晶体结构与性质课时教案.docx

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晶体结构与性质课时教案

第三章晶体结构与性质

第一节晶体常识

学习重难点：

1、晶体与非晶体的区别

2、晶体的特征

3、知道晶胞的概念，了解晶胞与晶体的关系，学会通过分析晶胞得出晶体的组成。

学习过程：

前面我们讨论过原子结构、分子结构，对于化学键的形成也有了初步的了解，同时也知道组成千万种物质的质点可以是离子、原子或分子。

又根据物质在不同温度和压强下，物质主要分为三态：

气态、液态和固态。

固体又可按一定的标准分为晶体和非晶体。

如蜡状白磷、黄色的硫磺、紫黑色的碘、高锰酸钾这一类固体，有着自己有序的排列，我们把它们称为晶体；而像玻璃这一类固体，本身原子排列杂乱无章，称它为非晶体。

一、晶体与非晶体

1、晶体：

绝大数固体

非晶体：

如玻璃、松香、硅藻土、橡胶、沥青等

2、晶体与非晶体的本质差异

晶体与非晶体的本质差异

自范性

微观结构

晶体

粒子在三维空间里呈周期性有序排列

非晶体

粒子排列相对无序

自范性：

晶体能自发性地呈现多面体外形的性质。

所谓自范性即“自发”进行，但这里得注意，“自发”过程的实现仍需一定的条件。

例如：

水能自发地从高处流向低处，但不打开拦截水流的闸门，水库里的水不能下泻。

注意：

自范性需要一定的条件，其中最重要的条件是。

见课本：

同样是熔融态的二氧化硅，快速的冷却得到看不到晶体外形的玛瑙，而缓慢冷却得到的是晶体外形的水晶，其实，玛瑙和水晶都是二氧化硅晶体。

许多固体的粉末用肉眼是看不见晶体的，但我们可以借助于显微镜观察，这也证明固体粉末仍是晶体，只不过晶粒太小，肉眼看不到而已。

那么得到晶体的途径，除了用上述的冷却的方法，还有没有其它途径呢？

3、晶体形成的一般途径：

（1）（如从熔融态结晶出来的硫晶体）

（2）（如凝华得到的碘晶体）；

（3）（如从硫酸铜饱和溶液中析出的硫酸铜晶体）

4、晶体的特点：

（1）；

（2）；

（3）。

解析：

对于同一幅图案来说,从不同的方向审视,也会产生不同的感受,那么对于晶体来说,许多物理性质：

如硬度、导热性、光学性质等，因研究角度不同而产生差异，即为各向异性。

例如：

蓝晶石（Al2O3·SiO2）在不同方向上的硬度不同；石墨在与层垂直的方向上的导电率与层平行的方向上的导电率1∕104。

小结：

可以根据晶体特点区别某一固体属于晶体还是非晶体。

然而，区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是利用x-射线衍射实验。

（4）x-射线衍射（若是晶体，则X-射线透过会在记录仪上看到分立的斑点或者明锐的谱线）

晶体具有以上特点本质上都是因为粒子在三维空间里呈周期性有序排列

总结：

晶体：

质点（分子、离子、原子）在三维空间里呈周期性有序排列的物质。

【巩固练习】

1、下列关于晶体与非晶体的说法正确的是：

（C）

A．晶体一定比非晶体的熔点高B．晶体有自范性但排列无序

C．非晶体无自范性而且排列无序D．固体SiO2一定是晶体

2、区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是：

（D）

A．熔沸点B．硬度C．颜色D．x-射线衍射实验

3、晶体与非晶体的严格判别可采用D

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

4、下列不属于晶体的特点是D

A．一定有固定的几何外形B．一定有各向异性

C．一定有固定的熔点D．一定是无色透明的固体

5、下列过程可以得到晶体的有D

A．对NaCl饱和溶液降温，所得到的固体

B．气态H2O冷却为液态，然后再冷却成的固态

C．熔融的KNO3冷却后所得的固体

D．将液态的玻璃冷却成所得到的固体

二、晶胞

1、晶体中最小的重复结构单元是晶胞。

一般来说，晶胞都是平行六面体。

但基本的结构单元只要有完全等价的顶点、完全等价的平行面和完全等价的平行棱，且能代表晶体的化学组成，都可当作晶胞对待。

2、晶体和晶胞的关系：

整块晶体可以看成是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。

无隙是指：

晶胞之间没有任何间隙

并置是指：

平行排列

3、晶胞中粒子数的计算方法：

晶胞任意位置上的一个原子A如果是被x个晶胞所共有，那么，属于该晶胞的就是1/x。

以立方体晶胞为例：

①凡处于立方体顶点的微粒，同时为8个晶胞共有，属于该晶胞的为1/8；②凡处于立方体棱上的微粒，同时为4个晶胞共有，属于该晶胞的为1/4；③凡处于立方体面上的微粒，同时为2个晶胞共有，属于该晶胞的为1/2；④凡处于立方体体心的微粒，完全属于该晶胞。

完成课本64页“学与问”

【巩固练习】

1、某离子化合物的晶胞如右图所示立体结构，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（D）

A．1∶8B．1∶4C．1∶2D．1∶1

2、某物质的晶体中含A、B、C三种元素，其排列方式如图所示

（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）

A．1:

3:

1B．2:

3:

1C．2:

2:

1D．1:

3:

3

3、如右图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）

A．2B．3C．4D．6

4、右图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1:

2。

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

略。

第二节分子晶体与原子晶体

【学习重点】

1、分子晶体、原子晶体的概念

2、晶体类型与性质之间的关系

3、氢键对物质物理性质的影响

【学习难点】

1、分子晶体、原子晶体的结构特点

2、氢键对冰晶体结构和性质的影响

【知识要点】

［复习引入］：

晶胞是晶体的基本结构单元，整块晶体可以看作是成千上万个晶胞“无隙并置”而成的。

绝大多数固体都是晶体。

根据晶体的构成粒子和粒子间的相互作用力的不同，可将晶体分为如下5种：

分子晶体

原子晶体

晶体离子晶体

金属晶体

混合晶体

一、分子晶体

1、定义：

只含分子的晶体（即分子构成的晶体）

2、构成粒子：

3、微粒间作用力：

范德华力（普遍存在）

分子间作用力

氢键（某些微粒间存在）

［思考］：

①分子晶体中是否一定有化学键？

②分子晶体熔化是否一定破坏化学键？

③分子晶体间作用力越大，是否越稳定？

④分子晶体中是否存在单个的小分子？

⑤分子晶体中除分子间作用力外，是否还存在其它的微粒间作用力？

4、物理性质

（1）熔沸点较，易升华，易挥发

（2）硬度，易压缩

（3）固态、熔融态均不导电（因为构成粒子是分子）

（4）一般符合“相似相溶”原理

5、常见的分子晶体

（1）所有非金属元素的氢化物（H显＋1价）

（2）部分非金属单质（硼晶体、金刚石、晶体硅等除外）

（3）部分非金属氧化物（二氧化硅等除外）

（4）几乎所有的酸（一般认为中学出现的酸全是）

（5）绝大多数有机物的晶体（高分子化合物除外）

（6）根据题目信息：

如熔沸点较低、易挥发、常温为液态（Hg除外）、熔融状态不导电等

6、分子晶体的结构特征

（1）分子间作用力只存在范德华力

以CO2为例：

如右图为干冰晶体的晶胞，立方体的

和各有一个CO2分子，因此，每个晶胞中有个CO2分子。

在干冰晶体中，每个CO2分子距离最接近且相等的CO2分子

有个。

象这种在分子晶体中以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子的特征称为。

（若将CO2分子换成O2、I2或C60等分子，干冰的晶体结构就变成了O2、I2或C60的晶体结构。

）

（2）分子间作用力既存在范德华力，又存在氢键

以冰为例分析：

冰中水分子间的主要作用力是氢键，在冰的

晶体中，每个水分子周围只有个紧邻的水分子（如右图），

虽然氢键不属于化学键，却也具有方向性，即氢键的存在迫使

在正四面体中心的水分子与四面体顶点方向的4个相邻的水分子

相互吸引。

这一排列使冰晶体中的水分子的空间利用率不高，留着相当大的空隙。

当冰刚刚开始融化为液态水时，热运动使冰的结构部分解体（此时主要破坏的是氢键），水分子间的空隙减小，密度反而增大；而超过4℃时由于热运动加剧（此时主要破坏的是范德华力），水分子间的距离加大，密度渐渐减小。

此时只有少数水分子间形成氢键。

当达到水的沸点时，水分子间的氢键绝大部分被破坏，形成单个的水分子。

即固态和液态水中，不同数目的水分子间都会存在氢键，因而它们的化学式有时又可写作（H2O）n。

等质量时固态水中形成的氢键比液态水中形成的氢键更多。

所以，℃的水的密度最大。

当液态水继续升温完全汽化变成水蒸气时，水分子间的氢键完全破坏，即态水中无氢键存在。

比较干冰与冰：

外观

分子间作用力

紧邻分子数

硬度

熔点

密度

干冰

外形

相似

相似

相对较

相对较

冰

和

相对较

相对较

7、比较分子晶体熔沸点的高低的方法

（1）看状态：

一般来说，固体液体气体

（2）看分子间作用力，若有氢键无氢键

（3）看分子量，分子量大，范德华力，熔沸点。

（4）分子量相近，看分子极性，极性越大，熔沸点。

［过渡］：

SiO2与CO2组成相似，均为酸性氧化物，化学性质相似，但是物理性质存在明显差异。

SiO2晶体熔沸点高、硬度大，干冰晶体熔沸点低、硬度小等。

二、原子晶体

1、定义：

所有都以键相互结合形成结构的晶体。

2、构成粒子：

3、微粒间作用力：

，（所以原子晶体又叫晶体）

［思考］：

①能否说有共价键的晶体是原子晶体？

②能否说构成微粒为原子的是原子晶体？

③能否说原子间均以共价键连接的为原子晶体？

④原子晶体中是否存在单个的小分子？

【过渡】：

由于原子晶体中原子间均以共价键结合，且形成空间网状结构，作用力很大。

因而要使其熔化、气化时需要较多的能量，这使原子晶体与分子晶体的物理性质存在很大的差异。

4、物理性质

（1）熔沸点——克服共价键键能

一般来说，原子半径越，键长越，键能越，熔沸点越。

如：

比较金刚石、SiC、Si晶体的熔沸点高低。

（2）硬度很

（3）不溶于一般溶剂

（4）一般不导电（个别为半导体，如Si、Ge等）

5、典型的原子晶体

（1）某些非金属单质（硼晶体、金刚石、晶体硅、锗等）

①金刚石

a、每个金刚石晶胞中含有个碳原子，最小的碳环为元环，并且不在同一平面（实际为椅式结构），碳原子为sp3杂化

b、每个碳原子被个六元环共用，每个共价键被个六元环共用

c、12g金刚石中有mol共价键，碳原子与共价键之比为

②Si

由于Si与碳同主族，晶体Si的结构同金刚石的结构。

将金刚石晶胞中的C原子全部换成Si原子，健长稍长些便可得到晶体硅的晶胞。

（2）某些非金属化合物【SiO2、SiC（金刚砂）、BN（氮化硼）、Si3N4等】

①SiC将金刚石晶胞中的一个C原子周围与之连接的4个C原子全部换成Si原子，键长稍长些便可得到SiC的晶胞。

（其中晶胞的8个顶点和6个面心为Si原子，4个互不相邻的立方体体心的为C原子，反之亦可）

a、每个SiC晶胞中含有个硅原子，含有个碳原子

b、1molSiC晶体中有molSi—C共价键

②SiO2在晶体硅的晶胞中，在每2个Si之间插入1个O原子，

便可得到SiO2晶胞。

a、SiO2晶体中最小的环为元环

b、每个Si原子被个十二元环共用，

每个O原子被个十二元环共用

c、每个SiO2晶胞中含有个Si原子，

含有个O原子

d、1molSiO2晶体中有mol共价键

6、比较原子晶体熔沸点的高低的方法

主要看共价键键能——取决于原子半径大小

【巩固练习】

1、科学家最近又发现了一种新能源——“可燃冰”它的主要成分是甲烷与水分子的结晶水合物（CH4·nH2O）。

其形成：

埋于海底地层深处的大量有机质在缺氧环境中，厌氧性细菌把有机质分解，最后形成石油和天然气（石油气），其中许多天然气被包进水分子中，在海底的低温与高压下形成了类似冰的透明晶体，这就是“可燃冰”。

又知甲烷同CO2一样也是温室气体。

这种可燃冰的晶体类型是B

A．离子晶体B．分子晶体C．原子晶体D．金属晶体

2、当SO3晶体熔化或气化时，下述各项中发生变化的是BD

A．分子内化学键B．分子间距离C．分子构型D．分子间作用力

3、分子晶体中如果只有范德华力，它的晶体一般采用密堆积结构，原因是分子晶体中

A．范德华力无方向性和饱和性B．占据晶格结点的粒子是原子

C．化学键是共价键D．三者都是

4、氮化硼是一种新合成的结构材料，它是超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组物质熔化时所克服的粒子间的作用与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用相同的是

A．硝酸钠和金刚石B．晶体硅和水晶C．冰和干冰D．苯和酒精

5、下列说法错误的是

A．金刚石结构C原子sp3杂化B．金属氧化物不可能形成原子晶体

C．宝石的主要成分是碳D．金刚石熔沸点比任何物质都高

6、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B

A．6个120°B．5个108°C．4个109°28′D．6个109°28′

7、关于下列常见晶体说法正确的是A

A．O2和C60都是12个紧邻的分子密堆积B．冰中每个水分子周围有12个紧邻的水分子

C．水在固态时密度一定比液态小

D．干冰中，1个分子周围有12的紧邻分子，密度比冰小。

8、有下列两组命题BC

A组

B组

Ⅰ．H—I键键能大于H—Cl键键能

①HI比HCI稳定

Ⅱ．H—I键键能小于H—C1键键能

②HCl比HI稳定

Ⅲ．HI分子间作用力大于HCl分子间作用力

③HI沸点比HCl高

Ⅳ．HI分子间作用力小于HCl分子间作用力

④HI沸点比HCl低

B组中命题正确，且能用A组命题加以正确解释的是

A．Ⅰ①B．Ⅱ②C．Ⅲ③D．Ⅳ④

9、水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。

它是由液态水急速冷却到165K时形成的，玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述正确的是C

A．水由液态变为玻璃态，体积缩小B．水由液态变为玻璃态，体积膨胀

C．玻璃态是水的一种特殊状态D．玻璃态水是分子晶体

10、下列说法正确的是（NA为阿伏加德罗常数）BC

A．124gP4含有P—P键的个数为4NAB．12g石墨中含有C—C键的个数为1．5NA

C．12g金刚石中含有C—C键的个数为2NAD．60gSiO2中含Si—O键的个数为2NA

二、填空题

11、下列4种物质熔点沸点由高到低排列的是____①④③②________

①金刚石（C—C）②锗（Ge—Ge）③晶体硅（Si—Si）④金刚砂（Si—C）

12、德国和美国科学家首先制出由20个碳原子组成的

空心笼状分子C20，该笼状结构是由许多正五边形构成

（如右图）。

请回答：

C20分子共有__12__个正五边形，共有_30__条

棱边，C20晶体属于___分子______（填晶体类型）。

13、有A、B、C三种物质，每个分子都各有14个电子。

其中A的分子属于非极性分子，且只有非极性键：

B的分子也属于非极性分子，但既有极性键，又有非极性键；C的分子属于极性分子。

则A的电子式为略，B的结构式为略。

C的名称是一氧化碳。

第三节金属键金属晶体

一、金属键

1、金属晶体定义：

由和通过键形成的具有一定几何外形的晶体。

2、构成微粒：

和。

3、微粒间的作用力：

键。

4、金属的物理通性（用电子气理论解释）

“电子气理论”：

金属原子脱落下来的形成遍布整块晶体的“”，被所有原子共用，金属键就是将所有原子维系在一起的这种金属脱落价电子后形成的离子与

“价电子气”之间的强烈的相互作用。

1导电性：

在外加电场作用下定向移动，所以能导电。

比较电解质溶液、金属晶体导电的区别

类别

电解质溶液

金属晶体

导电粒子

过程

（填化学变化、物理变化）

温度影响

温度越高，导电能力越

温度越高，导电能力越

导热性：

与碰撞传递热量。

温度升高金属的导热率。

延展性：

相对滑动,金属离子与自由电子仍保持相互作用。

④硬度和熔沸点：

与金属键的强弱有关。

一般规律：

原子半径越小、金属键就越

价电子数（即阳离子的的电荷）越，金属键就越。

金属键的强弱影响金属晶体的物理性质。

金属键越强，硬度就越，熔沸点就越。

练习：

比较下列金属的熔点：

LiNaKRb；NaMgAl

二、金属晶体的原子堆积模型

1.如果把金属晶体中的原子看成直径相等的球体,把他们放置在平面上,有几种方式?

（非最紧密排列）非密置层（最紧密排列）密置层

配位数为配位数为

⑴.非密置层在三维空间堆积方式

简单立方（如钋）,平均每个晶胞含一个原子

体心立方（钾型）,平均每个晶胞含二个原子

⑵.密置层在三维空间堆积方式

AB型：

六方堆积

ABC型：

面心立方堆积

归纳：

2、金属晶体原子堆积模型

类型

简单立方

体心立方

钾型

面心立方

铜型

六方堆积

镁型

代表金属

配位数

（晶体结构中，与任何一个原子最近的原子数目）

晶胞占有的原子数

原子半径（r）与

立方体边长为（a）

的关系

注：

相邻的球彼此接触

r（原子）=

注：

体心对角线上的球彼此接触

注：

立方体面上对角线上的球彼此接触

不做计算要求。

空间利用率

（晶胞中原子的体积占晶胞空间的百分率）

归纳：

3、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

定义

阴阳离子间通过

形成的晶体

分子间通过

形成的晶体

相邻原子间通过

结合而成的立体网状的晶体

由和

间相互作用形成的晶体

构成粒子

、

粒子间作用力

代表物

NaCl，NaOH，MgSO4

干冰，I2，P4，H2O

CO2

金刚石，SiC，晶体硅，SiO2

镁、铁、金、钠

物理性质

硬度较，熔点、沸点较，多数易溶于水等极性溶剂；熔化或溶于水时能导电。

硬度，熔点、沸点；相似相溶；熔化时不导电，其水溶液可导电。

硬度，熔点、沸点；难溶解；有的能导电，如晶体硅，但金刚石不导电。

硬度差异较大，熔点、沸点差异较大，难溶于水（钠、钙等与水反应）；晶体导电，熔化时也导电

决定熔点、沸点高主要因素

三、混合晶体

石墨不同于金刚石,它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化.而是呈杂化,形成平面六元并环结构,因此石墨晶体是层状结构的，每一层内部碳原子间是靠相维系，层内的碳原子的核间距为142pm层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠维系的；石墨的二维结构内，每一个碳原子的配位数为3，有一个末参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。

石墨晶体中，既有共价键，又有金属键，还有范德华力，不能简单地归属于其中任何一种晶体，是一种混合晶体。

【巩固练习】

习题1：

下列晶体中，熔点最高的化合物是（A）

　A．金刚石　　　B．食盐　　C．石英　　D．铝

习题2：

下列叙述正确的是（BD）

A．同主族金属的原子半径越大，熔点越高B．稀有气体的原子序数越大沸点越高

C．晶体中存在离子的一定是离子晶体D．金属晶体中的自由电子属整个晶体共有

习题3：

含有离子的晶体有（　AD）

A．离子晶体B．分子晶体

C．原子晶体D．金属晶体

习题4：

下列每组物质发生状态变化所克服的粒子间的相互作用属于同种类型的是（　C）

　A．食盐和蔗糖熔化

B．钠和硫熔化

C．碘和干冰升华

　D．二氧化硅和氧化钠熔化

习题5：

在下列有关晶体的叙述中错误的是（C）

　A．离子晶体中，一定存在离子键

B．原子晶体中，只存在共价键

C．金属晶体的熔、沸点均很高

D．稀有气体的原子能形成分子晶体

习题6：

下列说法中正确的是（CD）

A．金属氧化物一定是碱性氧化物

B．金属的导电性随温度的升高而增强

C．金属在反应中都表现还原性

D．金属单质固态时形成金属晶体

习题7：

下列叙述正确的是（C）

A．熔点：

钠>镁>铝

B．因为氧化铝是两性氧化物，所以它的熔点较低

C．三氯化铝晶体易溶于水，易溶于乙醚，熔点为200℃左右，所以它是分子晶体

D．所有的金属在室温时都是固体

习题8：

.下列物质所属晶体类型分类正确的是（D）

原子晶体

分子晶体

离子晶体

金属晶体

A

石墨

冰

金刚石

硫酸

B

生石灰

固态氨

食盐

汞

C

石膏

氯化铯

明矾

氯化镁

D

金刚石

干冰

芒硝

铁

习题9：

右图是金属铁晶体结构的示意图

已知：

金属铁的密度为7.8g·cm-3。

求：

铁原子的半径。

答案为（1.245×10—8cm）

习题10：

．右图是金属铝晶体结构的示意图

已知：

金属铝的密度为2.7g·cm-3。

求：

紧邻的铝原子的半径。

答案为（1.43×10—8cm）

金属知识材料小结

金属的物理性质由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子（或原子）排列很紧密，使金属具有很多共同的性质。

（1）状态：

通常情况下，除外都是固体。

（2）金属光泽：

多数金属具有光泽。

但除Mg、Al、Cu、Au在粉末状态有光泽外，其他金属在块状时才表现出来。

（3）易导电、导热：

由于金属晶体中自由电子的运动，使金属易导电、导热。

（4）延展性

（5）熔点及硬度：

由金属晶体中金属离子跟自由电子间的作用强弱决定。

金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。

①颜色：

绝大多数金属都是银白色，有少数金属具有颜色。

如Au金黄色Cu紫红色Cs银白略带金色。

②密度：

与原子半径、相对原子质量、晶体质点排列的紧密程度有关。

最重的为（Os）最轻的为（Li）

③熔点：

最高的为（W），最低的为（Hg）

④硬度：

最硬的金属为（Cr），最的金属为（Cs）。

⑤导电性：

导电性能强的为（Ag）。

⑥延展性：

延性最好的为（Pt），展性最好的为（Au）。

第四节离子晶体

【教学目标】

1、掌握离子晶体的概念，能识别氯化钠、氯化铯、氟化钙的晶胞结构。

2、学会离子晶体的性质与晶胞结构的关系。

3、通过探究知道离子晶体的配位数与离子半径比的关系。

4、通过碳酸盐的热分解温度与阳离子半径的自学，拓展学生视野。

5、通过分析数据和信息，能说明晶格能的大小与离子晶体性质的