晶体的结构和性质.docx
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晶体的结构和性质
晶体的结构和性质
高考目标要求
1、了解几类常见晶体的结构特点及性质
2、初步掌握分析晶体结构和组成的常用方法
一、晶体
1、概念具有规则几何外形的固体
2、晶体的分类离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体（过渡型晶体）
3、各类晶体的比较
比较
分子晶体
离子晶体
原子晶体
金属晶体
概念
（定义）
构成晶
体的微粒
分子
阴离子
阳离子
原子
金属阳离子
自由电子
微粒间
的作用力
分子间作用力
（范德瓦尔斯力）
离子键
共价键
金属键
物理性质
熔沸点
较低
较高
很高
有高、有底
硬度
较小
较大、硬而脆
很大
有大、有小
导电性
晶体不导电
熔融状态不导电
水溶液部分导电部分不导电
晶体不导电
熔融状态能导电
水溶液能导电、
不导电
良导体
导热性
不良
不良
不良
良好
延展性
不良
不良
不良
良好
溶解性
相似者相溶
一般易溶于水
难溶于有机溶剂
不溶于一般溶剂
不溶于一般溶剂
影响晶体
性质的因素
分子间作用力
相对分子质量的大小
离子键的强弱
离子的半径和电荷
共价键的强弱
键长、键能
原子的半径
金属键的强弱
自由电子的多少
半径大小
实例
NaCl、CsCl
干冰、白磷
金刚石、碳化硅
金属单质、合金
4、过渡型晶体——石墨
⑴同一片层内，每个碳原子通过三个共价键与另三个碳原子相连成正六边形，形成一个整体（类似与于原子晶体）。
⑵在同一片层内每个碳原子还有一个电子在同一片层内自由运动（类似于金属晶体）
⑶片层与片层之间通过分子间力结合（类似于分子晶体）
故，石墨具有原子晶体的特点：
高熔沸点、难溶于任何溶剂；
具有金属晶体的特点：
电和热的良导体、有金属光泽；
具有分子晶体的特点：
硬度小、质地软。
5、判断晶体类型的一般方法
⑴依据组成晶体的微粒和微粒之间的相互作用力判断
⑵依据物质的类别
⑶依据晶体的性质，如：
熔沸点、导电性、硬度、机械加工性能等推测
6、
分析晶体组成的方法——均摊法：
包括最小结构单元分割法和点线面共用分割法。
分割
点线分割点－1/5
线－
1/2
7、物质熔沸点高低比较的一般规律
原子晶体＞离子晶体＞分子晶体
共价键离子键分子间作用力
键长、原子半径离子半径、离子电荷相对分子质量
如：
C金刚石＞SiC＞Si＞MgCl2＞NaCl＞KCl＞HI＞HBr＞HCl
特例：
①NH3H2OHF的熔沸点比相应同族其它元素的氢化物熔沸点反常的高（形成氢键的缘故）
②金属晶体、过渡型晶体因差异较大一般不列入比较系列。
二、晶体结构试题分类解析
有关晶体结构的推断和计算是高中化学中的一个难点，这些题目能很好地考察学生的观察能力和三维想象能力，而且又很容易与数学、物理特别是立体几何知识相结合，自然也就成为近年高考的热点之一。
此类题目的解答，要求学生在熟练掌握NaCl、CsCl、CO2、SiO2、金刚石等晶体结构的基础上，进一步理解和掌握一些重要的分析方法与原则。
1、教材中重要的晶体结构示意图
图1：
NaCl的晶体结构图2：
CsCl的晶体结构图3：
干冰的晶体结构
图4：
金刚石晶体结构图5：
SiO2晶体结构图6：
石墨晶体结构俯视
练习：
1、请将图1中NaCl晶体结构中代表Na+的圆圈涂黑（不考虑体积大小），以完成NaCl晶体的结构示意图。
在该晶体中每个Na+周围与之最接近且距离相等的Na+共有个；与每个Na+等距离且最近的Cl-所围成的空间几何构型为。
2、在CsCl晶体中，每个Cs+周围与之最接近的且距离相等的Cs+有个。
3、在干冰晶体中，每个CO2分子周围与之最接近的且距离相等的CO2分子有个。
4、在金刚石的网状结构中，含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上有个碳原子，每个碳原子上的任意两个C—C键的夹角都是。
5、石墨是层状结构，每一层内，碳原子排列成而成平面网状结构。
每一个碳原子跟其它个碳原子相连。
2、根据晶体结构或晶胞结构示意图推断晶体的化学式
解答这类试题，通常采用分摊法。
因为在一个晶胞结构中出现的多个原子，并不是只为这一个晶胞所独立占有，而是为多个晶胞共用，所以每一个晶胞只能按比例分摊。
分摊的根本原则是：
晶胞任意位置上的原子如果是被n个晶胞所共有，则每个晶胞只能分得这个原子的
。
具体地，根据晶胞（晶体中最小重复单位）求晶体中粒子个数比的方法是：
①处于顶点的粒子，同时为8个晶胞共有，每个粒子有1/8属于晶胞；②处于棱上的粒子，同时为4个晶胞共有，每个粒子有1/4属于晶胞；③处于面上的粒子，同时为两个晶胞共有，每个粒子有1/2属于晶胞。
例⒈现在四种晶体，其离子排列方式如图所示，其中化学式正确的是（）
AB2EF2XY3ZAB
（A）（B）（C）（D）
【分析】根据题意应选C、D。
这类题解题的思维方法为平均法，即先分析基本结构单元中的一个点或一条边为几个结构单元所共有，若为n个基本结构单元共有，则这个基本结构单元就只占有这个点或这条边的1/n。
这种求晶胞中粒子个数的方法还可类推到求晶胞中化学键数目，如：
例2：
石墨是层状晶体，每一层内碳原子排列成正六边形，一个个正六边形排列成平面网状结构，如果将每对相邻碳原子间的短线看成一个化学键，则石墨晶体中每一层内碳原子数与C—C键数的比是（）
（A）2∶3 （B）1∶3 （C）1∶1 （D）1∶2
【分析】据石墨的晶体结构可知：
每个碳原子为三个正六边形共用，每个正六边形占有该碳原子的1/3，因此，每个正六边形占有碳原子数为6×1/3个；晶体中每个C—C键即为每个正六边形的边，每个边为2个正六边形共用，每个正六边形占有该C—C键的1/2，故每个正六边形占有C—C键数目为6×1/2=3个，选（A）。
例⒊最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子（如左图所示），顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式是。
【分析】你的答案是TiC吗？
这是错的，为什么呢？
这只不过是一个具有规则结构的大分子，而不是一个空间结构中的最小重复单位，按例1的方法计算自然是错的了。
在这个问题中，我们只需数出两种原子的数目就可以了（Ti14C13），而不必进行上面的计算。
练习：
6、水分子间由于氢键的作用彼此结合而形成（H2O）n，在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的四面体，通过氢键相互连接成晶体，其结构如下图所示。
则1mol冰中有mol氢键。
7、科学家发现钇钡铜氧化合物在90K具有超导性，若该化合物的结构如下图所示，则该化合物的化学式可能是（）
（A）YBa2Cu3O4（B）YBa2Cu2O5（C）YBa2Cu3O5（D）YBaCu4O4
（第6题图）（第7题图）（第8题图）
（第9题图）（第10题图）
8、石墨晶体是层状结构，在每一层内，每一个碳原子都跟其它3个碳原子相结合。
上图是其晶体结构的俯视图，则图中7个六元环完全占有的碳原子数是（）
（A）10个（B）18个（C）24个（D）14个
9、上图所示为高温超导领域的一种化合物——钙钛矿的结构，该结构是具有代表性的最小重复单元。
试确定该结构单元的质量。
（相对原子质量：
Ca40Ti48O16）
10、二氧化硅是立体的网状结构，其晶体模型如上图所示，请认真观察该晶体模型后回答以下问题：
（1）二氧化硅晶体中最小环为元环；
（2）每个硅原子为个最小环共有；
（3）每个最小环平均拥有个硅原子，个氧原子。
3、晶胞结构与晶体密度的计算
例⒊如图是CsCl晶体的晶胞（晶体中最小重复单元），已知晶体中两个最近的Cs+核间距为acm，氯化铯的式量为M，NA为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体的密度为
（）
（A）（B）
（C）（D）
【分析】解法一：
晶体的密度等于晶体的质量与晶体在该质量下的体积的比值（即晶体的密度=
），据式量可知，1molCsCl的质量为M克，故需求出
1molCsCl的体积。
因晶体是由晶胞构成的，而1个CsCl晶胞的体积为a3cm3。
因此，此题解题的关键是找出1molCsCl晶体中的晶胞数目，由晶胞的示意图可知，1个晶胞中含1个Cs+和1个Clˉ，所以，在1molCsCl晶体中含NA个的晶胞。
由此可得，晶体的密度为。
解法二：
一个晶胞的体积为a3cm3，若求出一个晶胞的质量，则可以求出晶胞的密度，也就是晶体的密度（因为晶胞是晶体中最小的结构单元）。
根据晶胞的结构示意图可知，1个晶胞中含1个Cs+和1个Clˉ，所以一个晶胞的质量也就是1个Cs+和1个Clˉ的质量，所以晶胞的质量为＋，即：
=，因此也可得出晶体的密度。
4、分子内或晶体中化学键数目及多面体面数等的计算
例⒋德国和美国科学家首次制造出了由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的（如右图所示）。
请回答：
C20分子中共有个正五边形，共有条棱边。
C20晶体属于（填晶体类型）。
【分析】解法一：
从分子结构示意图可以看出，在C20分子内每个碳原子与另外3个碳原子成键，因此，C20分子内化学键总数=20×3×1/2（因为2个原子形成一个键），也即C20分子中共有30条棱边（因为化学键总数=多面体棱边总数）。
从数学角度，多面体棱边数=多面体面数×每个面的棱边数×1/2（因为2个面共用一条棱边），设正五边形的个数为x，则有：
30=x×5×1/2，所以，正五边形的个数为12。
实际上C20与C60都属于碳的同素异形体，应属于分子晶体。
解法二：
设C20分子中含x个正五边形，通过观察图形可知，每一个顶点为三个正五边形共用，则每个正五边形占有该顶点的1/2，因此，每个正五C20分子中含有正五边形个数x=12；每一条边为两个正五边形共用，每个正五边形只占有这条边的1/2，故C—C键的数目为12×5×1/2=30个，即C20分子中共有30条棱边。
边形占有碳原子数为5×1/3个，这个基本结构单元的碳原子数为x×5×1/3=20，因此，
【总结】在分子内或晶体中：
化学键总数=多面体棱边总数
其中，化学键总数=参与成键的微粒总数×每个微粒的成键数×1/2
多面体棱边数=多面体面数×每个面的棱边数×1/2
练习11、已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子组成的正二十面体
（如右图）。
其中有二十个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个
顶点各有一个硼原子，则这个基本结构单元由个硼原子构成，
共含有个B—B键。
五、综合性试题分析
在有关晶体结构的推断和计算试题中，综合性试题往往是试卷中难度最大的题目。
其实，这类试题只是把以上有关分析与计算综合到了一个题中，因此，我们可以采用以
上有关解题方法对其做出分析解答。
例⒌在离子晶体中，阴、阳离子按一定规律在空间排列，右图（a）是NaCl的晶体结构，在离子晶体中，阴、阳离子具有或近似具有球形对称结构，它们可以被看作是不等径的刚性圆球，并彼此相切如NaCl晶体结构图（b），已知a为常数。
（1）在NaCl晶体中，每个Na+同时吸引个Clˉ；Na+数目和Clˉ数目之比为；
（2）Na+半径与Clˉ半径之比=（已知
=1.414）；
（3）NaCl晶体中不存在分子，但在1.013×105Pa，1413℃时，NaCl晶体形成气体，并以分子形式存在。
现有29.25克NaCl晶体，在1.013×105Pa时强热使温度达到1501.5℃，测得气体体积为36.4L，试应用有关物理、化学知识计算此时氯化钠气体的分子式（不写计算过程）；
（4）若a=5.6×10-8cm，求NaCl晶体的密度（已知5.63=175.6，NaCl的摩尔质量为58.5g/mol）。
【解析】
（1）6，1∶1
（2）由图（b），因为r（Clˉ）＞r（Na+），则r（Clˉ）=
2r（Na+）=a－2r（Clˉ）=a－2×，即r（Na+）=
所以，==0.414
（3）摩尔质量M==117g/mol
设NaCl分子式为（NaCl）n，则有58.5n=117n=2，即NaCl气体的分子式为Na2Cl2。
（4）由NaCl晶体结构分析，每个晶体中含有4个“NaCl分子”，则有ρV=，所以ρ=/（5.6×10-8）3=2.2g/cm3
练习：
12、某离子晶体晶胞结构如右图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心，试回答：
（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）晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有个。
（3）晶体中距离最近的2个X与一个Y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，则晶体中两个距离最近的X中心间的距离为cm。
13、根据石墨晶体结构示意图及提供的数据计算（保留三位有效数字）。
有关公式、数据见框图。
（1）12g石墨中，正六边形的数目有多少？
（2）求石墨的密度。
（3）求12g石墨的体积（cm3）。
练习题答案：
1、12，八面体；2、6；3、12；4、6，109°28；
5、正六边形，3；6、27、C；8、D；
9、2.26×10-22g；（提示：
该结构单元的质量即为属于该结构单元中的原子的总质量）；
10、
（1）12，
（2）12，（3）1/2，1；
11、12，30
12、
（1）4；8；XY2或Y2X；
（2）12；（3）109°28′（提示：
4个X原子位于正四面体的四个顶点上，Y原子位于该正四面体的中心）（4）（提示：
每个晶体中含个X和1个Y，则1molXY2中含有2NA个晶胞，故每个晶胞的边长为，距离最近的两个X位于面对角线上，据勾股定理可求出其距离）。
13、
（1）3.01×1023；
（2）2.28g/cm3；（3）5.26cm3
解析：
（1）每个C为三个正六边形共有，每个六边形占有1/3个碳原子，六边形碳数=6×1/3=2，所以正六边形个==3.01
1023个
（2）由于层与层可滑动，抽象出一个正六棱柱，六棱柱体积=6
1/2sin60°a2b=6
÷1/2
（1.42
10-8）2
3.35
10-8=1.75
10-23cm3
由于每个正六边形为两个正六棱柱共有，所以每个正六棱柱占有2个C
密度=
（3）12g石墨体积=
=5.26cm3
学生练习：
（习题专辑略）
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