高中化学选修三物质结构与性质3

第3节 晶体结构与性质

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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。

【梳理整合】

一、晶体常识

2．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。

即时训练1 下列有关晶体的说法中正确的是__________。

①凡是有规则外形的固体一定是晶体

②晶体与非晶体的本质区别：是否有自范性

③熔融态物质凝固就得到晶体

④晶体有一定的熔沸点

⑤区分晶体和非晶体最可靠的科学方法：是否具有固定的熔沸点

⑥晶胞为的示意图：为阳离子，为阴离子。以M代表阳离子，N代表阴离子。化学式为MN2

二、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__________，也存在______________，每个水分子周围只有______个紧邻的水分子。

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②干冰：CO2分子之间存在____________，每个CO2分子周围有____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____________结合。

③____________________结构。

(2)典型的原子晶体——金刚石

①碳原子取________杂化轨道形成共价键，碳碳键之间夹角为________。 ②每个碳原子与相邻的____个碳原子结合。

即时训练2 下列说法中正确的是________。

①干冰(CO2)晶体中包含的作用力为分子间力和共价键

②SiO2晶体中包含的作用力只有共价键

③CO2表示一个二氧化碳分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的

④SiO2表示一个二氧化硅分子是由一个硅原子和两个氧原子构成的

⑤原子晶体比分子晶体的熔沸点高得多

⑥冰、干冰、水晶均属于分子晶体

特别提示：(1)原子晶体一定含有共价键，分子晶体可能不含有共价键，如稀有气体；(2)分子晶体的熔沸点的比较要注意氢键的影响。

三、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____________形成遍布_____________的“电子气”，被______________所共用，从而把________________维系在一起。

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

(3)金属键的强度______________。

①含有阳离子的物质一定含有阴离子

②含有阴离子的物质一定含有阳离子

③金属晶体易导电是因为有自由移动的金属阳离子

④金属晶体能导电是因为金属晶体在外加电场作用下可失去电子

⑤金属晶体的熔沸点一定比分子晶体的高

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四、离子晶体

1．离子晶体

(1)概念

①离子键：__________间通过____________(指__________和__________的平衡)形成的化学键。

②离子晶体：由__________和____________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：即正负离子________________________。

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

____________形成1 mol离子晶体__________的能量，单位________________，通常取________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______，离子所带电荷数越______，则晶格能越大。

③晶格能越大，形成的离子晶体就越__________，而且熔点越______，硬度越________。

即时训练4 下列说法中正确的是__________。

①NaCl表示一个氯化钠分子是由一个钠离子和一个氯离子构成的

②离子晶体不导电，熔融或溶于水后能导电

③多数离子晶体易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂

④离子晶体晶格能越大，熔沸点越高

⑤NaCl的晶格能大于NaF的晶格能

【归纳突破】

一、晶体结构的计算

1．晶体化学式的求法

晶体的化学式的确定常用分摊法，其核心为若晶体中某位置上粒子被n个重复

1单元共用，那该粒子有属于这个晶胞。如由立方晶胞中： n

1(1)处于顶点上的粒子被8个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞； 8

1(2)处于棱上的粒子被4个晶胞共用，该粒子有 4

1(3)处于面心上的粒子被2个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞； 2

(4)处于晶胞内部的粒子，该粒子完全属于这个晶胞。

2．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：

3a×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

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常数，n表示1 mol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1 mol晶胞的质量。

＋【例1】 Ⅰ.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。

Ⅱ.CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如下图所示)，但CaC2晶体中哑铃

＋－2－形C2的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶体中1个Ca2周围距离最近的C22

数目为____________。

特别提醒

要记住一些常见晶体的晶胞，如

子的位置是交替的。在下列各种晶体：①晶体硅 ②硝酸钾 ③金刚石 ④碳化硅 ⑤干冰 ⑥冰，它们的熔点由高到低的顺序是( )。

A．①②③④⑤⑥ B．①④③②⑥⑤

C．③④①②⑥⑤ D．③④①②⑤⑥

方法归纳

(1)比较晶体的熔点，首先要判断晶体的类型，一般是原子晶体的熔点＞离子晶体＞分子晶体。若有相同类型的晶体，则比较这些晶体中粒子间的作用力强弱。①原子晶体熔化时断开的是共价键，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔沸点越高；②离子晶体熔化时断开的是晶格能，离子半径越小，离子电荷数越多，晶格能越大，熔沸点越高；③分子晶体熔化时断开的是分子间作用力，分子间作用力越

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大，熔沸点越高，具有氢键的分子晶体，熔沸点反常的高；④金属晶体熔化时断开的是金属键，金属离子半径越小，离子电荷数越多，金属键越强，熔沸点越高。

(2)注意原子晶体的熔点不一定比离子晶体的熔点高，金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高。

【巩固提升】

1. (1)(2013课标全国理综)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

下图所示，其晶胞边长为540.0 pm。密度为

－__________________(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)。

(2)(2013海南化学)用晶体的X射线衍射法可以测得阿

伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果：晶胞为面

－心立方最密堆积，边长为361 pm。又知铜的密度为9.00 g·cm3，则铜晶胞的体积是

________ cm3、晶胞的质量是________ g，阿伏加德罗常数为________________ [列式计算，已知Ar(Cu)＝63.6]。

(3)(2013山东理综)下列关于金属及金属键的说法中正确的是________。

a．金属键具有方向性与饱和性

b．金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用

c．金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子

d．金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光

2．立方氮化硼结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm，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·cm3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数为NA)。

3．有下列几种晶体：A.水晶 B．冰醋酸 C．白磷 D．金刚石 E．晶体氩 F．干冰 G．NaOH

(1)属于分子晶体的是________，直接由原子构成的分子晶体是________。

(2)属于原子晶体的化合物是________，由非极性键构成的原

子晶体是______。

(3)直接由原子构成的晶体是________。

(4)受热熔合时，晶体内的化学键不发生变化的是________，

需克服共价键的是________。

(5)既含离子键又含共价键的是________。

(6)下图是干冰晶体结构的一部分，观察此图，试说明每个

CO2分子周围有________个与之紧邻等距的CO2分子。

4．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)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠相同，Ni2和Fe2的离子半径分别为

69 pm和78 pm，则熔点NiO________FeO(填“＜”或

“＞”)。

(2)NiO晶胞中Ni和O的配位数分别为

________、_____________________________。

(3)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________________。

5．(2012·海南，19)Ⅰ.下列有关元素锗及其化合物的叙述中正确的是( )

A．锗的第一电离能高于碳而电负性低于碳

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B．四氯化锗与四氯化碳分子都是四面体构型

C．二氧化锗与二氧化碳都是非极性的气体化合物

D．锗和碳都存在具有原子晶体结构的单质

Ⅱ.铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题：

(1)铜原子基态电子排布式为______；

(2)用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下

－结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为361 pm。又知铜的密度为9.00 g·cm3，则

铜晶胞的体积是______ cm3、晶胞的质量是______ g，阿伏加德罗常数为______(列式计算，已知Ar(Cu)＝63.6)；

(3)氯和钾与不同价态的铜可生成两种化合物，这两种化合物都可用于催化乙炔聚合，其阴离子均为无限长链结构(如下图)，a位置上Cl原子的杂化轨道类型为______。已知其中一种化合物的化学式为KCuCl3，另一种的化学式为______________；

(4)混合溶液反应，其原因是________________，反应的化学方程式为__________。

6．原子序数依次递增的甲、乙、丙、丁、戊是周期表中前30号元素，其中甲、乙、丙三元素的基态原子2p能级都有单电子，单电子个数分别是2、3、2；丁与戊原子序数相差18，戊元素是周期表中ds区的第一种元素。回答下列问题：

（1）甲能形成多种常见单质，在熔点较低的单质中，每个分子周围紧邻的分子数为 ；在熔点很高的两种常见单质中，X的杂化方式分别为 、 。

（2）14g乙的单质分子中π键的个数为___________。(用NA表示)

（3）+1价气态基态阳离子再失去一个电子形成+2价气态基态阳离子所

需要的能量称为第二电离能I2，依次还有I3、I4、I5…，推测丁元素的电

离能突增应出现在第 电离能。

（4）戊的基态原子有 种形状不同的原子轨道；

（5）丙和丁形成的一种离子化合物的晶胞结构如右图，该晶体中

阳离子的配位数为 。距一个阴离子周围最近的所有阳离子为顶点构成的几何体为 。已知该晶胞的密度为ρ g/cm3，阿伏加德罗常数为NA，求晶胞边长a=__________cm。 (用含ρ、NA的计算式表示)

（6）甲、乙都能和丙形成原子个数比为1：3的常见微粒，推测这两种微粒的空间构型为 。

参考答案

基础梳理整合

一、1.有 无 有 无 固定 不固定

2．(1)基本单元 (2)任何间隙 平行 取向

即时训练1

答案：②④⑥

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二、1.(2)氢键 范德华力 4 范德华力 12

2．(1)共价键 三维空间网状

(2)sp3 109°28′ 4

即时训练2

答案：①②③⑤

三、1.(1)价电子 整块晶体 所有原子 所有的金属原子 (2)金属阳离子 自由电子 金属键 (3)差别很大

2．定向移动 热 频繁碰撞 相对滑动 体系的排列方式 润滑剂

即时训练3

答案：②

四、1.(1)阴、阳离子 静电作用 相互排斥 相互吸引 阳离子 阴离子 离子键

(2)晶体中正负离子的半径比决定晶体结构 电荷不同，配位数必然不同

－2．(1)气态离子 释放 kJ·mol1 正

(2)稳定性 小 多 稳定 高 大

即时训练4

答案：②③④

核心归纳突破

【例1】 答案：Ⅰ.BaPbO3 12 Ⅱ.4

1＋＋－解析：Ⅰ.每一个晶胞中Ba2的个数为1，Pb4的个数为8＝1，O2的个数为8

1－＋12×＝3，所以其化学式为BaPbO3；立方体的12个棱边中心上的O2离中心Ba24

＋－最近且相等，所以每个Ba2与12个O2配位；Ⅱ.因为晶胞为长方体，所以处于6

－2－个面心的C22有两个离的比另外四个远，所以最近的C2数目为4。

【例2】 C 解析：这些晶体属于原子晶体的有①③④、离子晶体的有②、分子晶体的有⑤⑥。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Si—Si＞Si—C＞C—C，相应键能Si—Si＜Si—C＜C—C，故它们的熔点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅。

演练巩固提升

4×(65＋32)g·mol1

－6.02×10 mol－1．答案：(1)cm3 －4.1 g·(540×10 cm)27013521353 109°28′1－cos 109°28′sin2

－23－22(2)4.70×10 4.23×10

－63.6 g·mol1

－NA＝＝6.01×1023 mol1 1－4.23×1022 g4

(3)b

25×42．答案：4 4 －(361.5×10)×NA

解析：因为金刚石属于面心立方晶体，即碳原子处在立方体的8个顶点、6个－

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11面心，每个晶胞中含有碳原子数为×8＋×6＝4，根据BN的化学式可推知一个晶82

2525胞中含有4个N原子；因一个BN g，一个晶胞的质量为4 g，而一NANA

m－个晶胞的体积为(361.5×1010)3 cm3，依据ρ＝ v

3．答案：(1)BCEF E (2)A D (3)ADE (4)BCEF AD (5)G (6)12

解析：(1)注意氩是单原子分子，不含化学键，其晶体是由原子直接构成；(6)以立方体的一个顶点为研究对象，离其最近的是面中心的分子，补齐其他7个同样的立方体，找出通过所研究顶点的3个相互垂直的截面，每个截面上有4个，总共12个。

4．答案：(1)＞ (2)6 6 (3)LaNi5

解析：(1)晶格能与离子半径有关，其他因素相同时，离子半径越大，晶格能越小；

(2)由信息可知NiO与氯化钠相似，所以Ni和O的配位数均为6；(3)La在8个顶点，

88所以La为1，Ni有8个位于面上和一个中心，所以Ni为＋1＝5。 82

5．Ⅰ.BD 解析：A项中锗是金属而碳是非金属元素，第一电离能当然锗低于碳；B项中都应该是分子晶体，分子构型相同；C项明显有错，金属的氧化物不可能为气态化合物。

22626101Ⅱ.答案：(1)1s2s2p3s3p3d4s

－23－22(2)4.70×10 4.23×10

NA＝ 63.6g mol 1

4.23 10 22g4

3＝6.01×10 mol 23－1(3)sp K2CuCl3

(4)过氧化氢为氧化剂，氨与Cu形成配离子，两者相互促进使反应进行。Cu＋

H2O2＋4NH3===Cu(NH3)2

4＋2OH －

解析：(2)体积是a；质量＝体积×密度；一个面心立方晶胞含4个原子，则摩尔质量＝31×晶胞质量×NA，可求NA；(3)Cu有＋1、＋2两种价态，题中是＋2价4

的，那＋1价的表达当然是K2CuCl3；(4)单独不反应，同时作用能反应，所以反应为相互促进的化学反应，铜离子与氨形成配离子，还原剂是铜，氧化剂是过氧化氢，这方程式不难写。

6．（共15分）

（1）12（2分） sp2（1分） sp3（1分）（这两个空，不分先后顺序）

（2）NA（1分）

（3）二（1分）

（4）3 （2分）

（5）4 (2分) 正方体（立方体）（1分） （ 2 分）

（6）平面三角形（2分）