《导学案晶体的结构与性质》.docx

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《导学案晶体的结构与性质》

晶体的结构与性质

[考纲要求]　1.理解离子键的形成，能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。

2.了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。

3.理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。

4.了解分子晶体、原子晶体、离子晶体、金属晶体的结构微粒、微粒间作用力的区别。

知识点一　晶体与非晶体

1．晶体与非晶体

晶体

非晶体

结构特征

结构微粒________排列

结构微粒____排列

性质特征

自范性

熔点

异同表现

二者区

别方法

间接方法

看是否有固定的______

科学方法

对固体进行__________实验

2.得到晶体的途径

（1）________________________。

（2）____________________________________。

（3）__________________________。

3．晶胞

（1）概念

描述晶体结构的__________。

（2）晶体中晶胞的排列——无隙并置

①无隙：

相邻晶胞之间没有__________。

②并置：

所有晶胞________排列、________相同。

知识点二　分子晶体与原子晶体

1．分子晶体的结构特点

（1）晶体中只含__________。

（2）分子间作用力为______________，也可能有_______________________________。

（3）分子密堆积：

一个分子周围通常有____个紧邻的分子。

2．原子晶体的结构特点

（1）晶体中只含原子。

（2）原子间以____________结合。

问题思考

1．具有规则几何外形的固体一定是晶体吗？

晶胞是否一定为“平行六面体”？

知识点三　金属晶体

1．金属键

（1）“电子气理论”要点

该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的__________形成遍布整块晶体的“电子气”，被__________所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。

（2）金属晶体是由__________、__________通过________形成的一种“巨分子”。

金属键的强度__________。

2．金属晶体的几种堆积模型

堆积模型

采纳这种堆积的典型代表

空间利用率

配位数

晶胞

简单立方

Po

52%

钾型

Na、K、Fe

68%

镁型

Mg、Zn、Ti

74%

12

铜型

Cu、Ag、Au

74%

知识点四　离子晶体

1．离子晶体

（1）概念

①离子键：

__________间通过________________（指相互排斥和相互吸引的平衡）形成的化学键。

②离子晶体：

由阳离子和阴离子通过________结合而成的晶体。

（2）决定离子晶体结构的因素

①几何因素：

即______________________________________________________。

②电荷因素，即阴、阳离子电荷不同，配位数必然不同。

③键性因素：

离子键的纯粹程度。

（3）一般物理性质

一般地说，离子晶体具有较高的____点和____点，较大的________、难于压缩。

这些性质都是因为离子晶体中存在着较强的离子键。

若要破坏这种作用需要较多的能量。

2．晶格能

（1）定义：

气态离子形成1摩尔离子晶体________的能量，单位kJ·mol－1，通常取正值。

（2）大小及与其他量的关系

①晶格能是最能反映离子晶体________的数据。

②在离子晶体中，离子半径越小，离子所带电荷数越大，则晶格能越大。

③晶格能越大，阴、阳离子间的离子键就越强，形成的离子晶体就越稳定，而且熔点高，硬度大。

知识点五　几种常见的晶体模型

（1）原子晶体（金刚石和二氧化硅）

①金刚石晶体中，每个C与另外____个C形成共价键，C—C键之间的夹角是______，最小的环是____元环。

含有1molC的金刚石中，形成的共价键有____mol。

②SiO2晶体中，每个Si原子与____个O成键，每个O原子与____个硅原子成键，最小的环是______元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是____原子。

（2）分子晶体

①干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有____个。

②冰的结构模型中，每个水分子与相邻的____个水分子以氢键相连接，1mol冰中，有____mol“氢键”。

（3）离子晶体

①NaCl型：

在晶体中，每个Na＋同时吸引____个Cl－，每个Cl－同时吸引____个Na＋，配位数为____。

每个晶胞含____个Na＋和____个Cl－。

②CsCl型：

在晶体中，每个Cl－吸引____个Cs＋，每个Cs＋吸引____个Cl－，配位数为____。

（4）石墨晶体

石墨层状晶体中，层与层之间的作用是____________________，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是____，C原子采取的杂化方式是______。

问题思考

2．在晶体模型中，金刚石中的“铁棍”和干冰中的“铁棍”表示的意义一样吗？

分子晶体中有化学键吗？

一、晶体基本类型和性质的比较

　　　　类型

比较　　　　

分子晶体

原子晶体

金属晶体

离子晶体

概念

分子间靠分子间作用力结合而成的晶体

原子之间以共价键结合而形成的具有空间网状结构的晶体

金属阳离子和自由电子以金属键结合而形成的晶体

阳离子和阴离子通过离子键结合而形成的晶体

结

构

构成粒子

粒子间的相互作用力

性

质

硬度

较小

很大

有的很大，有的很小

较大

熔、沸点

较低

有的很高，有的很低

溶解性

相似相溶

导电、传热性

一般不导电、溶于水后有的导电

一般不具有导电性

电和热的良导体

晶体不导电，水溶液或熔融态导电

延展性

无

无

良好

无

物质类别及举例

大多数非金属单质（如P4、Cl2）、气态氢化物、酸（如HCl、H2SO4）、非金属氧化物（如SO2、CO2，SiO2除外）、绝大多数有机物（如CH4，有机盐除外）

一部分非金属单质（如金刚石、硅、晶体硼），一部分非金属化合物（如SiC、SiO2）

金属单质与合金（如Na、Al、Fe、青铜）

金属氧化物（如K2O、Na2O）、强碱（如KOH、NaOH）、绝大部分盐（如NaCl）

典例导悟1

　（2013·徐州质检）下列叙述正确的是（　　）

A．分子晶体中的每个分子内一定含有共价键

B．原子晶体中的相邻原子间只存在非极性共价键

C．离子晶体中可能含有共价键

D．金属晶体的熔点和沸点都很高

二、晶体的有关计算

1．确定晶体组成的方法——均摊法

均摊法：

指每个晶胞平均拥有的粒子数目。

如：

某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有1/n属于一个晶胞。

（1）长方体形（正方体）晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献

①处于顶点的粒子，同时为____个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为____。

②处于棱上的粒子，同时为____个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为____。

③处于面上的粒子，同时为____个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为____。

④处于体心的粒子，则完全属于该晶胞，对晶胞的贡献为____。

（2）非长方体形（正方体）晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定。

如石墨晶胞每一层内6个碳原子排成六边形，其顶点的1个碳原子对六边形的贡献为1/3。

典例导悟2

右图为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构是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近且等距离的钛原子共有____个。

（2）该晶体中，元素氧、钛、钙的个数比是________。

2．晶体密度（或微粒间距离）的计算

解题思路　知道微粒间距离

晶胞体积

密度，或已知密度求微粒间距离。

典例导悟3

　右图是

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＋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，则氯化铯晶体密度是（　　）

A.

g·cm－3　　　　B.

g·cm－3

C.

g·cm－3　　　　D.

g·cm－3

题组一　晶体的“分割”与计算

1．[2013·课标全国卷－37（5）]六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5pm。

立方氮化硼晶胞中含有______个氮原子、______个硼原子、立方氮化硼的密度是__________________g·cm－3（只要求列算式，不必计算出数值。

阿伏加德罗常数为NA）。

2．[2013·山东理综－32（4）]CaO与NaCl的晶胞同为面心立方结构，已知CaO晶体密度为ag·cm－3，NA表示阿伏加德罗常数，则CaO晶胞体积为________cm3。

3．（2013·全国理综Ⅰ，13）下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是（　　）

A．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

B．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2

C．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

D．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶点

4.[2013·全国课标卷，37（4）]X、Y、Z可形成立方晶体结构的化合物，其晶胞中X占据所有棱的中心，Y位于顶角，Z处于体心位置，则该晶体的组成为X∶Y∶Z＝________。

5．[2013·山东理综，32（4）]铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构是：

Pb4＋处于立方晶胞顶点，Ba2＋处于晶胞中心，O2－处于晶胞棱边中心。

该化合物化学式为__________，每个Ba2＋与______个O2－配位。

题组二　晶体的类型与晶体的性质

6．（2013·江苏－21A）原子序数小于36的X、Y、Z、W四种元素，其中X是形成化合物种类最多的元素，Y原子基态时最外层电子数是其内层电子总数的2倍，Z原子基态时2p原子轨道上有3个未成对的电子，W的原子序数为29。

回答下列问题：

（1）Y2X2分子中Y原子轨道的杂化类型为__________，1molY2X2含有σ键的数目为

________。

（2）化合物ZX3的沸点比化合物YX4的高，其主要原因是______________________。

（3）元素Y的一种氧化物与元素Z的一种氧化物互为等电子体，元素Z的这种氧化物的分子式是____________。

（4）元素W的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示，

该氯化物的化学式是__________，它可与浓盐酸发生非氧化还原反应，生成配合物HnWCl3，反应的化学方程式为________________________________________________。

7．（2013·浙江理综，8）有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X＋与M2－具有相同的电子层结构；离子半径：

Z2－>W－；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。

下列说法中，正确的是（　　）

A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物

B．由于W、Z、M元素的氢化物相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低

C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体

D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂

8．[2013·海南，19（Ⅱ）]金属镍及其化合物在合金材料以及催化剂等方面应用广泛。

请回答下列问题：

（1）Ni原子的核外电子排布式为____________________________________________；

（2）NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同，Ni2＋和Fe2＋的离子半径分别为69pm和78pm，则熔点NiO______FeO（填“<”或“>”）；

（3）NiO晶胞中Ni和O的配位数分别为______、____________________________；

（4）金属镍与镧（La）形成的合金是一种良好的储氢材料，其晶胞结构示意图如下图所示。

该合金的化学式为____________；

题组一　晶体的结构与性质

1．下列关于晶体的说法正确的是（　　）

A．在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子

B．在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子

C．原子晶体的熔点一定比金属晶体的高

D．分子晶体的熔点一定比金属晶体的低

2．（2013·苏州调研）下列性质适合分子晶体的是（　　）

①熔点1070℃，易溶于水，水溶液导电

②熔点10.31℃，液态不导电，水溶液导电

③能溶于CS2，熔点112.8℃，沸点444.6℃

④熔点97.81℃，质软导电，密度为0.97g·cm－3

A．①②B．②③C．①④D．③④

题组二　常见晶体及其结构的认识

3．如下图表示一些晶体中的某些结构，它们分别是NaCl、CsCl、干冰、金刚石、石墨结构中的某一种的某一部分。

（1）其中代表金刚石的是（填编号字母，下同）____，其中每个碳原子与____个碳原子最接近且距离相等。

金刚石属于________晶体。

（2）其中代表石墨的是____，其中每个正六边形占有的碳原子数平均为____个。

（3）其中代表NaCl的是____，每个Na＋周围与它最接近且距离相等的Na＋有____个。

（4）代表CsCl的是____，它属于________晶体，每个Cs＋与____个Cl－紧邻。

（5）代表干冰的是____，它属于________晶体，每个CO2分子与______个CO2分子紧邻。

题组三　晶体的有关计算

4．（2013·沈阳质检）最近科学家发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如右

图所示。

图中顶点和面心的原子都是钛原子，棱的中心和体心的原子都是碳原子，该分子的化学式是（　　）

A．Ti13C14B．Ti14C13

C．Ti4C5D．TiC

5．（2013·张家港联考）金晶体的最小重复单元（也称晶胞）是面心立方体，即在立方体的8个顶点及

各个面的中心各有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共用（右图）。

金原子的直径为d，用NA表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。

（1）金晶体每个晶胞中含有____个金原子。

（2）欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定_____________。

（3）一个晶胞的体积是______。

（4）金晶体的密度是__________。

题组四　综合探究

6．已知A、B、C、D、E五种元素的原子序数依次递增，A、B、C、D位于前三周期。

A位于周期表的s区，其原子中电子层数和未成对电子数相同；B的基态原子中电子占据三种能量不同的原子轨道，且每种轨道中的电子总数相同；D原子的核外成对电子数是未成对电子数的3倍。

A、B、D三种元素组成的一种化合物M是新装修居室中常含有的一种有害气体，A、B两种元素组成的原子个数之比为1∶1的化合物N是常见的有机溶剂。

E有“生物金属”之称，E4＋和氩原子的核外电子排布相同。

请回答下列问题（答题时，A、B、C、D、E均用所对应的元素符号表示）：

（1）E的基态原子的外围电子排布式为__________。

（2）由A、B、C形成的ABC分子中，含有______个σ键，______个π键。

（3）下列叙述正确的是________（填字母）。

a．M易溶于水，是因为M与水分子之间能形成氢键，且M是极性分子；N不溶于水，是因为N是非极性分子

b．M和二氧化碳分子中的中心原子均采用sp2杂化

c．N分子中含有6个σ键和1个π键

d．BD2晶体的熔点、沸点都比二氧化硅晶体的低

（4）E的一种氧化物Q，其晶胞结

构如图所示，则Q的化学式为_____________________________________________，

该晶体中氧原子的配位数为______________________________________________。

（5）B、C、D三种元素的第一电离能由小到大的顺序为__________。

（6）在浓的ECl3的盐酸溶液中加入乙醚，并通入HCl至饱和，可得到配位数为6、组成为ECl3·6H2O的绿色晶体，该晶体中两种配体的物质的量之比为1∶5，则该配离子的化学式为__________。

学案58　晶体的结构与性质

【课前准备区】

知识点一

1．周期性有序　无序　有　无　固定　不固定　各向异性　各向同性　熔点　X射线衍射

2．

（1）熔融态物质凝固

（2）气态物质冷却不经液态直接凝固

（3）溶质从溶液中析出

3．

（1）基本单元

（2）①任何间隙　②平行　取向

知识点二

1．

（1）分子　

（2）范德华力　氢键

（3）12

2．

（2）共价键

知识点三

1．

（1）价电子　所有原子

（2）金属阳离子　自由电子　金属键　差别很大

2．6　8　12

知识点四

1．

（1）①阴、阳离子　静电作用

②离子键

（2）①晶体中阴、阳离子的半径比决定晶体结构

（3）熔　沸　硬度

2．

（1）释放　

（2）①稳定性

知识点五

（1）①4　109°28′　六　2

②4　2　十二　Si

（2）①12　②4　2

（3）①6　6　6　4　4

②8　8　8

（4）分子间作用力　2　sp2

问题思考

1．

（1）具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如玻璃；

（2）晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的最小部分，而不一定是最小的“平行六面体”。

2．不一样，金刚石中表示的是C－C共价键，而干冰中的“铁棍”表示分子间作用力，分子晶体中多数含有化学键（如CO2中的C===O键），少数则无（如稀有气体形成的晶体）。

【课堂活动区】

一、分子　原子　金属阳离子、自由电子　阴、阳离子　分子间作用力　共价键　金属键　离子键　很高　较高　难溶于任何溶剂　常见溶剂难溶　大多易溶于水等极性溶剂

二、1.

（1）①8　

　②4　

　③2　

　④1

典例导悟

1．C　[稀有气体为单原子分子，晶体中分子内无共价键，A不正确；SiO2晶体为原子晶体，Si原子与氧原子间为极性键，B不正确；Na2O2、铵盐等离子晶体中含有共价键，C正确；不同金属晶体、金属键强弱不同，其熔、沸点差别很大，D不正确。

]

2．

（1）6　

（2）3∶1∶1

解析　从所给模型图中可确定晶体中距离最近的钛原子的相对位置为

，即每个钛原子周围与它最近且等距离的钛原子有6个。

图中钙原子位于立方体体心，为该立方体单独占有；钛原子位于顶点，为8个立方体共有，故每个立方体拥有钛原子数为8×

＝1（个）；氧原子位于棱上，为4个立方体所共有，每个立方体拥有氧原子数为12×

＝3（个），故N（O）∶N（Ti）∶N（Ca）＝3∶1∶1。

3．C　[该晶胞中含有1个Cs＋和1个Cl－，则1个CsCl分子的质量为

g，晶胞的体积为a3cm3，故密度为

g·cm－3。

]

【课后练习区】

高考集训

1．4　4　

解析　依据金刚石的晶胞结构及化学式BN可确定立方氮化硼晶胞中含有4个N原子，4个B原子。

则一个晶胞的质量可表示为

×4g（BN的摩尔质量为25g·mol－1），一个晶胞的体积可表示为（361.5×10－10）3cm3（1pm＝10－12m＝10－10cm），晶体密度的表达式为

g·cm－3。

2.

解析　根据CaO晶胞与NaCl晶胞相同，可知CaO晶胞中含有4个Ca2＋和4个O2－，则晶胞质量为m＝

×4＝

g，则晶胞的体积V＝

＝

＝

cm3。

3．C

4．3∶1∶1

解析　每一个晶胞中实际拥有的离子数目的计算规律为：

顶点：

、棱上：

、面心：

、体心：

晶胞独有，推出X∶Y∶Z＝3∶1∶1。

5．BaPbO3　12

解析　根据共用关系，每个晶胞中含有Pb4＋：

8×

＝1　Ba2＋：

1　O2－：

12×

＝3，故化学式为BaPbO3。

Ba2＋处于晶胞中心，只有1个，O2－处于晶胞棱边中心，共12个，故每个Ba2＋与12个O2－配位。

6．

（1）sp杂化　

（2）3NA或3×6.02×1023

（2）NH3分子间存在氢键　（3）N2O

（4）CuCl　CuCl＋2HCl（浓）===H2CuCl3（或CuCl＋2HCl（浓）===H2[CuCl3]）

解析　形成化合物种类最多的元素是H，基态时，最外层电子数是内层电子数2倍的元素是C,2p原子轨道上有3个未成对电子的是N元素，原子序数为29的是Cu元素。

（1）C2H2是直线形分子，C原子杂化方式为sp杂化，C2H2分子中有一个碳碳三键，因此1molC2H2分子中有3NAσ键，即3×6.02×1023个。

（2）由于NH3分子间存在氢键，使其沸点较高。

（3）CO2和N2O都是22个电子，二者互为等电子体。

（4）晶胞中Cu的个数为8×1/8＋6×1/2＝4，而Cl全在晶胞中，因此该晶体的化学式为CuCl。

7．D　[X＋与M2－具有相同的电子层结构且均属于短周期元素，可推知X为钠元素，M为氧元素，由此可知Z为硫元素；X、Y、Z、W属于同周期元素，由离子半径：

Z2－>W－，可推知W为氯元素；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料，不难判断，Y为硅元素。

Na与O两种元素可形成Na2O和Na2O2两种化合物，故A项错误；虽然HCl、H2S、H2O相对分子质量依次减小，但因H2O分子间存在氢键，沸点高于HCl和H2S，故B项错误；单质Si属于原子晶体，单质S和Cl2属于分子晶体，故C项错误；O3和Cl2都具有强氧化性，可作为水处理的消毒剂，故D项正确。

]

8．

（1）[Ar]3d84s2或1s22s22p63s23p63d84s2

（2）>　（3）6　6　（4）LaNi5

解析　

（1）核外电子排布式与价电子排布式要区别开。

（2）NiO、FeO都属于离子晶体，熔点高低受离子键强弱影响，离子半径越小，离子键越强，熔点越高。

（3）因为NiO晶体结构类型与NaCl相同，而NaCl晶体中Na＋、Cl－的配位数都是6，所以，NiO晶体Ni2＋、O2－的配位数也是6。

（4）根据晶胞结构可计算，一个合金晶胞中，La：

8×

＝1，Ni：

1＋8×

＝5。

所以该合金的化学式为LaNi5。

考点集训

1．A　[在原子晶体中构成晶体的粒子是原子，在离子晶体中构成晶体的粒子是阳离子和阴离子；在分子晶体中构成晶体的粒子是分子，在金属晶体中构成晶体的粒子是金属阳离子和自由电子，故选项B错误；晶体的熔点一般是原子晶体>离子晶体>分子晶体，而金属晶体的熔点相差比较大，晶体硅的熔点（1410℃）要比金属钨的熔点（3410℃）低，而金属汞的熔点（常温下是液体）比蔗糖、白磷（常温下是固态，分子晶体）等低，所以选项B、C、D不正确。

]

2．B　[①熔点高，不是分子晶体，分子晶体熔点较低；④选项是金属钠的性质。

]

3．

（1）D　4　原子

（2）E　2　（3）A　12　（4）C　离子　8

（5）B　分子　12

4．B　[因为该结构是气态团簇分子，Ti、C原子不存在与其他分子间的共用关系，故由示意图数出Ti和C原子的个数可确定其分子式为Ti14C13。

]

5．

（1）4

（2）金属原子间相接触，即相切

（3）2

d3

（4）

解析　利用均摊法解题，8个顶角上金原子有

属于该晶胞，每个面上金原子有

属于该晶胞，共有6个，故每