Chapter 2 晶　　體

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

學習概念圖

2-1共價網狀晶體 共價網狀晶體 共價網狀晶體 金剛石 石墨 試題演練

2-2金屬 金屬原子的堆積情形 金 屬 最密堆積 單位晶格 例題 試題演練

2-3離子晶體 離子晶體 晶格能 堆積方式 離子晶體 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

2-4分子晶體 分子晶體 分子晶體 分子晶體的特性

2-5分子間作用力 分子間作用力 氫鍵 試題演練 偶極 — 偶極力 分子間作用力 偶極 — 誘導偶極力 分散力 水和氨-分子間氫鍵 惰性氣體及直鏈烷類的沸點 分散力 水和氨-分子間氫鍵 甲烷水包合物 冰的結構 分子內氫鍵 氫鍵 蛋白質的α－螺旋 試題演練 第14-17族:化合物沸點 各種晶體類型及其作用力 例題

The End

2-1 共價網狀晶體

共價網狀晶體(1)

共價網狀晶體(2)

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(2)

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(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(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σ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π鍵。

石墨的兩種共振結構(1)

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。

石墨同一層碳原子：π鍵 石墨同一層碳原子： (A)未混成的p軌域；(B)結合而成π鍵。

石墨的性質 同一層碳原子眾多的p軌域形成π鍵時，由於共振，電子可在π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

2-2 金屬

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

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。

最密堆積中的第三層(1) (A) (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

最密堆積中的第三層(2) (B) (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

六方最密堆積 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

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。

單位晶格

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 Å，試求： (1) 晶體之密度 (2) 鋁原子的半徑

例題 2-1 答案

2-3 離子晶體

離子晶體

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。

堆積方式(1)

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

離子半徑比與晶體結構的關係

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

氯化鈉單位晶格的三種表示圖 (C)切割後的填充式模型 (B)球-棍模型 (A)填充模型 較能看清兩種離子間的內部規律排列 較接近實際情況 較能看出單位晶格內的原子數

氯化鈉中氯離子的三層排列

氯化鈉晶體~面心立方堆積 (A)氯離子呈面心立方堆積 (B)鈉離子呈面心立方堆積

氯化銫的單位晶格示意圖

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

2-4 分子晶體

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。

2-5 分子間作用力

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 分為 偶極 — 偶極力 偶極 — 誘導偶極力 分散力

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生的作用力

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(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。

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。

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。

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

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

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。

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。 氫鍵 F H F 氫鍵 O

水的分子間氫鍵

氨的分子間氫鍵

冰中的四面體結構 (A)氧原子位於四面體的中心

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

分子內氫鍵 柳醛和順丁烯二酸會產生分子內氫鍵

例題 2-2

例題 2-2 答案 具有分子內氫鍵：

蛋白質的α－螺旋 蛋白質的α－螺旋是因分子內氫鍵而形成

第14至17族:化合物沸點

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。 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

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2-3 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。

各種晶體類型及其作用力

甲烷水包合物(1)

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(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。

單選題 16. 右圖為碳六十分子的示意圖，其碳原子的 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 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 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 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 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：1 B：8 × 1/8 ＝1 X：12 × 1/4 ＝3 化合物之化學式為 ABX3

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

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 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) SiO2＞Na2S＞H2O＞CS2 (B) Na2S＞H2O＞SiO2＞CS2 (C) Na2S＞H2O＞CS2＞SiO2 (D) SiO2＞Na2S＞CS2＞H2O (E) Na2S＞SiO2＞CS2＞H2O 答：(A) 沸點： 網狀固體＞離子晶體＞分子間氫鍵＞分子間凡得瓦力

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. 答案(1) 答： (1) n-C7H16，n-C8H18：分散力， n-C8H18的沸點較高（接觸面較大）。 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(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， 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。

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？ 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 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)