任务1.2　认识分子和晶体结构

1.2.1　任务书

通过技能训练任务的操作，观察硫酸铜、二水合氯化铜、溴化铜等固体及其水溶液的颜色，了解配位键和配合物的概念；比较碘在纯水与四氯化碳中的溶解性，了解分子的性质；观察碘的升华与凝华现象，了解获得晶体的一种途径。从中学习和理解化学键、分子间力和晶体结构特点和对物质性质的影响。

1.2.2　技能训练和解析　分子立体结构和物质颜色的关系实验

1.任务材料

2.任务操作

如图1-8所示进行三组任务操作。

①称量两份硫酸铜固体，每份0.1g，放入标号为a、a’的两支试管中。称量同样质量的二水合氯化铜固体，放入标号为b、b’的两支试管中。称量同样质量的溴化铜固体，放入标号为c、c’的两支试管中。

②向a'、b'、c'3支试管中分别加入3mL蒸馏水，振荡。

③对比观察a、b、c三种固体颜色，a'、b'、c’三种溶液颜色，a与a'、b与b'、c与c'同种固体及溶液颜色。

将本任务操作的数据填入表1-7中。

3.记录与报告单

（1）现象记录

（2）操作结论

三种物质的溶液均为_______色，因为形成的四水合铜离子为_______色，而其他离子、Cl-、Br-均为_______色。

4.问题与思考

配位键是共价键的一种，共价键还包括什么？特点有哪些？

1.2.3　技能训练和解析　分子结构和物质溶解性的关系实验

1.任务材料

2.任务操作

如图1-9所示进行三组任务操作，将数据填入表1-8中。

①取一小粒碘晶体放入一支试管中，加入约5mL蒸馏水，振荡，得碘水溶液。将得到的碘水溶液平均分为三份，标号为a、b、c试管，a作为空白对照，观察碘在水中的溶解性以及溶液的颜色。

②向b、c两份碘水溶液中分别加入约1mL四氯化碳，充分振荡，碘被四氯化碳萃取。观察液体分层以及各层的颜色。

③向b试管中加入1mL浓碘化钾水溶液，振荡。c试管中不加浓碘化钾水溶液，观察试管中各层溶液颜色的变化。

3.记录与报告单

（1）现象记录

（2）操作结论

碘在纯水与四氯化碳中溶解性的比较，说明不同物质的溶质在不同物质溶剂中溶解度________。

4.问题与思考

试结合分子结构理论说明本实验中溶解性不同的原因。

1.2.4　技能训练和解析　碘晶体的升华实验

1.任务材料

2.任务操作

操作装置如图1-10所示。

①首先按照图1-10（a），由下而上的原则连接好装置。取适量的碘粒装入250mL烧杯中，置于石棉网上。选择大小合适的烧瓶装入冷水，放置于烧杯的杯口处，观察烧杯内的固态碘粒的外观。

②点燃酒精灯加热，观察产生的现象，如图1-10（b）所示。

③熄灭酒精灯，待瓶内气体变冷时，观察烧瓶底部和烧杯内壁的碘结晶现象。

3.记录与报告单

操作结论：

气态物质冷却不经液态直接凝固，即________是得到晶体的一种途径。

4.问题与思考

试举例说明获得晶体的其他方法还有________。

1.2.5　知识宝库　分子结构

1.化学键

（1）化学键定义及分类

自然界中的物质，除稀有气体以单原子形式存在，其他物质均以分子、晶体形式存在。分子是构成物质的基本单元，是保持物质化学性质的最小微粒，是参加化学反应的最小单位，物质间的化学反应实质上是分子间的反应。

化学键是分子或晶体中相邻原子或离子间的强烈的相互作用。

化学键按电子运动方式不同，分为离子键、共价键和金属键。

（2）离子键

①离子键的定义　离子键是阴、阳离子间通过静电作用而形成的化学键。

②离子键的特点　离子键是无方向性和无饱和性的静电吸引力。

a.无方向性　因为离子电荷分布是球形分布，在一定条件下，阴、阳离子可以从任何方向相互吸引，静电引力无方向性，即离子键无方向性。

b.无饱和性　在离子型化合物中，离子间的相互吸引并不局限于几个离子键，而是每个离子都处于整个晶体的异号离子的电场中，只要空间允许，每个离子都会尽可能多地吸引异电荷离子，即离子键无饱和性。

③离子键的本质　离子键是原子得失电子形成阴、阳离子，阴、阳离子间靠静电引力结合在一起，即离子键本质是静电引力。

（3）共价键

①共价键的定义　共价键是原子间通过共用电子对形成的化学键。

②价键理论　价键理论又称电子配对法，简称VB法，包括电子配对原理和最大重叠原理。

a.电子配对原理　只有具有自旋相反未成对电子的两个原子相互靠近时，才能形成稳定的共价键。即每个单电子只能与一个自旋方向相反的电子配对成键，一个原子有几个单电子，就可以形成几个共价键。

b.最大重叠原理　成键时原子轨道将尽可能达到最大重叠。

因此，共价键形成的基本条件是：成键两原子需要由自旋相反的成键电子，成键时单电子所在的原子轨道必须发生最大程度的有效重叠。

③共价键的特点　共价键具有饱和性和方向性的特点。

a.有饱和性　按电子配对原理，原子间形成的共价键数，受未成键电子数限制。

b.有方向性　按最大重叠原理，形成共价键时，原子轨道将尽可能沿电子云密度最大的方向进行同号重叠，使系统能量处于最低状态。

④共价键的本质　共价键是原子轨道重叠。

⑤共价键的类型　根据轨道重叠方式不同，可将共价键分成不同类型。

a.σ键和π键　σ键是成键轨道沿键轴以“头碰头”方式发生有效重叠，形成共价键。σ键具有原子轨道重叠部分沿键轴呈圆柱形对称，即沿键轴旋转时，其重叠程度及符号不变，可以形成σ键的轨道有s-s、s-px、px-px等。

π键是伸展方向相互平行的成键原子以“肩并肩”方式发生有效重叠，形成共价键。π键与σ键不同的是键重叠部分以过键轴的一个平面为对称面呈镜面反对称，可形成π键的轨道有py-py、pz-pz、p-d、d-d等。

单键都是σ键，因为π键重叠程度比σ键小，π电子能量较高。双键或三键，受原子轨道伸展方向的限制，每个原子只能有一个原子轨道以“头碰头”方式重叠成σ键，其余原子轨道重叠则形成π键。π键易断裂发生化学反应，例如烯烃、炔烃及芳香烃等的加成反应，都是由于π键的断裂引起的。

b.极性键和非极性键　极性键是共用电子对有偏向的共价键。成键原子的电负性不同，共用电子对偏向电负性较大的原子，其电子云密度较大，显负电性，另一原子则显电正性，故为极性分子，例如HCl、H2O、CO2、CCl4等。

非极性键是共用电子对无偏向的共价键，此时成键两原子的电负性相同，电子云在两核间的分布是对称的，例如H2、N2、Cl2等为非极性分子。

c.配位键　共用电子对由一个原子提供而形成共价键。配位键用“→”表示，箭头指向接收电子对的原子。形成配位键需满足两个条件：提供共用电子对的原子其价电子层有孤对电子；接收共用电子对的原子其电子层有空轨道。配位键是极性键，共用电子对偏向电负性较大的原子，配位键具有方向性和饱和性。

配合物是由可以给出孤对电子或多个不定域电子的一定数目的离子或分子（称为配体）和具有接收孤对电子或多个不定域电子的空位的原子或离子（统称中心原子），按一定的组成和空间构型所形成的化合物。

（4）金属键

金属键是指在金属晶体中，金属阳离子与自由电子之间较强烈的作用。它存在于金属单质和合金中。金属键没有键长，变形不会断，所以金属具有延展性，其本质是一种电子共有化，具有无方向性和饱和性特点，其强弱通常与金属离子半径成反比，与金属内部自由电子密度成正比。

各种化学键类型和形成见表1-9。

（5）键参数

表征化学键性质的物理量，统称为键参数，常见的有键能、键角和键长。

①键能　在一定温度和100kPa下，断裂气态分子中单位物质的量的化学键使其变成气态原子或原子团所需的能量称为键能，单位为kJ/mol。键能是衡量共价键强弱的物理量，键能越大，共价键越牢固。

②键角　分子内同一原子形成的两个化学键之间的夹角，单位是（°）。键角是决定分子几何构型的物理量。

③键长　两成键原子核间的平衡距离，称为键长，单位为pm。键长是决定分子几何构型的物理量。

（6）共价键断裂方式

共价化合物参加化学反应的过程，就是原共价键断裂，新共价键形成的过程。共价键断裂有均裂和异裂两种。均裂是共价键断裂后，成键的共用电子对由两个成键原子各留一个。异裂是共用电子对归一个原子所有。

2.杂化轨道理论

（1）杂化和杂化轨道

杂化是指在形成共价键过程中，同一个原子能级相近的某些原子轨道，可以“混合”起来，重新组成相同数目的新轨道。杂化轨道是指杂化后形成的新轨道。

（2）杂化轨道类型

杂化轨道类型取决于参与杂化的轨道种类和数目，常见杂化轨道有sp型杂化和spd型杂化。sp型杂化包括sp、sp2、sp3几种方式。spd型杂化包括sp3d2、sp3d、d2sp3、dsp2几种方式。

（3）杂化轨道与分子空间构型

杂化轨道理论认为杂化方式决定了分子的空间构型。杂化轨道成键时，要满足化学键间的最小排斥原理。因此键与键之间要尽可能地保持最远的空间距离。键角越大，排斥能越小。这就规定了杂化轨道在空间的相对位置，从而使分子具有一定的几何构型，见表1-10。

3.分子间力

（1）分子的极性

极性分子为分子的正、负电荷中心不重合。非极性分子为分子的正、负电荷中心重合。

共价分子的结合力和分子空间构型决定分子是否有极性。

双原子分子的极性主要取决于键的极性，由非极性键结合的为非极性分子。多原子分子的极性主要取决于分子的对称性，对称则为非极性，反之亦然。

分子极性可用偶极矩μ表示，偶极矩是矢量，其大小μ=qd（q为偶极分子正电荷中心的电荷量；d为正、负电荷中心距离），方向由正电荷指向负电荷，单位为库·米（C·m）。

极性分子μ≠0，非极性分子μ=0。

（2）分子间力

分子间作用力包括范德华力和氢键。

①范德华力　范德华力包括静电力、诱导力和色散力。范德华力是一种比共价键弱得多的分子间的近程作用力，作用范围只有十几到几十皮米，范德华力是决定共价键分子熔点、沸点、溶解性等性质的重要因素。

物质的溶解是生活中常见现象，但它又非常复杂的，受多因素影响。一种物质溶解于另一种物质中，通常经过两个过程：一个是溶质分子（或离子）的扩散过程，这需要吸收热量；另一个是分子（或离子）和溶剂分子作用，形成溶剂合分子（或溶剂合离子）的过程，这种过程是化学过程，放出热量。

一般范德华力越大，物质的熔点、沸点越高。大量生产实践总结出来的溶解度参数原则和相似相溶原则，是由于溶解前后，范德华力变化较小的缘故。

②氢键　氢键形成条件：a.有氢原子；b.有电负性很大并带有孤对电子的原子与氢形成强极性氢化物，且该原子半径较小。氢键本质是电性吸引，具有方向性和饱和性的特点。

氢键可用X—H…Y表示，氢键既可在分子间形成，也可在分子内形成。

键能大小：共价键>氢键>范德华力

分子间氢键使熔点、沸点升高，分子内氢键使熔点、沸点降低。

分子间形成氢键，使溶解性增大。

1.2.6　知识宝库　晶体

物质通常有三种聚集状态：气态、液态和固态。固态又分为晶体和非晶体两类。自然界中多数固态都是晶体，少数是非晶体。

晶体离我们并不遥远，它就在我们每个人的日常生活中。厨房中食盐、砂糖是晶体，我们的骨骼、牙齿是晶体，工业中矿物岩石是晶体，常见的各种金属及合金制品也属晶体，连地上的砂子都是晶体。我们身边的固体物质中，除了经常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是晶体。究竟什么样的物质才能算作晶体呢？

1.基本概念和性质

晶体有三个特征：①晶体通常呈现规则的几何外形；②晶体有固定熔点；③晶体有各向异性特点。

非晶体有三个特征：①非晶体没有规则几何外形，又称无定形体；②非晶体没有固定熔点，只有一软化温度范围；③非晶体在各个方向上性质是相同的。

晶体的内部结构包括晶胞和晶格。晶胞是构成晶体的最小结构单元。把晶体中的微粒抽象为几何点，这些点称为晶格结点，这些点的总和称为晶格（或点阵）。晶体种类很多，布拉菲（A·Bravais）在1948年根据“每个点阵环境相同”，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，故这14种空间点阵叫做布拉菲点阵，按照其对称性特征又分属于七个晶系，最常见的为简单立方、面心立方和体心立方晶格，具体分布见表1-11。

获得晶体的三种途径为：凝华、熔融结晶和溶液结晶。

2.晶体类型

按晶格结点上微粒性质不同，可将晶体分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体，其主要区别见表1-12。