新设计化学苏教选修3专题3 第二单元.docx

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新设计化学苏教选修3专题3第二单元

第二单元　离子键　离子晶体

[学习目标定位]　1.正确理解离子键、离子晶体的概念，知道离子晶体类型与其性质的联系。

2.认识晶格能的概念和意义，能根据晶格能的大小，会分析晶体的性质。

一　离子晶体

1．结合已学知识和教材内容，填写下表：

物质名称

构成微粒

微粒间

作用力

物质类别

晶体类型

金属镁

Mg2＋、自由电子

金属键

金属单质

金属晶体

食盐

Na＋和Cl－

离子键

离子化合物

离子晶体

（1）离子晶体的概念是阴、阳离子通过离子键而形成的晶体。

构成离子晶体的微粒是阴离子和阳离子，微粒间的作用力是离子键。

（2）由于离子间存在着无方向性的静电作用，每个离子周围会尽可能多地吸引带相反电荷的离子以达到降低体系能量的目的。

所以，离子晶体中不存在单独的分子，其化学式表示的是离子的个数比，而不是分子组成。

2．离子晶体的结构

（1）离子晶体中，阴离子呈等径圆球密堆积，阳离子有序地填在阴离子的空隙中，每个离子周围等距离地排列着异电性离子，被异电性离子包围。

一个离子周围最邻近的异电性离子的数目，叫做离子晶体中离子的配位数。

（2）观察分析表中离子晶体的结构模型，填写下表：

晶体

结构

模型

配位数

Cl－和Na＋配位数都为6

Cl－和Cs＋配位数都为8

配位数：

F－为4，Ca2＋为8

晶胞中

微粒数

Na＋、Cl－都为4

Cs＋、Cl－都为1

Ca2＋为4、F－为8

阴、阳

离子

个数比

1∶1

1∶1

2∶1

化学式

NaCl

CsCl

CaF2

（3）在NaCl晶体中，每个Na＋周围最近且等距离的Na＋有12个，每个Cl－周围最近且等距离的Cl－也有12个。

在CsCl晶体中，每个Cs＋周围最近且等距离的Cs＋有6个，每个Cl－周围最近且等距离的Cl－也有6个。

3．问题讨论

（1）在NaCl和CsCl两种晶体中，阴、阳离子的个数比都是1∶1，都属于AB型离子晶体，为什么二者的配位数不同、晶体结构不同？

答案　离子晶体中离子配位数的多少主要取决于阴、阳离子的相对大小，

数值越大，离子的配位数越高。

（2）根据离子晶体的形成，推测离子晶体具有怎样的特性？

答案　离子晶体是由阴、阳离子间通过较强的离子键而形成的，所以离子晶体具有较高的熔、沸点，难挥发，硬度较大，离子晶体不导电，熔化或溶于水后能导电。

大多数离子晶体能溶于水，难溶于有机溶剂。

[归纳总结]

1．离子键无方向性和饱和性，在离子晶体中阴、阳离子与异电性离子接触尽可能采用最密堆积，可以看作是不等径圆球密堆积。

2．晶体中正负离子的半径比是决定离子晶体结构的重要因素，简称几何因素。

此外正负离子的电荷比也是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素。

3．强碱、活泼金属氧化物、大多数盐类都是离子化合物。

它们在通常条件下都是固体，都属于离子晶体。

4．一般说来，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高，如：

Al2O3>MgO，NaCl>CsCl等。

[活学活用]

1．下列关于氯化钠晶体结构的说法中正确的是（　　）

A．氯化钠晶体中，阴、阳离子的配位数相等

B．氯化钠的晶体结构中，每1个Na＋仅结合1个Cl－

C．氯化钠的晶胞中的质点代表一个NaCl

D．氯化钠晶体中存在单个的NaCl分子

答案　A

解析　氯化钠晶体中，每个Na＋周围结合6个Cl－，而每个Cl－周围结合6个Na＋；NaCl只表示Na＋和Cl－个数比为1∶1。

2．已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体，其晶胞如图所示，X、Y、Z分别处于立方体

的顶点、棱边的中点、立方体的体心。

则下面关于该化合物的说法正确的是（　　）

A．该晶体的化学式为ZXY3

B．该晶体的熔点一定比金属晶体熔点高

C．每个X周围距离最近的Y有8个

D．每个Z周围距离最近的X有16个

答案　A

二　晶格能

1．晶格能的概念：

离子晶体的晶格能是指拆开1mol离子晶体使之形成气态阴离子和气态阳离子时所吸收的能量。

晶格能符号为U，通常取正值，单位kJ·mol－1。

2．观察分析下表，回答下列问题：

离子化合物

NaBr

NaCl

MgO

离子电荷数

1

1

2

核间距/pm

298

282

210

晶格能/kJ·mol－1

747

786

3791

熔点/℃

747

801

2852

摩氏硬度

<2.5

2.5

6.5

（1）影响晶格能大小的因素有哪些？

答案　影响晶格能的因素：

离子所带的电荷数和阴、阳离子间的距离（与离子半径成正比）。

晶格能与离子所带电荷数的乘积成正比，与阴、阳离子间的距离成反比。

（2）晶格能与晶体的熔点、硬度有怎样的关系？

答案　晶格能的数据可以用来说明许多典型离子晶体的性质变化规律，晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

[归纳总结]

影响离子键强度的因素

（1）离子电荷数的影响：

电荷数越多，晶格能越大，离子键越牢固，离子晶体的熔点越高、硬度越大。

（2）离子半径的影响：

半径越大，导致离子核间距越大，晶格能越小，离子键越易断裂，离子晶体的熔点越低、硬度越小。

[活学活用]

3．下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是（　　）

A．熔点：

NaF>MgF2>AlF3

B．晶格能：

NaF>NaCl>NaBr

C．阴离子的配位数：

CsCl>NaCl>CaF2

D．硬度：

MgO>CaO>BaO

答案　A

解析　掌握好离子半径的大小变化规律是分析离子晶体性质的一个关键点。

由于r（Na＋）>r（Mg2＋）>r（Al3＋），且Na＋、Mg2＋、Al3＋所带电荷数依次增大，所以NaF、MgF2、AlF3的离子键依次增强，晶格能依次增大，故熔点依次升高。

r（F－）

在CsCl、NaCl、CaF2中阴离子的配位数分别为8、6、4。

r（Mg2＋）

4．溴化钠、氯化钠和氧化镁等离子晶体的核间距和晶格能（部分）如下表所示：

NaBr

NaCl

MgO

离子的核间距/pm

290

276

205

晶格能/kJ·mol－1

787

3890

（1）溴化钠晶体比氯化钠晶体晶格能________（填“大”或“小”），主要原因是________________________________________________________________________。

（2）氧化镁晶体比氯化钠晶体晶格能大，主要原因是_____________________________。

（3）溴化钠、氯化钠和氧化镁晶体中，硬度最大的是________。

工业制取单质镁时，往往电解的是氯化镁而不是氧化镁，主要原因是______________________________________。

答案　

（1）小　溴化钠比氯化钠的离子的核间距大

（2）氧化镁晶体中阴、阳离子的电荷数大，并且离子的核间距小

（3）氧化镁　氧化镁晶体比氯化镁晶体的晶格能大，熔点高，电解时消耗电能多

解析　利用离子晶体中离子的核间距、离子的电荷数与晶格能的关系，对离子晶体的物理性质进行分析。

晶格能越大，离子晶体越稳定，其熔、沸点越高。

离子晶体

当堂检测

1．下列物质中，属于离子晶体，并且含有共价键的是（　　）

A．CaCl2B．MgO

C．N2D．NH4Cl

答案　D

解析　N2中只有共价键。

CaCl2、MgO、NH4Cl都是离子晶体，CaCl2、MgO中只含离子键；NH4Cl是离子晶体，其中NH

中N—H是共价键。

2．离子晶体一般不具有的特征是（　　）

A．熔点较高，硬度较大

B．易溶于水而难溶于有机溶剂

C．固体时不能导电

D．离子间距离较大，其密度较小

答案　D

解析　离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性，这些特性包括A、B、C项；离子间的距离取决于离子半径的大小及晶体的密堆积形式等。

3．如图所示，在较高温度时，钾、氧两种元素形成的一种晶体结构与NaCl晶体结构相似，则该化合物的化学式为（　　）

A．K2OB．K2O2

C．K2O3D．KO2

答案　D

解析　K＋的个数：

8×

＋6×

＝4；O

的个数：

12×

＋1＝4，故其比值为1∶1，应选D。

4．CaC2和MgC2都是离子化合物，下列叙述中不正确的是（　　）

A．CaC2和MgC2都跟水反应生成乙炔

B．C

的电子式为[

C⋮⋮C

]2－

C．CaC2在水中以Ca2＋和C

形式存在

D．MgC2的熔点不可能在100℃以下

答案　C

解析　CaC2和MgC2属同主族元素形成的结构相似的离子化合物，故其化学性质也应相似，如A项所述，故C

不可能在水溶液中存在。

又由于离子化合物中含有离子键，强度较大，故MgC2的熔点不可能低于100℃，故A、B、D正确。

5．同类晶体物质熔、沸点的变化是有规律的，试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因：

物质A

NaCl

KCl

CsCl

熔点/K

1074

1049

918

物质B

Na

Mg

Al

熔点/K

317

923

933

晶体熔、沸点的高低，决定于组成晶体微粒间的作用力的大小。

A组是______晶体，晶体微粒之间通过________相连，粒子之间的作用力由大到小的顺序是________。

B组晶体属于____________晶体，价电子数由少到多的顺序是__________，离子半径由大到小的顺序是__________，金属键强弱由小到大的顺序为______________。

答案　离子　离子键　NaCl>KCl>CsCl　金属　NaMg2＋>Al3＋　Na

解析　A组NaCl、KCl、CsCl为同一主族的卤化物且为离子化合物，故熔点与离子键的强弱有关，离子键越弱，熔点越低。

而Na＋、K＋、Cs＋的离子半径逐渐增大，故Na＋与Cl－、K＋与Cl－、Cs＋与Cl－的离子键逐渐减弱，NaCl、KCl、CsCl的熔点依次降低；而B组中Na、Mg、Al是金属晶体且价电子数依次增多，离子半径逐渐减小，因此金属原子核对外层电子束缚能力越来越大，形成的金属键越来越牢固，故熔点依次升高。

40分钟课时作业

[基础过关]

一、正确理解离子键的概念

1．下列叙述错误的是（　　）

A．带相反电荷的离子之间的相互吸引称为离子键

B．金属元素与非金属元素化合时，不一定形成离子键

C．某元素的原子最外层只有一个电子，它跟卤素结合时所形成的化学键不一定是离子键

D．非金属原子间可能形成离子键

答案　A

解析　离子键的实质是静电作用，包括静电吸引和静电排斥，所以A项不正确；AlCl3、BeCl2等是共价化合物，故B项正确；HCl是共价化合物，C项正确；铵盐如NH4Cl等全为非金属元素，属于离子化合物，D项正确。

2．下列说法不正确的是（　　）

A．离子键没有方向性和饱和性

B．并不是只有活泼的金属和非金属化合才形成离子键

C．离子键的实质是静电作用

D．静电作用只有引力

答案　D

解析　离子键是阴、阳离子之间的静电作用，包括静电吸引和静电排斥，且一个离子同时吸引多个带相反电荷的离子，故无方向性和饱和性；非金属元素也可形成离子键，如NH4Cl中NH

与Cl－形成离子键。

二、离子晶体的结构及其特征

3．如图，在

氯化钠晶胞中，与每个Na＋等距离且最近的几个Cl－所围成的立体构型为（　　）

A．十二面体

B．正八面体

C．正六面体

D．正四面体

答案　B

解析　首先要理解最近的离子在什么位置，以一个晶胞为例，处在中心位置上的Na＋被六个面上的Cl－所包围，这六个Cl－离中心Na＋最近，将六个面心的Cl－连成一个图形即为正八面体，也可以有其他连接方法。

4．高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构。

晶体中氧的化合价可看作部分为0价，

部分为－2价。

如图为超氧化钾晶体的一个晶胞（晶体中最小的重复单元）。

则下列说法正确的是（　　）

A．晶体中只存在离子键

B．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有1个K＋和1个O

C．晶胞中与每个K＋距离最近的O

有6个

D．晶体中所有原子之间都是以离子键结合

答案　C

解析　根据题给信息，超氧化钾晶体是面心立方晶胞，超氧化钾晶体（KO2）是离子化合物，阴、阳离子分别为O

、K＋，晶体中K＋与O

以离子键相结合，O

中O—O键为共价键。

作为面心立方晶胞，每个晶胞中含有4（即8×

＋

×6）个K＋，4（即1＋

×12）个O

，晶胞中与每个K＋距离最近的O

有6个。

5．氯化铯晶胞（晶体重复的结构单元）如图甲所示，该晶体中Cs＋与Cl－的个数比为1∶1，化学式为CsCl。

若某晶体晶胞结构如图乙所示，其中含有A、B、C三种元素的粒子，则该晶体中的A、B、C的粒子个数比为（　　）

A．8∶6∶1B．4∶3∶1

C．1∶6∶1D．1∶3∶1

答案　D

解析　在此晶体的晶胞中有A：

8×

＝1个，有B：

6×

＝3个，有C：

1×1＝1个，即A、B、C的粒子个数比为1∶3∶1。

三、离子晶体的主要特性及其应用

6．根据下列实验事实，能确定某晶体一定是离子晶体的是（　　）

A．晶体熔点达2500℃

B．晶体不导电，溶于水导电

C．晶体不导电，熔融能导电

D．温度越高，溶解度越大

答案　C

解析　熔点为2500℃的可以是金属晶体、原子晶体或离子晶体；晶体不导电，水溶液导电可以是离子晶体或分子晶体；多数固体温度升高，溶解度增大。

7．碱金属和卤素形成的化合物大多具有的性质是（　　）

①固态时不导电，熔融状态导电　②能溶于水，其水溶液导电　③低熔点　④高沸点　⑤易升华

A．①②③B．①②④

C．①④⑤D．②③④

答案　B

解析　卤素与碱金属形成的化合物为典型的离子化合物，具备离子晶体的性质。

四、离子晶体的晶格能与其性质的关系

8．离子晶体熔点的高低取决于阴、阳离子之间的核间距离和晶格能的大小，根据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是（　　）

A．KCl>NaCl>BaO>CaO

B．NaCl>KCl>CaO>BaO

C．CaO>BaO>KCl>NaCl

D．CaO>BaO>NaCl>KCl

答案　D

解析　对于离子晶体来说，离子所带电荷数越多，阴、阳离子间的核间距离越小，晶格能越大，离子键越强，熔点越高。

阳离子半径大小顺序为Ba2＋>K＋>Ca2＋>Na＋；阴离子半径：

Cl－>O2－，比较可得只有D项是正确的。

9．下列大小关系正确的是（　　）

A．晶格能：

NaCl

MgO>CaO

C．熔点：

NaI>NaBrD．熔、沸点：

CO2>NaCl

答案　B

解析　对于电荷数相同的离子，半径越小，离子键越强，晶格能越大，硬度越大，熔、沸点越高。

半径：

Cl－

10．已知晶格能的大小影响岩浆晶出的次序，晶格能越大，形成的晶体越稳定，岩浆中的矿物越容易结晶析出。

分析下表中硅酸盐矿物和石英的晶格能。

硅酸盐矿物和石英

晶格能（kJ·mol－1）

橄榄石

4400

辉石

4100

角闪石

3800

云母

3800

长石

2400

石英

2600

回答下列问题：

（1）橄榄石和云母晶出的顺序是________。

（2）石英总是在各种硅酸盐析出后才晶出的原因是________________。

（3）推测云母和橄榄石的熔点顺序为________，硬度大小为________。

答案　

（1）先晶出橄榄石后晶出云母

（2）石英的晶格能较小，所以石英总是在各种硅酸盐析出后才晶出

（3）橄榄石高于云母　橄榄石高于云母

解析　解此类题目要求学生通过认真分析科学数据，从中找出科学规律。

晶格能高的晶体，熔点较高，更容易在岩浆冷却过程中先结晶析出，故先晶出橄榄石后晶出云母。

晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。

此题使学生从定量的角度加深了对晶格能的认识，并更加深刻地体会到晶格能影响离子晶体的性质。

[能力提升]

11．X、Y、Z是三种常见的短周期元素，它们可以形成XY2、XY3、Z2Y、Z2Y2等化合物。

已知X原子比Y原子多一个电子层，Y得到电子达到8电子稳定结构时与Z离子具有相同的电子层结构。

（1）X是________，Y是________，Z是________。

（2）Z的单质属于________晶体，Z与Y形成Z2Y的过程可用电子式表示为________________________________________________________________________。

答案　

（1）硫（S）　氧（O）　钠（Na）

（2）金属　

解析　根据题意知：

X在第3周期，Y在第2周期。

由于Y与Z能形成Z2Y、Z2Y2，Z的离子应为阳离子，Z元素在第3周期。

结合形成化合物的形式以及“常见”的短周期元素，则X为硫，Y为氧、Z为钠。

12．A、B为两种短周期元素，A的原子序数大于B，且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍。

A、B形成的化合物是中学化学常见的化合物，该化合物熔融时能导电。

试回答下列问题：

（1）A、B的元素符号分别是________、________。

（2）用电子式表示A、B元素形成化合物的过程：

________________________________________________________________________。

（3）A、B所形成的化合物的晶体结构与氯化钠晶体结构相似，则每个阳离子周围吸引了________个阴离子；晶体中阴、阳离子数之比为________。

（4）A、B所形成化合物的晶体的熔点比NaF晶体的熔点________，其判断的理由是________________________________________________________________________。

答案　

（1）Mg　O

（2）

（3）6　1∶1

（4）高　离子半径相差不大，MgO中离子所带电荷较多，离子键较强，离子键越强，熔点越高

解析　

（1）最外层电子数是从1→8，B原子的最外层电子数是A原子的3倍，且A、B能形成化合物，则B原子的最外层电子数只能为6，A的为2。

短周期元素分别为A是Be或Mg，B是O或S，又因为原子序数A>B，则A是Mg，B为O。

（2）电子式表示MgO的形成过程：

（3）MgO晶体结构与NaCl相似，则每个Mg2＋周围有6个O2－，阴、阳离子数之比为1∶1。

（4）因为Mg2＋、O2－所带电荷比Na＋、F－所带电荷数多，且r（Mg2＋）r（F－），总体比较，离子半径相差不大，但MgO中离子电荷数多，离子键强。

13．镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。

工业上从海水中提取镁时，先制备无水氯化镁，然后将其熔融电解，得到金属镁。

（1）以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时，常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物，其主要作用除了降低熔点之外还有__________。

（2）已知MgO的晶体结构属于NaCl型。

某同学画出的MgO晶胞结构示意图如下图所示，请改正图中错误：

________________________________________________________________________。

（3）用镁粉、碱金属盐及碱土金属盐等可以做成烟火。

燃放时，烟火发出五颜六色的光，请用原子结构的知识解释发光的原因：

_________________________________________。

答案　

（1）增强熔融盐的导电性

（2）空心球应为O2－，实心球应为Mg2＋；8号空心球应改为实心球

（3）电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以发光的形式释放能量

解析　

（1）这些物质不能实际参与反应，是为了增强熔融盐的导电性。

（2）Mg2＋和O2－的半径是O2－>Mg2＋，故空心球应为O2－，实心球应为Mg2＋；图中应该黑白球交替出现，故8号球应为实心球。

（3）电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以发光的形式释放能量。

[拓展探究]

14．某离子晶体晶胞的结构如图所示，试分析：

（1）晶体中每个Y同时吸引着________个X，每个X同时吸引着________个Y，该晶体的化学式为________。

（2）晶体中每个X周围与它距离最近且相等的X共有________个。

（3）晶体中距离最近的2个X与1个Y所形成的夹角∠XYX为________（填角的度数）。

（4）设该晶体的摩尔质量为Mg·mol－1，晶体密度为ρg·cm－3，阿伏加德罗常数为NA，则晶体中距离最近的两个X之间的距离为________cm。

答案　

（1）4　8　XY2或Y2X　

（2）12

（3）109.5°　（4）

解析　

（1）Y只为一个晶胞所共有，即每个Y同时吸引4个X，而X处于顶点上，为8个晶胞所共有，即每个X同时吸引8个Y。

在每个晶胞中含X个数为

×4＝

个，含1个Y，则化学式为XY2或Y2X。

（2）在一个晶胞中，每个X与它距离最近的X有3个，则每个X周围有：

3×

＝12个（每个面为两个晶胞共有）。

（3）在晶胞中，Y与四个X形成正四面体结构，故键角为109.5°。

（4）因为一个晶胞中只含

个XY2或Y2X，故一个晶胞的质量为

，则有ρ＝

（a为晶胞的边长），得a＝

，则距离最近的两个X之间的距离为

。