高中化学选修3 第三章晶体结构与性质讲义及习题.docx
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高中化学选修3第三章晶体结构与性质讲义及习题
高中化学选修三第三章晶体结构与性质
一、晶体常识
1、晶体与非晶体比较
晶体
非晶体
结构特性
结构微粒周期性有序排列
结构微粒无序排列
性质特性
有自范性、固定熔点，对称性、各项异性
没有自范性、固定熔点，对称性、各项异性
2、获得晶体的三条途径
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
晶胞是描述晶体结构的基本单元。
晶胞在晶体中的排列呈“无隙并置”。
4、晶胞中微粒数的计算方法——均摊法
某粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有1/n属于这个晶胞。
中学常见的晶胞为立方晶胞。
立方晶胞中微粒数的计算方法如下：
①晶胞顶角粒子为8个晶胞共用，每个晶胞占1/8
②晶胞棱上粒子为4个晶胞共用，每个晶胞占1/4
③晶胞面上粒子为2个晶胞共用，每个晶胞占1/2
④晶胞内部粒子为1个晶胞独自占有，即为1
注意：
在使用“均摊法”计算晶胞中粒子个数时要注意晶胞的形状。
二、构成物质的四种晶体
1、四种晶体的比较
晶体类型
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形成的晶体
原子间以共价键结合而形成的具有空间网格结构的晶体
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
晶体质点（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（力）
分子间作用力
共价键
金属键（静电作用）
离子键
性质
密度
较小
较大
有的很大，有的很小
较大
硬度
一般较软
很硬
一般较硬，少部分软
较硬
熔沸点
很低
很高
一般较高，少部分低
较高
溶解性
相似相溶
难溶于任何溶剂
难溶于常见溶剂（Na等与水反应）
大多易溶于水等极性溶剂
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（除硅）
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
物质类别及实例
气态氢化物、酸（如HCl、H2SO4）、大多数非金属单质（如P4、Cl2）、非金属氧化物（如SO2、CO2，SiO2除外）、绝大多数有机物（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（Na、Mg、Al、青铜等）
金属氧化物（如Na2O），强碱（如NaOH），绝大部分盐（如NaCl、CaCO3
等）
2、晶体熔、沸点高低的比较方法
（1）不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律：
原子晶体＞离子晶体＞分子晶体。
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）原子晶体
由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高。
如熔点：
金刚石＞碳化硅＞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，则离子间的作用力就越强，相应的晶格能大，其晶体的熔、沸点就越高。
（4）分子晶体
①分子间作用力越大，物质熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常的高。
②组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高。
③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，熔、沸点越高。
④同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
（5）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。
三、几种典型的晶体模型
晶体
晶体结构示意图
晶体中粒子分布详解
CsCl
晶体
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粒子（Cs+或Cl-）。
在每个Cs+周围最近的等距离（设为a/2）的Cl-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-也有6个
NaCl
晶体
每个Na+紧邻6个Cl-，每个Cl-紧邻6个Na+（上、下、左、右、前、后）这6个离子构成一个正八面体。
设紧邻的Na+与Cl-间的距离为a，每个Na+与12个Na+等距离紧邻（同层4个、上层4个、下层4个），距离为√2a。
由均摊法可得，该晶胞中所拥有的Na+数为4，Cl-数为4，晶体中Na+数与Cl-数之比为1：
1，此晶胞中含有4个NaCl结构单元。
CO2晶体
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，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个）
金刚石晶体
每个C与另四个C以共价键结合，采取SP3杂化，前者位于正四面体中心，后者位于正四面体顶点。
晶体中均为C-C，键长相等、键角相等（109°28’）；晶体中最小碳环由6个C组成且六者不在同一平面内；晶体中每个C参与的4条C-C键的形成，而在每个键中心的贡献只有一半，故C原子数与C-C键数之比为1:
2
SiO2晶体
每个Si与4个O结合，前者在正四面体的中心，后四者在正四面体的顶点；通式每个O被两个正四面体所共用。
正四面体键角为109°28’。
每个正四面体占有一个完整的Si和四个“半O”，故晶体中Si原子与O原子个数比为1:
（4*0.5）=1:
2
石墨晶体
层内存在共价键、金属键，层间以范德华力结合，兼具有原子晶体、金属晶体、分子晶体的特征。
在层内，每个C与3个C形成C-C键，采取SP2杂化构成正六边形，键长相等，键角均为120°；在晶体中，每个C参与了3条C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，每个正六边形平均只占6*1/3=2个C，C原子个数与C-C键数之比为2:
3
【分章节习题】
第一节晶体的常识
[基础训练]
1.晶体与非晶体的严格判别可采用（）
A.有否自范性B.有否各向同性C.有否固定熔点D.有否周期性结构
2.某物质的晶体中含A、B、C三种元素，其排列方式如图1所示（其中前后两面心上的B原子未能画出），晶体中A、B、C的中原子个数之比依次为（）
A.1:
3:
1B.2:
3:
1C.2:
2:
1D.1:
3:
3
图1图2图3
3.1987年2月，未经武（PaulChu）教授等发现钛钡铜氧化合物在90K温度下即具有超导性。
若该化合物的结构如图2所示，则该化合物的化学式可能是（）
A.YBa2CuO7－xB.YBa2Cu2O7－xC.YBa2Cu3O7－xD.YBa2Cu4O7－x
4.白磷分子如图3所示：
则31g白磷分子中存在的共价键数目为（ ）
A．4NAB．NA C．1.5NAD．0.25NA
5．某离子化合物的晶胞如图4所示立体结构，晶胞是整个晶体中最基本的重复单位。
阳离子位于此晶胞的中心，阴离子位于8个顶点，该离子化合物中，阴、阳离子个数比是（）
A、1∶8B、1∶4C、1∶2D、1∶1
图4图5图6
6.如图5，石墨晶体结构的每一层里平均每个最小的正六边形占有碳原子数目为（）
A、2B、3C、4D、6
7.许多物质在通常条件下是以晶体的形式存在，而一种晶体又可视作若干相同的基本结构单元构成，这些基本结构单元在结构化学中被称作晶胞。
已知某化合物是由钙、钛、氧三种元素组成的晶体，其晶胞结构如图6所示，则该物质的化学式为（）
A．Ca4TiO3 B．Ca4TiO6C．CaTiO3 D．Ca8TiO12
8.下列有关晶体的特征及结构的陈述中不正确的是（）
A单晶一般都有各向异性 B晶体有固定的熔点
C所有晶体都有一定的规整外形 D多晶一般不表现各向异性
9.晶体中最小的重复单元——晶胞，则
①凡处于立方体顶点的微粒，同时为个晶胞共有；
②凡处于立方体棱上的微粒，同时为个晶胞共有；
③凡处于立方体面上的微粒，同时为个晶胞共有；
④凡处于立方体体心的微粒，同时为个晶胞共有。
10.现有甲、乙、丙（如下图》三种晶体的晶胞：
（甲中x处于晶胞的中心，乙中a处于晶胞的中心），可推知：
甲晶体中x与y的个数比是_____，乙中a与b的个数比是____，丙晶胞中有____c离子，有____个d离子。
11.右图是超导化合物----钙钛矿晶体的晶胞结构。
请回答：
（1）该化合物的化学式为 。
（2）在该化合物晶体中，与某个钛离子距离最近且相等的其他钛离子共有 个。
图7图8
12．图8是石英晶体平面示意图，它实际上是立体的网状结构，其中硅、氧原子数之比为。
原硅酸根离子SiO44－的结构可表示为；二聚硅酸根离子Si2O76－中，只有硅氧键，它的结构可表示为。
13.在干冰晶体中每个CO2分子周围紧邻的CO2分子有______个，在晶体中截取一个最小的正方形；使正方形的四个顶点部落到CO2分子的中心，则在这个正方形的平面上有_____个C02分子。
[拓展提高]
1996年，诺贝化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。
C60分子是形如球状的多面体（如图），该结构的建立基于以下考虑：
①C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键；
②C60分子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
据上所述，可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，C60分子所含的双键数为30。
请回答下列问题：
15.固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是_________，理由是：
.
16.试估计C60跟F2在一定条件下，能否发生反应生成C60F60（填“可能”或“不可能”）__________，并简述其理由：
________________________________________________________。
17.通过计算，确定C60分子所含单键数。
C60分子所含单键数为。
18.C70分子也已经制得,它的分子结构模型可以与C60同样考虑面推知。
通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目。
第二节分子晶体和原子晶体
[基础训练]
1．下列晶体中属于原子晶体的是（）
A.氖B．食盐C．干冰D．金刚石
2．下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是（）
A．固态氢B．固态氖C．磷D．三氧化硫
3.下列晶体中不属于原子晶体的是（）
A.干冰B.金刚砂C.金刚石D.水晶
4.在金刚石的网状结构中，含有共价键形成的碳原子环，其中最小的环上，碳原子数是（）
A.2个B.3个C.4个D.6个
5.共价键、离子键和范德华力是构成物质粒子间的不同作用方式，下列物质中，只含有上述一种作用的是（）
A.干冰B.氯化钠C.氢氧化钠D.碘
6.在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是（）
A.HF、HCI、HBr、HI的热稳定性依次减弱
B.NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次减低
C.F2、C12、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高
D.H2S的熔沸点小于H2O的熔、沸点
7．在金刚石的晶体中，含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上所需碳原子数及每个碳原子上任意两个C-C键间的夹角是（）
A．6个120°B．5个108°C．4个109°28′D．6个109°28′
8．结合课本上干冰晶体图分析每个CO2分子周围距离相等且最近的CO2分子数目为（）
A．6B．8C．10D．12
9．干冰和二氧化硅晶体同属ⅣA元素的最高价氧化物，它们的熔沸点差别很大的原因是（）
A．二氧化硅分子量大于二氧化碳分子量B．C、O键键能比Si、O键键能小
C．干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体D．干冰易升华，二氧化硅不能
10.最近发现了一种新分子，具有空心的类似足球的结构，分子式为C60，下列说法正确的是（）
A.C60是一种新型的化合物
B.C60和石墨都是碳的同素异形体
C.C60中虽然没有离子键，但固体为离子晶体
D.C60相对分子质量为720
11.支持固态氨是分子晶体的事实是（）
A.氮原子不能形成阳离子B.铵离子不能单独存在
C.常温下，氨是气态物质D.氨极易溶于水
12.石墨晶体是层状结构，在每一层内；每一个碳原于都跟其他3个碳原子相结合，如右图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是（）
A.10个B.18个C.24个D.14个
13.将SiCl4与过量的液氨反应可生成化合物Si（NH2）4。
将该化合物在无氧条件下高温灼烧，可得到氮化硅（Si3N4）固体，氧化硅是一种新型的耐高温、耐磨材料，在工业上有广泛的应用。
则氮化硅所属的晶体类型是（）A.原子晶体 B.分子晶体C.离子晶体 D.金属晶体14.2003年美国《科学》杂志报道：
在超高压下，科学家用激光器将CO2加热到1800K，成功制得了类似石英的CO2原子晶体。
下列关于CO2晶体的叙述中不正确的是（）
A. 晶体中C、O原子个数比为1∶2B. 该晶体的熔点、沸点高、硬度大C. 晶体中C—O—C键角为180°
D. 晶体中C、O原子最外层都满足8电子结构
15、氮化硅是一种新合成的结构材料，它是一种超硬、耐磨、耐高温的物质。
下列各组物质熔化时，所克服的微粒间的作用力与氮化硅熔化所克服的微粒间的作用力都相同的是（）
A、硝石和金刚石B、晶体硅和水晶C、冰和干冰D、萘和蒽
16.碳化硅（SiC）的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。
在下列三种晶体①金刚石②晶体硅③碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是（）
A.①③②B.②③①C.③①②D.②①③
[拓展提高]
图1图2
17．图1为金刚石的晶体结构。
每个C原子、每条C—C键被多少个六元环共用？
18．图2为晶体硼的基本结构单元，已知它为正二十面体有二十个等边三角形和一定数目的顶角，每一个顶点各有一个硼原子，通过观察，此基本结构单元由多少硼原子构成？
19.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在13000℃反应获得。
（1）氮化硅晶体属于______________晶体。
（2）已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子，Si原子与Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构，请写出氮化硅的化学式_______。
（3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。
反应的化学方程式为_________________。
第三节金属晶体
[基础训练]
1．下列有关金属元素的特征叙述正确的是（）
A．金属元素的原子具有还原性，离子只有氧化性
B．金属元素的化合价一定显正价
C．金属元素在不同化合物中的化合价均不相同
D．金属元素的单质在常温下均为金属晶体
2．下列有关金属元素特征的叙述中正确的是（）
A．金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性
B．金属元素在化合物中一定显正价
C．金属元素在不同化合物中的化合价均不同
D．金属单质在常温下都是金属晶体
3．金属的下列性质中，不能用金属的电子气理论加以解释的是（）
A．易导电B．易导热C．有延展性D．易锈蚀
4．下列晶体中由原子直接构成的单质有（）
A．白磷B．氦C．金刚石D．金属镁
5．金属具有延展性的原因是（）
A．金属原子半径都较大，价电子较少
B．金属受外力作用变形时，金属阳离子与自由电子间仍保持较强烈作用
C．金属中大量自由电子受外力作用时，运动速度加快
D．自由电子受外力作用时能迅速传递能量
6．下列说法不正确的是（）
A．金属单质的熔点一定比非金属单质高
B．离子晶体中不一定含有金属元素
C．在含有阳离子的晶体中，一定含有阴离子
D．含有金属元素的离子不一定是阳离子
7．金属晶体的形成是因为晶体中存在（）
A．金属离子间的相互作用B．金属原子间产生相互作用
C．金属离子与自由电子间的相互作用D．金属原子与自由电子间的相互作用
8．关于金属元素的特征，下列叙述正确的是（）
①金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 ②金属元素在化合物中一般显正价 ③金属性越强的元素相应的离子氧化性越弱 ④金属元素只有金属性，没有非金属性 ⑤价电子越多的金属原子的金属性越强
A．①②③B．②③C．①⑤D．全部
9．金属的下列性质中，与自由电子无关的是（）
A．密度大小B．容易导电C．延展性好D．易导热
10．下列有关金属的叙述正确的是（）
A．金属元素的原子具有还原性，其离子只有氧化性
B．金属元素的化合价—般表现为正价
C．熔化状态能导电的物质—定是金属的化合物
D．金属元素的单质在常温下均为金属晶体
11.下列叙述正确的是（）
A．原子晶体中可能存在离子键B．分子晶体中不可能存在氢键
C．在晶体中可能只存在阳离子不存在阴离子D．金属晶体导电是金属离子所致
12.金属能导电的原因是（）
A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱
B．金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动
C．金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动
D．金属晶体在外加电场作用下可失去电子
13．下列叙述正确的是（）
A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子
B．原子晶体中只含有共价键
C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键
D．分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键
14.在核电荷数1~18的元素中，其单质属于金属晶体的有 ，属于分子晶体的有 ，属于原子晶体的有 ．
15.简要填空：
（1）金属导电是____________________的结果．
（2）金属导热是____________________的结果．
（3）金属抽成丝或压成薄板是金属受到外力作用，紧密堆积的原子（离子）层发生了____________，而金属离子和自由电子之间的____________________没有改变．
16.碱金属单质的熔点顺序为Li＞Na＞K＞Rb＞Cs，试用金属晶体结构的知识加以解释．
17.在金属晶体中存在的粒子是_____和______．通过______形成的单质晶体叫做金属晶体．
18.
（1）请描述金属晶体中自由电子的存在状态．
答：
_____________________________________________________________．
（2）请说明金属晶体中自由电子所起的作用．
答：
___________________________________________________________________．
19.金属导电靠________，电解质溶液导电靠_____________；金属导电能力随温度升高而_________，溶液导电能力随温度升高而____________。
20.有一种金属结构单元是一个“面心立方体”（注：
八个顶点和六个面分别有一个金属原子）。
该单元平均是由__________个金属原子组成的。
[拓展提高]
21.晶胞是晶体中最小的重复单元．已知铁为面心立方晶体，其结构如下图甲所示，面心立方的结构特征如下图乙所示．若铁原子的半径为
，试求铁金属晶体中的晶胞长度，即下图丙中AB的长度为______________m．
22.某些金属晶体（Cu、Ag、Au）的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体中原子的空间利用率。
第四节离子晶体
[基础训练]
1.由钾和氧组成的某种离子晶体中含钾的质量分数为78/126，其阴离子只有过氧离子（O22－）和超氧离子（O2－）两种。
在此晶体中，过氧离子和超氧离子的物质的量之比为
A.2︰1B.1︰1C.1︰2D.1︰3
2．食盐晶体如右图所示。
在晶体中，表示Na+，表示Cl。
已知食盐的密度为g/cm3，NaCl摩尔质量Mg/mol，阿伏加德罗常数为N，则在食盐晶体里Na+和Cl的间距大约是
A
cmB
cm
C
cmD
cm
3．下列物质中，含有共价键的离子晶体是（）
A．NaClB．NaOHC．NH4ClD．I2
4．实现下列变化，需克服相同类型作用力的是（）
A．石墨和干冰的熔化B．食盐和冰醋酸的熔化
C．液溴和水的汽化D．纯碱和烧碱的熔化
5．下列性质中，能较充分说明某晶体是离子晶体的是（）
A．具有高的熔点B．固态不导电，水溶液能导电
C．可溶于水D．固态不导电，熔化状态能导电
6．下列叙述中正确的是（）
A．离子晶体中肯定不含非极性共价键
B．原子晶体的熔点肯定高于其他晶体
C．由分子组成的物质其熔点一定较低
D．原子晶体中除去极性共价键外不可能存在其他类型的化学键
7.某物质的晶体中，含A、B、C三种元素，其排列方式如图1所示（其中前后两面心上的B原子不能画出），晶体中A、B、C的原子个数比依次为（）
A．1：
3：
1B．2：
3：
1C．2：
2：
1D．1：
3：
3
8.实现下列变化，需克服相同类型作用力的是（）
A．碘和干冰升华B．二氧化硅和生石灰熔化
C．氯化钠和铁熔化D．苯和乙烷蒸发
9.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SiO2B．CO2和H2OC．NaCl和HClD．CCl4和KCl
图1图2图3图4
10.如图2所示，是一种晶体的晶胞，该离子晶体的化学式为（）
A．ABCB．ABC3C．AB2C3D．AB3C3
11．实现下列变化时，需克服相同类型作用力的是（）
A．水晶和干冰的熔化B．食盐和冰醋酸的熔化
C．液溴和液汞的汽化D．纯碱和烧碱的熔化
12.2001年，日本科学家发现了便于应用、可把阻抗降为零的由硼和镁两种元素组成的超导材料。
这是27年来首次更新了金属超导体的记录，是目前金属化合物超导体的最高温度。
该化合物也因此被美国《科学》杂志评为2001年十大科技突破之一。
图为该化合物的晶体结构单元示意图：
镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有一个镁原子，6个硼原子位于棱柱内。
则该化合物的化学式可表示为（）
A.MgBB.MgB2CMg2BD.Mg3B2
13.如图3为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构，该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接近的且等距离的钛离子共有 个．
（2）该晶体中，元素氧、钛、钙的个数比是 ．
14.1mol气态钠离子和1mol气态氯离子结合生成1mol氯化钠晶体释放出的热能为氯化钠晶体的晶格能。
下列热化学方程中，能直接表示出氯化钠晶体格能的是。
A．Na+（g）+Cl－（g）NaCl（s）;△HB．Na（s）+
Cl2（g）NaCl（s）;△H1
C．Na（s）Na（g）;△H2D．Na（g）－e－Na+（g）;
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