2013年8月4日 星期日

分子固體molecular solids

化學原理啟迪412
RICK OWENS FALL/WINTER 2013-2014 MENSWEAR
1.     到目前為止我們所討論的固體,其組成原子都佔據晶格位置。大部分的情況下,這類晶體可被視為由一個一個大分子組成的晶體,然而有許多固體確實是由位於晶格位置的分子組成的。
2.     較常見的例子是「冰」,冰晶體的每個晶格位置,由水分子所佔據。分子晶體,舉例來說乾冰(固體二氧化碳)是一種分子晶體,此外硫晶體是由S8分子組成:
3.     有一種磷晶體是P4分子組成;富勒烯fullerenes,全由含碳的分子組成,例如C60C70。這些物質的特色是,分子內的化學鍵很強,分子間的化學鍵較弱
4.     舉例來說,要融化1mole固體水「冰」只需要 6kJ的能量,因為融化只需要突破分子間的引力「H2OH2O」。然而,要打斷1mole分子的OH鍵則需要470kJ的能量。
5.     分子內的共價鍵與分子間的引力,這二者的差距,可從下述物質的原子間的距離,與分子間的距離,比較出來:
磷晶體P4,分子的原子間的距離是2.20Å,固態下分子間的距離3.8Å
硫晶體S8,分子的原子間的距離2.06Å,固態下分子間的距離3.8Å
氯分子Cl2,分子的原子間的距離1.99Å,固態下分子間的距離3.6Å
6.     在分子固體,分子間的引力大小決定於分子的性質。許多分子,例如CO2I2P4S8是沒有偶極矩的,分子間的引力是倫敦分散力London dispersion forces
7.     由於這種引力很小,我們應該會認為這類物質在25℃下是氣體,二氧化碳就是如此。但是當分子十分龐大,分子間的引力也會變大,這使得許多由分子組成的物質在25下呈現固態
8.     當組成物質的分子有偶極矩,分子間的引力會較大。特別是當分子間存在氫鍵,分子彼此的交互作用力量特別強。
9.     因為每個水分子2個極性OH鍵,並且氧原子尚有2對未鍵結電子,這使得氧原子可與4個氫原子連接,其中2個是共價鍵,另外2個是偶極力造成的鍵結(氫鍵)。
10. 冰的結構顯示,其中2個「氫-氧共價鍵」比較短,另外2個「氫-氧偶極力」形成的化學鍵比較長。

離子固體Ionic Solids
11. 離子固體是穩定、高熔點的物質,電荷相反的離子彼此以強鍵鍵結。氯化鈉是一種雙元固體,雙元離子固體的結構,可用最密堆積結構解釋。
12. 基本上,離子固體中比較大的離子,以六方最密堆積hcp立方最密堆積ccp,通常陰離子是比較大的離子,所以小顆的陽離子填入最密堆積結構的陰離子間的縫隙洞口。
13. 離子堆疊的原則是,正負離子彼此間的靜電引力最大化,並且相同電荷的離子,彼此間的斥力最小化。
14. 最密堆積結構能產生三種縫隙/洞:
1.三角洞,這是位於同一層的3原子彼此緊密結合後,在3個原子中間產生的縫隙。
2.四面體洞,1個原子座落在3個原子平面的中間凹陷處,這4個緊密結合的原子,中間的空隙即為四面體洞。
3.八面體洞,3個原子組成的平面,分為二層,以最密堆積結構上下堆疊起來,這6個原子中間的縫隙是八面體洞。
15. 如果堆疊的原子,直徑都一樣,那麼洞口大小順序如下:
三角洞<四面體洞<八面體洞
16. 事實上,三角洞太小,這種結構無法構成二元離子化合物。到底二元離子固體的結構是四面體洞或八面體洞,要看陰離子和陽離子的體積比例。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles》;圖片來源/Exceptionalminerals.comSites.google.com textbook.s-anand.netTulane.edu

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