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金属晶体中,构成晶体的微粒既有金属原子,又有金属阳离子,且二者不断转换,晶体中自由电子与金属离子间的电性作用形成了金属键。
因此晶体中有阳离子,不一定有阴离子,如金属晶体。
金属键强弱相差很大(主要由阳离子半径大小决定),因此金属晶体的熔、沸点、硬度等物理性质相差极大,它与其他类晶体相比很特殊,有的晶体熔沸点很低,甚至小于分子晶体如金属汞、碱金属等;
有的金属熔沸点很高,甚至高于原子晶体如金属钨。
答案:
A
二、物质熔沸点比较及规律
物质的熔沸点取决于晶体中微粒间的作用力大小。
作用力越大,熔沸点越高。
不同晶体中微粒间作用力不同,影响作用力的因素不同,所以比较物质熔沸点,首先要分清晶体类型。
对于不同种类晶体:
一般情况下,微粒间作用力大小排序是共价键>
离子键>
范德华力,所以熔沸点高低排序是:
原子晶体>
离子晶体>
分子晶体。
对于同类晶体:
离子晶体:
微粒间作用力是离子键,影响离子键强弱的因素很多,主要是离子半径和离子电荷数。
例如NaCl和KCl,因Na+半径小于K+半径,所以NaCl中离子键比KCl中离子键强,NaCl的熔沸点高于KCl。
原子晶体:
微粒间作用力是共价键,影响共价键强弱的因素是原子半径,原子半径越小、键长越短,键能越大,共价键越强,晶体熔沸点越高。
例如比较原子晶体金刚石,碳化硅(SiC)和晶体硅的熔点。
碳原子半径小于硅原子半径,所以键长长短顺序为:
C—C<
C—Si<
Si—Si,共价键强弱顺序为C—C>
C—Si>
Si—Si。
所以,熔点顺序是:
金刚石>
碳化硅>
硅晶体。
分子晶体:
微粒间作用力是范德华力,影响范德华力大小的因素很多,对于组成和结构相似的分子来说主要是分子量。
例如比较分子晶体F2、Cl2、Br2、I2的熔点。
因为它们是分子晶体,微粒间作用力是范德华力,又由于它们在组成和结构相似,所以分子量越大范德华力越大,熔点越高。
熔点高低排序为:
F2<
Cl2<
Br2<
I2。
综上所述,比较物质熔沸点时一定要先分清晶体类型,以免张冠李戴,因果错判。
对于分子晶体来说,范德华力(分子间力)影响其物理性质,共价键影响其化学性质。
所以,对于分子晶体来说物理变化破坏范德华力(分子间力),化学变化破坏共价键。
例如,I2的升华,破坏碘分子间作用力。
I2的分解,破坏了碘分子内I—I共价键。
对于离子晶体和原子晶体不管物理变化还是化学变化,都破坏了化学键。
例题分析:
晶体类型
晶体
B
C
D
E
熔点(℃)
-269.7
800.4
------------
约3527
沸点(℃)
-268.9
1413
78.5升华
约4227
100
不导电
(固)不导电
(液)导电
极弱
晶体类型
分子
离子
原子
结点微粒
微粒间作用
范德华力
离子键
共价键
例2.描述下列各组物质的熔、沸点变化规律,并说明其原因。
A.CH3CH2CH3、CH3CH2CH2CH3、CH3CH2CH2CH2CH3(升高,分子量增大,分子间作用力增大。
)
B.CH3CH2CH2CH2CH3、(CH3)2CHCH2CH3、C(CH3)4(降低,支链多,分子间作用力减弱。
C.HCl、HBr、HI(升高,分子量增大,分子间作用力增大。
)
D.NaF、MgF2、MgO(升高,离子间作用力增强。
)
E.Na、Mg、Al(升高,金属阳离子与自由电子之间作用力增大。
F.C、SiC、Si(降低,共价键键能逐渐减小。
三、几种常见的晶体结构
(一)离子晶体
1、氯化钠晶体
NaCl晶体是一种简单立方结构——Na+和Cl-交替占据立方体的顶点而向空间延伸。
在每个Na+周围最近的且距离相等的Cl—有6个(上、下、左、右、前、后),在每个Cl—周围最近的且距离相等Na+也有6个;
在每个Na+周围最近的且距离相等的Na+有12个(同层4个,上层4个,下层4个),在每个Cl—周围最近的且距离相等的Cl—亦有12个。
如下图所示:
2、氯化铯晶体
CsCl晶体是一种体心立方结构——每8个Cs+和8个Cl-各自构成立方体,在每个立方体的中心有一个异种离子(Cs+或Cl-)。
在每个Cs+周围最近的且距离相等的Cl—有8个,在每个Cl—周围最近的且距离相等Cs+也有8个;
在每个Cs+周围最近的且距离相等的Cs+有6个(上、下、左、右、前、后),在每个Cl—周围最近的且距离相等的Cl—亦有6个。
(二)原子晶体
1、金刚石晶体
金刚石晶体是一种立体的空间网状结构——每个C原子与另外4个相邻的C原子以共价键结合,构成一个正四面体结构单元,前者位于正四面体中心,后四者位于正四面体的四个顶点。
晶体中所有C—C键长相等,键角相等(均为109°
28′);
晶体中最小碳环由6个C原子组成且六者不在同一平面内,形成立体的六元环状结构。
晶体中每个C原子参与了4条C—C键的形成,而在每条键中的贡献只有一半,故原子个数与C—C键数之比为1∶(4×
1/2)=1∶2。
2、二氧化硅晶体
每个Si原子与相邻的4个O原子以共价键相结合,前者在正四面体的中心,后四者在正四面体的四个顶点。
如图:
正四面体内Si—O键角为109°
28′。
每个正四面体占有一个完整的Si原子、四个“半O原子”,故晶体中Si原子与O原子个数比为1:
(4×
二氧化硅晶体相当于金刚石晶体中的C原子换成Si原子,同时在每两个Si原子中心连线上的中间加上一个O原子。
二氧化硅晶体中最小的封闭环上有12个原子(6个Si原子和6个O原子)。
(三)混合型晶体——石墨晶体
石墨晶体是一种混合型晶体——层内存在共价键,层间以范德华力结合,兼具有原子晶体、金属晶体、分子晶体的特征和特性。
在层内,每个C原子与3个C原子形成C—C键,构成平面正六边形,键长相等,键角相等(均为1200);
在晶体中,每个C原子参与了3条C—C键的形成,而在每条键中的贡献只有一半,故每个正六边形平均只占有6×
1/3=2个C原子,C原子个数与C—C键数之比为1∶(3×
1/2)=2∶3。
(四)分子晶体
1、二氧化碳晶体——干冰
干冰晶体是一种立方面心结构——每8个CO2分子构成立方体且在6个面的中心又各有1个CO2分子,如下图。
在每个CO2周围等距离且最近的CO2有12个(同层4个、上层4个、下层4个)。
2、C60
C60是以60个碳原子作为顶点,组成的一个32面体。
其中12个面是正五边形,20个面是正六边形。
是一个像足球一样的多边形体,如图1与图3所示。
在这样的分子中,每个碳原子与其它三个相邻的碳原子直接相连,等价地组成一个五元环和两个六元环。
由于它具有这种特殊结构,因此现在更形象地称它为足球烯(footballene,soccerballene)。
C60与金刚石、石墨互为同素异形体。
C60分子间通过范德华力形成分子晶体,熔、沸点较低,硬度较小,易溶于苯、酒精等有机溶剂。
C60本身有着无数优异的性质,它本身就是半导体,掺杂后可变成临界温度很高的超导体,由它所衍生出来的碳微管比相同直径的金属强度高100万倍。
现实世界中的足球以其无尽的魅力倾倒了无数人,而小小的“足球烯”也正以另一种形式影响和改变着这个世界。
图1 图2 图3
和C60分子有关的“碗烯”(corranulene)分子,C20H10,具有一个由五个正六边形环绕的正五边形结构,如图2所示。
它的分子构型像一个碗,很稳定。
而足球烯分子的表面,就存在着这样的12个正五角形单元。
(五)金属晶体
金属原子结构的共同特征是:
①最外层电子数较少,一般在4个以下;
②原子半径较大。
这种结构特点使其原子易失去价电子而变成金属阳离子,释放出的价电子在整个晶体中可以自由运动,被称为“自由电子”。
它不再属于哪个或哪几个指定的金属离子,而是整块金属的“集体财富”,它们在整个晶体内自由运动,所以有人描述金属内部的实际情况是“金属离子沉浸在自由电子的海洋中”,这种描述正是自由电子的特征决定的。
金属阳离子与自由电子之间存在着较强的作用,因而使金属离子相互结合在一起,形成金属晶体。
金属晶体的结构也可看作是等径的小球层状紧密堆积。
例3、下列有关金属元素特征的叙述正确的是
A、金属元素的原子只有还原性,离子只有氧化性
B、金属元素在一般化合物中只显正价
C、金属元素在不同的化合物中的化合价均不同
D、金属元素的单质在常温下均为金属晶体
解析:
A、对于变价金属中,较低价态的金属离子既有氧化性,又有还原性,如Fe2+。
B、金属元素的原子只具有还原性,故在化合物中只显正价。
C、金属元素有的有变价,有的无变价,如Na+。
D、金属汞常温下为液体。
故正确答案为选项B。
例4.现有甲、乙、丙三种晶体的晶胞:
(甲中x处于体心,乙中a处于体心)可推知:
甲晶体中x与y的个数比是 ,乙中a与b的个数比是 ,丙晶体的一个晶胞中有 个C离子,有 个d离子。
求离子晶体的晶胞中阴阳离子个数比的方法:
顶点微粒数×
,棱心微粒数×
,面心微粒数×
,体心微粒数×
1,则:
甲中:
x∶y=1∶(4×
)=2∶1;
乙中:
a∶b=1∶(8×
)=1∶1
丙中:
C离子:
12×
+1=4个;
d离子:
8×
+6×
=4个
例5 BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料,曾用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验,它是锗酸铋的简称。
若知:
①在BGO中,锗处于其最高价态;
②在BGO中,铋的价态与铋跟氯形成某种共价氯化物时所呈的价态相同,在此氯化物中铋具有最外层8电子稳定结构;
③BGO可看成由锗和铋两种元素的氧化物所形成的复杂氧化物,且在BGO晶体的化学式中,这两种氧化物所含氧的总质量相同。
请填空:
⑴ 锗和铋的元素符号分别是 和 。
⑵ BGO晶体的化学式是 。
⑶ BGO晶体中所含铋氧化物的化学式是 。
解析 本题为考查物质结构的综合试题。
从化学键的高度认识化合价实质至关重要。
⑴ 必须熟练掌握主族元素的名称和元素符号,越是不常见的元素,越要格外重视。
⑵ BGO晶体化学式的确定要从两个方面突破。
一是Bi的价态,因为铋为变价金属元素;
二是氧化锗与氧化铋物质的量之比。
由已知①确定
为+4价;
由已知②确定铋的氯化物为BiCl3,铋才满足最外层8电子的稳定结构,氧化物与氯化物中铋的化合价相同,则晶体BGO中铋为+3价;
由条件③中可知两种氧化物中含氧元素质量相同,应迅速转化为氧化物中氧原子数相同,由此可确定两种氧化物的物质的量之比,化学式可知。
注意:
含氧酸盐从组成上可看成是酸性氧化物与碱性氧化物所形成,注意只是从化合价上可以这样看,与其结构真实性无关,不要误解,更不能由此将含氧酸盐看成混合物。
解答 ⑴ Ge、Bi ⑵ 2Bi2O3·
3GeO2或Bi4(GeO4)3 ⑶ Bi2O3
参考练习
1.下列晶体熔化时化学键没有被破坏的是( )
(A)NaCl (B)冰 (C)白磷 (D)SiO2
2.下列各组物质的熔点皆由高到低排列,其原因是键能渐小排列的一组是( )
(A) MgO、NaF、HF (B)HI、HBr、HCl
(C) Al、Na、干冰 (D)金刚石、碳化硅、晶体硅
3.下列叙述正确的是
A同主族金属的原子半径越大,熔点越高
B稀有气体原子序数越大,沸点越高
C分子间作用力越弱,分子晶体的熔点越低
D同周期元素的原子半径越小,越容易失去电子
4.下列物质中属于分子晶体的是
A氯化铵 B白磷 C铝 D二氧化硅
5.已知氢化锂(LiH)属于离子晶体,LiH跟水反应可以放出氢气,下列叙述正确的是
A LiH的水溶液显碱性
B LiH是一种强氧化剂
C LiH中的氢离子可以被还原成氢气
D LiH中氢离子与锂离子的核外电子排布相同
6.下列各组物质中,按熔点由低到高排列正确的是
A O2 I2 Hg B CO2 KCl SiO2
C Na K Rb D SiC NaCl SO2
7.下列关于晶体的叙述不正确的是
A 在NaCl晶体中每个Na+(或Cl-)周围紧邻有6个Cl-(或Na+)
B 在CsCl晶体中每个Cs+周围紧邻有8个Cl-,而和每个Cs+周围紧邻也有8个Cs+
C 金刚石网状结构中共价键形成的碳原子环,最小的环上有6个碳原子
D 石墨晶体中每一层都由无数正六边形组成,平均每个正六边形占有2个碳原子
8.根据离子晶体的晶胞(晶体中最小重复单位),求阴、阳离子个数比的方法是:
(1)处于顶点的离子,同时为8个晶胞共有,每个离子有1/8属于晶胞;
(2)处于棱上的离子,同时为4个晶胞共有,每个离子有1/4属于晶胞;
(3)处于面上的离子,同时为2个晶胞共有,每个离子有1/2属于晶胞。
现有甲、乙、丙、丁四种晶体,离子排列方式如图所示,其中化学式不正确的是
9、2001年报道硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。
下左图示意的是该化合物的晶体结构单元:
镁原子间形成正六棱柱,且棱柱的上下底面还各有一个镁原子;
6个硼原子位于棱柱内。
则该化合物的化学式可表示为
A.MgB B.MgB2 C.Mg2B D.Mg3B2
10.已知药剂乌洛托品是一种有机生物碱,该共价化合物含C、H、N三种元素;
每个分子内有四个N原子,且四个N原子排列成内空的四面体(如白磷分子);
每2个N原子间都镶嵌着一个C原子,又知其分子内没有C-C单键和C=C不饱和键,则
⑴ 该化合物的分子式_______;
⑵ 已知其分子结构如上右图所示,请在图上用“○”表示C原子,用“●”表示N原子。
该化合物分子中共有________个六元环。
11.如图:
晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体的原子晶体,其中含有20个等边三角形和一定数目的顶角,每个顶角上各有1个原子,
试观察右边图形,回答:
这个基本结构单元由________个硼原子组成,键角是____,
共含有____个B-B键。
12、石墨的片层结构由正六边形组成(如右图所示),平均每个六边形所含碳原子数为______个,所含边数为_______条,右图是石墨平面层状结构的一个片断,图中这七个六边形共拥有________个碳原子,______条边。
13、下图为高温超导领域中的一种化合物——钙钛矿(氧化物)晶体结构中具有代表性的最小重复单元。
(1)在该物质的晶体中,每个钛离子周围与它最接近且距离相等的钛离子共有______个。
(2)该晶体结构中,氧、钛、钙的离子个数比是____________。
14.中学教学上图示了NaCl晶体结构,它向三维空间延伸得到完美晶体。
NiO(氧化镍)晶体的结构与NaCl相同,Ni2+与最邻近O2-的核间距离为a×
10-8cm,计算NiO晶体的密度(已知NiO的摩尔质量为74.7g/mol)
15.在某种NiO晶体中就存在如右图所示的缺陷:
一个Ni2+空缺,另有两个Ni2+被两个Ni3+所取代。
其结果晶体仍呈电中性,但化合物中Ni和O的比值却发生了变化。
某氧化镍样品组成为Ni0.97O,试计算该晶体中
Ni3+与Ni2+的离子数之比。
参考练习答案
1、B、C 2、D 3、B、C 4、B 5、A、D 6、B 7、B
8、A 9、B 10、C6H12N4;
4 11、12;
60°
;
30
12、2;
3;
14;
21 13、6;
3∶1∶1
14、
15、Ni3+∶Ni2+==6∶91
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