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离子晶体分子晶体和原子晶体
离子晶体、分子晶体和原子晶体
[学法指导]
在学习中要加强对化学键中的非极性键、极性键、离子键、晶体类型及结构的认识与理解;在掌握粒子半径递变规律的基础上,分析离子晶体、原子晶体、分子晶体的熔点、沸点等物理性质的变化规律;并在认识晶体的空间结构的过程中,培养空间想象能力及思维的严密性和抽象性。
同时,关于晶体空间结构的问题,很容易与数学等学科知识结合起来,在综合题的命题中具有广阔的空间,因此,一定要把握基础、领会实质,建立同类题的解题策略和相应的思维模式。
[要点分析]
一、晶体
固体可以分为两种存在形式:
晶体和非晶体。
晶体的分布非常广泛,自然界的固体物质中,绝大多数是晶体。
气体、液体和非晶体在一定条件下也可转变为晶体。
晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体。
晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列,从而使晶体内部各个部分的宏观性质是相同的,而且具有固定的熔点和规则的几何外形。
NaCl晶体结构
食盐晶体
金刚石晶体 金刚石晶体模型
钻石
C60分子
二、晶体结构
1.几种晶体的结构、性质比较
类 型
离子晶体
原子晶体
分子晶体
构成粒子
阴、阳离子
原 子
分 子
相互作用
离子键
共价键
分子间作用力
硬 度
较 大
很 大
很 小
熔沸点
较 高
很 高
很 低
导电性
溶液或熔化导电
一般不导电
不导电
溶解性
一般易溶于水
难溶水和其他溶剂
相似相溶
典型实例
NaCl、KBr等
金刚石、硅晶体、SiO2、SiC
单质:
H2、O2等
化合物:
干冰、H2SO4
2.几种典型的晶体结构:
(1)NaCl晶体(如图1):
每个Na+周围有6个Cl-,每个Cl-周围有6个Na+,离子个数比为1:
1。
(2)CsCl晶体(如图2):
每个Cl-周围有8个Cs+,每个Cs+周围有8个Cl-;距离Cs+最近的且距离相等的Cs+有6个,距离每个Cl-最近的且距离相等的Cl-也有6个,Cs+和Cl-的离子个数比为1:
1。
(3)金刚石(如图3):
每个碳原子都被相邻的四个碳原子包围,以共价键结合成为正四面体结构并向空间发展,键角都是109°28',最小的碳环上有六个碳原子。
(4)石墨(如图4、5):
层状结构,每一层内,碳原子以正六边形排列成平面的网状结构,每个正六边形平均拥有两个碳原子。
片层间存在范德华力,是混合型晶体。
熔点比金刚石高。
(5)干冰(如图6):
分子晶体。
(6)SiO2:
原子晶体,空间网状结构,Si原子构成正四面体,O原子位于Si-Si键中间。
(SiO2晶体中不存在SiO2分子,只是由于Si原子和O原子个数比为1∶2,才得出二氧化硅的化学式为SiO2)
紫水晶 大水晶
二氧化硅晶体模型
3.离子晶体化学式的确定
确定离子晶体的化学式实际上是确定晶体中粒子个数比。
其方法如下:
(1)处于顶点的粒子,同时为8个晶胞所共有,每个粒子有1/8属于该晶胞。
(2)处于棱上的粒子同时为4个晶胞共有,每个粒子有1/4属于该晶胞。
(3)处于面心上的粒子,同时为2个晶胞共有,每个粒子有1/2属于该晶胞。
(4)处于晶胞体心的粒子,则完全属于该晶胞。
4.根据物质的物理性质判断晶体的类型
(1)在常温下呈气态或液态的物质,其晶体应属于分子晶体(Hg除外),如H2O、H2等。
对于稀有气体,虽然构成物质的粒子为原子,但应看作单原子分子,因为粒子间的相互作用力是范德华力,而非共价键。
(2)在熔融状态下能导电的晶体(化合物)是离子晶体。
如:
NaCl熔融后电离出Na+和Cl-,能自由移动,所以能导电。
(3)有较高的熔、沸点,硬度大,并且难溶于水的物质大多为原子晶体,如晶体硅、二氧化硅、金刚石等。
(4)易升华的物质大多为分子晶体。
三、分子间作用力和氢键
1.分子间作用力
分子间作用力又叫范德华力,是分子与分子之间微弱的相互作用,它不属于化学键范畴。
分子间作用力广泛存在于分子与分子之间,由于相互作用很弱,因此只有分子与分子充分接近时,分子间才有作用力。
2.氢键
氢键是在分子间形成的,该分子中必须含有氢原子,且另一种原子吸引电子的能力很强且原子半径较小(具体有F、O、N三种元素),只有这样才能形成氢键。
常见的能形成氢键的分子主要有HF、H2O、NH3、乙醇等。
氢键的实质也是静电作用,氢键的强度比分子间作用力稍强,但比化学键弱的多,它仍不属于化学键范畴。
氢键对物质熔、沸点的影响结果是使物质的熔点和沸点均升高。
例如H2O和H2S的组成与结构相似,相对分子质量H2S>H2O,若仅以分子间作用力论,H2S的熔、沸点应大于H2O,可实际上H2O在常温状态下是液态,而H2S在通常状态下是气态,说明H2O的熔、沸点比H2S高,原因就是H2O分子中存在H…O键。
四、物质的熔沸点比较及规律
(1)不同类型的晶体,一般来讲,熔沸点按原子晶体>离子晶体>分子晶体。
(2)由共价键形成的原子晶体中,原子半径越小的,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。
如熔点:
金刚石>石英>碳化硅>晶体硅。
(3)离子晶体:
一般地说,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用就越强,其离子晶体的熔沸点就越高,如熔点:
MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。
(4)分子晶体:
组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,熔沸点越高;如Cl2 组成和结构不相似的物质,相对分子质量越大、分子极性越大,其熔沸点就越高,如熔、沸点: CO>N2。 [例题分析] 例1.下面的叙述正确的是( ) A、离子化合物中可能含有共价键 B、分子晶体中不会有离子键 C、分子晶体中的分子内一定有共价键 D、原子晶体中一定有非极性共价键 [分析与解答] 若离子化合物中某种离子由两种或两种以上元素组成。 如NH4+、OH-、SO42-等。 则其离子内部有共价键。 分子晶体的构成粒子是分子,分子间只有分子间作用力,分子内除稀有气体外,都只有共价键,故(A)、(B)正确。 (C)未提到稀有气体分子是单原子分子,无任何化学键。 由两种原子形成的原子晶体SiO2等,其原子间以极性键结合,无非极性键。 答案: (A)、(B) 例2.下列各组物质的晶体中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( ) A、SO2和SiO2 B、CO2和H2O C、NaCl和HCl D、CCl4和KCl [分析与解答] A、SO2和SiO2的化学键相同,都是极性共价键,但晶体类型不同,SO2是分子晶体,SiO2是原子晶体; B、CO2和H2O的化学键都是共价键,且都属于分子晶体; C中的NaCl和HCl化学键类型不同,NaCl为离子键,HCl为极性共价键,且晶体类型也不同,NaCl为离子晶体,HCl为分子晶体; D中CCl4和KCl的化学键不同,CCl4是极性共价键,KCl中是离子键且晶体类型也不同,CCl4为分子晶体,KCl为离子晶体。 答案: B 例3. (1)中学教材上图示了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-1)。 (2)天然的和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷。 例如在某种NiO晶体中就存在如图7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。 某氧化镍品组成为Ni0.97O,试计算该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。 [分析与解答] (1)根据NaCl晶体结构,隔离出一个小立体(如图8),小立方体的每个顶点离子为8个小立方本共用,因此小立方体含O2-: 4× = ,含Ni2+: 4× = ,即每个小立方体含有 个(Ni2+-O2-)离子对。 则若含有1molNiO,需2NA个小立方体,所以密度r= (2)设1molNi0.97O中含Ni3+xmol,Ni2+(0.97-x)mol 根据晶体呈电中性3xmol+2(0.97-x)mol=2×1mol 解之x=0.06,Ni2+为(0.97-x)mol=0.91mol 离子数之比Ni3+∶Ni2+=0.06∶0.91=6∶91 另解: 也可由题设的演变过程,用数学方法处理。 设1mol晶体中存在xmol空缺,同时有2xmolNi3+,取代了2xmolNi2+,所以Ni3+的个数2x与Ni2+的个数(1-x-2x)之和为0.97,即: 2x+(1-x-2x)=0.97,x=0.03。 ∴Ni3+∶Ni2+个数比=2x: (1-3x)=2×0.03: (1-3×0.03)=6∶91
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- 关 键 词:
- 离子 晶体 分子 原子