離子晶體與離子鍵

離子晶體與離子鍵第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一離子晶體的一般特征

這類晶體的基本質(zhì)點是正、負(fù)離子，它們之間以靜電作用力（庫侖力）相結(jié)合。正、負(fù)離子相間排列，結(jié)果使異性離子之間的吸引力達到最大，同性離子之間的推斥力達到最小。

晶體中并不存在有單個的分子，而是為數(shù)極多的正負(fù)離子的集合體，化學(xué)式只是反映相應(yīng)晶體的化學(xué)組成。第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一幾種典型的離子晶體

各個離子可以近似地看作是帶電的圓球，電荷在球上的分布式均勻?qū)ΨQ的，異性離子可以從任何地方相互靠近和結(jié)合。第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一

決定離子晶體結(jié)構(gòu)的因素就是正、負(fù)離子的電荷多少，半徑大小以及離子間的最密堆積原則。六方ZnO 立方ZnO在研究離子球體排列的時候，并非只是考慮到幾何學(xué)一端，而且也要考慮在每一最小的晶體范圍內(nèi)都必須達到電性的中和。第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一具有相反電荷的離子即依庫倫定律相互吸引，也就是說，引力是與電荷的乘積成正比，與其距離的平方成反比。隨著離子的靠近，引力縮減的同時會顯著地呈現(xiàn)出一種斥力。這是因為各離子并非確為點電荷，它們都是被一種有限延展的電子云所圍繞。第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一離子之間的緊密排列

根據(jù)量子力學(xué)可以理解到離子在強烈趨近的情況下，產(chǎn)生斥力，此種斥力與距離的一個十分高的次冪成反比。由此，離子晶體的壓縮率極小，也就是在離子晶體內(nèi)離子的更進一步接近有巨大的困難，排斥能量隨著離子距離的減小而急劇增加。第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一離子間的排斥力和吸引力隨著帶不同電荷離子之間距離而變化。同時兩種離子的電荷彼此靠近時，必然呈現(xiàn)一種固定的距離，此時兩種力共同作用所產(chǎn)生的合成能量，在此種離子艱巨的情況下，顯示出一個極限小值。因此，各離子將依固定的距離彼此地相互固持，這一距離與一種最小位能的狀態(tài)相適應(yīng)。圍繞一個離子的力的作用，在最接近的狀態(tài)下，可以視為球形對稱，因而此種力的作用也就可以視為不具方向性的作用。第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一離子晶體的晶格能

理論計算首先由Born等人提出，他們假定正、負(fù)離子是一個帶電的球，這些球借助庫倫引力相互吸引，這一引力，在離子的平衡位置內(nèi)和同樣大小的斥力相適應(yīng)。計算過程如下：兩個相距為r的異性離子和之間在真空中的相互作用力為第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)它們相互靠近的時候，離子間產(chǎn)生吸引力。但當(dāng)距離逐漸縮減，由于電子云的推斥，離子間產(chǎn)生了推斥力。而離子晶體的晶格能就是距離很遠的正負(fù)離子相互靠近結(jié)合成晶體時釋放出來的能量，即靜電引力的能量和排斥勢能的總和第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)兩離子處于平衡距離時，相互作用能量為極小，體系處于最穩(wěn)定的狀態(tài)，總的勢能為零得到B之后，進而可以求出離子間的極小勢能注意，上式僅表示的是一對正負(fù)離子間的相互作用勢能第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一離子晶體中所有離子對之間的總勢能，就相當(dāng)于晶格能UA稱為馬德隆（Madelung）常數(shù)，它是一個無量綱的結(jié)構(gòu)性常數(shù)，只是由晶體點陣的幾何因素所決定。而在精確計算時，必須加一些校正因子，因為方程式中沒有計算其他次要的力。范德華力排斥能應(yīng)從量子力學(xué)考慮晶體“零點能”第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一同時，離子化合物的晶格能也可以利用Born-Haber循環(huán)，采取實驗數(shù)據(jù)計算求得列出有關(guān)的熱化學(xué)方程最后的方程式表示出凈變化，可以通過連續(xù)執(zhí)行反應(yīng)達到能量之間的關(guān)系第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一晶體中的離子半徑實驗方法（如X射線衍射）可以容易地測定簡單晶體中離子中心之間的空間，但是不可能準(zhǔn)確地知道電子云的位置。換句話說，可以測得，并由此設(shè)想，但是不可能準(zhǔn)確的知道正負(fù)離子之間的分界線在哪里。指定離子半徑的唯一辦法是測定在固態(tài)物質(zhì)中相鄰兩原子或離子中心間距離，并假定這個距離就等于或接近于兩個原子半徑之和。第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一Pauling對此作了大量的工作，以下是對他的一些論證和結(jié)論作簡單介紹首先假定：1、假定陽離子和陰離子是接觸的，因而可以假定核間距離等于半徑之和；2、對于給定的惰性氣體電子構(gòu)型，假定其半徑和外層電子所能感受到的有效核電荷成反比。第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一第二步應(yīng)用Stater方法估算在Ne結(jié)構(gòu)的電子組態(tài)中各個電子對外層電子屏蔽了多少核電荷。Na離子為6.85，F(xiàn)離子為4.85根據(jù)假定（2），半徑和有效核電荷成反比，因此此方程與前面半徑之和的方程聯(lián)立，可以解出第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一事實上，實際測得的正離子半徑均大于經(jīng)驗法求得的，而實際測得的負(fù)離子半徑均小于經(jīng)驗法求得的。這是由于實際離子化合物中存在著離子的極化，外圍的電子云發(fā)生形變，離子并不是正負(fù)電荷中心重合的球形對稱的粒子。而且離子鍵也包含有不同程度的共價成分，晶體中的離子間也會有電子云的重疊，所以也不能明確地說正負(fù)離子的范圍在哪里。顯然，從波函數(shù)的本性來看，原子和離子并沒有明確地半徑第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一離子極化及含有共價鍵成分的離子鍵在離子晶體中，正、負(fù)離子核外的電子云發(fā)生變形和重疊，這時離子之間的距離也會縮短，這種現(xiàn)象稱為離子的極化第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一極化率和極化力離子的極化率反映離子的可極化性。在電場中正負(fù)離子的電荷中心將不再重合，離子極化率系指離子在單位強度電場中所產(chǎn)生的偶極矩。即，P=aE一個與極化率相對的概念——極化力。極化率是指一個離子在外電場下被極化的能力，而極化力系指一個離子極化別的離子的能力第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一極化率的規(guī)律離子的半徑愈大，極化率也愈大負(fù)離子的極化率一般比正離子大正離子價數(shù)愈高者一般極化率愈小負(fù)離子價數(shù)愈高者極化率愈大含有d電子的正離子的極化率較大，而且隨個數(shù)的增加而增加第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一極化力的規(guī)律高價正離子有較強的極化力同價正離子，通常半徑愈小極化力愈大負(fù)離子的極化力一般小于正離子的極化力，復(fù)雜負(fù)離子（絡(luò)合負(fù)離子）的極化力通常更小含有d電子的正離子的極化力較小，且隨個數(shù)的增加而減小第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一正負(fù)離子相互極化的結(jié)果使電子云發(fā)生變形和重疊。所以離子型晶體總是含有一定的共價鍵成分。離子極化的一個極端情況是由離子型晶體轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨矁r鍵為主的晶體。離子極化的另一個特點是，隨著離子極化的加強，晶體中共價鍵成分增加，鍵長縮短，配位數(shù)減小。這是因為共價鍵的方向性和飽和性的緣故。第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一任何異核原子所形成的化學(xué)鍵都既有離子性，又有共價性。兩種方法處理這種情況：1、將這種鍵看作是共價鍵，然后考慮電荷由一個原子向另一個原子的位移效應(yīng)2、將這種鍵看作是離子鍵，然后考慮其中一定的共價性一個簡便的定性的解釋方法：一個體積小、電荷高的陽離子會對一個陰離子發(fā)生作用，如果這個陰離子體積大而且電子云容易變形，那么陽離子就可能使他發(fā)生極化，極端的情況就可能是陽離子進入陰離子電子云之中，形成共價鍵第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一ThankYou第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一我的學(xué)習(xí)心得有一個明確地認(rèn)識，那就是，無機化學(xué)是研究無機物組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)過程的科學(xué)。并且，由于無機化學(xué)涵蓋了所有元素，研究的范圍極其廣泛，它在化學(xué)科學(xué)中處于基礎(chǔ)和母體的地位。和高中比較起來，課程內(nèi)容在深度、廣度和難度方面都增加了很多，帶來了很大的挑戰(zhàn)！第二十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期一在半年的學(xué)習(xí)過程中，我們掌握了化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)內(nèi)容，了解了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一些基礎(chǔ)知識，同時在以前的基礎(chǔ)上加深了對元素的認(rèn)知。我認(rèn)為，該課程的學(xué)習(xí)是逐步遞進的，由基本原理帶出平衡，再由平衡分解出反應(yīng)速率、自發(fā)變化、酸堿平衡、沉淀溶解平衡以及原電池等相關(guān)內(nèi)容；由原子向分子遞進，再加深到固體