固体的结构和性质(精)

第七章固体的结构和性质

【教学基本要求】

(1)了解晶体和非晶体的基本概念，掌握其特征。

(2)熟悉三种类型离子晶体的特征，了解晶格能对离子化合物性质的影响。

(3)了解金属键的形成和特性，并能用金属键的概念说明金属的共性。

(4)掌握四种不同类型晶体的结构特征和物理性质。

(5)理解离子极化的概念，掌握其应用。

【教学重点和难点】

重点

（1）晶体与非晶体特征和区别

（2）晶体的四中基本类型

（3）离子极化对物质性质的影响

难点

离子极化的基本概念以及对物质性质的影响

【引言】

物质的主要聚集状态有气体、液体和固体。固体物质又分为晶体和非晶体两大类，多数固体物质都是晶体。本章内容主要围绕以下三个方面展开。首先简单介绍有关晶体结构中的一些常用术语和基本概念。这一问题比较抽象，不好理解，希望读者注意把握重点，如晶体的特征。对于较难理解的晶体的空间结构要做到能够从几何概念上初步了解和想象。第二个问题是这一章的重点内容——四种晶体类型。四种晶体类型的划分是以晶体中晶格结点上的微粒不同以及微粒间结合力的不同划分的。晶体中晶格结点上微粒不同，其结合力不同，晶体的类型不同，其性质也就不同。通过学习要能够从晶体的性质推断其晶体类型；相反，知道了物质属于哪一类晶体，应可推知其性质。第三个问题是离子极化的概念。离子极化是把分子极化的概念推广到离子体系的结果。对于共价型的分子晶体，其物理性质的不同可从分子间力(有的也包括氢键)去解释。同样，对于离子晶体的有些物理性质等，可以用离子极化

的理论去说明。第三个问题的关键是理解概念、掌握应用。

【教学内容】

9.1 晶体与非晶体

9.1.1晶体的特征

X射线研究表明，固体可分为晶状固体和无定形固体两类。自然界中大多数固体物质是晶体。晶体内部的微粒在空间呈有序排列，非晶体内部的微粒则处于无序状态，所以二者的性质是不同的。晶体具有以下特征

1. 有一定的几何外形

从外观上看，晶体一般都具有规则的几何外形。例如食盐晶体是立方体，石英(SiO2)是六角柱体等，图见相关教材。与晶体相反，非晶体没有固定的几何外形，又称无定形体。例如，玻璃、橡胶、沥青、动物胶、松香等，他们的外形是随意性的。

2.有固定的熔点

在一定压力下将晶体加热，当温度升到某一定值（达到晶体的熔点）时，晶体才开始熔化，继续加热，在它没有全部熔化以前，温度保持不变，这是外界供给的热量用于晶体从固体转变为液体，直到晶体全部熔化后，温度才重新上升。而非晶体没有固定的熔点。如玻璃加热，它先变软，然后慢慢地熔化成粘滞性很大的流体。在这一过程中温度是不断上升的，从软化到熔体，有一段温度范围。

3.各向异性

晶体的某些性质具有方向性。如导电性、导热性、光学性质、力学性质等，在晶体的不同方向表现出明显的差别。例如云母特别容易按纹理面的方向裂成薄片；石墨晶体内平行于石墨层方向比垂直于石墨层的导热率要达4-6倍，导电率要大5000倍。而非晶体是各向同性的。

晶体的特性是由晶体的内部结构所决定的。应用X射线研究表明，晶体内部的微粒（离子、原子或分子）在空间的排列是有次序的、有规律的，它们总是按照某种确定的规则重复排列。非晶体内部微粒的排列是无次序的、不规律的。图9-2为石英晶体和石英玻璃（非晶体）

注意：晶体与非晶体之间并没有严格的限界，在一定条件下可相互转化。从热力学上讲，晶态物质比非晶态物质稳定。

7.1.2晶体的内部结构

1.晶格：组成晶体的微粒有规则地排列在空间的一定点上，这些点群具有一定的几何形状，称为结晶格子，简称晶格。每个粒子在晶格中所占有的位置称为晶格的结点。

2.晶胞：在晶体的晶格中，能表现出其结构的一切特征的最小部分叫晶胞。整个晶体可视为由无数个互相紧密排列的晶胞所组成。

3. 晶格类型

晶体可分为7大晶系。同一晶系中又有不同的晶格类型，共有14种晶格类型。常见的立方晶系中有3种不同的立方晶格。

7.1.3单晶体和多晶体

晶体有单晶体和多晶体之分。单晶体是由一个晶核在各个方向上均衡生成的。多晶体则是由很多取向不同的单晶颗粒拼凑而成的。单晶体少见；多晶体常见，而它的各向异性不明显。

7.1.4液晶

液晶可以认为是介于液体和晶体之间的一种各向异性的流体。液晶化合物分子常具有细长棒状、平板或盘状的形态，且常含有一二个极性基团。在晶体中分子的位置和取向都是有序的，当温度升高时分子先失去位置的有序性而产生流动性，但其还保留着分子取向的有序性。温度进一步升高才破坏取向的有序性而形成各向同性的液体。液晶就是这种具有流动性而又保持分子取向有序的液体。液晶分子的质心位置是随机的，但分子的取向有一定规律，所以液晶与晶体一样表现出各向异性的特征。晶体、液晶、液体三者转变关系可用下列图解说明：

晶体夜晶液体

(无流动性，(有流动性，(有流动性，

各向异性) 各向异性) 各向同性)

目前发现、合成出来的约有6000-7000种液晶物质，人体中的大脑、肌肉、神经髓鞘、眼睛的视网膜可能存在液晶组织。由于液晶对光、电、磁、热及化学环境变化都非常敏感，作为各种信息的显示和记忆材料，被广泛应用于科技领域中。对液晶的研究和应用涉及化学、物理学、生物学和技术科学各个领域，是许多科学家感兴趣的一个新兴领域。

7.2晶体的类型

根据组成晶体内部微粒间的作用力不同，晶体大致可分成4类：离子晶体、原子晶体、

分子晶体和金属晶体。除了这4种基本类型外，还有混合键型晶体。

7.2.1离子晶体

1．离子晶体的特性

凡是靠离子间静电引力结合而成的晶体统称为离子晶体。离子晶体最显著的特点是熔、

沸点比较高，脆而硬，不论在熔融状态或在水溶液中都是电的良导体。离子晶体溶于水和极

性溶剂。

2．离子半径

(1)同种元素离子的半径随离子电荷代数值增大而减小。

(2)同周期不同元素离子的半径随离子电荷代数值增大而减小，如3P r ->2S r ->C l r ->Na r +

。 (3)同主族元素电荷数相同的离子半径随着周期数的增多而增大。

(4)阴离子半径较大，阳离子半径较小。

3．离子半径比与配位数、晶体构型的关系

为什么不同的正、负离子结合成离子晶体时，会形成配位数不同的空间构型?这是因为

在某种结构下该离子化合物的晶体最稳定，体系的能量最低，一般决定离子晶体构型的主要

因素有正、负离子半径比的大小和离子的电子层构型等。对于AB 型离子晶体来说，正、负

离子的半径比与配位数、晶体构型有一定关系，见表7-1。

表7-1 AB 型化合物的离子半径比、配位数、晶体构型的关系

4．晶格能与离子晶体的稳定性

离子键可以表示离子晶体中正、负离子间的结合力，这种结合力的大小通常用晶格能U

的大小来度量。

（1）晶格能的定义

标准状态下，拆开单位物质的量的离子晶体使其变为气态组分离子所需吸收的能量称为

晶格能。