第5章 第20讲 化学键与物质构成 分子结构与性质最新修正版.docx

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第5章第20讲化学键与物质构成分子结构与性质最新修正版

第20讲　晶体结构与性质

课程内容

　1.能说出晶体与非晶体的区别；了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞。

2.借助分子晶体、原子晶体、离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点。

3.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。

知道在一定条件下，物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。

知道金属键的特点与金属某些性质的关系。

知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料。

考点一　晶体常识

1.晶体与非晶体

晶体

非晶体

结构特征

结构微粒周期性有序排列

结构微粒无序排列

性质特征

自范性

有

无

熔点

固定

不固定

异同表现

各向异性

各向同性

二者区别方法

间接方法

看是否有固定的熔点

科学方法

对固体进行X射线衍射实验

2.得到晶体的途径

（1）熔融态物质凝固。

（2）气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。

（3）溶质从溶液中析出。

3.晶胞

（1）概念

描述晶体结构的基本单元。

（2）晶体中晶胞的排列——无隙并置

①无隙：

相邻晶胞之间没有任何间隙。

②并置：

所有晶胞平行排列、取向相同。

（1）冰和碘晶体中相互作用力相同（　　）

（2）晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列（　　）

（3）凡有规则外形的固体一定是晶体（　　）

（4）固体SiO2一定是晶体（　　）

（5）缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体块（　　）

（6）晶胞是晶体中最小的“平行六面体”（　　）

（7）区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×　（7）√

1.如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞，则甲晶体中x与y的个数比是________，乙中a与b的个数比是________，丙中一个晶胞中有________个c离子和________个d离子。

答案　2∶1　1∶1　4　4

解析　甲中N（x）∶N（y）＝1∶（4×

）＝2∶1；乙中N（a）∶N（b）＝1∶（8×

）＝1∶1；丙中N（c）＝12×

＋1＝4，N（d）＝8×

＋6×

＝4。

2.如图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为________。

答案　＋3

解析　R：

8×

＋1＝2

G：

8×

＋8×

＋4×

＋2＝8

Q：

8×

＋2＝4

R、G、Q的个数之比为1∶4∶2，则其化学式为RQ2G4。

由于R为＋2价，G为－2价，所以Q为＋3价。

3.下图为离子晶体立体构型示意图：

（●阳离子，○阴离子）以M代表阳离子，以N表示阴离子，写出各离子晶体的组成表达式：

A________、B________、C________。

答案　MN　MN3　MN2

解析　在A中，含M、N的个数相等，故组成为MN；在B中，含M：

×4＋1＝

（个），含N：

×4＋2＋4×

＝

（个），M∶N＝

∶

＝1∶3；在C中含M：

×4＝

（个），含N为1个。

4.某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是（　　）

A.3∶9∶4B.1∶4∶2

C.2∶9∶4D.3∶8∶4

答案　B

解析　A粒子数为6×

＝

；

B粒子数为6×

＋3×

＝2；

C粒子数为1；故A、B、C粒子数之比为1∶4∶2。

　晶胞计算的思维方法

1.晶胞计算是晶体考查的重要知识点之一，也是考查学生分析问题、解决问题能力的较好素材。

晶体结构的计算常常涉及如下数据：

晶体密度、NA、M、晶体体积、微粒间距离、微粒半径、夹角等，密度的表达式往往是列等式的依据。

解决这类题，一是要掌握晶体“均摊法”的原理，二是要有扎实的立体几何知识，三是要熟悉常见晶体的结构特征，并能融会贯通，举一反三。

2.“均摊法”原理

特别提醒　①在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时，要注意晶胞的形状，不同形状的晶胞，应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有，如六棱柱晶胞中，顶点、侧棱、底面上的棱、面心依次被6、3、4、2个晶胞所共有。

②在计算晶胞中粒子个数的过程中，不是任何晶胞都可用均摊法。

3.晶体微粒与M、ρ之间的关系

若1个晶胞中含有x个微粒，则1mol晶胞中含有xmol微粒，其质量为xMg（M为微粒的相对“分子”质量）；1个晶胞的质量为ρa3g（a3为晶胞的体积，ρ为晶胞的密度），则1mol晶胞的质量为ρa3NAg，因此有xM＝ρa3NA。

考点二　晶体的组成和性质

（一）四种类型的晶体

1.分子晶体：

分子间通过分子间作用力结合形成的晶体，此类晶体熔点、沸点低，硬度小。

2.原子晶体：

原子通过共价键形成的晶体，整块晶体是一个三维的共价键网状（立体网状）结构；其物理性质的突出特点是高硬度、高熔点、高沸点。

3.离子晶体

（1）阴、阳离子通过离子键形成的晶体，此类晶体的熔点、沸点较高。

（2）配位数：

指一个离子周围最邻近的导电性离子的数目，晶体阴离子、阳离子的配位数之比等于组成中的阴离子与阳离子数目的反比。

4.金属晶体

（1）含义：

金属原子通过金属键形成的晶体，金属单质形成的晶体就是金属晶体。

（2）金属键的形成：

晶体中金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而将所有的原子维系在一起；金属键无饱和性、方向性。

（二）四种晶体类型的比较

晶体类型

原子晶体

离子晶体

分子晶体

金属晶体

构成粒子

原子

阴、阳离子

分子

金属阳离子、自由电子

粒子间作用力

共价键

离子键

分子间作用力（某些物质还有氢键）

金属键

熔、沸点

很高

较高

较低

有的很高

有的很低

硬度

很大

较硬而脆

较小

有的很高

有的很低

导电性

不导电或半导体

晶体不导电、溶于水或熔化后可导电

一般不导电，部分晶体溶于水可导电

导电

溶解性

难溶于任何溶剂

许多可溶于水

相似相溶

物理变化时键的变化

部分断裂或形成

只破坏分子间作用力

部分断裂或形成

物质类别或举例

金刚石、晶体硅、SiO2、SiC

强碱、活泼金属氧化物、大部分盐

大多数非金属单质、非金属氢化物、酸、非金属氧化物（SiO2除外）、绝大多数有机物（有机盐除外）

金属单质与合金

（1）在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子（　　）

（2）在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子（　　）

（3）原子晶体的熔点一定比金属晶体的高（　　）

（4）分子晶体的熔点一定比金属晶体的低（　　）

（5）离子晶体一定都含有金属元素（　　）

（6）金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体（　　）

（7）原子晶体的熔点一定比离子晶体的高（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）√　（7）×

在下列物质中：

NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、（NH4）2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石、晶体氩。

（1）其中只含有离子键的离子晶体是____________________________________________。

（2）其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是________________________。

（3）其中既含有离子键又含有极性共价键和配位键的离子晶体是__________。

（4）其中既含有离子键又含有非极性共价键的离子晶体是__________。

（5）其中含有极性共价键的非极性分子是_________________________________________。

（6）其中含有极性共价键和非极性共价键的非极性分子是________。

（7）其中含有极性共价键和非极性共价键的极性分子是________________________。

（8）其中含有极性共价键的原子晶体是___________________________________________。

（9）不含共价键的分子晶体是__________，只含非极性共价键的原子晶体是____________。

答案　

（1）NaCl、Na2S　

（2）NaOH、（NH4）2S　（3）（NH4）2S　（4）Na2S2　（5）CO2、CCl4、C2H2

（6）C2H2　（7）H2O2　（8）SiO2、SiC　（9）晶体氩　晶体硅、金刚石

题组一　晶体类型判断

1.NF3可由NH3和F2在Cu催化剂存在下反应直接得到：

4NH3＋3F2

NF3＋3NH4F

上述化学方程式中的5种物质所属的晶体类型有_____________________________（填字母）。

a.离子晶体b.分子晶体

c.原子晶体d.金属晶体

答案　abd

2.

（1）用“>”或“<”填空：

第一电离能

离子半径

熔点

酸性

Si____S

O2－____Na＋

NaCl____Si

H2SO4____HClO4

（2）MgCl2在工业上应用广泛，可由MgO制备。

①MgO的熔点比BaO的熔点________（填“高”或“低”）。

②SiO2的晶体类型为________________。

（3）对于钠的卤化物（NaX）和硅的卤化物（SiX4），下列叙述正确的是________。

A.SiX4难水解

B.SiX4是共价化合物

C.NaX易水解

D.NaX的熔点一般高于SiX4

答案　

（1）<　>　<　<

（2）①高　②原子晶体

（3）BD

解析　

（1）同周期元素的第一电离能随原子序数的递增呈增大趋势，但s、p、d等轨道处于全空、半充满、全充满的稳定状态时，则出现反常现象。

Si、S元素基态原子的价电子排布式分别为3s23p2、3s23p4，其中3p轨道均处于不稳定状态，因此Si的第一电离能小于S。

O2－与Na＋的核外电子排布相同，其电子排布式均为1s22s22p6，离子核外电子排布相同时，原子序数越大，离子半径越小，因此O2－的离子半径大于Na＋。

NaCl为离子晶体，Si为原子晶体，因此Si的熔点高于NaCl。

一般来说，元素的非金属性越强，该元素的最高价氧化物对应水化物的酸性越强，Cl元素的非金属性强于S元素，则HClO4的酸性强于H2SO4。

（2）①Mg、Ba同主族，Mg2＋的半径小于Ba2＋，MgO的晶格能比BaO大，故MgO的熔点比BaO高。

②SiO2为空间立体网状结构，其熔、沸点很高，属于原子晶体。

（3）A项，硅的卤化物（SiX4）的水解比较强烈，如SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl、SiF4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HF，错误；B项，硅的卤化物（SiX4）全部由非金属元素构成，属于共价化合物，正确；C项，钠的卤化物（NaX）属于强酸强碱盐，不发生水解，错误；D项，钠的卤化物（NaX）是由离子键构成的，属于离子晶体，SiX4属于分子晶体，所以NaX的熔点一般高于SiX4，正确。

3.（2019·洛阳质检）现有几组物质的熔点（℃）数据：

A组

B组

C组

D组

金刚石：

3550℃

Li：

181℃

HF：

－83℃

NaCl：

801℃

硅晶体：

1410℃

Na：

98℃

HCl：

－115℃

KCl：

776℃

硼晶体：

2300℃

K：

64℃

HBr：

－89℃

RbCl：

718℃

二氧化硅：

1723℃

Rb：

39℃

HI：

－51℃

CsCl：

645℃

据此回答下列问题：

（1）A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是________。

（2）B组晶体共同的物理性质是________（填序号）。

①有金属光泽　②导电性　③导热性　④延展性

（3）C组中HF熔点反常是由于________________________________________________。

（4）D组晶体可能具有的性质是__________（填序号）。

①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④熔融状态能导电

答案　

（1）原子　共价键　

（2）①②③④　（3）HF分子间能形成氢键，其熔化时需要消耗的能量更多（只要答出HF分子间能形成氢键即可）　（4）②④

解析　

（1）A组熔点很高，为原子晶体，是由原子通过共价键形成的。

（2）B组为金属晶体，具有①②③④四条共性。

（3）HF中含有分子间氢键，故其熔点反常。

（4）D组属于离子晶体，具有②④两条性质。

题组二　晶体性质及应用

4.下列性质适合于分子晶体的是（　　）

A.熔点为1070℃，易溶于水，水溶液导电

B.熔点为3500℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂

C.能溶于CS2，熔点为112.8℃，沸点为444.6℃

D.熔点为97.82℃，质软，导电，密度为0.97g·cm－3

答案　C

解析　A、B选项中的熔点高，不是分子晶体的性质，D选项是金属钠的性质，钠不是分子晶体。

5.（2018·河南六市第一次联考）ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。

回答下列问题：

（1）碳的一种单质的结构如图（a）所示。

该单质的晶体类型为________，依据电子云的重叠方式，原子间存在的共价键类型有________，碳原子的杂化轨道类型为________。

（2）石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单质碳原子组成的二维晶体。

将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。

下列判断错误的是________（填字母）。

A.石墨烯是一种强度很高的材料

B.石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体

C.石墨烯与石墨烷均为高分子化合物

D.石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应

（3）CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次________（填“增大”或“减小”），其原因是______

________________________________________________________________________。

（4）SiO2比CO2熔点高的原因是______________________________________________。

（5）四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图（b）所示。

①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是___________________________________

________________________________________________________________________。

②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律，可推断：

依F、Cl、Br、I次序，PbX2中的化学键的离子性________、共价性________。

（填“增强”“不变”或“减弱”）

（6）水杨酸第一级电离形成离子

，相同温度下，水杨酸的Ka2________苯酚（

）的Ka（填“>”“＝”或“<”），其原因是_________________________

________________________________________________________________________。

（7）碳的另一种单质C60可以与钾形成低温超导化合物，晶体结构如图所示，K位于立方体的棱上和立方体的内部，此化合物的化学式为________；其晶胞参数为1.4nm，阿伏加德罗常数用NA表示，则晶体的密度为________g·cm－3。

（只需列出式子）

答案　

（1）混合晶体　σ键、π键　sp2　

（2）C　（3）增大　三种物质均为分子晶体，结构与组成相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高　（4）SiO2为原子晶体而CO2为分子晶体　（5）①均为分子晶体，范德华力随相对分子质量增大而增大　②减弱　增强　（6）<　

中形成分子内氢键，使其更难电离出H＋　（7）K3C60　

解析　

（2）石墨烯单层原子间以共价键相结合，强度很高，A正确；石墨烯层与层之间有自由移动的电子，是电的良导体，而石墨烷中没有自由移动的电子，为绝缘体，B正确；石墨烯只含一种碳元素，为碳的单质，C错误；石墨烯与H2间的反应属于加成反应，D项正确。

（5）①四卤化硅为分子晶体，依F、Cl、Br、I的相对分子质量逐渐增大，沸点与相对分子质量有关，相对分子质量越大，沸点越高。

②PbX2的熔点先降低后升高，其中PbF2为离子晶体，PbBr2、PbI2为分子晶体，可知依F、Cl、Br、I次序，PbX2中的化学键的离子性减弱、共价性增强。

（7）用均摊法求解。

1个晶胞中含K：

12×

＋9＝12，C60：

8×

＋6×

＝4，K与C60的个数比为12∶4＝3∶1，此化合物的化学式为K3C60。

1个晶胞的体积为（1.4nm）3＝（1.4×10－7）3cm3,1个晶胞中含有4个K3C60，则ρ＝

g·cm－3。

考点三　四类晶体模型

晶体

晶体结构

晶体详解

原子晶体

金刚石

①每个C与相邻的4个C以共价键结合，形成正四面体结构

②键角均为109°28′

③最小碳环由6个C组成且6个原子不在同一平面内

④每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键数之比为1∶2

SiO2

①每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构

②每个正四面体占有1个Si,4个“

O”，n（Si）∶n（O）＝1∶2

③最小环上有12个原子，即6个O,6个Si

分子晶体

干冰

①每8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子

②每个CO2分子周围等距离且紧邻的CO2分子有12个

离子晶体

NaCl型

①每个Na＋（Cl－）周围等距离且紧邻的Cl－（Na＋）有6个。

每个Na＋周围等距离且紧邻的Na＋有12个

②每个晶胞中含4个Na＋和4个Cl－

CsCl型

①每个Cs＋（Cl－）周围等距离且紧邻的Cs＋（Cl－）有6个；每个Cs＋周围等距离且紧邻的Cl－有8个

②每个晶胞中含1个Cs＋和1个Cl－

混合晶体

石墨

石墨晶体是混合型晶体，呈层状结构。

同层内碳原子以共价键形成正六边形平面网状结构，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子采取的杂化方式是sp2。

层与层之间以分子间作用力结合。

所以石墨晶体熔、沸点很高，但硬度不大，有滑腻感，能导电

（1）1mol金刚石中含有C—C为4NA（×）

（2）SiO2、金刚石、硅、MgO熔点都很高，均属于原子晶体（×）

（3）NaCl晶体中，任意一个Na＋与其配位离子均可构成一个八面体（√）

（4）在CsCl晶体中，每个Cs＋周围与其距离最近的Cl－有8个（√）

1.（常见晶体结构模型）填空。

（1）在金刚石晶体中最小碳环含有________个C原子；每个C原子被________个最小碳环共用。

（2）在干冰中粒子间作用力有_________________________________________________。

（3）含1molH2O的冰中形成氢键的数目为________。

（4）在NaCl晶体中，每个Na＋周围有________个距离最近且相等的Na＋，每个Na＋周围有________个距离最近且相等的Cl－，其立体构型为____________。

（5）在CaF2晶体中，每个Ca2＋周围距离最近且等距离的F－有________个；每个F－周围距离最近且等距离的Ca2＋有________个。

答案　

（1）6　12　

（2）共价键、范德华力　（3）2NA

（4）12　6　正八面体形　（5）8　4

2.判断下列物质的晶胞结构，将对应序号填在线上。

（1）干冰晶体②；

（2）氯化钠晶体①；

（3）金刚石④；

（4）碘晶体③；

（5）氟化钙⑤；

（6）冰晶体⑦；

（7）水合铜离子⑥；

（8）H3BO3晶体⑧。

1.Cu与F形成的化合物的晶胞结构如图所示，若晶体密度为ag·cm－3，则Cu与F最近距离为____________________pm（NA表示阿伏加德罗常数的值，列出计算表达式，不用化简；图中

为Cu，

为F）。

答案　

×1010

解析　设晶胞的棱长为xcm，在晶胞中，Cu：

8×

＋6×

＝4；F：

4，其化学式为CuF。

a·x3·NA＝4M（CuF），

x＝

。

最短距离为立方体体对角线的

，立方体的体对角线为

cm＝

xcm，所以最短距离为

xcm＝

×1010pm。

2.如图为Na2S的晶胞，该晶胞与CaF2晶胞结构相似，设晶体密度是ρg·cm－3，试计算Na＋与S2－的最短距离为________________cm（NA表示阿伏加德罗常数的值，只写出计算式）。

答案　

解析　晶胞中，●个数为8×

＋6×

＝4，○个数为8，

其个数之比为1∶2，所以●代表S2－，○代表Na＋。

设晶胞边长为acm，则a3·ρ·NA＝4×78

a＝

体对角线为

×

cm

所以其最短距离为体对角线的

，

即

cm。

3.GaAs的熔点为1238℃，密度为ρg·cm－3，其晶胞结构如图所示。

该晶体的类型为________，Ga与As以______键键合。

Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol－1和MAsg·mol－1，原子半径分别为rGapm和rAspm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为__________。

答案　原子晶体　共价　

×100%

解析　GaAs的熔点较高，所以其晶体类型为原子晶体，其中Ga与As以共价键键合。

根据晶胞结构可知晶胞中Ga和As的个数均是4个，所以晶胞的体积是

cm3。

二者的原子半径分别为rGapm和rAspm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为

×100%＝

×100%。

晶体结构的相关计算

1.晶胞质量＝晶胞占有的微粒的质量＝晶胞占有的微粒数×

。

2.空间利用率＝

。

1.晶体类型的判断

（1）[2015·全国卷Ⅰ，37（4）]CO能与金属Fe形成Fe（CO）5，该化合物的熔点为253K，沸点为376K，其固体属于________晶体。

（2）[2015·全国卷Ⅱ，37

（2）改编]氧和钠的氢化物所属的晶体类型分别为____________和____________。

答案　

（1）分子　

（2）分子晶体　离子晶体

2.晶体微粒间作用力

（1）[2018·全国卷Ⅲ，35（3）节选]ZnF2具有较高的熔点（872℃），其化学键类型是__________。

（2）[2017·全国卷Ⅲ，35（4）节选]Mn（NO3）2中的化学键除了σ键外，还存在________________。

（3）[2016·全国卷Ⅱ，37（3）节选]单质铜及镍都是由________键形成的晶体。

答案　

（1）离子键　

（2）离子键和π键（Π

键）　（3）金属

3.晶体熔、沸点高低的比较

（1）[2017·全国卷Ⅰ，35

（2）节选]K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是_________________________