11.15: 分子和离子晶体

结晶固体分为四种类型：分子，离子，金属和原子晶体 (基于组成单位类型及其粒子间交互)。

分子晶体

冰，糖 (表糖) 和碘等分子结晶固体是由中性分子组成的固体。 这些分子由弱分子间作用力 (如伦敦色散力) ，偶极 - 偶极相互作用或氢键 (决定其性质) 组成 (表 1)。

不同晶体中存在的单位之间的吸引力强度差异很大，这反映在这些晶体的熔点中。

• 小的对称非极性分子，如 H₂ ， N₂ ， O₂ 和 F₂ ， 具有弱色散力和成形分子晶体，且熔点非常低 (低于 −200 °C)。 由较大的非极性分子组成的物质具有较大的吸引力，并在较高的温度下熔化。
•  由极性分子组成的分子晶体，具有永久偶极时刻，在更高的温度下熔化。 例如固体 SO2 和糖桌。 分子间氢键主要负责维护这种分子晶体的三维晶格，如冻水或冰中所示。

分子晶体的性质依赖于三个维度内对其成分单位 (分子) 的有效堆积。 由于分子间作用力与接触相关，成分分子的更高对称性可确保在晶体结构中使用高分子间吸引力进行紧密，紧凑的填料。 这将增加熔点。 分子的对称性越低，它们的堆积效率就越低。 因此，分子间作用力没有那么有效，而熔点更低。

离子晶体

离子结晶固体 (如氯化钠) 由正负离子组成，这些离子由强静电吸引力固定在一起。

由于声波吸引力较强，离子晶体具有较高的熔点。 离子晶体中阳离子和阴离子之间的离子相互作用强度可由静电力估算，由库仑定律提供：

在这里， K 是一个比例常数， r 是电荷之间的距离，而 Q_A 和 Q_C 分别代表阴离子和阳离子的电荷。 阳离子和阴离子的电荷越高，离子吸引力的力越强。 同样，晶格中的阴离子和阳离子的紧密堆积会缩短电荷之间的距离，从而使离子吸引力的力更强。

离子晶体是坚硬的，它们也往往是脆性的，它们是碎落而不是弯曲的。 其脆性归因于晶格中存在吸引 (阳离子) 和排斥 (阳离子和阴离子) 相互作用。 由于强库仑力，离子无法自由移动，离子晶体不能导电。 但是，在熔融状态下或溶解在水中时，离子可以自由移动，导电也可以。

表 1.  分子和离子晶体的特征。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第10.5节：物质的固态。

分子固体是一种以分子或原子 为构成粒子的结晶固体，通过氢键、色散力或偶极-偶极相互作用 等非离子分子间力 结合在一起。这些分子间力的强度 决定了分子固体的性质。总体而言，这些固体往往较软，熔点低，导热率和导电率低。非极性或净非极性分子固体 如固体氮或干冰）主要通过弱色散力 结合在一起。这类固体熔点很低，容易升华。极性分子固体（如冰和固体二氧化硫）表现出有氢键和偶极-偶极相互作用。这类固体具有相对较高的熔点，并且在标准温度和压力下 以软固体或挥发性液体的形式存在。分子间力强度如何影响分子固体性质 的另一个例子 是固体碘。较大分子之间 某些分子间力强度的增强 反映在碘的性质上。虽然它们都是非极性固体，但碘的熔点比固体氮的熔点 要高得多。离子固体是 以带电物种或离子作为组成粒子的结晶固体，通过强静电力 结合在一起。例如，氯化钠是由钠阳离子和氯阴离子 组成的离子固体。离子固体的堆积 使带相反电荷的离子之间的相互作用最大化，使带相同电荷的离子之间的相互作用最小化。这通常被可视化为一组离子在格点上，而带相反电荷的离子占据了 它们之间的部分或全部空间，或间隙位置。由于强库仑相互作用，离子固体具有较高的熔化温度。离子间的相互作用通常随着 电荷的增加或离子尺寸的减小而增强。例如，氯化铯在 645°C 时熔化，氯化钠在 801°C 时熔化，这可归因于较小的钠阳离子 使堆积更紧密。离子电荷较高的氧化钙在 2572°C 时熔化。