第十二章 第39讲晶体结构与性质.docx
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第十二章第39讲晶体结构与性质
考纲要求
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.了解晶体的类型，了解不同类型晶体中结构微粒、微粒间作用力的区别。
3.了解晶格能的概念，了解晶格能对离子晶体性质的影响。
4.了解分子晶体结构与性质的关系。
5.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。
6.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，了解金属晶体常见的堆积方式。
7.了解晶胞的概念，能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算。
考点一 晶体常识
1．晶体与非晶体
晶体
非晶体
结构特征
结构微粒__________排列
结构微粒_____排列
性质
特征
自范性
_____
_____
熔点
_____
_____
异同表现
_____
_____
二者区
别方法
间接方法
看是否有固定的_____
科学方法
对固体进行__________实验
2.得到晶体的途径
（1）_____物质凝固。
（2）_____物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。
（3）溶质从溶液中_____。
3．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。
深度思考
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
（1）冰和碘晶体中相互作用力相同（ ）
（2）晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列（ ）
（3）凡有规则外形的固体一定是晶体（ ）
（4）固体SiO2一定是晶体（ ）
（5）缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体块（ ）
（6）晶胞是晶体中最小的“平行六面体”（ ）
（7）区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验（ ）
2．如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞，则甲晶体中x与y的个数比是________，乙中a与b的个数比是________，丙中一个晶胞中有________个c离子和________个d离子。
3．下图为离子晶体空间构型示意图：
（
阳离子，
阴离子）以M代表阳离子，以N表示阴离子，写出各离子晶体的组成表达式：
A________、B________、C________。
题组一 认识各类晶胞
1．下图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为________。
2．某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是（ ）
A．3∶9∶4B．1∶4∶2
C．2∶9∶4D．3∶8∶4
3．已知镧镍合金LaNin的晶胞结构如下图，则LaNin中n＝________。
4．Cu元素与H元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。
则该化合物的化学式为________。
5．
（1）硼化镁晶体在39K时呈超导性。
在硼化镁晶体中，镁原子和硼原子是分层排布的，下图是该晶体微观结构的透视图，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。
则硼化镁的化学式为________。
（2）在硼酸盐中，阴离子有链状、环状等多种结构形式。
下图是一种链状结构的多硼酸根，则多硼酸根离子符号为________。
6．已知下图所示晶体的硬度很可能比金刚石大，且原子间以单键结合，试根据下图确定该晶体的化学式为___________________。
题组二 晶胞的密度及微粒间距离的计算
7．Cu与F形成的化合物的晶胞结构如下图所示，若晶体密度为ag·cm－3，则Cu与F最近距离为________pm。
（阿伏加德罗常数用NA表示，列出计算表达式，不用化简；图中
为Cu，
为F）
8．如图为Na2S的晶胞，该晶胞与CaF2晶胞结构相似，设晶体密度是ρg·cm－3，试计算Na＋与S2－的最短距离为________cm（阿伏加德罗常数用NA表示，只写出计算式）。
晶胞计算的思维方法
（1）晶胞计算是晶体考查的重要知识点之一，也是考查学生分析问题、解决问题能力的较好素材。
晶体结构的计算常常涉及如下数据：
晶体密度、NA、M、晶体体积、微粒间距离、微粒半径、夹角等，密度的表达式往往是列等式的依据。
解决这类题，一是要掌握晶体“均摊法”的原理，二是要有扎实的立体几何知识，三是要熟悉常见晶体的结构特征，并能融会贯通，举一反三。
（2）“均摊法”原理
特别提醒 ①在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时，要注意晶胞的形状，不同形状的晶胞，应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有，如六棱柱晶胞中，顶点、侧棱、底面上的棱、面心依次被6、3、4、2个晶胞所共有。
②在计算晶胞中粒子个数的过程中，不是任何晶胞都可用均摊法。
（3）晶体微粒与M、ρ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（M为微粒的相对“分子”质量）；1个晶胞的质量为ρa3g（a3为晶胞的体积，ρ为晶胞的密度），则1mol晶胞的质量为ρa3NAg，因此有xM＝ρa3NA。
考点二 晶体的组成和性质
1．四类晶体的比较
类型
比较
分子晶体
原子晶体
金属晶体
离子晶体
构成粒子
_____
_____
_____
_____
粒子间的相互作用力
_____
_____
_____
_____
硬度
_____
_____
有的_____，有的_____
_____
熔、沸点
_____
_____
有的_____，有的_____
_____
溶解性
相似相溶
难溶于任何溶剂
常见溶剂难溶
大多数易溶于水等极性溶剂
导电、导热性
一般不导电，溶于水后有的导电
一般不具有导电性，个别为半导体
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
所有非金属氢化物（如水、硫化氢）、部分非金属单质（如卤素X2）、部分非金属氧化物（如CO2、SO2）、几乎所有的酸、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．离子晶体的晶格能
（1）定义
气态离子形成1mol离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：
kJ·mol－1。
（2）影响因素
①离子所带电荷数：
离子所带电荷数越多，晶格能越大。
②离子的半径：
离子的半径越小，晶格能越大。
（3）与离子晶体性质的关系
晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大。
深度思考
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
（1）在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子（ ）
（2）在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子（ ）
（3）原子晶体的熔点一定比金属晶体的高（ ）
（4）分子晶体的熔点一定比金属晶体的低（ ）
（5）离子晶体一定都含有金属元素（ ）
（6）金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体（ ）
（7）原子晶体的熔点一定比离子晶体的高（ ）
（8）金属晶体的熔点不一定比分子晶体的高（ ）
2．在下列物质中：
NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、（NH4）2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石，晶体氩。
（1）其中只含有离子键的离子晶体是______________________。
（2）其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是________________________。
（3）其中既含有离子键又含有极性共价键和配位键的离子晶体是__________。
（4）其中既含有离子键又含有非极性共价键的离子晶体是__________。
（5）其中含有极性共价键的非极性分子是________________。
（6）其中含有极性共价键和非极性共价键的非极性分子是________。
（7）其中含有极性共价键和非极性共价键的极性分子是________________________。
（8）其中含有极性共价键的原子晶体是__________________。
（9）不含共价键的分子晶体是__________，只含非极性键的原子晶体是____________。
题组一 晶体类型的判断
1．分析下列物质的物理性质，判断其晶体类型。
（1）碳化铝，黄色晶体，熔点2200℃，熔融态不导电：
________。
（2）溴化铝，无色晶体，熔点98℃，熔融态不导电：
_____________________。
（3）五氟化矾，无色晶体，熔点19.5℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮等：
________。
（4）溴化钾，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导电：
______________。
（5）SiI4：
熔点120.5℃，沸点287.4℃，易水解：
_______________。
（6）硼：
熔点2300℃，沸点2550℃，硬度大：
________。
（7）硒：
熔点217℃，沸点685℃，溶于氯仿：
________。
（8）锑：
熔点630.74℃，沸点1750℃，导电：
________。
2．现有几组物质的熔点（℃）数据：
A组
B组
C组
D组
金刚石：
3550℃
Li：
181℃
HF：
－83℃
NaCl：
801℃
硅晶体：
1410℃
Na：
98℃
HCl：
－115℃
KCl：
776℃
硼晶体：
2300℃
K：
64℃
HBr：
－89℃
RbCl：
718℃
二氧化硅：
1723℃
Rb：
39℃
HI：
－51℃
CsCl：
645℃
据此回答下列问题：
（1）A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是________。
（2）B组晶体共同的物理性质是________（填序号）。
①有金属光泽 ②导电性 ③导热性 ④延展性
（3）C组中HF熔点反常是由于____________________。
（4）D组晶体可能具有的性质是__________（填序号）。
①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④熔融状态能导电
（5）D组晶体的熔点由高到低的顺序为NaCl>KCl>RbCl>CsCl，其原因为_____。
晶体类型的5种判断方法
（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，微粒间的作用为分子间作用力。
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）依据物质的分类判断
①金属氧化物（如K2O、Na2O2等）、强碱（NaOH、KOH等）和绝大多数的盐类是离子晶体。
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原子晶体的熔点很高。
③分子晶体的熔点低。
④金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点相当低。
（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、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。
注意
（1）常温下为气态或液态的物质，其晶体应属于分子晶体（Hg除外）。
（2）石墨属于混合型晶体，但因层内原子之间碳碳共价键的键长为1.42×10－10m，比金刚石中碳碳共价键的键长（键长为1.54×10－10m）短，所以熔、沸点高于金刚石。
（3）AlCl3晶体中虽含有金属元素，但属于分子晶体，熔、沸点低（熔点190℃）。
（4）合金的硬度比其成分金属大，熔、沸点比其成分金属低。
题组二 晶体熔、沸点的比较
3．下列分子晶体中，关于熔、沸点高低的叙述中，正确的是（ ）
A．Cl2>I2
B．SiCl4＜CCl4
C．NH3>PH3
D．C（CH3）4>CH3CH2CH2CH2CH3
4．离子晶体熔点的高低取决于晶体中晶格能的大小。
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＞NaCl＞KCl
D．CaO＞BaO＞KCl＞NaCl
5．下列各组物质中，按熔点由低到高的顺序排列正确的是（ ）
①O2、I2、Hg ②CO、KCl、SiO2 ③Na、K、Rb
④Na、Mg、Al
A．①③B．①④
C．②③D．②④
分类比较晶体的熔、沸点
（1）不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律
原子晶体>离子晶体>分子晶体。
金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，如汞、镓、铯等熔、沸点很低，金属晶体一般不参与比较。
（2）原子晶体
由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高。
如熔点：
金刚石>石英>碳化硅>硅。
（3）离子晶体
一般地说，阴、阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用就越强，其离子晶体的熔、沸点就越高，如熔点：
MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。
（4）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、沸点反常的高。
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，F2＜Cl2＜Br2＜I2。
③组成和结构不相似的物质（相对分子质量接近），分子的极性越大，其熔、沸点越高，如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。
④同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
如：
CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
CHCH3CH3CH2CH3>CCH3CH3CH3CH3。
考点三 突破五类晶体模型
1．原子晶体（金刚石和二氧化硅）
（1）金刚石晶体中，每个C与另外_____个C形成共价键，C—C键之间的夹角是109°28′，最小的环是_____元环。
含有1molC的金刚石中，形成的共价键有_____mol。
（2）SiO2晶体中，每个Si原子与_____个O成键，每个O原子与_____个硅原子成键，最小的环是_____元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是_____原子，1molSiO2中含有_____molSi—O键。
2．分子晶体
（1）干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有_____个。
（2）冰的结构模型中，每个水分子与相邻的_____个水分子以氢键相连接，含1molH2O的冰中，最多可形成_____mol“氢键”。
3．离子晶体
（1）NaCl型：
在晶体中，每个Na＋同时吸引_____个Cl－，每个Cl－同时吸引_____个Na＋，配位数为_____。
每个晶胞含_____个Na＋和_____个Cl－。
（2）CsCl型：
在晶体中，每个Cl－吸引_____个Cs＋，每个Cs＋吸引_____个Cl－，配位数为_____。
4．石墨晶体
石墨层状晶体中，层与层之间的作用是__________，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是_____，C原子采取的杂化方式是_____。
5．常见金属晶体的原子堆积模型
结构型式
常见金属
配位数
晶胞
面心立方最密堆积
Cu、Ag、Au
12
体心立方堆积
Na、K、Fe
8
六方最
密堆积
Mg、Zn、Ti
12
特别提醒
（1）判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时，要注意运用三维想象法。
如NaCl晶体中，Na＋周围的Na＋数目（Na＋用“○”表示）：
每个面上有4个，共计12个。
（2）常考的几种晶体主要有干冰、冰、金刚石、SiO2、石墨、CsCl、NaCl、K、Cu等，要熟悉以上代表物的空间结构。
当题中信息给出与某种晶体空间结构相同时，可以直接套用某种结构。
深度思考
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
（1）在金属钠形成的晶体中，每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有8个（ ）
（2）在NaCl晶体中，每个Na＋周围与其距离最近的Na＋有12个（ ）
（3）在CsCl晶体中，每个Cs＋周围与其距离最近的Cl－有8个（ ）
（4）金属镁形成的晶体中，每个镁原子周围与其最近的镁原子有6个（ ）
2．在晶体模型中，金刚石中的“棍”和干冰中的“棍”表示的意义一样吗？
分子晶体中有化学键吗？
3．下列排列方式中：
A.ABCABCABC B．ABABABABAB
C．ABBAABBA D．ABCCBAABCCBA，属于镁型堆积方式的是________；属于铜型堆积方式的是________。
题组一 强化记忆晶体结构
1．判断下列物质的晶胞结构，将对应序号填在线上。
（1）干冰晶体_____；
（2）氯化钠晶体_____；
（3）金刚石_____；
（4）碘晶体_____；
（5）氟化钙_____；
（6）钠_____；
（7）冰晶体_____；
（8）水合铜离子_____；
（9）H3BO3晶体_____；
（10）铜晶体_____。
2．碳的第三种同素异形体——金刚石，其晶胞如图丁所示。
已知金属钠的晶胞（体心立方堆积）沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图如图A所示，则金刚石晶胞沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图应该是图________（从A～D图中选填）。
题组二 晶胞中原子半径及空间利用率的计算
3．用晶体的X射线衍射法对Cu的测定得到以下结果：
Cu的晶胞为面心立方最密堆积（如下图），已知该晶体的密度为9.00g·cm－3，晶胞中该原子的配位数为________；Cu的原子半径为________cm（阿伏加德罗常数为NA，要求列式计算）。
4．[2016·全国卷Ⅲ，37（5）]GaAs的熔点为1238℃，密度为ρg·cm－3，其晶胞结构如图所示。
该晶体的类型为________，Ga与As以________键键合。
Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol－1和MAsg·mol－1，原子半径分别为rGapm和rAspm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为___________________。
晶体结构的相关计算
（1）晶胞质量＝晶胞占有的微粒的质量＝晶胞占有的微粒数×
。
（2）空间利用率＝
。
（3）金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式（设棱长为a，原子半径为r）
①面对角线长＝
a。
②体对角线长＝
a。
③体心立方堆积4r＝
a
④面心立方堆积4r＝
a。
1．[2016·全国卷Ⅰ，37（6）]晶胞有两个基本要素：
①原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置，下图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为（0,0,0）；B为（
，0，
）；C为（
，
，0）。
则D原子的坐标参数为________。
②晶胞参数，描述晶胞的大小和形状，已知Ge单晶的晶胞参数a＝565.76pm，其密度为________________________________________________________________________
g·cm－3（列出计算式即可）。
2．[2016·全国卷Ⅱ，37（4）]某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。
①晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________。
②若合金的密度为dg·cm－3，晶胞参数a＝________nm。
3．[2016·全国卷Ⅲ，37（4）]GaF3的熔点高于1000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
4．（2016·四川理综，8）M、R、X、Y为原子序数依次增大的短周期主族元素，Z是一种过渡元素。
M基态原子L层中p轨道电子数是s轨道电子数的2倍，R是同周期元素中最活泼的金属元素，X和M形成的一种化合物是引起酸雨的主要大气污染物，Z的基态原子4s和3d轨道半充满。
请回答下列问题：
（1）R基态原子的电子排布式是___________________________，
X和Y中电负性较大的是________（填元素符号）。
（2）X的氢化物的沸点低于与其组成相似的M的氢化物，其原因是_________________。
（3）X与M形成的XM3分子的空间构型是________。
（4）M和R所形成的一种离子化合物R2M晶体的晶胞如图所示，则图中黑球代表的离子是________（填离子符号）。
（5）在稀硫酸中，Z的最高价含氧酸的钾盐（橙色）氧化M的一种氢化物，Z被还原为＋3价，该反应的化学方程式是__________________
________________________________________________________________________。
5．（2016·海南，19－Ⅱ）M是第四周期元素，最外层只有1个电子，次外层的所有原子轨道均充满电子。
元素Y的负一价离子的最外层电子数与次外层的相同。
回答下列问题：
（1）单质M的晶体类型为________，晶体中原子间通过________作用形成面心立方密堆积，其中M原子的配位数为________。
（2）元素Y基态原子的核外电子排布式为_______________，
其同周期元素中，第一电离能最大的是________（写元素符号）。
元素Y的含氧酸中，酸性最强的是________（写化学式），该酸根离子的立体构型为________。
（3）M与Y形成的一种化合物的立方晶胞如图所示。
①该化合物的化学式为________，已知晶胞参数a＝0.542nm，此晶体的密度为________________________________________________________________________g·cm－3。
（写出计算式，不要求计算结果。
阿伏加德罗常数为NA）
②该化合物难溶于水但易溶于氨水，其原因是_____________________
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