Ag+,Zn2+,Cd2+,Hg2+
s2p6d10ns2
18+2
满带
禁带 宽度 ΔE
导体
绝缘体
<0.6eV >3eV
半导体 0.6-1.1eV
四种晶体的内部结构与性质比较
晶体类型 结点 原子晶体 原子 离子晶体 离子 分子晶体 分子 金属晶体 原子
原子晶体
质点间作用力 晶体特性
实例
共价键
硬度大，熔点高，导电差 金刚石,SiC
离子键
硬而脆，熔点高，熔溶导电 NaCl,BaO
Sn2+,Pb2+,Bi3+,Sb3+
二、极化力与变形性 极化率 α=μ/E 如： CdS
三、离子极化对物质性质的影响
7.6.3 离子极化对物质性质的影响
1、熔沸点：
NaCl MgCl2 AlCl3
熔点℃ 801 714 192
2、溶解度： AgF > AgCl > AgBr > AgI
Ksp — 1.8×10-10 5.0×10-13 8.3×10-17
1、带电离子的电场使其周围异号电荷离子的电子云发生变 形的现象叫离子极化，离子极化的强弱与离子的极化力 和离子的变形性有关。
2、极化力：是指离子产生的电场强度的大小。电场强度大 则离子的极化力强。它与离子的电荷、半径、离子的电 子构型等因素有关。一般地，有如下规律：
电荷高，半径小，极化力强
电子构型：(18+2) > (18) > (9-17) > (8)
原子晶体的特性 特性：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，化学性质十分稳定。
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。故金刚石、金刚砂 （SiC）都是极重要的磨料；
金属有良好的导电导热性和延展性均与自由电子有关。由于金 属晶体的结构十分复杂，其熔点、硬度规律性不强。如熔点: 汞＝-38.87℃，钨＝3410℃;硬度：钠＝0.4，铬＝9.0
两类空穴：四面体空穴
八面体空穴
这些空穴有十分重要的作用。
金属间化合物：LaNi5、Sm2Co7
7.4.3 金属键理论 在金属晶格中每个原子配位数= 8-12，而金属只有少数价电 子，不足以形成共价键或离子键。目前，有两种金属键理论。 即改性的共价键理论和金属能带理论。
二、晶体内部结构 1、晶格晶胞 2、密堆积 3、两类空穴
三、晶体的分类
1、离子晶体：硬度较大，熔沸点较高，性脆，熔融导电
2、原子晶体：硬度大，熔沸点高，键能大，金刚石，BN 3、分子晶体：分子间力，硬度小，mp,bp低 4、金属晶体：情况复杂，单独讨论。
分子晶体的特性 分子晶体是以独立的分子出现的 ，化学式就是分子式。
分子晶体可以是非金属单质，如卤素、H2、N2、O2； 非金属化合物，如CO2、H2S、HCl、HN3等 绝大多数有机化合物，稀有气体的晶体
如 F-<Cl-<Br-<I-,O2-<S2-<Se2-<Te2-
（2）对称性强，结构紧密的复杂阴离子变形性不大。 极化力大的是电荷高半径小的阳离子，如Al3+,Fe3+。变形性大 的是体积大的阴离子和18，18+2电子构型的阳离子.
极化作用和相互极化作用较强的有CdS,PbS,HgS等。
5 附加极化作用 当正离子半径较大时，也可被负离子极化，极化变形后的
正离子又可反过来对负离子产生极化作用，这种加强了的极化
作用叫附加极化作用，作用的结果，使得正负离子电子云发生
部分重叠，键型由离子键向共价键过渡。
如： NaCl MgCl2 AlCl3 又如：AgF AgBr AgI
离子键 → 共价键
离子键 → 共价键
＋－
离子相互极化作用增强
典型离子键
键的极性减弱
典型共价键
7.3 原子晶体与分子晶体 Atomic Crystals
在原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间以极强的 共价键相结合，如单质硅（Si）、二氧化硅（SiO2）、碳化 硅（SiC）金刚砂、金刚石（C）和氮化硼BN（立方）等。
Diamond(金刚石)（C） 碳原子 C sp3杂化 配位数＝4
7.3.1 Atomic Crystals——Silicon dioxide(二氧化硅) 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”。
层与层则以范德华力结合，电子可在 同一层内自由移动。层状结构故有各 向异性（导电性、滑动）。
混合型晶体还有云母、滑石纤维状石 棉、黑磷等
7.5.2 实际晶体的缺陷及其影响
晶体缺陷对晶体的物理、化学性质会产生影响，如光、电、 磁、声、热、力学性质。如各种合金钢、半导体、超导体、 催化活性中心等。
7.6 离子极化与物质性质的关系 一、离子极化的概念
B
B
C A
A
面心立方 紧密堆积
六方紧密堆积
Body-centered cubic cell (BCC)
体心立方紧密堆积 CN=12，利用率 =68% K、Rb、Cs、Li、 Na A B
A
体心立方 紧密堆积
7.4.2 金属键 金属键：金属原子的价电子可以完全失去成为自由电子，并在 晶格中运动，自由电子把金属阳离子胶合成金属晶体，这种胶 合作用就叫金属键。金属键无饱和性和方向性。
分子晶体的硬度较小，熔点也较低，挥发性大，在常温下以 气体或液体存在。由于分子之间引力很弱，只要供给较少的 能量，晶体就会被破坏。如碘（I2）、萘（C10H8）等即使在 常温下呈固态的，其挥发性大，蒸气压高，常具有升华性，
固态和熔融态时都不导电。分子晶体结点上是电中性分子， 它们都是性能较好的绝缘材料，尤其键能大的非极性分子如 SF6等是工业上极好的气体绝缘材料。
氢键型分子晶体：冰、草酸、硼酸、间苯二酚
7.4 Metallic Crystals(金属晶体) 7.4.1金属晶体的内部结构 金属晶体中晶格结点上的微粒是金属原子或离子。它们是以等 径园球的紧密堆积的形式存在的。 金属有许多共性：金属光泽、延展性、良好的导热导电性能， 都源于金属晶体的内部结构。常有以下三种密堆积方式。
n个2s1 n个1s2
7.4.3 金属的能带理论
半满
导带
n个3p0
禁带
全满
n个
满带
3s2
空的3p能带
重叠 满的3s能带
原子轨道 能带 电子填充 导电性 （AO） （MO）
金属锂晶体内的能带图
原子轨道 能带 电子填充及导电性 （AO） （MO）
金属镁晶体内的能带图
2、半导体和绝缘体
能
导带
量
升 高
禁带
改性的共价键理论：
该理论认为，金属原子失去电子，金属晶格中既有金属原子也 有金属离子，其间存在自由电子，自由电子可在整个金属中自 由运动，电子运动把金属原子联系在一起形成金属键。
一般共价键是两中心两电子键，而金属晶体中是少电子多 中心键，故叫改性的共价键，不具有方向性和饱和性。
金属能带理论
该理论认为，金属晶体中的电子不定域于某两个或多个原子， 而属于整个金属晶体，不存在定域共价键。只要空间允许会尽 可能多地堆积原子，可用分子轨道理论来描述其电子能级。
3、变形性：指离子在电场作用下，电子云发生变形的能力
正离子：Z越大，r越小变形性越小，反之变形性越大。
负离子：Z越大，r越大变形性越大，18+2>18>9-17>8
极化力与变形性 1、极化力与变形性大小常用极化率表示。
即离子在单位电场中被极化产生的诱导偶极矩。
2、阳离子 （1）Z越大，r+越大，极化力越强。 （2）Z，r+相近时，极化力：8 < 9-17 < 18 < (18+2) （3）r+越大,离子变形性越大 Li+ > Na+ > K+ > Rb+ > Cs+ 3、阴离子 （1）电子层结构相同时，Z越大，r-越大，变形性越大
3、颜色：
2K+(无色)+CrO42-(黄色）= K2CrO4(黄色) 2Ag+(无色)+CrO42-(黄色）= Ag2CrO4(砖红色) Ag+(无色)+I-(无色）= AgI(黄色)
离子极化对物质许多方面的性质都有影响，其规律有待进一 步深入研究。
返回
常见离子的极化率(10-4·C·m2·V-1)
离子 极化率 Li+ 0.034 Na+ 0.199 K+ 0.923 Pb2+ 1.56 Cs2+ 2.69 Be2+ 0.0009 Mg2+ 0.105
离子 极化率 Ca2+ 0.52 Sr2+ 0.96 B3+ 0.0033 Al3+ 0.058 Hg2+ 1.39 Ag+ 1.91 Zn2+ 0.317
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。
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、AIN、BN（立方）、Si3N4等是性能良好的高温结构材料。
7.3.2 Molecular crystals（分子晶体） 在分子晶体的晶格结点上排列的都是中性 分子。虽然分子内部各原子是以强的共价 键相结合，但分子之间是以较弱的范德华 力相结合的。 二氧化碳晶体 面心结构，CO2分子分别占 据立方体的8个顶点和6个面的中心位置， 分子内部是以C=O共价键结合，而在晶体 中CO2分子间只存在色散力。
离子 极化率
OH- 1.95
F-
1.16
Cl- 4.07
Br- 5.31
I-
7.9
O2- 4.32
S2- 11.3
离子极化对物质性质的影响 1、对键型的影响
AgX r++ r- 实测键长 键型
溶解度
AgF 259 246
离子键 易溶
AgCl 307 277
过渡型 难溶
AgBr 322 288
过渡型 难溶
六方密堆积 面心立方密堆积 体心立方密堆积
上述几种晶格类型在离子型化合物中也存在，只是晶格结点 上是正负离子。
7.4.1金属晶体的内部结构
Face-centered
cubic cell (FCC)
c
120o
a
a
面心立方紧密堆积 CN=12，利用率 =74% Sr、Ca、Pb、Ag
A
六方最紧密堆积 CN=12，利用率 =74% La、Y、Mg、Hg、 Cs A
分子间力氢键 硬度小熔沸点低
NH3，CO2
金属键
热电良导体，有金属光泽。 Au,Ag,Cu
离子晶体 分子晶体
金属晶体
7.5 混合型晶体和晶体缺陷 7.5.1 混合型晶体——石墨的结构
C原子：采取sp2杂化，120度夹角， 平面三角形，第个C原子与同平面内 的三个C原子以σ共价键结合。
所有C原子均还有一个未参与杂化的 单电子p轨道，且相互平ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，同一层 内可形成离域大π键。
AgI 346 299
共价键 难溶
2、其它卤化物、硫化物的颜色
Hg2+
Pb2+
Bi3+
Ni2+
Cl-
白
白
白
黄
Br-
白
白
橙
棕
I-
红
黄
黄
黑
S2-
红
黄
黑
黑
颜色 白 白 浅黄 黄
7.7 固体的物性
解理性 硬度 非线性光学效应 超导性 纳米物质的特性
Summary 一、晶体的特征和性质
1、一定的外形 2、固定的熔点 3、有各向异性
7.6.3 离子极化对物质性质的影响 一、离子的电子构型
外层电子结构 电子构型 阳离子实例
ns2np6
8
Na+, Mg2+,Al3+,Ti4+
ns2np6 nd1-9
9-17
Cr3+,Mn2+,Fe3+,Cu2+
ns2np6 nd10
18
Ag+,Zn2+,Cd2+,Hg2+
s2p6d10ns2
18+2
满带
禁带 宽度 ΔE
导体
绝缘体
<0.6eV >3eV
半导体 0.6-1.1eV
四种晶体的内部结构与性质比较
晶体类型 结点 原子晶体 原子 离子晶体 离子 分子晶体 分子 金属晶体 原子
原子晶体
质点间作用力 晶体特性
实例
共价键
硬度大，熔点高，导电差 金刚石,SiC
离子键
硬而脆，熔点高，熔溶导电 NaCl,BaO
Sn2+,Pb2+,Bi3+,Sb3+
二、极化力与变形性 极化率 α=μ/E 如： CdS
三、离子极化对物质性质的影响
7.6.3 离子极化对物质性质的影响
1、熔沸点：
NaCl MgCl2 AlCl3
熔点℃ 801 714 192
2、溶解度： AgF > AgCl > AgBr > AgI
Ksp — 1.8×10-10 5.0×10-13 8.3×10-17
1、带电离子的电场使其周围异号电荷离子的电子云发生变 形的现象叫离子极化，离子极化的强弱与离子的极化力 和离子的变形性有关。
2、极化力：是指离子产生的电场强度的大小。电场强度大 则离子的极化力强。它与离子的电荷、半径、离子的电 子构型等因素有关。一般地，有如下规律：
电荷高，半径小，极化力强
电子构型：(18+2) > (18) > (9-17) > (8)
原子晶体的特性 特性：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，化学性质十分稳定。
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。故金刚石、金刚砂 （SiC）都是极重要的磨料；
金属有良好的导电导热性和延展性均与自由电子有关。由于金 属晶体的结构十分复杂，其熔点、硬度规律性不强。如熔点: 汞＝-38.87℃，钨＝3410℃;硬度：钠＝0.4，铬＝9.0
两类空穴：四面体空穴
八面体空穴
这些空穴有十分重要的作用。
金属间化合物：LaNi5、Sm2Co7
7.4.3 金属键理论 在金属晶格中每个原子配位数= 8-12，而金属只有少数价电 子，不足以形成共价键或离子键。目前，有两种金属键理论。 即改性的共价键理论和金属能带理论。
二、晶体内部结构 1、晶格晶胞 2、密堆积 3、两类空穴
三、晶体的分类
1、离子晶体：硬度较大，熔沸点较高，性脆，熔融导电
2、原子晶体：硬度大，熔沸点高，键能大，金刚石，BN 3、分子晶体：分子间力，硬度小，mp,bp低 4、金属晶体：情况复杂，单独讨论。