第九章 物理性质和结构的关系.doc

高中化学竞赛辅导第九章物理性质和结构的关系

冯涌：化学教师手记之二HYPERLINK"http://blog.sina.com.cn/fengyouth9"http://blog.sina.com.cn/fengyouth9Email:[e-mail]

第九章物理性质和结构的关系

纯物质的物理性质主要决定于两个因素：
——组成物质的结构单元（原子、分子或离子）的性质。
——在这些粒子之间作用力（原子间力、分子间力或离子间力）的强度。
在这一章里，我们将要讨论象熔点、沸点和电导等物理性质和物质结构之间的关系。我们将物质分为四类，它们在结构单元的性质和这些单元之间的作用力彼此都不相同：
1、离子型化合物（如NaCl、MgO和CaCO3）
2、分子型物质（如H2、CO2和H2O）
3、大分子型物质（如C和SiO2）。
4、金属（如Na、Mg和Fe）。

9.1离子型化合物
在第八章讨论离子键时，我们曾扼要地提到离子型化合物的物性。一般说来：
1、离子型化合物在室温下是固体。它们的熔点都很高，从摄氏几百度到2000℃以上。这种特性表明：相反电荷的离子之间存在着强烈的静电作用力。只有在高温下离子才能获得足够的动能来克服这些吸引力而达到液态特有的运动自由。
2、离子型化合物不论在熔融状态或在水溶液中都是良好导电体。不论在上述哪一种情况下，导电的粒子都是带电的离子（如Na+、Cl－），它们在液体中运动而导电。在固体状态，离子被局限在晶格的某些位置上振动，因而导电率很低。
3、很多（但并非所有）离子型化合物溶于极性溶剂水中。反之，所有离子型固体基本上不溶于非极性有机溶剂。在第二十和第十八章，我们将更多地讨论有关溶解度的问题。

熔点趋势
根据Coulomb定律，相反电荷粒子间的吸引力与它们所带电荷成正比而与它们之间的距离平方成反比。应用于晶格中的离子，关系式可以写成：
f=常数（9.1）
根据方程9.1，高电荷的小离子间作用力应最大。可以预期：离子型化合物的熔点将随着这种作用力的增加而上升。如果比较NaCl与BaO两种化合物，它们的离子半径之和接近相等但电荷乘积相差4倍，我们看到氧化钡的熔点要高得多（表9.1）。离子的体积效应可以通过比较MgO和BaO来说明，Mg2+离子的半径小于Ba2+离子的半径，致使它对O2－离子具有更强的吸引力，因而MgO就具有更高的熔点。
表9.1离子大小和电荷对熔点的影响
化合物离子电荷r++r－(nm)熔点（℃）NaCl
BaO
MgO+1，－1
+2，－2
+2，－20.095+0.181=0.276
0.135+0.140=0.275
0.065+0.140=0.205800
1920
2800

热分解
二元离子型化合物，如NaCl或MgO，通常熔化时并不分解，而只形成相应的纯液体。然而某些更复杂的离子型固体加热时分解，生成两种或更多的纯物质。水合物（其中水分子被结合在晶格之中）表现出这种特性。例如，BaCl2·2H2O约在100℃时失水而生成无水氯化钡：
BaCl2·2H2O(s)→BaCl2(s)+2H2O(g) (9.2)
某些水合盐在室温下暴露于干燥空气中即失去水分，这个过程称为风化。一个熟悉的例子是五水硫酸铜（CuSO4·5H2O）。这种蓝色晶体盐失水首先生成低水合物CuSO4·3H2O(蓝)与CuSO4·H2O（白），最后在加热时变成无水硫酸铜。
另一类在加热时常常分解而不熔化的离子化合物是含氧阴离子（如OH－、CO）的化合物。分解的典型产物是固体金属氧化物加上一种挥发性的非金属氧化物。例如，当消石灰[Ca(OH)2]被加热到约600℃时，它分解成生石灰（CaO）和水蒸汽：
Ca(OH)2(s)→CaO(s)+H2O(g) (9.3)
当石灰石被加热到约800℃时，发生同一类型的反应：
CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g) (9.4)

9.2分子型物质
分子型物质往往是挥发性的，它们的熔点和沸点比较低，通常都在300℃以下。所有室温下是气体的物质以及差不多所有的液体都是分子型的。典型的例子有H2（沸点=－235℃）、CH4（沸点=－162℃）和C6H6（沸点=80℃）。如果分子量很高，则此物质在室温下可能是固体。实例有：C10H8（熔点=80℃）和I2（熔点=113℃）。
分子型物质通常是不良的导电体，不论是液态或溶液状态，象这样的中性分子是不能导电的。有些极性分子与水反应成离子。因而形成一种能导电的水溶液。氯化氢是其中一个实例，当它被加入水中后，即发生下述反应：
HCl(g)→H+(aq)+Cl－(aq) (9.5)
这种类型的反应是相当少见的，绝大多数分子型物质（例如二氧化碳、糖和甲醇）的水溶液都是不良导体。

原