高考化学一轮复习学案选修三3晶体结构与性质.docx

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高考化学一轮复习学案选修三3晶体结构与性质

第三节　晶体结构与性质

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。

（中频）

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。

了解金属晶体常见的堆积方式。

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

（高频）

5.能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算。

（高频）

6.了解晶格能的概念及其对离子晶体性质的影响。

　晶体常识

1．晶体与非晶体

晶体

非晶体

结构特征

结构微粒在三维空间里呈周期性有序排列

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

无各向异性

区别方法

熔点法

有固定熔点

无固定熔点

X射线

对固体进行X射线衍射实验

2.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。

　分子晶体和原子晶体

1．分子晶体

（1）结构特点

①晶体中只含分子。

②分子间作用力为范德华力，也可能有氢键。

③分子密堆积：

一个分子周围通常有12个紧邻的分子。

（2）典型的分子晶体

①冰：

水分子之间的主要作用力是氢键，也存在范德华力，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。

②干冰：

CO2分子之间存在范德华力，每个CO2分子周围有12个紧邻的CO2分子。

2．原子晶体

（1）结构特点

①晶体中只含原子。

②原子间以共价键结合。

③三维空间网状结构。

（2）典型的原子晶体——金刚石

①碳原子取sp3杂化轨道形成共价键，碳碳键之间夹角为109°28′。

②每个碳原子与相邻的4个碳原子结合。

　金属晶体

1．“电子气理论”要点

（1）该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。

（2）金属晶体是由金属阳离子、自由电子通过金属键形成的一种“巨分子”。

（3）金属键的强度差异很大。

2．金属晶体的构成、通性及其解释

金属晶体结构微粒

作用力名称

导电性

导热性

延展性

金属阳离子、自由电子

金属键

自由电子在电场中定向移动形成电流

电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子碰撞而导热

当金属受到外力作用时，金属晶体中的各原子层就会相对滑动，但不会改变其体系的排列方式，而弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用

3.金属晶体的常见堆积

结构型式

常见金属

配位数

晶胞

面心立方最密堆积A1

Cu、Ag、Au

12

体心立方堆积A2

Na、K、Fe

8

六方最密堆积A3

Mg、Zn、Ti

12

　离子晶体

1．离子晶体

（1）概念

①离子键：

阴、阳离子间通过静电作用（指相互排斥和相互吸引的平衡）形成的化学键。

②离子晶体：

由阴离子和阳离子通过离子键结合而成的晶体。

（2）决定离子晶体结构的因素

①几何因素：

即晶体中正、负离子的半径比。

②电荷因素：

即正负离子电荷不同，配位数不同。

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熔点和沸点，较大的硬度、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1mol离子晶体释放的能量，单位kJ/mol，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稳定性的数据。

②在离子晶体中，离子半径越小，离子所带电荷数越多，则晶格能越大。

③晶格能越大，形成的离子晶体就越稳定，而且熔点越高，硬度越大。

1．易误诊断（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）具有规则几何外形的固体一定是晶体（　　）

（2）晶胞是晶体中的最小的“平行六面体”（　　）

（3）原子晶体的熔点一定比离子晶体的高（　　）

（4）金属晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高（　　）

（5）离子晶体是由阴、阳离子构成的，所以离子晶体能够导电（　　）

（6）CO2和SiO2是同主族元素的氧化物，它们的晶体结构相似，性质也非常相似（　　）

（7）干冰（CO2）晶体中包含的作用力为分子间力和共价键（　　）

（8）SiO2晶体中包含的作用力只有共价键（　　）

（9）含有阳离子的物质一定含阴离子（　　）

【答案】　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×　（7）√　（8）√　（9）×

2．有下列物质①冰　②干冰　③SiO2　④NaOH　⑤CaF2　⑥冰醋酸　⑦Cu　⑧NaCl　⑨SiC　⑩晶体硅　⑪Fe　⑫石墨

（1）能导电的有________（填序号，下同）

（2）晶体不导电而熔化能导电的有________。

（3）分子晶体有________。

（4）含氢键的分子晶体有________。

（5）原子晶体有________。

（6）金属晶体有________。

（7）离子晶体有________。

【答案】　

（1）⑦⑪⑫　

（2）④⑤⑧

（3）①②⑥　（4）①⑥　（5）③⑨⑩

（6）⑦⑪　（7）④⑤⑧

一般晶胞中4个位置的贡献：

顶点：

，棱上：

，面上：

，内部：

1。

4种晶体对应的粒子及其粒子间作用力

分子晶体——分子，分子间作用力

原子晶体——原子，共价键

金属晶体——金属阳离子和电子，金属键

离子晶体——阴、阳离子，离子键

晶体结构的有关计算

1.晶胞中所含粒子数的计算方法——均摊法

（1）原则：

晶胞任意位置上的一个粒子如果是被n个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个粒子分得的份额就是

。

2．几种常见的晶胞结构及晶胞含有的粒子数目

A．NaCl（含4个Na＋，4个Cl－）

B．干冰（含4个CO2）

C．CaF2（含4个Ca2＋，8个F－）

D．金刚石（含8个C）

E．体心立方（含2个原子）

F．面心立方（含4个原子）

3．有关晶胞各物理量的关系

对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：

a3×ρ×NA＝n×M，a表示晶胞的棱长，ρ表示密度，NA表示阿伏加德罗常数，n表示1mol晶胞中所含晶体的物质的量，M表示相对分子质量，a3×ρ×NA表示1mol晶胞的质量。

（2013·新课标全国卷Ⅱ）A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。

（已A、B、D分别为F、K、Ni元素）

（1）该化合物的化学式为________；D的配位数为________；

（2）列式计算该晶体的密度________g·cm－3。

【解析】　

（1）在该化合物中F原子位于棱、面心以及体内，故F原子个数为

×16＋

×4＋2＝8个，K原子位于棱和体内，故K原子个数为

×8＋2＝4个，Ni原子位于8个顶点上和体内，故Ni原子个数为

×8＋1＝2个，K、Ni、F原子的个数比为4∶2∶8＝2∶1∶4，所以化学式为K2NiF4；由图示可看出在每个Ni原子的周围有6个F原子，故配位数为6。

（2）假设以1mol晶胞为标准

ρ＝

＝

g·cm－3≈3.4g·cm－3。

【答案】　

（1）K2NiF4　6

（2）

≈3.4

晶胞的计算公式

已知：

晶体密度（ρ）、晶胞体积（V）、晶胞含有的组成个数（n）和NA的有关计算公式：

NA＝M

如NaCl晶体：

NA＝58.5。

考向1　根据晶胞结构确定晶体的组成或粒子数之比

1．

（1）（2013·新课标全国卷Ⅰ）单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以________相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献________个原子。

（2）（2013·山东高考）利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷，右图为其晶胞结构示意图，则每个晶胞中含有B原子的个数为________，该功能陶瓷的化学式为________。

【解析】　

（1）结合金刚石的晶体结构，单质硅属于原子晶体，每个硅原子和四个硅原子以共价键结合成空间网状结构。

晶胞结构为面心立方晶胞，在面心上有6个硅原子，每个硅原子为两个晶胞共有，所以一个晶胞中在面心位置对该晶胞贡献3个硅原子。

（2）B的原子半径大于N的原子半径，则晶胞结构示意图中○代表B原子，

代表N原子，根据晶胞结构，每个晶胞中含有B原子的个数为8×1/8＋1＝2个，含有N原子的个数为4×1/4＋1＝2个，B、N原子的个数比为1∶1，则该功能陶瓷的化学式为BN。

【答案】　

（1）共价键　3　

（2）2　BN

考向2　晶胞中ρ、V、M、NA之间的换算

2．（2012·新课标全国卷）

ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛。

立方ZnS晶体结构如右图所示，其晶胞边长为540.0pm，密度为______g·cm－3（列式并计算），a位置S2－与b位置Zn2＋之间的距离为________pm（列式表示）。

【解析】　1个ZnS晶胞中N（S2－）＝8×

＋6×

＝4（个），N（Zn2＋）＝4个，故ρ＝

＝

≈4.1g·cm－3。

仔细观察ZnS的晶胞结构不难发现，S2－位于ZnS晶胞中8个小立方体中互不相邻的4个小立方体的体心，Zn2＋与S2－间的距离就是小立方体对角线的一半，即：

×

×

＝135

pm。

【答案】　

≈4.1

或

或135

四种晶体的性质和判断

1.四种晶体的比较

晶体类型

离子晶体

分子晶体

原子晶体

金属晶体

微粒间相互作用

离子键

分子间作用力

共价键

金属键

熔沸点

较高

很低

很高

无规律

硬度

较硬

一般很软

很硬

无规律

溶解性

易溶于极性溶剂

相似相溶

难溶

难溶（部分与水反应）

导电情况

晶体不导电，熔融状态下导电

晶体和熔融状态下都不导电

一般不导电，个别导电，还有半导体

晶体导电

导热性

不良

不良

不良

良

2.熔沸点的比较

（Ⅰ）不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律为：

原子晶体>离子晶体>金属晶体>分子晶体。

（Ⅱ）同种类型晶体，晶体内粒子间的作用力越大，熔、沸点越高。

（1）离子晶体：

一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，离子晶格能越大，其离子晶体的熔、沸点就越高，如熔点：

MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。

（2）原子晶体：

原子半径越小、键长越短、键能越大，晶体的熔、沸点越高，如熔点：

金刚石>碳化硅>晶体硅。

（3）分子晶体

①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、沸点反常的高。

如H2O>H2Te>H2Se>H2S。

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，如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。

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，其熔、沸点越高，如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。

④同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。

如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>

。

（4）金属晶体：

一般来说，金属阳离子半径越小，离子所带电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：

Na

3．判断晶体类型的方法与依据

（1）根据构成粒子及粒子间的作用为类别进行判断。

（2）根据各类晶体的特征性质判断：

一般来说，低熔、沸点的化合物属于分子晶体；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属原子晶体；能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。

（3）根据类别判断：

①金属氧化物，强碱，大部分盐类是离子晶体；②大多数非金属单质（除金刚石，石墨，晶体硅），气态氢化物、非金属氧化物（SiO2除外）、酸、大多数有机物（有机盐除外）是分子晶体；③金刚石，晶体硅，晶体硼，碳化硅，SiO2等是原子晶体；④金属单质固体是金属晶体。

（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）易误认为金属晶体的熔点比分子晶体的熔点高，其实不一定，如Na的熔点为97℃，尿素的熔点为132.7℃。

（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。

　（高考组合题）

（1）（2013·四川高考）NH4Cl固体的晶体类型是________。

（2）（2013·福建高考）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______（填序号）。

a．离子晶体　　　　　b．分子晶体

c．原子晶体d．金属晶体

（3）（2013·浙江高考）NaF的熔点________（填“>”、“＝”或“<”）

BF

的熔点，其原因是_______________________________。

【解析】　

（1）NH4Cl为离子化合物，为离子晶体。

（2）铜为金属晶体，NH3和F2及NF3都是分子晶体，NH4F是离子晶体。

（3）两种物质都形成离子晶体，而离子晶体的熔点受离子键强弱的影响，离子键的强弱与离子半径、离子所带的电荷多少有关。

两种化合物中，阴、阳离子所带电荷数均为1，但后者的离子半径大，离子键较弱，因此前者的熔点高于后者。

【答案】　

（1）离子晶体　

（2）abd

（3）>　两者均为离子化合物，且阴、阳离子的电荷数均为1，但后者的离子半径较大，离子键较弱，因此其熔点较低

考向1　判断晶体类型

3．根据下列几种物质的熔点和沸点数据，判断下列有关说法中，错误的是（　　）

物质

NaCl

MgCl2

AlCl3

SiCl4

单质B

熔点/℃

810

710

190

－68

2300

沸点/℃

1465

1418

182.7

57

2500

注：

AlCl3熔点在2.02×105Pa条件下测定。

A．SiCl4是分子晶体

B．单质B是原子晶体

C．AlCl3加热能升华

D．MgCl2所含离子键的强度比NaCl大

【解析】　三类不同的晶体由于形成晶体的粒子和粒子间的作用力不同，因而表现出不同的性质。

原子晶体具有高的熔、沸点，硬度大、不能导电。

而离子晶体也具有较高的熔、沸点，较大的硬度，在溶液中或熔融状态下能导电。

分子晶体熔、沸点低，硬度小，不导电，熔化时无化学键断裂，据这些性质可确定晶体类型。

根据上述性质特点及表中数据进行分析，NaCl的熔、沸点均比MgCl2高，所以NaCl晶体中的离子键应比MgCl2的强，故D不正确。

【答案】　D

考向2　晶体熔沸点的高低判断

4．下列各组物质中，按熔点由低到高的顺序排列正确的是（　　）

①O2、I2、Hg　②CO、KCl、SiO2　③Na、K、Rb　④Si、SiC、C

A．①③B．①④

C．②③D．②④

【解析】　①中Hg在常温下为液态，而I2为固态，故①错；②中SiO2为原子晶体，其熔点最高，CO是分子晶体，其熔点最低，故②正确；③中Na、K、Rb价电子数相同，其原子半径依次增大，金属键依次减弱，熔点逐渐降低，故③错。

④中根据键长d判断，d越短键越强，熔点越高。

【答案】　D

有关物质结构与性质的框图推断题解题指导

（2013·海南高考）（14分）图A所示的转化关系中（具体反应条件略），a、b、c和d分别为四种短周期元素的常见单质，其余均为它们的化合物，i的溶液为常见的酸，a的一种同素异形体的晶胞如图B所示。

　　　图A　　　　　　　　　　　　　　图B

回答下列问题：

（1）图B对应的物质名称是_______，其晶胞中的原子数为_______，晶体类型为_______。

（2）d中元素的原子核外电子排布式为________。

（3）图A中由二种元素组成的物质中，沸点最高的是________，原因是________，该物质的分子构型为________，中心原子的杂化轨道类型为________。

（4）图A中的双原子分子中，极性最大的分子是________。

（5）k的分子式为__________，中心原子的杂化轨道类型为________，属于________分子（填“极性”或“非极性”）。

审题指导

信息①：

图B⇒a原子周围形成4个键⇒a为碳或硅⇒均摊法：

4＋6×

＋8×

＝8⇒晶胞中原子数为8。

信息②：

a为短周期元素的常见单质⇒a为碳。

信息③：

a＋H2O→b（单质）＋f⇒C＋H2O→H2＋CO⇒b为H2，f为CO。

信息④：

b（H2）＋c（单质）→H2O⇒c为O2。

信息⑤：

f（CO）＋c（O2）→g⇒CO＋O2→CO2⇒g为CO2。

信息⑥：

b（H2）＋d（单质）→i（酸）⇒H2＋Cl2→HCl⇒i为HCl⇒i溶液为盐酸。

信息⑦：

f（CO）＋d（Cl2）→k⇒k的分子式为COCl2。

信息⑧：

图A中由两种元素组成的物质⇒CO、CO2、HCl、H2O⇒沸点最高的为H2O。

评分细则

（1）金刚石（写元素符号不给分）　8（其他答案不给分）　原子晶体（其他答案不给分）

（2）1s22s22p63s23p5（写[Ne]3s23p5也给分）

（3）H2O　分子间形成氢键　V形（或角形）　sp3（其他答案不给分）

（4）HCl（2分）　（5）COCl2（2分）　sp2　极性（除标注外其他每空1分，共14分）

思维建模

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