晶体结构与性质复习.docx

晶体结构与性质复习.docx

《晶体结构与性质复习.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶体结构与性质复习.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

晶体结构与性质复习

晶体结构与性质复习

一、分子晶体

（1）分子紧密堆积：

分子间作用力只是德华力，以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子。

如O2、CO2、C60；

（2）分子非紧密堆积：

分子间除德华力外还有其它作用力（如氢键），分子晶体堆积要少于12个。

如在冰的晶体中，每个水分子与四面体顶角方向的4个紧邻的水分子相互吸引构成冰的晶体，其空间利用率不高，使得冰的密度减小。

Ⅰ．干冰晶体

干冰晶体中每8个CO2构成立方体且再在6个面的中心又各占据1个CO2。

在每个CO2周围等距离（

a/2，a为立方体棱长）最近的CO2有12个（同层4个、上层4个、下层4）。

①CO2分子晶体的晶胞中，其中平均含有4个分子；

②在晶体中截取一个最小的正方形；使正方形的四个顶点都落到CO2分子的中心，则在这个正方形的平面上有_4个CO2分子；

③干冰晶体每个CO2分子周围距离相等且最近的CO2分子数目为12；

④干冰是CO2晶体，分之间存在德华力；

⑤性质特点：

熔点低，易升华，工业上用作制冷剂。

Ⅱ．冰晶体

①冰晶体中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，呈正四面体形；

②构成冰晶体的主要作用力是氢键（也存在德华力），是分子晶体；

③特点：

40C密度最大，水的分解温度远高于其沸点；

④1molH2O分子中含有的共价键数目为_2NA_；

1molH2O分子中含有的氢键数目为_2NA_；冰晶体中，一个H2O分子周围有的4个氢键；

⑤从结构的角度分析“固态水（冰）→水→水蒸气→氢气和氧气”的变化，在变化的各阶段被破坏的粒子间的主要相互作用依次是氢键、氢键、极性共价键。

⑥为什么水在40C时的密度最大？

当冰刚刚融化成液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子的空隙减小，密度增大。

超过40C时，由于热运动加剧，分子间距离加大，密度逐渐减小，所以40C时水的密度最大。

⑦为什么冰的密度小于干冰？

干冰晶体只存在德华力,一个分子周围有12个紧邻分子,形成分子密堆积。

在冰晶体中分子间作用力主要是氢键,一个水分子周围只有4个紧邻的水分子,形成分子非密堆积。

所以干冰的密度大于冰的密度。

Ⅲ．白磷分子的结构

白磷（P4）分子的结构是一个正四面体，其中每个P原子均以三个共价键与另外三个P原子相结合，P-P键之间的夹角为600。

白磷缓慢氧化或在不充分的空气中燃烧时，P-P键断开而嵌入一个氧原子，就生成了分子式为P4O6的磷的低价氧化物。

在这种氧化物分子中每个磷原子还有一对孤对电子，可以在继续氧化中结合4个氧原子而生成分子式为P4O10的磷的高价氧化物。

Ⅳ．Cn的结构

（1）中有五边形和六边形，每个五边形占有的碳原子数应为5/3个,而每个六边形占有的碳原子数为2个。

（2）关于棱数，由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键）。

而每个键却又是两个碳原子所共有，因此棱数＝n×3×（1/2）

（3）单、双键数的求法：

单键数+双键数＝总棱边数单键数＝2×双键数（即单键数为双键数的2倍）

（4）五边形及六边形数目的求法：

设五边形为a个，六边形为b个，则有：

5a/3+2×b＝n，n+（a+b）－3n/2＝2（欧拉定理：

顶点数+面数－棱边数＝2）

a、b由两式联立方程组求解可得。

注意：

分子晶体与化学键：

分子晶体中一定存在德华力，不一定存在化学键；除稀有气体构成的晶体外，一般分子晶体中分子间存在的作用力是德华力，部分有氢键。

二、原子晶体

常见的原子晶体：

某些非金属单质：

金刚石（C）、晶体硅（Si）、晶体硼（B）、晶体锗（Ge）等；某些非金属化合物：

碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体；某些氧化物：

二氧化硅（SiO2）晶体。

Ⅰ．金刚石

金刚石晶体是一种空间网状结构——每个C与另4个C以共价键结合，前者位于正四面体顶点。

晶体中所有C-C键长相等、键角相等（均为109028’）；晶体中最小碳环由6个C组成且六者不在同一平面；晶体中每个C参与了4个C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子个数与C-C键数之比为（4×1/2）︰4＝1︰2。

①在金刚石晶体中，每个碳与4个碳成键，形成空间结构是正四面体形；

②晶体中最小碳环由6个C原子组成，它们不在同一平面上；

③在金刚石晶体中，碳原子个数与C—C键数之比为1︰2；

④晶体中每个碳原子参与了4条C—C键的形成；⑤12g金刚石中C—C键数为_2NA_；

⑥每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角是109028′；

⑦12g金刚石含最小六元环的数目为_0.5NA_；

Ⅱ．二氧化硅

SiO2中每个Si与4个O结合，前者在正四面体的中心，后者在正四面体的顶点；同时每个O被两个正四面体所共用。

每个正四面体占有一个完整的Si、四个“半O原子”，故晶体中Si原子与O原子个数比为1︰（4×1/2）＝1︰2。

在SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合4个O原子；同时，每个O原子跟2个Si原子相结合。

实际上，SiO2晶体是由Si原子和O原子按1︰2的比例所组成的立体网状的晶体。

Ⅲ．附：

混合型-----石墨的片层结构

石墨晶体是一种混合晶体——层存在共价键，层间以德华力结合，兼具有原子晶体、分子晶体和金属晶体的特征和特性。

在层，每个C与3个C形成C-C键，构成正六边形，键长相等，键角相等（均为1200）；在晶体中，每个C参与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，C原子个数与C-C键数之比为2︰3×（2/2）＝2：

3。

①片层中平均每个六元环含碳原子数为6×1/3＝2个；②12g石墨中正六边形的数目为0.5NA；

③在片层结构中，碳原子数、C—C键数、六元环数之比为2︰3︰1。

三、离子晶体

Ⅰ．NaCl晶体

NaCl晶体中Na+和Cl－交替占据立方体的顶点而向空间延伸。

（1）在每个Na+周围最近的等距离（设为a）的Cl－有6个（上、下、左、右、前、后），在每个Cl－周围最近的等距离的Na+亦有6个；在每个Na+周围最近的等距离（必为

a）的Na+有12个（同层4个、上层4个、下层4个），在每个Cl－周围最近的等距离的Cl－亦有12个。

（2）在晶体结构中，每个晶胞由8个小立方体构成，每个小立方体的8个顶点分别由4个Na+、4个Cl－相邻占据，每个小立方体含Na+0.5个、含Cl－0.5个。

故每个晶胞有NaCl微粒4个；

（3）在晶体中，经过立方体的中心Na+的平面有三个，每个平面的四个顶点上的Na+都同晶体中与中心Na+最接近且距离相等。

所以，在晶体中，每个Na+周围与它最接近的距离相等的Na+的个数共有12个。

同理，每个Cl－周围与它最接近且距离相等的Cl－的个数也有12个。

Ⅱ．CsCl晶体

CsCl晶体是一种立方体结构——每8个Cs+、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（Cl－或Cs+）。

在每个Cs+周围最近的等距离（设为

a/2）的Cl－有8个，在每个Cl－周围最近的等距离的Cs+亦有8个；在每个Cs+周围最近的等距离（必为a）的Cs+有6个（上、下、左、右、前、后），在每个Cl－周围最近的等距离的Cl－亦有6个。

（1）在晶体中，每个Cl－吸引8个Cs+，每个Cs+吸引8个Cl－，Cs+与Cl－的个数比为1︰1；

（2）每个基本结构单元中（小立方体）含Cl－1个，含Cs+1个；

（3）在晶体中，每Cs+周围与它最接近且距离相等的Cs+的个数共有6个。

同理，每个Cl－周围与它最接近的且距离相等的Cl－共有6个。

Ⅲ．CaF2晶体

（1）距离Ca2+最近且距离相等的F－离子有8个；

（2）距离F－最近且距离相等的Ca2+离子有4个；

（3）距离Ca2+最近且相等的Ca2+离子有12个；（4）每个晶胞含有离子数为Ca2+：

4F－：

8；

（5）配位数为Ca2+：

8F－：

4

四、金属晶体

类型

晶胞

代表金属

Po

Na、K、Fe

Cu、Ag、Au

Mg、Zn、Ti

配位数

6

8

12

12

晶胞占有的原子数

1

2

4

2

原子半径（r）与立方体边长为（a）的关系

相邻的球彼此接触r（原子）＝a/2

体心对角线上的球彼此接触

立方体面上对角线上的球彼接触

不做计算要求。

空间利用率

52％

68％

74％

74％

五、离子键与共价键、金属键的比较

离子键

共价键

金属键

非极性键

极性键

配位键

本质

阴、阳离子通过静电作用

相邻原子间通过共用电子对与原子核间的

静电作用

金属阳离子与自由电子间的作用

成键条件

成键原子的得、失电子能力差别很大

成键原子的得、失电子能力相同

成键原子的得、失电子能力差别很小

成键原子一方有孤电子对，另一方有空轨道

同种金属或不同种金属（合金）

特征

无方向性、无饱和性

有方向性、有饱和性

无方向性

存在

离子化合物

（离子晶体）

离子化合物、共价化合物、单质

离子化合物、共价化合物

离子化合物、

配位化合物

金属单质

（金属晶体、合金）

六、晶体熔、沸点比较规律

1．不同晶体类型的物质：

原子晶体>离子晶体>分子晶体；

金属晶体的熔、沸点有的很高，如钨、铂等，有的则很低，如汞、铯等。

2．同一晶体类型的物质，需比较晶体部结构粒子间作用力，作用力越大，熔沸点越高。

思路为：

（1）原子晶体→共价键键能→键长→原子半径；

（2）分子晶体→分子间作用力→相对分子质量；

（3）离子晶体→离子键强弱→离子电荷、离子半径。

3．常温常压下状态：

（1）熔点：

固体物质>液态物质；

（2）沸点：

液态物质>气态物质

例1　C60是碳单质家族中的新成员，已知每个碳原子与其它三个碳原子相连。

请根据碳的成键方式计算C60分子中存在______条C—C单键；______条C=C双键？

例2　某离子晶体晶胞如图所示，

●X位于立方体的顶点，○Y位于立方体的中心，试分析：

（1）晶体中每个Y同时吸引着多少个X？

每个X同时吸引着多少个Y？

该晶体的化学式为____？

（2）晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有多少个？

（3）晶体中距离最近的2个X与1个Y形成的夹角∠XYX角度为多少？

（4）该晶体的摩尔质量为Mg·mol-1，晶体密度为ρg·cm-3，阿伏加德罗常数为NA，则晶体中两个距离最近的X中心间的距离为多少？

例3　

（1）将NaCl的晶胞向三维空间延伸就可得到完美晶体。

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。

【练习】

1．根据下表给出的几种物质的熔点、沸点数据判断说法中错误的是[　　　]

A．SiCl4是分子晶体

B．MgCl2中键的强度比NaCl中键的强度小

C．单质R是原子晶体

D．AlCl3为离子晶体

2．经研究发现，有一种磷分子具有链状结构。

结构如图所示。

下列说确的是[　　　]

A．它是一种高分子化合物

B．它是一种极性分子，易溶于水

C．分子量是白磷的8倍

D．与白磷互为同素异形体

二、非选择题

3．现有甲、乙、丙、丁四种晶胞（如图2-8所示），可推知：

甲晶体中A与B的离子个数比为；乙晶体的化学式为；丙晶体的化学式为______；丁晶体的化学式为______。

4．钙-钛矿晶胞结构如图2-9所示。

观察钙-钛矿晶胞结构，求该晶体中，钙、钛、氧的微粒个数比为多少？

5．晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体，其中含有20个等边三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角各有一个硼原子，如图2-10所示，回答：

（1）键角____；

（2）晶体硼中的硼原子数____个；B—B键____条？

6．在碳单质的成员中还有一种混合型晶体——石墨，如图2-11所示。

它是层状结构，层与层之间依靠作用力相结合。

每层部碳原子与碳原子之间靠作用力相结合，其键角。

分析图中每个六边形含有个碳原子。

7．C70分子是形如椭球状的多面体，该结构的建立基于以下考虑：

（1）C70分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键；

（2）C70分子中只含有五边形和六边形；

（3）多面体的顶点数、面数和棱边数的关系遵循欧拉定理：

顶点数+面数-棱边数=2。

根据以上所述确定：

（1）C70分子中所含的单键数和双键数；

（2）C70分子中的五边形和六边形各有多少？

8．晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为晶胞。

NaCl晶胞结构如图2-12所示。

已知FexO晶体的晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，x的值小于1。

测知FexO晶体密度ρ为5.719·cm-3，晶胞边长为4.28×10-10m（铁原子量为55.9，氧原子量为16）。

求：

（1）FexO中x的值（精确至0.01）。

（2）晶体中的Fe分别为Fe2+和Fe3+，在Fe2+和Fe3+的总数中，Fe2+所占分数为多少？

（精确至0.001）。

（3）写出此晶体的化学式。

（4）描述Fe在此晶体中占据空隙的几何形状（即与O2-距离最近且等距离的铁离子围成的空间形状）。

（5）在晶体中，铁元素的离子间最短距离为多少？

答　案

一、选择题

1．D．提示：

一般来说晶体的熔沸点有如下规律：

原子晶体＞离子晶体＞分子晶体，金属晶体有的高有的低。

对于同种类型晶体的熔沸点则取决于微粒间的作用力。

2．D、E

二、非选择题

3．1∶1　C2D　EF　XY3Z

4．1∶1∶3

5．

（1）60度

（2）12（3）30

6．德华力（或分子间作用力）；非极性共价键；120度；2。

7．

（1）单键数：

70；双键数：

35。

（2）设C70分子中五边形数为x个，六边形数为y个。

依题意可得方程组：

1/2（5x+6y）=1/2（3×70）（键数，即棱边数）

70+（x+y）-1/2（3×70）=2（欧拉定理）

解得五边形数x=12，六边形数y=25。

8．

（1）0.92

（2）0.826

（4）正八面体（5）3.03×10-10m。

提示：

（1）由NaCl晶胞结构可知，1molNaCl晶胞中含有4molNaCl，故在FexO晶体中1molFexO晶胞中含有4molFexO。

设FexO的摩尔质量为Mg·mol-1，晶胞的体积为V。

则有：

4M=ρVN0，代入数据解得M=67.4g·mol-1，则x=0.92。

（2）设Fe2+为y个，Fe3+则为（0.92-y）个，由正负化合价代数和为零可得：

2x+3（0.92-y）=2，则y=0.76。

Fe2+所占的分数为：

0.76/0.92=0.826。

（3）由于Fe2+为0.76，则Fe3+为（0.92-0.76）=0.16，故化学式为

（4）与O2-距离最近且等距离的铁离子有6个，这6个铁离子所围成的几何形状如图2-13所示，由图可知Fe在晶体中占据空隙的几何形状为正八面体。