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高中化学物质结构离子晶体
第四节 离子晶体
[学习目标定位] 1.熟知离子键、离子晶体的概念,知道离子晶体类型与性质的联系。
2.认识晶格能的概念和意义,能根据晶格能的大小,分析晶体的性质。
一 离子晶体
1.结合已学知识和教材内容,填写下表:
物质名称
金刚石
干冰
金属镁
食盐
构成微粒
碳原子
CO2分子
Mg2+、自由电子
Na+和Cl-
微粒间作用力
共价键
范德华力
金属键
离子键
物质类别
非金属单质
共价化合物
金属单质
离子化合物
晶体类型
原子晶体
分子晶体
金属晶体
离子晶体
(1)离子晶体的概念是阴、阳离子通过离子键而形成的晶体。
构成离子晶体的微粒是阴离子和阳离子,微粒间的作用力是离子键。
(2)由于离子间存在着无方向性的静电作用,每个离子周围会尽可能多地吸引带相反电荷的离子以达到降低体系能量的目的。
所以,离子晶体中不存在单独的分子,其化学式表示的是离子的个数比,而不是分子组成。
2.离子晶体的结构
(1)离子晶体中,阴离子呈等径圆球密堆积,阳离子有序地填在阴离子的空隙中,每个离子周围等距离地排列着异电性离子,被异电性离子包围。
一个离子周围最邻近的异电性离子的数目,叫做离子晶体中离子的配位数。
(2)观察分析表中离子晶体的结构模型,填写下表:
晶体结构模型
配位数
Cl-和Na+配位数都为6
Cl-和Cs+配位数都为8
配位数:
F-为4,Ca2+为8
晶胞中微粒数
Na+、Cl-都为4
Cs+、Cl-都为1
Ca2+为4、F-为8
阴、阳离子个数比
1∶1
1∶1
2∶1
化学式
NaCl
CsCl
CaF2
(3)在NaCl晶体中,每个Na+周围最近且等距离的Na+有12个,每个Cl-周围最近且等距离的Cl-也有12个。
在CsCl晶体中,每个Cs+周围最近且等距离的Cs+有6个,每个Cl-周围最近且等距离的Cl-也有6个。
3.问题讨论
(1)在NaCl和CsCl两种晶体中,阴阳离子的个数比都是1∶1,都属于AB型离子晶体,为什么二者的配位数不同、晶体结构不同?
答案 在NaCl晶体中,正负离子的半径比r+/r-=0.525,在CsCl晶体中,r+/r-=0.934,由于r+/r-值的不同,结果使晶体中离子的配位数不同,其晶体结构不同。
NaCl晶体中阴、阳离子的配位数都是6,CsCl晶体中阴、阳离子的配位数都是8。
r+/r-数值越大,离子的配位数越高。
(2)为什么在NaCl(或CsCl)晶体中,正负离子的配位数相同;而在CaF2晶体中,正负离子的配位数不相同?
答案 在NaCl、CsCl晶体中,正负离子的配位数相同,是由于正负离子电荷(绝对值)相同,因而正负离子的个数相同,结果导致正负离子的配位数相同;若正负离子的电荷数不相同,正负离子的个数必定不相同,结果正负离子的配位数就不会相同。
如CaF2晶体中,Ca2+的配位数为8,F-的配位数为4,离子所带电荷越多,配位数越多。
(3)根据离子晶体的形成,推测离子晶体具有怎样的特性?
答案 离子晶体是由阴、阳离子间通过较强的离子键而形成的,所以离子晶体具有较高的熔、沸点,难挥发,硬度较大,离子晶体不导电,熔化或溶于水后能导电。
大多数离子晶体能溶于水,难溶于有机溶剂。
[归纳总结]
[活学活用]
1.
已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体,其晶胞如图所示,X、Y、Z分别处于立方体的顶点、棱边的中点、立方体的体心。
则下面关于该化合物的说法正确的是( )
A.该晶体的化学式为ZXY3
B.该晶体的熔点一定比金属晶体熔点高
C.每个X周围距离最近的Y有8个
D.每个Z周围距离最近的X有16个
答案 A
2.下列性质适合于离子晶体的是( )
①熔点1070℃,易溶于水,水溶液能导电 ②熔点10.31℃,液态不导电,水溶液能导电 ③能溶于CS2,熔点112.8℃,沸点444.6℃ ④熔点97.81℃,质软,导电,密度0.97g·cm-3 ⑤熔点-218℃,难溶于水
⑥熔点3900℃,硬度很大,不导电 ⑦难溶于水,固体时导电,升温时导电能力减弱 ⑧难溶于水,熔点高,固体不导电,熔化时导电
A.①⑧B.②③⑥C.①④⑦D.②⑤
答案 A
解析 离子晶体液态时能导电,难溶于非极性溶剂,熔点较高、质硬而脆,固体不导电,故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点;⑥中熔点达3900℃,硬度很大应是原子晶体。
故只有①⑧符合题意。
二 晶格能
1.晶格能的概念:
离子晶体的晶格能是气态离子形成1_mol离子晶体释放的能量。
晶格能通常取正值,单位kJ·mol-1。
2.观察分析下表,回答下列问题:
离子化合物
NaBr
NaCl
MgO
离子电荷数
1
1
2
核间距/pm
298
282
210
晶格能/kJ·mol-1
747
786
3791
熔点/℃
747
801
2852
摩氏硬度
<2.5
2.5
6.5
(1)影响晶格能大小的因素有哪些?
答案 影响晶格能的因素:
离子所带的电荷数和阴、阳离子间的距离(与离子半径成正比)。
晶格能与离子所带电荷数的乘积成正比,与阴、阳离子间的距离成反比。
(2)晶格能与晶体的熔点、硬度有怎样的关系?
答案 晶格能的数据可以用来说明许多典型离子晶体的性质变化规律,晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,晶体的熔、沸点越高,硬度越大。
[归纳总结]
(1)离子晶体结构类型相同时,离子所带电荷数越多,离子半径越小,晶格能越大,晶体熔、沸点越高,硬度越大。
(2)晶格能的大小影响岩浆晶出的次序,晶格能越大,形成的晶体越稳定,岩浆中的矿物越容易结晶析出。
[活学活用]
3.下列关于晶格能的叙述中正确的是( )
A.晶格能仅与形成晶体中的离子所带电荷数有关
B.晶格能仅与形成晶体的离子半径有关
C.晶格能是指相邻的离子间的静电作用
D.晶格能越大的离子晶体,其熔点越高
答案 D
解析 晶格能与离子所带电荷数的乘积成正比,与阴、阳离子半径的大小成反比。
晶格能越大,晶体的熔、沸点越高,硬度也越大,所以A、B错,D项正确。
4.碱金属卤化物是典型的离子晶体,它的晶格能与
成正比(d0是晶体中最邻近的导电性离子的核间距)。
下面说法错误的是( )
晶格能/kJ·mol-1
离子半径/pm
①
LiF LiCl LiBr LiI
1031845 807 752
Li+ Na+ K+
60 95 133
②
NaF NaCl NaBr NaI
915 777 740 693
F- Cl- Br- I-
136 181 195 216
③
KF KCl KBr KI
812 708 676 641
A.晶格能的大小与离子半径成反比
B.阳离子相同阴离子不同的离子晶体,阴离子半径越大,晶格能越小
C.阳离子不同阴离子相同的离子晶体,阳离子半径越小,晶格能越大
D.金属卤化物晶体中,晶格能越小,氧化性越强
答案 D
解析 由表中数据可知晶格能的大小与离子半径成反比,A项正确;由NaF、NaCl、NaBr、NaI晶格能的大小即可确定B项说法正确;由LiF、NaF、KF晶格能的大小即可确定C项说法正确;表中晶格能最小的碘化物,因还原性F- 四种晶体物理性质的比较 晶体类型 金属晶体 离子晶体 分子晶体 原子晶体 定义 金属原子通过金属键形成的晶体 阴、阳离子通过离子键形成的晶体 分子间通过分子间作用力形成的晶体 相邻原子间通过共价键结合而形成的立体网状结构的晶体 结构 基本 微粒 金属阳离子、自由电子 阴离子、阳离子 分子 原子 微粒间 作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键 性质 熔、沸点 一般较高,但差异大 较高 较低 高 硬度 一般较大,但差异大 较大 较小 大 延展性 好 脆 差 差 导电性 固态能导电 熔融态或溶于水时能导电 某些溶 于水后 能导电 一般不导电,个别为半导体 溶解性 不溶 多数溶于水 相似相溶 不溶 熔化时需克 服的作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键 物质类别 金属单质和合金 离子 化合物 多数的非金属单质和共价化合物 少数的非金属单质和共价化合物 典例 K、Cu、Mg NaCl、CsCl、 CaF2 干冰、 冰、碘 金刚石、SiO2 当堂检测 1.下列有关石墨晶体的说法正确的是( ) A.由于石墨晶体导电,所以它是金属晶体 B.由于石墨的熔点很高,所以它是原子晶体 C.由于石墨质软,所以它是分子晶体 D.石墨晶体是一种混合晶体 答案 D 2.下列物质中,属于离子晶体,并且含有共价键的是( ) A.CaCl2B.MgO C.N2D.NH4Cl 答案 D 3.下列说法中正确的是( ) A.固态时能导电的物质一定是金属晶体 B.熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体 C.水溶液能导电的晶体一定是离子晶体 D.固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体 答案 D 解析 四种晶体在不同状态下的导电性区别如下: 分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体 固态 不导电 不导电(晶体硅导电) 导电 不导电 熔融状态 不导电 不导电 导电 可导电 水溶液 有的可导电 - - 可导电 4.有一种蓝色晶体[可表示为MxFey(CN)6],经X射线研究发现,它的结构特征是Fe3+和Fe2+互相占据立方体互不相邻的顶点,而CN-位于立方体棱的上。 其晶体中阴离子的最小结构单元如图所示。 下列说法正确的是( ) A.该晶体的化学式为MFe3(CN)6 B.该晶体属于离子晶体,M呈+1价 C.该晶体属于离子晶体,M呈+2价 D.晶体中与每个Fe3+距离最近且等距离的CN-为3个 答案 B 解析 由题图可推出,晶体中阴离子的最小结构单元中含Fe2+个数为4× = ,含Fe3+个数也为 ,CN-的个数为12× =3,因此阴离子的化学式为[Fe2(CN)6]-,则该晶体的化学式只能为MFe2(CN)6,由阴、阳离子形成的晶体为离子晶体,M的化合价为+1价,故B项正确;由题图可看出与每个Fe3+最近且距离相等的CN-为6个。 5.同类晶体物质熔、沸点的变化是有规律的,试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因: 物质A NaCl KCl CsCl 熔点/K 1074 1049 918 物质B Na Mg Al 熔点/K 317 923 933 晶体熔、沸点的高低,决定于组成晶体微粒间的作用力的大小。 A组是______晶体,晶体微粒之间通过________相连,粒子之间的作用力由大到小的顺序是____________。 B组晶体属于________晶体,价电子数由少到多的顺序是______________,离子半径由大到小的顺序是______________。 金属键强弱由小到大的顺序为______________。 答案 离子 离子键 NaCl>KCl>CsCl 金属 Na 解析 A组NaCl、KCl、CsCl为同一主族的卤化物且为离子化合物,故熔点与离子键的强弱有关,离子键越弱,熔点越低。 而Na+、K+、Cs+的离子半径逐渐增大,故Na+与Cl-、K+与Cl-、Cs+与Cl-的离子键逐渐减弱,NaCl、KCl、CsCl的熔点依次降低;而B组中Na、Mg、Al是金属晶体且价电子数依次增多,离子半径逐渐减小,因此金属原子核对外层电子束缚能力越来越大,形成的金属键越来越牢固,故熔点依次升高。 40分钟课时作业 [基础过关] 一、正确理解离子键与离子晶体的概念 1.下列关于离子化合物的叙述正确的是( ) A.离子化合物中都只含有离子键 B.离子化合物中的阳离子只能是金属离子 C.离子化合物如能溶于水,其所得溶液一定可以导电 D.溶于水可以导电的化合物一定是离子化合物 答案 C 解析 离子化合物中的阳离子不一定是金属离子,如NH4Cl,阳离子为NH 而不是金属离子;共价化合物溶于水也可能导电,如NH3、SO2、HCl等。 2.下列说法正确的是( ) A.离子晶体中可能含有共价键,但一定含有金属元素 B.分子晶体中一定含有共价键 C.离子晶体中一定不存在非极性键 D.含有离子键的晶体一定是离子晶体 答案 D 解析 根据离子晶体的概念可知,只要含有离子键,形成的晶体就是离子晶体,但离子晶体中不一定只含有离子键,如Na2O2中除离子键外,还含有非极性共价键,故C错,D正确;铵盐形成的晶体也是离子晶体,其中不含金属元素,如NH4Cl,故A错;由稀有气体形成的分子晶体中含范德华力而无共价键,故B错。 二、离子晶体的结构及其特征 3.元素X的某价态离子Xn+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层,它与N3-形成的晶体结构如图所示。 下列说法中错误的是( ) A.Xn+的核外电子数为19 B.该晶体中阳离子与阴离子个数比为3∶1 C.Xn+中n=1 D.晶体中每个Xn+周围有2个等距离且最近的N3- 答案 A 解析 本题主要考查晶体的结构。 利用均摊法可确定该晶体的化学式,N3-的个数为8× =1个,Xn+的个数为12× =3个,即晶体的化学式为X3N,根据电荷守恒可以确定Xn+中n=1,由Xn+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层,知Xn+为Cu+,其核外电子数为28,晶体中与Cu+等距离的N3-有2个。 综上分析可知A项错误。 4. 高温下,超氧化钾晶体呈立方体结构。 晶体中氧的化合价可看作部分为0价,部分为-2价。 如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中最小的重复单元)。 则下列说法正确的是( ) A.晶体中只存在离子键 B.超氧化钾的化学式为KO2,每个晶胞含有1个K+和1个O C.晶胞中与每个K+距离最近的O 有6个 D.晶体中所有原子之间都是以离子键结合 答案 C 解析 根据题给信息,超氧化钾晶体是面心立方晶体,超氧化钾晶体(KO2)是离子化合物,阴、阳离子分别为O 、K+,晶体中K+与O 以离子键相结合,O 中O—O键为共价键;作为面心立方晶体,每个晶胞中含有4(即8× + ×6)个K+,4(即1+ ×12)个O ;晶胞中与每个K+距离最近的O 有6个。 5.已知CaF2是离子晶体,如果用“●”表示F-;用“○”表示Ca2+,在图所示中,符合CaF2晶体结构的是( ) 答案 B 解析 在A中F-个数为4× = ,Ca2+个数为1,不符合CaF2的组成;在B中F-个数为1,Ca2+个数为4× = ,符合CaF2的组成,故B项正确;在C中F-个数为8× =1,Ca2+个数为1,不符合CaF2的组成;在D中N(Ca2+)∶N(F-)=1∶1,不符合CaF2的组成,故D项错误。 三、离子晶体的主要特性及其应用 6.根据下列实验事实,能确定某晶体一定是离子晶体的是( ) A.晶体熔点达2500℃ B.晶体不导电,溶于水导电 C.晶体不导电,熔融能导电 D.温度越高,溶解度越大 答案 C 解析 熔点为2500℃的可以是金属晶体、原子晶体或离子晶体;晶体不导电,水溶液导电可以是离子晶体或分子晶体;C正确;多数固体温度升高,溶解度增大。 7.为了确定SbCl3、SbCl5、SnCl4是否为离子化合物,可以进行下列实验,其中合理、可靠的是( ) A.观察常温下的状态,SbCl5是苍黄色液体,SnCl4为无色液体。 结论: SbCl5和SnCl4都是离子化合物 B.测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点依次为73.5℃、2.8℃、-33℃。 结论: SbCl3、SbCl5、SnCl4都不是离子化合物 C.将SbCl3、SbCl5、SnCl4溶解于水中,滴入HNO3酸化的AgNO3溶液,产生白色沉淀。 结论: SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物 D.测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的水溶液的导电性,发现它们都可以导电。 结论: SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物 答案 B 解析 离子化合物一般熔、沸点较高,熔融态可导电;分子晶体溶于水后也可以发生电离而导电,如HCl等;HCl溶于水电离产生Cl-,也能与HNO3酸化的AgNO3溶液反应,产生白色沉淀,故A、C、D都不可靠。 四、离子晶体的晶格能与其性质的关系 8.离子晶体熔点的高低决定于阴、阳离子之间的核间距离和晶格能的大小,根据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是( ) A.KCl>NaCl>BaO>CaO B.NaCl>KCl>CaO>BaO C.CaO>BaO>KCl>NaCl D.CaO>BaO>NaCl>KCl 答案 D 解析 对于离子晶体来说,离子所带电荷数越多,阴、阳离子间的核间距离越小,晶格能越大,离子键越强,熔点越高,阳离子半径大小顺序为Ba2+>K+>Ca2+>Na+;阴离子半径: Cl->O2-,比较可得只有D项是正确的。 9.根据表中给出物质的熔点数据(AlCl3沸点为260℃),判断下列说法错误的是( ) 晶体 NaCl MgO SiCl4 AlCl3 晶体硼 熔点/℃ 801 2800 -70 180 2500 A.MgO中的离子键比NaCl中的离子键强 B.SiCl4晶体是分子晶体 C.AlCl3晶体是离子晶体 D.晶体硼是原子晶体 答案 C 解析 根据表中各物质的熔点,判断晶体类型。 NaCl和MgO是离子化合物,形成离子晶体,故熔、沸点越高,说明晶格能越大,离子键越强,A项正确;SiCl4是共价化合物,熔、沸点较低,为分子晶体,硼为非金属单质,熔、沸点很高,是原子晶体,B、D项正确;AlCl3虽是由活泼金属和活泼非金属形成的化合物,但其晶体熔、沸点较低,应属于分子晶体。 10.1mol气态钠离子和1mol气态氯离子结合生成1mol氯化钠晶体释放出的热能为氯化钠的晶格能。 下列热化学方程式中,能直接表示出氯化钠晶体晶格能的是________(填序号) A.Na+(g)+Cl-(g)===NaCl(s) ΔH B.Na(s)+ Cl2(g)===NaCl(s) ΔH1 C.Na(s)===Na(g) ΔH2 D.Na(g)-e-===Na+(g) ΔH3 E. Cl2(g)===Cl(g) ΔH4 F.Cl(g)+e-===Cl-(g) ΔH5 答案 A [能力提升] 11. 如图是氯化铯晶体的晶胞(晶体中的最小重复单元),已知晶体中两个最近的Cs+离子核间距离为acm,氯化铯的相对分子质量为M,NA为阿伏加德罗常数,则氯化铯晶体的密度是( ) A. g·cm-3B. g·cm-3 C. g·cm-3D. g·cm-3 答案 C 解析 处于顶点的离子同时为8个晶胞所共有,每个离子有1/8属于1个晶胞,处于晶胞内的离子全属于该晶胞,可知1个氯化铯晶胞有1个Cs+和1个Cl-,则1mol氯化铯的体积为NAa3cm3,故氯化铯晶体的密度为 g·cm-3。 12. (1)有A、B、C三种晶体,分别由H、C、Na、Cl四种元素中的一种或几种形成,对这三种晶体进行实验,结果如下表: 熔点/℃ 硬度 水溶性 导电性 水溶液与Ag+反应 A 811 较大 易溶 水溶液或熔融导电 白色沉淀 B 3550 很大 不溶 不导电 不反应 C -114.2 很小 易溶 液态不 导电 白色沉淀 ①晶体的化学式分别为A__________,B__________,C__________。 ②晶体的类型分别是A__________,B__________,C__________。 ③晶体中微粒间作用力分别是A________,B________,C________。 (2)下面是从NaCl或CsCl晶体结构中分割出来的部分结构图,其中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图的是__________。 答案 (1)①NaCl C HCl ②离子晶体 原子晶体 分子晶体 ③离子键 共价键 范德华力 (2)①④ 解析 (1)根据A、B、C所述晶体的性质可知,A为离子晶体,只能为NaCl,微粒间的作用力为离子键;B应为原子晶体,只能为金刚石,微粒间的作用力为共价键;C应为分子晶体,且易溶,只能为HCl,微粒间的作用力为范德华力。 (2)本题考查了离子晶体的代表物质NaCl、CsCl的晶体结构。 NaCl晶体是简单立方体结构,每个Na+周围有6个Cl-,每个Cl-周围有6个Na+;与每个Na+等距离的Cl-有6个,且构成正八面体,同理,与每个Cl-等距离的6个Na+也构成正八面体,由此可知图①和④是属于从NaCl晶体中分割出来的。 13.如图,直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na+或Cl-所处的位置。 这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。 (1)请将其中代表Na+的圆圈涂黑(不必考虑体积大小),以完成NaCl晶体结构示意图。 (2)晶体中,在每个Na+的周围与它最接近的且距离相等的Na+共有________个。 (3)在NaCl晶胞中正六面体的顶点上、面上、棱上的Na+或Cl-为该晶胞与其相邻的晶胞所共有,一个晶胞中Cl-的个数等于________,即________(填计算式);Na+的个数等于__________,即________________(填计算式)。 (4)设NaCl的摩尔质量为Mrg·mol-1,食盐晶体的密度为ρg·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA。 食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为________cm。 答案 (1)答案不唯一,合理即可 (2)12 (3)4 12× +1=4 4 8× +6× =4(答案不唯一,只要与第1问对应即可) (4) · 解析 (1)如图所示: (2)从体心Na+看,与它最接近的且距离相等的Na+共有12个。 (3)根据离子晶体的晶胞,求阴、阳离子个数比的方法是均摊法。 由此可知,如图NaCl晶胞中,含Na+: 8× +6× =4个;含Cl-: 12× +1=4个。 (4)设Cl-与Na+的最近距离为acm,则两个最近的Na+间的距离为 acm,又: ·NA=Mr。 即a= 。 所以Na+间的最近距离为 · [拓展探究] 14.镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。 工业上从海水中提取镁时,先制备无水氯化镁,然后将其熔融电解,得到金属镁。 (1)以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时,常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物,其主要作用除了降低熔点之外还有____________________________________________。 (2)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。 某同学画出的MgO晶胞结构示意图如下图所示,请改正图中错误: ________________________________________________________________________ _____________________________
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