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1.离子晶体中离子的配位数 与中心离子(或原子)直接成键的离子(或原子)称为配位离子(或原子)。配位离子(或原子)的数目称为配位数，如在氯化钠晶体中，钠和氯的配位数都是6。离子晶体是通过离子键结合而成的，离子键的一个特点是没有方向性。离子是一个带电的质点(近似地认为是球体)，根据静电学理论，它在各个方向上的静电效应是等同的。离子键的另一个特点是没有饱和性。只要离子附近空间条件许可，每一个离子就有可能吸引尽量多的带相反电荷的离子。虽然离子键没有饱和性，但是离子的配位数并不是任意的。事实上，离子晶体中每种离子都有一定的配位数。 因为离子键没有方向性，所以离子的电荷不影响配位数。阴、阳离子的半径比值(r+/r-)影响配位数的多少，半径比值越大，配位数就越大。
此外，化合物的组成比，也是影响配位数的一个重要因素。 2.离子晶体的简单结构类型 组成比为1∶1的离子晶体称为AB型离子晶体，它是离子晶体中最简单的一类。AB型离子晶体最常见的基本结构有NaCl型、CsCl型和ZnS型。 (1)NaCl型 NaCl型离子晶体中，每个离子被6个带相反电荷的离子包围，阴离子和阳离子的配位数都为6。常见的NaCl型离子晶体有碱金属元素(铯除外)的卤化物、银的卤化物(碘化银除外)、碱土金属元素(铍除外)的氧化物、硫化物和硒化物的晶体等。
图1-2 NaCl型晶体结构 (2)CsCl型 CsCl型离子晶体中，每个离子被8个带相反电荷的离子包围，阴离子和阳离子的配位数都为8。常见的CsCl型离子晶体有铯的卤化物(氟化物除外)、TlCl的晶体等。
图1-3 CsCl型晶体结构 (3)ZnS型 ZnS型离子晶体中，阴离子和阳离子的排列类似NaCl型，但相互穿插的位置不同，使阴、阳离子的配位数不是6，而是4。常见的ZNS型离子晶体有硫化锌、碘化银、氧化铍的晶体等。
图1-4 ZnS型晶体结构 3.分子间作用力的种类 分子间作用力按其实质来说是一种电性的吸引力，因此考察分子间作用力的起源就得研究物质分子的电性及分子结构。分子间作用力可以分为以下三种力。 (1)取向力 取向力发生在极性分子与极性分子之间。由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。因此，当两个极性分子相互接近时，由于它们偶极的同极相斥，异极相吸，两个分子必将发生相对转动。这种偶极子的互相转动，就使偶极子的相反的极相对，叫做“取向”。这时由于相反的极相距较近，同极相距较远，结果引力大于斥力，两个分子靠近，当接近到一定距离之后，斥力与引力达到相对平衡。这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力，叫做取向力。 (2)诱导力 在极性分子和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间都存在诱导力。 在极性分子和非极性分子之间，由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响，使非极性分子电子云变形(即电子云被吸向极性分子偶极的正电的一极)，结果使非极性分子的电子云与原子核发生相对位移，本来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的，相对位移后就不再重合，使非极性分子产生了偶极。这种电荷重心的相对位移叫做“变形”，因变形而产生的偶极，叫做诱导偶极，以区别于极性分子中原有的固有偶极。诱导偶极和固有偶极就相互吸引，这种由于诱导偶极而产生的作用力，叫做诱导力。 同样，在极性分子和极性分子之间，除了取向力外，由于极性分子的相互影响，每个分子也会发生变形，产生诱导偶极。其结果使分子的偶极矩增大，既具有取向力又具有诱导力。在阳离子和阴离子之间也会出现诱导力。 (3)色散力 非极性分子之间也有相互作用。粗略来看，非极性分子不具有偶极，它们之间似乎不会产生引力，然而事实上却非如此。例如，某些由非极性分子组成的物质，如苯在室温下是液体，碘、萘是固体；又如在低温下，N2、O2、H2和稀有气体等都能凝结为液体甚至固体。这些都说明非极性分子之间也存在着分子间的引力。当非极性分子相互接近时，由于每个分子的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，也即正、负电荷重心发生了瞬时的不重合，从而产生瞬时偶极。而这种瞬时偶极又会诱导邻近分子也产生和它相吸引的瞬时偶极。虽然，瞬时偶极存在时间极短，但上述情况在不断重复着，使得分子间始终存在着引力，这种力可从量子力学理论计算出来，而其计算公式与光色散公式相似，因此，把这种力叫做色散力。 总结以上所述，分子间作用力的来源是取向力、诱导力和色散力。一般说来，极性分子与极性分子之间，取向力、诱导力、色散力都存在；极性分子与非极性分子之间，则存在诱导力和色散力；非极性分子与非极性分子之间，则只存在色散力。这三种类型的力的比例大小，决定于相互作用分子的极性和变形性。极性越大，取向力的作用越重要；变形性越大，色散力就越重要；诱导力则与这两种因素都有关。但对大多数分子来说，色散力是主要的。分子间作用力的大小可从作用能反映出来。表1-1列出了某些分子的三种分子间的作用能的大小。 4.分子间作用力与物质的一些性质的关系 (1)分子间作用力与物质的沸点和熔点 气体分子能够凝结为液体和固体，是分子间作用力作用的结果。分子间引力越大，则越不易气化，所以沸点越高，气化热越大。固体熔化为液体时也要部分地克服分子间引力，所以分子间引力较大者，熔点较高，熔化热较大。 表1-1 一些分子的分子间作用能的分配
①稀有气体和一些简单的对称分子的沸点和熔点随相对分子质量增大而升高。 在稀有气体的原子里，电子云和核之间经常产生瞬时的相对位移，因而产生瞬时偶极，这样便产生了原子间的引力。从He至Rn随着原子序数增加，原子核与最外层的电子联系相应减弱，相应的原子的极化率(在单位电场强度下，由分子极化而产生的诱导偶极矩，用μ表示)也增加，因而加强了色散力。这样一来，就增加了原子间的相互吸引力，所以相对原子质量越大，极化率越大，色散力也越大，反映在沸点上随相对原子质量增大而升高。 ②同系物的沸点和熔点，随相对分子质量增大而升高，这是因为同系物的偶极矩大致相等，电离能也大致相等。所以分子间引力的大小主要决定于极化率α的大小。由于在同系物中相对分子质量越大的极化率也越大，因此沸点和熔点也就越高。 ③同分异构体的极化率α相等，所以偶极矩越大的分子，分子间作用力越大，沸点越高。 表1-2 同分异构体的偶极矩与沸点
(2)分子间作用力与物质的溶解度 液体的互溶以及固态、气态的非电解质在液体里的溶解度都与分子间力有密切的关系。例如，非极性分子组成的气体像稀有气体、H2、O2、N2和卤素等溶于非极性液体，主要是由于溶质分子与溶剂分子之间色散力的作用；至于溶解于极性溶剂里，虽然有诱导力等，但仍然是色散力起主要作用。因此，溶质或溶剂(指同系物)的极化率增大，溶解度增大，尤其当溶质和溶剂的极化率都增大时，这种效应更为明显。 极性溶剂的缔合作用主要是偶极间的相互作用，此种作用比溶质与溶剂分子间的诱导力大得多，所以非极性溶质在极性溶剂里的溶解度一般是很小的，这也就是平常所说的“相似相溶”的根据之一。 除上述一些性质外，分子间作用力还决定着物质的熵效应、气化热、粘度、表面张力、物理吸附作用，等等。 5.氢键的本质 在有些化合物中氢原子似乎可以同时和两个电负性很大而原子半径较小的原子(如O、F、N等)相结合，一般表示为X-H…Y，其中H…Y的结合力就是氢键。 关于氢键的本质，直到目前为止还没有圆满的解决。一般认为X-H…Y里，X-H键基本是共价键，而H…Y则是一种强有力的有方向性的范德华力。把氢键归入范德华力是因为它在本质上是带有部分负电荷的原子Y与极性很强的极性键X-H之间的静电吸引作用。因为X-H的极性很强，H的半径很小，且又无内层电子，所以允许带有部分负电荷的Y原子无空间阻碍地来充分接近它，产生静电吸引作用而构成氢键。这种吸引作用的能量，一般在41.84 kJ/mol以下，比化学键的键能要小得多，但和范德华力的数量级相同，所以有人把氢键归入范德华力。 但是氢键有两个与一般的范德华力不同的特点，即它的饱和性和方向性。其饱和性表现在X-H只能再和一个Y原子相结合，即一个氢原子不可能同时形成两个氢键。如果另有一个Y原子来接近它们，则将受X和Y的排斥力要比受到H的吸引力来得大，所以X-H不能和两个Y原子相结合。 由于X-H与Y的相互作用，只有当X-H…Y在同一直线上的时候最强烈，所以，在可能范围内要尽量使X-H…Y在同一直线上，这是氢键具有方向性的原因。另一方面Y一般含有孤对电子，在可能范围内，氢键的方向要和孤对电子的对称轴相一致。这样可使Y原子中负电荷分布得最多的部分最接近于H原子。 6.氢键的键能和键长 氢键形成时所放出的能量，称为氢键的键能。氢键键能的大小，与X和Y的电负性大小有关，电负性越大，则氢键越强，键能也越大；氢键键能也与Y原子的半径大小有关，半径越小，则越能接近X-H，因此，氢键越强，键能越大。例如，F的电负性最大而半径很小，所以，F-H…F是最强的氢键，O-H…O次之，O-H…N又次之，N-H…N更次之，而C-H一般不能构成氢键。Cl的电负性虽颇大，但因为它的原子半径也大，所以氢键O-H…Cl很弱，表1-3列出了一些常见氢键的键能。 表1-3 一些常见氢键的键能
7.分子间氢键与分子内氢键 氢键可分为分子间氢键与分子内氢键两大类。一个分子的X-H键与另一个分子的Y相结合而成的氢键，称为分子间氢键。例如，水、甲酸、乙酸等缔合体就是通过分子间氢键而形成的。除了这种同类分子间的氢键外，不同分子间也可形成氢键，例如：
根据红外光谱的研究结果，表明分子间氢键一般是成直线型(其理由见前面氢键的方向性的论述)。由于这样，水结成冰其晶体为四面体构型。即每一个水分子，位于四面体中心，在它周围有四个水分子，分别以氢键和它相连。 在某些分子里，如邻位硝基苯酚中的羟基O-H也可与硝基的氧原子生成氢键，即：
这种一个分子的X-H键与它内部的Y相结合而成的氢键称为分子内氢键。 红外吸收光谱表明，由于受环状结构中其他原子的键角限制，分子内氢键X-H…Y不能在同一直线上(一般键角约为150°左右)。分子内氢键的形成会使分子钳环化。 8.氢键的形成对化合物性质的影响 分子缔合作用，是由于分子间氢键的形成，钳环化则是由于分子内氢键的形成。两者对于化合物的性质的影响是显著的，并且往往是相反的，现简述如下。 (1)对沸点和熔点的影响 分子间氢键的形成使物质的沸点和熔点升高，因为要使液体气化，必须破坏大部分分子间的氢键，这需要较多的能量；要使晶体熔化，也要破坏一部分分子间的氢键。所以，形成分子间氢键的化合物的沸点和熔点都比没有氢键的同类化合物为高。 分子内氢键的生成使物质的沸点和熔点降低，如邻位硝基苯酚的熔点为45 ℃，而间位和对位硝基苯酚的熔点分别是96 ℃和114 ℃。这是由于间位和对位硝基苯酚中存在着分子间氢键，熔化时必须破坏其中的一部分氢键，所以它们熔点较高；但邻位硝基苯酚中已经构成内氢键，不能再构成分子间氢键了，所以熔点较低。 (2)对溶解度的影响 在极性溶剂里，如果溶质分子与溶剂分子间可以生成氢键，则溶质的溶解度增大。如果溶质分子钳环化，则在极性溶剂里的溶解度减小。例如，对硝基苯酚中O-H基，能同水的氧原子缔合成氢键，促使它在水中溶解，因此溶解度大，在水蒸气里不挥发。但邻硝基苯酚的O-H基，通过氢原子能与其邻位上硝基的氧原子钳环化，即不能再同水的氢原子形成氢键，因此溶解度减小，而且易被水蒸气蒸馏出去。邻位与对位硝基苯酚在20 ℃的水里的溶解度之比为0.39。钳环化的化合物在非极性溶剂里，其溶解度与上述情况相反。 (3)对酸性的影响 如苯甲酸的电离常数为K，则在邻位、间位、对位上带有羟基时，电离常数依次为15.9 K、1.26K和0.44 K。如左右两边邻位上各取代一羟基，则电离常数为800 K。这是由于邻位上的羟基与苯甲酸根生成带氢键的稳定的阴离子，从而增加了羧基中氢原子的电离度。
9.液晶 液晶是介于固态和液态之间的流体。以前，人们认为物质有三种状态，即固态、液态和气态，由于液晶的发现，使人们对于物质的状态有了新的认识。目前已经发现有数千种有机化合物具有液晶态，其中多数为脂肪族、芳香族和甾族化合物。 表1-4 液晶的三种类型
20世纪70年代以来，液晶已广泛用于许多尖端新技术领域中，如显示、软件复制以及检测器、感受器等。并还广泛应用于分析化学、合成化学中。 |
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