离子晶体分子晶体和原子晶体.docx

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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