石墨同一层碳原子π键课件

Chapter 2晶體Chapter 2晶體1目錄2-1 共價網狀晶體 2-2 金屬 2-3 離子晶體 2-4 分子晶體 2-5 分子間作用力 目錄2-1 共價網狀晶體 2學習概念圖學習概念圖32-1共價網狀晶體 共價網狀晶體共價網狀晶體石墨金剛石 試題演練2-1共價網狀晶體 共價網狀晶體共價網狀晶體石墨金剛石 試題42-2金屬金屬金屬原子的堆積情形單位晶格最密堆積例題試題演練2-2金屬金金屬原子的堆積情形單位晶格最密堆積例題試題演練52-3離子晶體 離子晶體晶格能離子晶體堆積方式離子半徑比與晶體結構的關係氯化鈉的晶體結構氯化銫的單位晶格硫化鋅的單位晶格試題演練2-3離子晶體 離子晶體晶格能離子晶體堆積方式離子半徑比與晶62-4分子晶體 分子晶體分子晶體的特性分子晶體2-4分子晶體 分子晶體分子晶體的特性分子晶體72-5分子間作用力 分子間作用力分子間作用力 偶極 偶極力 偶極 誘導偶極力 分散力 氫鍵 水和氨-分子間氫鍵冰的結構分子內氫鍵蛋白質的螺旋第14-17族:化合物沸點各種晶體類型及其作用力試題演練例題惰性氣體及直鏈烷類的沸點甲烷水包合物2-5分子間作用力 分子間作用力分子間作用力 偶極 偶極8The EndThe End92-1共價網狀晶體2-1共價網狀晶體10共價網狀晶體(1)共價網狀晶體原子間的共用電子對以共價鍵結合卻擁有聚合物般的結構共價網狀晶體(1)共價網狀晶體原子間的共用電子對以共價鍵結合11共價網狀晶體(2)碳的同素異形體金剛石、石墨、富勒烯C60為獨立的分子金剛石和石墨為共價網狀晶體共價網狀晶體(2)碳的同素異形體金剛石、石墨、富勒烯C60為12金剛石(1)金剛石的結構每個碳原子以sp3混成軌域與相鄰的碳原子形成四面體的形狀金剛石(1)金剛石的結構13金剛石(2)金剛石共價鍵強大，原子的堆積對稱且緊密自然界硬度最大的物質共用的電子對，無法自由移動，是絕緣體三度空間的共價網狀晶體高熔點、高硬度及不導電金剛石(2)金剛石共價鍵強大，原子的堆積對稱且緊密自然界硬14石墨(1)由碳以共價鍵結合而成的二度空間網狀固體具導電性並可當潤滑劑使用 石墨(1)由碳以共價鍵結合而成的二度空間網狀固體15石墨(2)金剛石與石墨雖同屬共價網狀晶體，但兩者性質相差頗大無色的金剛石硬度大且不導電；黑色的石墨卻硬度小而具導電性，造成此差異的原因應歸之於兩者的不同結構石墨(2)金剛石與石墨雖同屬共價網狀晶體，但兩者性質相差頗大16石墨(3)有別於金剛石中碳原子的四面體排列，石墨則以共邊的六員環互相連結而形成層狀的構造。石墨層狀結構中，每一個碳均為sp2混成，利用三個混成後的sp2軌域，以鍵的鍵結方式與鄰近的三個碳原子結合；而與層面垂直的未混成p軌域則連結在一起形成鍵。石墨(3)有別於金剛石中碳原子的四面體排列，石墨層狀結構中，17石墨的兩種共振結構(1)石墨的兩種共振結構(1)18石墨的兩種共振結構(2)石墨晶體中的每一個碳碳鍵的鍵長均相等，且既非單鍵，也非雙鍵，而是介於二者之間。這種現象可用共振（resonance）的理論解釋石墨有數個不同但對等的結構，這些結構只有雙鍵的位置共振一個分子，可由數個不同但對等的結構表示。石墨的兩種共振結構(2)石墨晶體中的每一個碳碳鍵的鍵長均相19石墨同一層碳原子：鍵石墨同一層碳原子：(A)未混成的p軌域；(B)結合而成鍵。石墨同一層碳原子：鍵石墨同一層碳原子：20石墨的性質同一層碳原子眾多的p軌域形成鍵時，由於共振，電子可在軌域中移動，因此石墨具導電性。因此，石墨結構的每一層內均有很強的鍵結而具有相當的強韌性，但層與層間僅有微弱的作用力，若受力則容易滑動，故石墨可當潤滑劑使用 石墨的性質同一層碳原子眾多的p軌域形成鍵時，由於共振，電子212-2金屬2-2金屬22金屬原子的堆積情形(A)最密堆積，每顆圓球的外圍有六顆圓球圍繞(B)非最密堆積，此種排列中每顆圓球僅有四顆圓球圍繞，中間的空隙較大 金屬原子的堆積情形(A)最密堆積，每顆圓球的外圍有六顆圓球23最密堆積中的關係第一層（標示為A）與第二層的關係。第二層可置於B或C上。最密堆積中的關係第一層（標示為A）與第二層的關係。24最密堆積中的第三層(1)(A)第一層、第二層分別填入A、B的位置後，第三層可選擇填入A或C的位置(A)最密堆積中的第三層(1)(A)第一層、第二層分別填入A、B25最密堆積中的第三層(2)(B)第三層選擇填入A的位置，將形成六方最密堆積第三層選擇填入C的位置，將形成立方最密堆積(B)最密堆積中的第三層(2)(B)第三層選擇填入A的位置，將形26六方最密堆積：第三層選擇A的位置；以ABAB的順序排列，則得六方最密堆積六方最密堆積六方最密堆積：第三層選擇A的位置；六方最密堆積27立方最密堆積立方最密堆積：(A)第三層選擇C的位置，各層依ABCABC的順序排列；(B)上下各層緊密堆積；(C)將軸線旋轉為立方體的對角線，則可看出面心立方的結構；(D)將面心立方沿對角線分成四層，各層原子數分別為1,6,6,1，即為(A)圖。立方最密堆積立方最密堆積：(A)第三層選擇C的位置，各層依A28單位晶格 單位晶格 29例題2-1金屬鋁的原子量為27，其晶體為面心立方堆積，單位晶格之邊長為4.0，試求：(1)晶體之密度(2)鋁原子的半徑例題2-1金屬鋁的原子量為27，其晶體為面心立方堆積，單位30例題2-1 答案例題2-1 答案312-3離子晶體2-3離子晶體32離子晶體離子晶體33晶格能當氣態的陽離子與氣態的陰離子互相吸引而生成一莫耳固態離子晶體時所放出的能量。晶格能當氣態的陽離子與氣態的陰離子互相吸引而生成一莫耳固態離34堆積方式(1)堆積方式(1)35堆積方式(2)合理的堆積方式若填入的陽離子大小適當，將使陽離子與陰離子能接觸而陰離子之間不接觸，如圖2-13(B)，此為合理的堆積方式 不合理的堆積方式 若填入的陽離子太小，將使陽離子與陰離子無法接觸，陰離子之間卻緊密接觸，如圖2-13(C)，此為不合理的堆積方式 堆積方式(2)合理的若填入的陽離子大小適當，將使陽離子與陰離36離子半徑比與晶體結構的關係 離子半徑比與晶體結構的關係 37氯化鈉的晶體結構(A)氯化鈉的晶體是由無數個鈉離子與氯離子堆積而成(B)Na的配位數為 6 氯化鈉的晶體結構(A)氯化鈉的晶體是由無數個鈉離子與氯離子38氯化鈉單位晶格的三種表示圖(A)填充模型(B)球-棍模型(C)切割後的填充式模型較接近實際情況較能看清兩種離子間的內部規律排列較能看出單位晶格內的原子數氯化鈉單位晶格的三種表示圖(A)填充模型(B)球-棍模型(39氯化鈉中氯離子的三層排列 氯化鈉中氯離子的三層排列 40氯化鈉晶體面心立方堆積(B)鈉離子呈面心立方堆積(A)氯離子呈面心立方堆積氯化鈉晶體面心立方堆積(B)鈉離子呈面心立方堆積(A)氯41氯化銫的單位晶格示意圖氯化銫的單位晶格示意圖42硫化鋅的單位晶格示意圖每一層硫離子依ABCABC的順序排列，形成面心立方。每一個鋅離子位於四個硫離子組成的四面體中心（見虛線地方），配位數為4。硫化鋅的單位晶格示意圖每一層硫離子依ABCABC的順序排列43硫化鋅 硫化鋅 442-4分子晶體2-4分子晶體45分子晶體分子晶體則僅依靠分子間作用力將分子維繫起來 例如斜方硫晶體是由許多S8分子組成，各個S8分子之間僅靠凡得瓦力來維繫 分子晶體分子晶體則僅依靠分子間作用力將分子維繫起來 例如斜方46分子晶體的特性因分子間作用力遠小於一般的化學鍵，故分子晶體的熔點一般較低。分子晶體的特性因分子間作用力遠小於一般的化學鍵，472-5分子間作用力2-5分子間作用力48分子間作用力 分子間作用力 可分為氫鍵及凡得瓦力 凡得瓦力 分為偶極 偶極力偶極 誘導偶極力分散力分子間作用力 分子間作用力可分為氫鍵及凡得瓦力 凡得瓦力 分49偶極 偶極力極性分子的偶極與另一極性分子的偶極靠近時所產生的作用力 偶極 偶極力極性分子的偶極與另一極性分子的偶極靠近時所產50偶極 誘導偶極力(1)極性分子靠近非極性分子時，極性分子的偶極與非極性分子的誘導偶極之間的作用力。(A)左側氧分子為非極性分子；右側水分子為極性分子，帶有偶極 偶極 誘導偶極力(1)極性分子靠近非極性分子時，極性分子51偶極 誘導偶極力(2)(B)兩分子互相靠近時，左側氧分子受極性水分子的影響而產生誘導偶極。偶極 誘導偶極力(2)(B)兩分子互相靠近時，左側氧分子52分散力因分子瞬間產生的偶極而造成的吸引力(A)氫分子的平均電子分布對稱；(B)某一瞬間，電子較偏向上方，故上方帶部分負電，下方帶部分正電；(C)某一瞬間，電子較偏向下方，也產生瞬間偶極。分散力因分子瞬間產生的偶極而造成的吸引力(A)氫分子的平均53瞬間偶極誘導偶極作用力：左分子呈瞬間偶極，使得右分子的電子被影響而移動，形成誘導偶極，因此兩分子間產生微弱的吸引力。瞬間偶極誘導偶極作用力瞬間偶極誘導偶極作用力：左分子呈瞬間偶極，使得右分子的電子54惰性氣體及直鏈烷類的沸點 分散力的大小與原子或分子的大小和形狀有關。例如原子量愈大的惰性氣體，其分散力愈大，沸點也愈高，直鏈烷類亦然 惰性氣體及直鏈烷類的沸點 分散力的大小與原子或分子的大小和形55戊烷的三種異構物的沸點 沸點：正戊烷 異戊烷 新戊烷沸點大小順序：以接觸面積來判斷 戊烷的三種異構物的沸點 沸點：正戊烷 異戊烷 新戊烷56練習2-1 氮氣與一氧化碳的電子數相同且分子量差不多，試問為何一氧化碳的沸點略高於氮氣？答：因CO為極性分子，分子間具有偶極偶極力；而N2為非極性分子，分子間僅具分散力。練習2-1 氮氣與一氧化碳的電子數相同且分子量差不多57氫鍵 若氫原子連接於電負度較大的原子（如F、O、N），則會與另一個F、O、N原子產生吸引力，此引力稱為氫鍵。HFHOHNFON氫鍵氫鍵氫鍵氫鍵 若氫原子連接於電負度較大的原子HFHOHNFON氫鍵氫58水的分子間氫鍵 水的分子間氫鍵 59氨的分子間氫鍵 氨的分子間氫鍵 60冰中的四面體結構(A)氧原子位於四面體的中心 冰中的四面體結構(A)氧原子位於四面體的中心 61水分子之間以氫鍵形成冰的結構(B)許多水分子之間以氫鍵形成冰的結構，結構中存在較大的孔洞水分子之間以氫鍵形成冰的結構(B)許多水分子之間以氫鍵形成冰62分子內氫鍵柳醛和順丁烯二酸會產生分子內氫鍵 分子內氫鍵柳醛和順丁烯二酸會產生分子內氫鍵 63例題2-2例題2-264例題 2-2 答案具有分子內氫鍵：例題 2-2 答案具有分子內氫鍵：65蛋白質的螺旋 蛋白質的螺旋是因分子內氫鍵而形成 蛋白質的螺旋 蛋白質的螺旋是因分子內氫鍵而形成 66第14至17族:化合物沸點 第14至17族:化合物沸點 67例題2-3寫出下列各類分子可能存在的分子間作用力：(1)CO2 (2)H2O (3)CHCl3答：(1)分散力。(2)氫鍵、偶極偶極力、分散力 (3)偶極偶極力、分散力例題2-3寫出下列各類分子可能存在的分子間作用力：答：(168練習2-2 XH4、XH3、H2X及HX（X為第14至17族元素）的沸點數據如右圖所示。試解釋 H2O、HF和NH3的沸點較同族氫化物高的現象。答：XH4中，其沸點大小順序與分子量的順序相同。但在XH3、H2X及HX中，NH3、H2O及HF則有反常地增大現象，其原因為氫若接在電負度較大的原子（如氟、氧、氮等）時，則分子間會有氫鍵產生之故。練習2-2 XH4、XH3、H2X及HX（X答：XH4中，其69練習2-3 醋酸（CH3COOH）的分子結構為 ，分子 量是60，但實際測量時，所得數據往往較60為高，試解釋可能的原因。答：部分醋酸分子會以氫鍵形成二聚分子，如右圖，因此測得分子量較60大。練習2-3 答：部分醋酸分子會以氫70各種晶體類型及其作用力 各種晶體類型及其作用力 71甲烷水包合物(1)甲烷水包合物(1)72甲烷水包合物(2)甲烷水包合物(Methane Clathrate)亦稱為甲烷水合物或甲烷冰，為甲烷分子圍困於固態水晶格所形成的籠子中。此晶格為固態水分子彼此以氫鍵吸引的方式所形成，其形狀有如籠子。甲烷水包合物大部分存在地球海洋底部的沉澱物下，少部分存於永久凍土中。氣體水包合物除了甲烷水包含物外，火星上也發現有二氧化碳水包合物。甲烷水包合物(2)甲烷水包合物(Methane Clathr73甲烷水包合物(3)據目前估計，全球甲烷水包合物的甲烷含量大約有20千兆立方公尺（20 1015 m3），其所能提供的有機碳能源是全球已知所有石油、天然氣等化石燃料能源總量的兩倍。這龐大的能源若能有效的開發與利用將可解決日益缺乏的化石燃料。甲烷水包合物(3)據目前估計，全球甲烷水包合物的甲烷含量大約74單選題 16.右圖為碳六十分子的示意圖，其碳原子的混成軌域與下列何者的碳原子最為接近？(A)鑽石(B)石墨(C)二氧化碳(D)聚乙烯答：(B)單選題 16.右圖為碳六十分子的示意圖，其碳原子的答：(B75單選題 2.金屬A晶體是以右圖的方式堆疊而成，關於此金屬晶體的敘述，何者正確？(A)為六方最密堆積(B)已知鹼金屬（Li、Na、K、Rb、Cs）晶體都屬體心立方，與金屬A堆積方式相同(C)單位晶格含原子數4個(D)原子半徑a cm，則單位晶格邊長為 cm答：(C)(A)為面心立方最密堆積；(D)原子半徑a cm，則單位晶格邊長為 cm 單選題 2.金屬A晶體是以右圖的方式堆答：(C)76單選題 4.右下圖為面心立方結構，其中黃色球位在六個面的中心，紅色球位在八個頂點，試問每顆黃色球在單位晶格內的體積與整顆球體積的比例為何？(A)1 (B)1/2(C)1/4(D)1/8答：(B)單選題 4.右下圖為面心立方結構，其中黃色球位在六個面的中77單選題 7.含A、B、X三元素的某化合物之結構如右圖，則此化合物之化學式為下列哪一個？(A)ABX (B)AB2X4(C)AB2X2 (D)ABX3(E)ABX4答：(D)A：1B：8 1/8 1X：12 1/4 3 化合物之化學式為 ABX3 單選題 7.含A、B、X三元素的某化合物之結構如右圖，則此78習題5.氟化氙晶體的單位晶格如右下圖，試由圖中判定其化學式。答：Xe：體心及8個角，故共有1 1/8 8 2個。F：單元體內有2個（在體心的上方和下方），邊有8個，故共有2 1/4 8 4個。其化學式為XeF2習題5.氟化氙晶體的單位晶格如右下圖，試由圖中判定其化學式。79單選題 8.在氯化鈉結晶格子中，每一個氯離子周圍，有六個最靠近的鈉離子；而每一個鈉離子周圍，有六個最靠近的氯離子。試問每一個氯離子周圍，最靠近的氯離子有幾個？(A)6(B)8(C)10 (D)12答：(D)單選題 8.在氯化鈉結晶格子中，每一個氯離子周圍，有六個最80單選題 15.下列有關H2O、CS2、Na2S、SiO2物質的沸點高低排列順序，何者正確？(A)SiO2Na2SH2OCS2(B)Na2SH2OSiO2CS2(C)Na2SH2OCS2SiO2(D)SiO2Na2SCS2H2O(E)Na2SSiO2CS2H2O答：(A)沸點：網狀固體離子晶體分子間氫鍵分子間凡得瓦力單選題 15.下列有關H2O、CS2、Na2S、SiO2物81習題 6.寫出下列每一物質的分子間主要作用力，並解釋下列各項中的哪一種物質擁有較高的沸點：(1)n-C7H16，n-C8H18(2)C2H5OH，C2H5SH(3)O3，CH3OCH3(4)C2H6，N2H4習題 6.寫出下列每一物質的分子間主要作用力，並解釋下列各項82習題 6.答案(1)答：(1)n-C7H16，n-C8H18：分散力，n-C8H18的沸點較高（接觸面較大）。(2)C2H5OH，C2H5SH：C2H5OH間有氫鍵，C2H5SH的分子間有偶極偶極力。C2H5OH的沸點較高。習題 6.答案(1)答：83習題 6.答案(2)答：(3)O3，CH3OCH3：O3間主要為偶極 偶極力，甲醚的分子間有偶極偶極力，因甲醚接觸面積大，故沸點較高。(4)C2H6，N2H4：C2H6分子間為分散力，N2H4分子間有偶極偶極力，故N2H4的沸點較高。習題 6.答案(2)答：84多選題 5.氫鍵是生物體內一種重要的化學鍵，去氧核糖核酸的雙螺旋結構就是利用氫鍵來維繫的。下列用點線表示的鍵結（不考慮鍵角），哪些是氫鍵？答：(C)(E)多選題 5.氫鍵是生物體內一種重要的化學鍵，去氧核糖核酸的85多選題 6.氫鍵可能出現於同一分子內，下列何者具有分子內氫鍵？答：(A)(B)(E)多選題 6.氫鍵可能出現於同一分子內，下列何者具有答：(A86