1、第三讲 晶体结构与性质选修3 物质结构与性质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.了解晶体的类型，了解不同类型晶体中结构微粒、微粒间作用力的区别。3.了解晶格能的概念，了解晶格能对离子晶体性质的影响。4.了解分子晶体结构与性质的关系。5.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。6.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。了解金属晶体常见的堆积方式。7.了解晶胞的概念，能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算。选修3 物质结构与性质 晶体 晶体的结构与性质知识梳理一、晶体1晶体与非晶体晶体非晶体 结构特征结构微粒_排列
2、结构微粒_排列 周期性有序无序晶体非晶体 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 有无固定不固定各向异性各向同性熔点X-射线衍射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_。(3)溶质从溶液中析出。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无隙：相邻晶胞之间没有_。并置：所有晶胞都是_排列、_相同。凝固(凝华)基本单元任何间隙平行取向4晶格能(1)定义：气态离子形成 1 摩离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：_。(2)影响因素离子所带电荷数：离子所带电荷数越_，晶格能越大。离子的半径：
3、离子的半径越_，晶格能越大。kJmol1多小二、四种晶体类型的比较类型比较 分子晶体原子晶体金属晶体离子晶体 构成粒子分子原子金属阳离子、自由电子阴、阳离子粒子间的相互作用 范德华力(某些含氢键)共价键金属键离子键 硬度较小很大有的很大，有的很小较大熔、沸点较低很高有的很高，有的很低较高溶解性相似相溶难溶于任何溶剂难溶于常见溶剂大多易溶于水等极性溶剂类型比较 分子晶体原子晶体金属晶体离子晶体 导电、导热性一般不导电，溶于水后有的能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物质类别及举例大多数非金属单质、气态氢化物、酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数酸、绝大多数有机
4、物(有机盐除外)部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼)、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)三、晶体熔、沸点的比较1不同类型晶体熔、沸点的比较(1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：_ _。(2)金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低。2同种晶体类型熔、沸点的比较(1)原子晶体原子半径越_，键长越_，键能越_，熔、沸点越_。如熔点：金刚石_碳化硅_硅。原子晶体离子晶体分子晶体小短大高(2)离子晶体一般地说，阴、阳离子的电荷数
5、越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越_，其离子晶体的熔、沸点就越_，如熔点：MgOMgCl2NaClCsCl。衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。晶格能越大，形成的离子晶体越_，熔点越_，硬度越_。(3)分子晶体分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常地_，如 H2OH2TeH2SeH2S。组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越_，熔、沸点越高，如 SnH4GeH4SiH4CH4。强高稳定高大高大组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔、沸点越高，如 CON2、CH3OHCH3CH3。同分异构体支链越多，熔、沸点越低。如 CH3CH2C
6、H2CH2CH3(4)金属晶体金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：NaMgHIHBrHClC金刚石的硬度、熔点、沸点都高于晶体硅DNaF、NaCl、NaBr、NaI 的熔点依次降低解析：(1)BN 为原子晶体，SiCl4 为分子晶体，MgBr2 为离子晶体，因而熔点：BNMgBr2SiCl4。(2)A 项、B 项中分子晶体熔、沸点高低与分子间的作用力有关，含有氢键时会出现反常现象，与分子内共价键无关。D 项离子晶体内存在的是离子键。答案：(1)BNMgBr2SiCl4(2)C 晶体类型判断方法(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断 离子晶体的构成
7、微粒是阴、阳离子，微粒间的作用是离子键。原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用是共价键。分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用为分子间作用力。金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子，微粒间的作用是金属键。(2)依据物质的分类判断 金属氧化物(如 K2O、Na2O 等)、强碱(NaOH、KOH 等)和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除 SiO2 外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的化合物类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。金属单质、合金是金属晶体。(3)
8、根据各类晶体的特征性质判断 一般来说，低熔、沸点的化合物为分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物为离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质为原子晶体；能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。题组一 晶体类型的判定1下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是()SiO2 和 SO3 晶体硼和 HCl CO2 和 SO2 晶体硅和金刚石 晶体氖和晶体氮 硫黄和碘A BCD解析：选 C。本题中属于分子晶体的有 SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄、碘；属于原子晶体的有 SiO2、晶体硼、晶体硅、金刚石；晶体氖是由稀有气体分子构成的，稀
9、有气体分子内不存在化学键。2下表给出几种氯化物的熔点和沸点：NaClMgCl2AlCl3SiCl4 熔点/80171419070沸点/1 4131 41218057.57有关表中所列四种氯化物的性质，有以下叙述：氯化铝在加热时能升华，四氯化硅在晶态时属于分子晶体，氯化钠晶体中微粒之间以范德华力结合，氯化铝晶体是典型的离子晶体。其中与表中数据一致的是()A BCD解析：选 A。氯化铝的熔、沸点都很低，其晶体应该是分子晶体，并且沸点比熔点还低，加热时容易升华；四氯化硅是共价化合物，并且熔、沸点很低，应该属于分子晶体；氯化钠、氯化镁是离子晶体，以离子键结合。题组二 四种晶体类型的性质比较3(2018
10、乌鲁木齐模拟)下面的排序不正确的是()A熔点由高到低：NaMgAlB硬度由大到小：金刚石碳化硅晶体硅C晶体熔点由低到高：CF4CCl4CBr4NaClNaBrNaI解析：选 A。A 项，金属离子的电荷越多、半径越小，其熔点越高，则熔点由高到低为 AlMgNa，错误；B 项，键长越短，共价键越强，硬度越大，键长 CCCSi碳化硅晶体硅，正确；C 项，组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，晶体的熔点越高，则晶体熔点由低到高顺序为 CF4CCl4CBr4NaClNaBrNaI，正确。4(1)碳化硅(SiC)是一种晶体，具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列各种
11、晶体中：晶体硅，硝酸钾，金刚石，碳化硅，干冰，冰。它们的熔点由高到低的顺序是_(填序号)。(2)继 C60 后，科学家又合成了 Si60、N60。请解释如下现象：熔点 Si60N60C60，而破坏分子所需要的能量 N60C60Si60，其原因是_。解析：(1)题给晶体属于原子晶体的是，属于离子晶体的是，属于分子晶体的是。一般来说，原子晶体的熔点离子晶体的熔点分子晶体的熔点。对于原子晶体，键长：SiSiSiCCC，相应键能：SiSiSiCCC，故它们的熔点：金刚石碳化硅晶体硅。(2)熔点与分子间作用力大小有关，而破坏分子则是破坏分子内的共价键。答案：(1)(2)结构相似的分子晶体的相对分子质量越
12、大，分子间作用力(或范德华力)越强，熔化所需的能量越多，故熔点：Si60N60C60；而破坏分子需断开化学键，元素原子半径越小，其形成的化学键越稳定，断键时所需能量越多，故破坏分子需要的能量大小顺序为 N60C60Si60晶体组成与结构的五点误区(1)离子晶体中不一定都含有金属元素，如 NH4Cl 是离子晶体；金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体，如AlCl3是分子晶体；含有金属离子的晶体不一定是离子晶体，如金属晶体中含有金属离子。(2)含阴离子的晶体中一定含有阳离子，但含阳离子的晶体中不一定含阴离子，如金属晶体。(3)易误认为原子晶体的熔点一定比离子晶体高，如石英的熔点为 1 71
13、0，MgO 的熔点为 2 852。(4)石墨属于混合型晶体，不是原子晶体，其晶体含有范德华力和共价键，熔点比金刚石高。(5)金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高，如 Na 的熔点为 97，尿素的熔点为 132.7。典型晶体模型与晶胞计算知识梳理1典型晶体模型晶体晶体结构晶体详解原子晶体金刚石(1)每个碳与相邻 4 个碳以共价键结合，形成正四面体结构(2)键角均为 10928(3)最小碳环由 6 个 C 原子组成且六个 C原子不在同一平面内(4)每个 C 参与 4 条 CC 键的形成，C原子数与 CC 键数之比为_12晶体晶体结构晶体详解原子晶体SiO2(1)每个 Si 与 4 个 O 以共价
14、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“12O”，n(Si)n(O)12(3)最小环上有_个原子，即 6 个O，6 个 Si12晶体晶体结构晶体详解分子晶体干冰(1)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 分子周围等距且紧邻的CO2 分子有_个离子晶体NaCl 型(1)每个 Na(Cl)周围等距且紧邻的 Cl(Na)有_个，每个 Na周围等距且紧邻的 Na有_个(2)每个晶胞中含 4 个 Na和 4 个 Cl12612晶体晶体结构晶体详解离子晶体CsCl 型(1)每个Cs周围等距且紧邻的 Cl有_个，每个 Cs
15、(Cl)周围等距且紧邻的 Cs(Cl)有_个(2)如图为 8 个晶胞，每个晶胞中含 1个 Cs、1 个 Cl金属晶体简单立方堆积典型代表 Po，配位数为_，空间利用率为 52%866晶体晶体结构晶体详解金属晶体体心立方堆积典型代表 Na、K、Fe，配位数为_，空间利用率为 68%面心立方最密堆积典型代表 Cu、Ag、Au，配位数为_，空间利用率为 74%六方最密堆积典型代表 Mg、Zn、Ti，配位数为_，空间利用率为 74%812122.晶胞中微粒的计算方法均摊法(1)原则：晶胞任意位置上的一个原子如果是被 n 个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1n。(2)方法长方体(包括立
16、方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算图示：非长方体晶胞中粒子视具体情况而定，如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶角(1 个碳原子)被三个六边形共有，每个六边形占13。自我检测1判断正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)在金属钠形成的晶体中，每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有 8 个。()(2)在 NaCl 晶体中，每个 Na周围与其距离最近的 Na有 12 个。()(3)在CsCl晶体中，每个Cs周围与其距离最近的Cl有8个。()(4)金属镁形成的晶体中，每个镁原子周围与其最近的镁原子有 6个。()答案：(1)(2)(3)(4)2如图为离子晶体结构示意图(阳离子，阴离子)，以 M 代表
17、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_。解析：在 A 中，含 M、N 的个数相等，故组成为 MN；在 B中，含 M：184132(个)；含 N：124241892(个)，N(M)N(N)329213；在 C 中，含 M：18412(个)，含N 为 1 个。答案：MN MN3 MN2“均摊法”拓展(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。(1)
18、2017高考全国卷，35(4)(5)KIO3 晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立方结构，边长为a0.446 nm，晶胞中 K、I、O 分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K 与 O 间的最短距离为_nm，与K 紧邻的 O 个数为_。在 KIO3 晶胞结构的另一种表示中，I 处于各顶角位置，则 K处于_位置，O 处于_位置。(2)2016高考全国卷，37(6)晶胞有两个基本要素：原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图为Ge 单晶的晶胞，其中原子坐标参数 A 为(0，0，0)；B 为(12，0，12)；C 为(12，12，0)。则 D 原子的坐标参数为_。晶胞参数，
19、描述晶胞的大小和形状。已知 Ge 单晶的晶胞参数 a565.76 pm，其密度为_gcm3(列出计算式即可)。(3)2016高考全国卷，37(5)GaAs 的熔点为 1 238，密度为 gcm3，其晶胞结构如图所示。Ga 和 As 的摩尔质量分别为MGa gmol1 和 MAs gmol1，原子半径分别为 rGa pm 和 rAs pm，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_。解析(1)二者间的最短距离为晶胞面对角线长的一半，即22 0.446 nm0.315 nm。与钾紧邻的氧原子有 12 个。想象4 个晶胞紧密堆积，则 I 处于顶角，O 处于棱心，K
20、 处于体心。(2)对照晶胞图示、坐标系以及 A、B、C 点坐标，选 A 点为参照点，观察 D 点在晶胞中位置(体对角线14处)，由 B、C 点坐标可以推知 D 点坐标。1 个晶胞含有 8 个锗原子，8736.02565.763107 gcm3。(3)首先用均摊法计算出1个晶胞中含有As原子的个数：8186124，再通过观察可知 1 个晶胞中含有 4 个 Ga 原子。4 个 As 原子和 4个 Ga 原子的总体积 V14431030r3As431030r3Ga cm3；1 个晶胞的质量为 4 个 As 原子和 4 个 Ga 原子的质量之和，即4MAsNA 4MGaNAg，所以 1 个晶胞的体积
21、V2 4NA(MAsMGa)cm3。最后由 V1/V2即得结果。答案(1)0.315 12 体心 棱心(2)14，14，14 8736.02565.763107(3)4NA（r3Gar3As）10303（MGaMAs）100%(1)(2)晶体微粒与 M、之间的关系 若 1 个晶胞中含有 x 个微粒，则 1 mol 晶胞中含有 x mol 微粒，其质量为 xM g(M 为微粒的相对“分子”质量)；1 个晶胞的质量为 a3 ga3 为晶胞的体积(立方晶胞)，则 1 mol 晶胞的质量为 a3NA g，因此有 xMa3NA。题组一 晶胞中原子个数的计算1某晶体的一部分如图所示，这种晶体中 A、B、C
22、 三种粒子数之比是()A394 B142C294D384解析：选 B。A 粒子数为 6 11212；B 粒子数为 6143162，C 粒子数为 1，故 A、B、C 粒子数之比为 142。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_。解析：R：81812，G：81481441228，Q：81424，R、G、Q 的个数之比为 142，则其化学式为 RQ2G4。由于 R 为2 价，G 为2 价，所以 Q 为3 价。答案：3 价3Cu 元素与 H 元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如图所示。则该化合物的化学式为_。解析：根
23、据晶胞结构可以判断：Cu：212121636；H：613136，所以化学式为 CuH。答案：CuH题组二 常见晶体结构的考查4(教材改编题)下面有关晶体的叙述中，不正确的是()A金刚石网状结构中，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有 6 个碳原子B氯化钠晶体中，每个 Cl周围距离相等且紧邻的 Cl共有 6 个C氯化铯晶体中，每个 Cl周围等距且紧邻 8 个 CsD干冰晶体中，每个 CO2分子周围等距且紧邻 12 个 CO2分子解析：选 B。氯化钠晶体中，每个 Cl周围距离相等且紧邻的 Cl共有 12 个，每个 Na周围距离相等且紧邻的 Cl共有 6 个。5(1)2015高考全国卷，37(5)
24、碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：在石墨烯晶体中，每个 C 原子连接_个六元环，每个六元环占有_个 C 原子。在金刚石晶体中，C 原子所连接的最小环也为六元环，每个C 原子连接_个六元环，六元环中最多有_个 C原子在同一平面。(2)Cu2O 为半导体材料，在其立方晶胞内部有 4 个氧原子，其余氧原子位于面心和顶点，则该晶胞中有_个铜原子。解析：(1)由石墨烯的结构可知，每个 C 原子连接 3 个六元环，每个六元环占有的 C 原子数为1362。由金刚石的结构可知，每个 C 可参与形成 4 条 CC 键，其中任意两条边(共价键)可以构成 2 个六元环。根据组合知识可知四条边
25、(共价键)任选其中两条有 6 组，6212。因此每个C 原子连接 12 个六元环。六元环中 C 原子采取 sp3 杂化，为空间六边形结构，最多有 4 个 C 原子位于同一平面。(2)Cu2O 立方晶胞内部有 4 个氧原子，其余氧原子位于面心和顶点，则一个 Cu2O 晶胞含有氧原子个数为 41261888，那么该晶胞中含有铜原子个数为 16。答案：(1)3 2 12 4(2)16题组三 晶胞密度及微粒间距离的计算6.某离子晶体的晶胞结构如图所示，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_个 X。(2)该晶体的化学式为_。(3)设该晶体的摩尔质量为 M
26、 gmol1，晶体的密度为 gcm3，阿伏加德罗常数的值为 NA，则晶体中两个距离最近的 X 之间的距离为_cm。解析：(1)从晶胞结构图中可直接看出，每个 Y 同时吸引 4 个 X。(2)一个晶胞中，平均包含 X：41812(个)，平均包含 Y：1 个，所以在晶体中 X 和 Y 的个数之比为 12，晶体的化学式为 XY2或 Y2X。(3)摩尔质量是指单位物质的量的物质的质量，数值上等于该物质的相对分子(或原子)质量。由题意知，该晶胞中含有 1/2 个XY2 或 Y2X，设晶胞的边长为 a cm，则有 a3NA12M，a3M2NA，则晶体中两个距离最近的 X 之间的距离为 23M2NA cm。
27、答案：(1)4(2)XY2(或 Y2X)(3)23M2NA7(1)2017高考全国卷，35(4)我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用 R 代表)。R的晶体密度为 d gcm3，其立方晶胞参数为 a nm，晶胞中含有 y 个(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl单元，该单元的相对质量为 M，则 y 的计算表达式为_。(2)2017高考全国卷，35(5)MgO 具有 NaCl 型结构(如图)，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X 射线衍射实验测得MgO 的晶胞参数为 a0.420 nm，则 r(O2)为_nm。MnO 也属于 NaCl 型结构，
28、晶胞参数为 a0.448 nm，则 r(Mn2)为_nm。解析：(1)该晶胞的体积为(a107 cm)3，根据 yNAM(a107)3d，可求出 y602a3dM(或a3dNAM 1021)。(2)因为 O2采用面心立方最密堆积方式，所以面对角线长度是 O2半径的 4 倍，则有4r(O2)22a2，解得 r(O2)24 0.420 nm 0.148 nm；MnO 也属于 NaCl 型结构，根据晶胞的结构可得2r(Mn2)2r(O2)a，代入数据解得 r(Mn2)0.076 nm。答案：(1)602a3dM(或a3dNAM 1021)(2)0.148 0.076晶体结构的相关计算(1)晶胞质量晶胞含有的微粒的质量晶胞含有的微粒数MNA。(2)空间利用率晶胞含有的微粒体积晶胞体积100%。(3)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式(设棱长为 a)面对角线长 2a；体对角线长 3a；体心立方堆积 4r 3a(r 为原子半径)；面心立方堆积 4r 2a(r 为原子半径)。课后达标训练本部分内容讲解结束 按ESC键退出全屏播放
