第十二章 物质结构与性质第三节晶体结构与性质.docx
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第十二章物质结构与性质第三节晶体结构与性质
第十二章 物质结构与性质（选修三）
第三节晶体结构与性质
考点一
晶体和晶胞
[教材知识层面]
1．晶体与非晶体
（1）晶体与非晶体的比较：
比较
晶体
非晶体
结构特征
结构粒子周期性有序排列
结构粒子无序排列
性质特征
自范性
有
无
熔点
固定
不固定
异同表现
各向异性
各向同性
二者区别方法
间接方法：
测定其是否有固定的熔点
科学方法：
对固体进行X－射线衍射实验
（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。
2．晶胞
（1）概念：
晶胞是描述晶体结构的基本单元。
（2）晶体与晶胞的关系：
数量巨大的晶胞“无隙并置”构成晶体。
[高考考查层面]
命题点1 考查晶胞中粒子个数的计算
“分割法”突破晶胞组成的计算
[典题示例]
1.（2013·江苏高考）Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如右图所示。
①在1个晶胞中，Zn离子的数目为________。
②该化合物的化学式为________。
解析：
从晶胞图分析，含有Zn离子为8×1/8＋6×1/2＝4。
S为4个，所以化合物中Zn与S数目之比为1∶1，则化学式为ZnS。
答案：
4 ZnS
2.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：
B的原子半径比N大，因而结构示意图中大球代表B原子，利用晶胞结构可计算出含有2个B和2个N，化学式为BN。
答案：
2 BN
命题点2 考查晶体密度与微粒距离间的关系计算
晶体微粒与M（摩尔质量，g/mol）、ρ（晶体密度，g/cm3）之间的关系
若1个晶胞中含有x个微粒，则1mol晶胞中含有xmol微粒，其质量为xMg；又1个晶胞的质量为ρa3g（a3为晶胞的体积，单位为cm3），则1mol晶胞的质量为ρa3NAg，因此有xM＝ρa3NA。
[典题示例]
1.（2013·全国卷Ⅱ节选）F、K和Ni三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。
（1）该化合物的化学式为________；Ni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）结合解析
（1），根据密度公式可知ρ＝
＝
g·cm－3≈3.4g·cm－3。
答案：
（1）K2NiF4 6
（2）3.4
2．（2012·海南高考节选）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361pm。
又知铜的密度为9.00g·cm－3，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）。
解析：
体积是a3；m＝V×ρ，一个体心晶胞含4个原子，则M＝
×m晶胞×NA，可求NA。
答案：
4.70×10－23 4.23×10－22 NA＝
＝6.01×1023mol－1
[考点达标层面]
某离子晶体晶胞的结构如图所示。
X（
）位于立方体顶点，Y（
）位于立方体中心。
试分析：
（1）晶体的化学式为________。
（2）晶体中距离最近的2个X与1个Y形成的夹角∠XYX是________。
（3）设该晶体的摩尔质量为Mg/mol，晶体的密度为ρg/cm3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中两个距离最近的X之间的距离为________cm。
解析：
（1）晶胞中，X的个数＝4×1/8＝1/2，Y在体内，个数是1个，则X与Y的个数比是1∶2。
（2）若将4个X连接，构成1个正四面体，Y位于正四面体的中心，可联系CH4的键角，知∠XYX＝109°28′。
（3）摩尔质量是指单位物质的量的物质的质量，数值上等于该物质的相对分子（或原子）质量。
由题意知，该晶胞中含有
个XY2或Y2X，设晶胞的边长为acm，则有ρa3NA＝
M，a＝
，则晶体中两个距离最近的X之间的距离为
cm。
答案：
（1）XY2或Y2X
（2）109°28′ （3）
考点二
常见晶体类型的结构和性质
[教材知识层面]
1．四种晶体类型的比较
晶体类型
比较项目
分子晶体
原子晶体
金属晶体
离子晶体
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
范德华力（某些含氢键）
共价键
金属键
离子键
硬度
较小
很大
有的很大，有的很小
较大
熔、沸点
较低
很高
有的很高，有的很低
较高
溶解性
相似相溶
难溶于任何溶剂
常见溶剂难溶
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
电和热的良导体
晶体不导电，水溶液或熔融态导电
物质类别及举例
大多数非金属单质、气态氢化物、
酸、非金属氧化物（SiO2除外）、绝大
多数有机物（有机盐除外）
部分非金属单质
（如金刚
石、硅、
晶体硼），
部分非金
属化合
物（如SiC、SiO2）
金属单质与合金（如Na、Al、Fe、青铜）
金属氧化物（如
K2O、Na2O）、强碱（如KOH、NaOH）、
绝大部分盐（如NaCl）
2．典型晶体模型
晶体
晶体结构
晶体详解
原子晶体
金刚石
（1）每个碳与相邻4个碳以共价键结合，形成正四面体结构
（2）键角均为109°28′
（3）最小碳环由6个C组成且六原子不在同一平面内
（4）每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键数之比为1∶2
SiO2
（1）每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构
（2）每个正四面体占有1个Si,4个“
O”，n（Si）∶n（O）＝1∶2
（3）最小环上有12个原子，即6个O,6个Si
分子晶体
干冰
（1）8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子
（2）每个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有12个
离子晶体
NaCl（型）
（1）每个Na＋（Cl－）周围等距且紧邻的Cl－（Na＋）有6个。
每个Na＋周围等距且紧邻的Na＋有12个
（2）每个晶胞中含4个Na＋和4个Cl－
CsCl（型）
（1）每个Cs＋周围等距且紧邻的Cl－有8个，每个Cs＋（Cl－）周围等距且紧邻的Cs＋（Cl－）有8个
（2）如图为8个晶胞，每个晶胞中含1个Cs＋、1个Cl－
金属
晶体
简单立方堆积
典型代表Po，配位数为6，空间利用率52%
面心立方最密堆积
又称为A1型或铜型，典型代表Cu、Ag、Au，配位数为12，空间利用率74%
体心立方堆积
又称为A2型或钾型，典型代表Na、K、Fe，配位数为8，空间利用率68%
六方最密堆积
又称为A3型或镁型，典型代表Mg、Zn、Ti，配位数为12，空间利用率74%
[高考考查层面]
命题点1 晶体类型的判断
1．依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断
（1）离子晶体的构成微粒是阴、阳离子，微粒间的作用是离子键。
（2）原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用是共价键。
（3）分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用为范德华力或氢键。
（4）金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子，微粒间的作用是金属键。
2．依据物质的类别判断
（1）金属氧化物（如K2O、Na2O2等）、强碱（NaOH、KOH等）和绝大多数盐类是离子晶体。
（2）大多数非金属单质（除金刚石、石墨、晶体硅等）、非金属氢化物、非金属氧化物（除SiO2外）、几乎所有的酸、绝大多数有机物（除有机盐外）是分子晶体。
（3）常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的化合类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。
（4）金属单质、合金是金属晶体。
3．依据晶体的熔点判断
（1）离子晶体的熔点较高。
（2）原子晶体熔点高。
（3）分子晶体熔点低。
（4）金属晶体多数熔点高，但也有相当低的。
4．依据导电性判断
（1）离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。
（2）原子晶体一般为非导体。
（3）分子晶体为非导体，而分子晶体中的电解质（主要是酸和强极性非金属氢化物）溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子，也能导电。
（4）金属晶体是电的良导体。
5．依据硬度和机械性能判断
（1）离子晶体硬度较大或硬而脆。
（2）原子晶体硬度大。
（3）分子晶体硬度小且较脆。
（4）金属晶体多数硬度大，但也有较低的，且具有延展性。
[典题示例]
1．（2013·福建高考节选）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
解析：
在反应4NH3＋3F2
NF3＋3NH4F中，NH3、F2、NF3的晶体类型为分子晶体，Cu为金属晶体，NH4F为离子晶体。
答案：
abd
2．有A、B、C三种晶体，分别由H、C、Na、Cl四种元素中的一种或几种组成，对这三种晶体进行实验，结果如表：
熔点/℃
硬度
水溶性
导电性
水溶液与
Ag＋反应
A
811
较大
易溶
水溶液或
熔融导电
白色沉淀
B
3500
很大
不溶
不导电
不反应
C
－114.2
很小
易溶
液态不导电
白色沉淀
（1）晶体的化学式分别为A______、B______、C______。
（2）晶体的类型分别是A______、B______、C______。
（3）晶体中微粒间作用力分别是A______、B______、C________。
解析：
根据A、B、C所述晶体的性质可知，A为离子晶体，只能为NaCl，微粒间的作用力为离子键；B应为原子晶体，只能为金刚石，微粒间的作用力为共价键；C应为分子晶体，且易溶，只能为HCl，微粒间的作用力为范德华力。
答案：
（1）NaCl C HCl
（2）离子晶体 原子晶体 分子晶体
（3）离子键 共价键 范德华力
命题点2 考查常见的晶体结构
1．下面有关晶体的叙述中，不正确的是（ ）
A．金刚石网状结构中，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子
B．氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等的Na＋共有6个
C．氯化铯晶体中，每个Cs＋周围紧邻8个Cl－
D．干冰晶体中，每个CO2分子周围紧邻12个CO2分子
解析：
选B 氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等的Na＋共12个。
每个Na＋周围距离相等且最近的Cl－共有6个。
2．
（1）将等径圆球在二维空间里进行排列，可形成密置层和非密置层。
在图1所示的半径相等的圆球的排列中，A属于________层，配位数是________；B属于________层，配位数是________。
（2）将非密置层一层一层的在三维空间里堆积，得到如图2所示的一种金属晶体的晶胞，它被称为简单立方堆积，在这种晶体中，金属原子的配位数是________，平均每个晶胞所占有的原子数目是________。
（3）有资料表明，只有钋的晶体中的原子具有如图2所示的堆积方式。
钋位于元素周期表的第________周期第______族，元素符号是________，最外电子层的电子排布式是________。
答案：
（1）非密置 4 密置 6
（2）6 1
（3）六 ⅥA Po 6s26p4
命题点3 晶体熔、沸点高低的比较
1．不同类型晶体熔、沸点的比较
（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。
（2）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．同种类型晶体熔、沸点的比较
（1）原子晶体：
→
→
→
如熔点：
金刚石＞碳化硅＞硅。
（2）离子晶体：
①一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力越强，其晶体的熔、沸点越高，如熔点：
MgO＞MgCl2，NaCl＞CsCl。
②衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。
晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。
（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分子晶体（相对分子质量接近），其分子的极性越大，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。
（4）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，金属晶体的熔、沸点越高，如熔、沸点：
Na＜Mg＜Al。
[典题示例]
1．（2013·重庆高考节选）BN、MgBr2、SiCl4的熔点由高到低的顺序为__________________________。
解析：
BN为原子晶体，MgBr2为离子晶体，SiCl4为分子晶体，因而熔点：
BN＞MgBr2＞SiCl4。
答案：
BN＞MgBr2＞SiCl4
2．（2013·浙江高考节选）NaF的熔点________（填“>”“＝”或“<”）
BF
的熔点，其原因是____________________________________________________________。
答案：
> 两者均为离子化合物，且电荷数均为1，但后者离子半径大，离子键较弱，因此熔点较低
[考点达标层面]
1．下列物质性质的变化规律，与共价键的键能大小有关的是（ ）
A．F2、Cl2、Br2、I2的熔点、沸点逐渐升高
B．HF、HCl、HBr、HI的熔、沸点顺序为HF>HI>HBr>HCl
C．金刚石的硬度、熔点、沸点都高于晶体硅
D．NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低
解析：
选C A项、B项中分子晶体熔、沸点高低与分子间的作用力有关，含有氢键时会出现反常现象，与分子内共价键无关。
D项离子晶体内存在的是离子键。
2．（2015·威海质检）碳元素在生产生活中具有非常重要的作用，在新物质的制备中也发挥了举足轻重的作用。
（1）与碳同周期，且基态原子的核外未成对电子数相等的元素是________（写出元素符号）。
（2）石墨烯是目前人们制造的新物质，该物质是由单层碳原子六边形平铺而成的，像一张纸一样（如图甲），石墨烯中碳原子的杂化方式为________；常温条件下丙烯是气态，而相对分子质量比丙烯小的甲醇，常温条件下却呈液态，出现这种现象的原因是______________________。
（3）二氧化硅结构跟金刚石结构相似，即二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅与硅的化学键之间插入一个O原子。
观察图乙中金刚石的结构，分析二氧化硅的空间网状结构中，Si、O形成的最小环上O原子数目是_____________________________________。
（4）图丙是C60的晶胞模型（一个小黑点代表一个C60分子），图中显示出的C60分子数为14个。
实际上一个C60晶胞中含有________个C60分子。
解析：
（1）C元素和O元素基态原子的核外未成对电子数都是2。
（3）金刚石空间结构中数目最少的环中有6个原子，即六元环，共有6个C—C键，而二氧化硅中的硅原子相当于金刚石中的碳原子，氧原子在硅硅键之间，故二氧化硅中氧原子的数目与金刚石中C—C键的数目相同。
（4）晶胞中粒子个数的计算公式＝体内数目×1＋面上数目×1/2＋棱上数目×1/4＋顶角数目×1/8。
C60晶胞模型中显示出的14个C60分子，8个在晶胞顶角上，6个在面上，故一个晶胞中含有的C60分子数目为8×1/8＋6×1/2＝4。
答案：
（1）O
（2）sp2 甲醇分子间存在氢键，而丙烯分子间只有范德华力 （3）6 （4）4
1．下列说法中，正确的是（ ）
A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂
B．原子晶体中，共价键越强，熔点越高
C．分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔沸点一定越高
D．分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定
解析：
选B A项，冰为分子晶体，融化时破坏的是分子间作用力，错误。
B项，原子晶体熔点的高低取决于共价键的强弱，共价键越强，熔点越高，正确，分子晶体熔沸点高低取决于分子间作用力的大小，而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小，C、D项错误。
2．（2013·上海高考）下列变化需克服相同类型作用力的是（ ）
A．碘和干冰的升华 B．硅和C60的熔化
C．氯化氢和氯化钾的溶解D．溴和汞的汽化
解析：
选A A项变化克服的都是范德华力，正确；硅和C60的熔化分别克服的是共价键、范德华力，B项错误；氯化氢和氯化钾的溶解分别克服的是共价键、离子键，C项错误；溴和汞的汽化分别克服的是范德华力、金属键，D项错误。
3．（2012·上海高考）氮氧化铝（AlON）属原子晶体，是一种超强透明材料，下列描述错误的是（ ）
A．AlON和石英的化学键类型相同
B．AlON和石英晶体类型相同
C．AlON和Al2O3的化学键类型不同
D．AlON和Al2O3晶体类型相同
解析：
选D AlON与石英（SiO2）均为原子晶体，所含化学键均为共价键，A、B项正确；Al2O3是离子晶体，晶体中含离子键，不含共价键，C项正确，D项错误。
4．下列各物质中，按熔点由高到低的顺序排列正确的是（ ）
A．CH4>SiH4>GeH4>SnH4
B．KCl>NaCl>MgCl2>MgO
C．Rb>K>Na>Li
D．金刚石>Si>钠
解析：
选D 晶体熔点的高低取决于构成该晶体的结构粒子间作用力的大小。
A项物质均为结构相似的分子晶体，其熔点取决于分子间作用力的大小，一般来说，结构相似的分子晶体，相对分子质量越大者分子间作用力也越大，故A项各物质熔点应为逐渐升高的顺序；B项物质均为离子晶体，离子晶体熔点高低取决于离子键键能的大小，一般来说，离子的半径越小，电荷越多，离子键的键能就越强，故B项各物质熔点也应为升高顺序；C项物质均为同主族的金属晶体，其熔点高低取决于金属键的强弱，而金属键键能与金属原子半径成反比，与价电子数成正比，碱金属原子半径依Li～Cs的顺序增大，价电子数相同，故熔点应是Li最高，Cs最低；D项，原子晶体的熔点取决于共价键的键能，后者则与键长成反比，金刚石C—C键的键长更短些，所以金刚石的熔点比硅高。
原子晶体的熔点一般比金属晶体的熔点高。
5．高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构，晶体中氧的化合价部分为0价，部分为－2价。
如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞，则下列说法正确的是（ ）
A．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K＋和4个O
B．晶体中每个K＋周围有8个O
，每个O
周围有8个K＋
C．晶体中与每个K＋距离最近的K＋有8个
D．晶体中与每个K＋距离最近的K＋有6个
解析：
选A 由题中的晶胞结构知：
有8个K＋位于顶点，6个K＋位于面心，则晶胞中含有的K＋数为
＋
＝4（个）；有12个O
位于棱上，1个O
处于中心，则晶胞中含有O
数为12×
＋1＝4（个），所以超氧化钾的化学式为KO2；晶体中每个K＋周围有6个O
，每个O
周围有6个K＋，晶体中与每个K＋距离最近的K＋有12个。
6．MnO2是碱锰电池材料中最普通的正极材料之一，在活性材料MnO2中加入CoTiO3纳米粉体，可以提高其利用率，优化碱锰电池的性能。
（1）写出基态Mn原子的核外电子排布式________。
（2）CoTiO3晶体结构模型如图1所示。
在CoTiO3晶体中1个Ti原子、1个Co原子周围距离最近的O原子数目分别为________个、________个。
（3）二氧化钛（TiO2）是常用的、具有较高催化活性和稳定性的光催化剂，常用于污水处理。
O2在其催化作用下，可将CN－氧化成CNO－，进而得到N2。
与CNO－互为等电子体的分子、离子化学式分别为________、________（各写一种）。
（4）三聚氰胺是一种含氮化合物，其结构简式如图2所示。
三聚氰胺分子中氮原子轨道杂化类型是________，1mol三聚氰胺分子中σ键的数目为________。
解析：
（1）基态Mn原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2。
（2）采用沿X、Y、Z三轴切割的方法确定个数，所以分别是6和12。
（3）CO2（或N2O、CS2、BeCl2等合理均可）和N
。
（4）根据价层电子对数判断杂化类型，环上的N原子含有2个σ键，氨基含有3个σ键和一个孤电子对，所以sp2、sp3杂化；一个分子中含有15个σ键，所以1mol三聚氰胺中含有σ数目为15NA。
答案：
（1）1s22s22p63s23p63d54s2
（2）6 12
（3）CO2（或N2O、CS2、BeCl2等合理均可） N
（4）sp2、sp3 15NA
7.有A、B、C、D、E、F六种元素，A是周期表中原子半径最小的元素，B是电负性最大的元素，C的2p轨道中有三个未成对的单电子，F原子核外电子数是B与C核外电子数之和，D是主族元素且与E同周期，E能形成红色（或砖红色）的E2O和黑色的EO两种氧化物，D与B可形成离子化合物，其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题。
（1）E元素原子基态时的电子排布式为________。
（2）A2F分子中F原子的杂化类型是________，F的氧化物FO3分子空间构型为________。
（3）CA3极易溶于水，其原因主要是______________，试判断CA3溶于水后，形成CA3·H2O的合理结构：
________（填字母代号），推理依据是______________________________
________________________________________________________________________。
（4）从图中可以看出，D跟B形成的离子化合物的化学式为________；该离子化合物晶体的密度为ag·cm－3，则晶胞的体积是____________（写出表达式即可）。
解析：
由题意可知A、B、C分别为H、F、N，故推出F是S，由题意推出E是Cu，由晶胞的结构用均摊法计算出一个晶胞中含有8个F－，同时含有4个D离子，故可判断D是第四周期＋2价的金属元素，故D是钙元素。
NH3极易溶于水的原因是能与水分子间形成氢键，根据氢键的表示方法可知（b）是合理的；根据密度＝m/V进行计算，应注意一个晶胞中含有4个CaF2。
答案：
（1）1s22s22p63s23p63d104s1或
3d104s1
（2）sp3 平面正三角形
（3）与水分子间形成氢键 （b） 一水合氨电离产生
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