第四节离子晶体.docx

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第四节离子晶体

第四节　离子晶体

在我们周围广泛存在着离子化合物，常温下，许多离子化合物以晶体形态存在，如碳酸钙等。

这些晶体是如何形成的？

在这些晶体中，微粒又是怎样堆积的呢？

依据前面研究金属晶体结构的方法，观察NaCl晶体，发现其中的微粒排布同样具有周期性，从中截取一个面心立方结构，就得到了NaCl晶体的晶胞。

在NaCl中，每个Na＋周围分布有六个Cl－，同样每个Cl－周围分布有六个Na＋，那么，在一个晶胞中实际拥有的Na＋与Cl－各是多少个？

一、离子晶体

1．结构特点：

2．决定晶体结构的因素：

3．常见的离子晶体：

晶体类型

NaCl

CsCl

CaF2

晶胞

阳离子的

配位数

__6____

__6____

__8____

阴离子的

配位数

__8____

__8____

__4____

4．物理性质：

（1）硬度__较大____，难于压缩。

（2）熔点和沸点__较高____。

（3）固体不导电，但在__熔融状态或水溶液____中能导电。

二、晶格能

1．概念：

气态离子形成__1____mol离子晶体释放的能量。

2．影响因素：

晶格能—→越大

3．晶格能对离子晶体性质的影响。

晶格能越大，形成的离子晶体越__稳定____，而且熔点越__高____，硬度越__大____。

1．思考辨析：

（1）离子晶体中含有阴、阳离子，在固态时导电。

（　×　）

（2）离子晶体中不存在共价键。

（　×　）

（3）氯化钠、氟化钙晶体我们通常写为NaCl、CaF2，说明晶体中存在组成为NaCl、CaF2的分子。

（　×　）

（4）在NaCl晶胞中正六面体的顶点上、面上、棱上的Na＋或Cl－为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Na＋的个数为6；Cl－的个数为4。

（　×　）

（5）氯化钠的熔点大于氯化钾的熔点。

（　√　）

（6）MgO的熔、沸点和硬度均高于CaO。

（　√　）

2．离子晶体中一定不会存在的相互作用是（　D　）

A．离子键　B．极性键

C．非极性键　D．范德华力

解析：

离子化合物中一定含有离子键，也可能含有共价键，例如OH－和含氧酸根中的极性共价键，还有O中的非极性共价键。

只有分子晶体中才含有范德华力，离子晶体中一定不会有范德华力。

因此选D。

3．共价键、离子键和范德华力是粒子之间的三种作用力。

下列晶体①Na2O2；②SiO2；③石墨；④金刚石；⑤NaCl；⑥白磷中，含有两种作用力的是（　B　）

A．①②③　B．①③⑥

C．②④⑤　D．①②③⑥

解析：

过氧化钠中有离子键和共价键；石墨和白磷中存在共价键和分子间作用力。

4．下列说法一定正确的是（　D　）

A．固态时能导电的物质一定是金属晶体

B．熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体

C．水溶液能导电的晶体一定是离子晶体

D．固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体

解析：

四种晶体在不同状态下的导电性区别如下：

分子晶体

原子晶体

金属晶体

离子晶体

固态

不导电

不导电（晶体硅导电）

可导电

不导电

熔融状态

不导电

不导电

可导电

可导电

水溶液

有的可导电

－

－

可导电

5．下列性质中，可以较充分说明某晶体是离子晶体的是（　D　）

A．具有较高的熔点

B．固态不导电，水溶液能导电

C．可溶于水

D．固态不导电，熔融状态能导电

解析：

从熔点来看，离子晶体一般具有较高的熔点，但金刚石、石英等原子晶体也有很高的熔点，A项错误；从溶解性来看，蔗糖、葡萄糖等分子晶体也可溶于水，C项错误：

从导电性来看，AlCl3、HCl都不是离子化合物，但它们的水溶液均能导电，B项错误；而如果固态不导电、熔融状态能导电，说明由固态变为熔融状态的过程是克服离子键（而不是共价键或金属键）的过程，即固态中原本有阴、阳离子，只是不能自由移动，而由阴、阳离子构成的晶体一定是离子晶体，D项正确。

6．下列热化学方程式中，能直接表示出氯化钠晶格能的是（　A　）

A．Na＋（g）＋Cl－（g）―→NaCl（s）　ΔH1

B．Na（s）＋Cl（g）―→NaCl（s）　ΔH2

C．2Na＋（g）＋2Cl－（g）―→2NaCl（s）　ΔH3

D．Na（g）＋Cl（g）―→NaCl（s）　ΔH4

解析：

气态离子形成1mol离子晶体释放的能量称为晶格能。

知识点一　离子晶体的结构

1．结构特点：

（1）离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

（2）离子晶体微粒之间的作用力是离子键。

由于静电作用没有方向性，故离子键没有方向性。

只要条件允许，阳离子周围可以尽可能多地吸引阴离子，同样，阴离子周围可以尽可能多地吸引阳离子，故离子键也没有饱和性。

根据静电作用大小的影响因素可知，在离子晶体中阴、阳离子半径越小，所带电荷数越多，离子键越强。

（3）离子晶体的化学式只表示晶体中阴、阳离子的个数比，而不是表示其分子组成。

2．常见离子晶体的晶胞结构：

晶体

晶胞

晶胞详解

NaCl

①在NaCl晶体中，Na＋的配位数为6，Cl－的配位数为6

②与Na＋（Cl－）等距离且最近的Na＋（Cl－）有12个

③每个晶胞中有4个Na＋和4个Cl－

④每个Cl－周围的Na＋构成正八面体图形

CsCl

①在CsCl晶体中，Cs＋的配位数为8，Cl－的配位数为8

②每个Cs＋与6个Cs＋等距离相邻，每个Cs＋与8个Cl－等距离相邻

CaF2

①在CaF2晶体中，Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4

②每个晶胞中含有4个Ca2＋和8个F－

典例1　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，部分为－2。

如图为超氧化钾晶体的一个晶胞（晶体中最小的重复单元）。

下列说法正确的是（　A　）

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，0价氧元素与－2价氧元素的原子个数比为1︰3

解析：

在一个超氧化钾晶胞中，含K＋数为8×＋6×＝4，O2－数为12×＋1＝4，故化学式为KO2，且每个晶胞中含有4个K＋和4个O，故A项正确；晶体中每个K＋周围有6个O，每个O周围有6个K＋，故B项不正确；晶体中与每个K＋最近距离的K＋有12个，故C项不正确；设0价氧原子个数为x，－2价氧原子个数为y，根据KO2为电中性得：

2y＝，＝，故D项不正确。

方法技巧：

解答该题时，一要利用“均摊法”，求得每个晶胞中所含离子的数目；二要根据晶体结构求得阴阳离子的配位数。

同时也可联想NaCl晶体模型，利用熟悉的模型去解答有关问题。

〔变式训练1〕　

（1）下图为离子晶体空间构型示意图，（●为阳离子，○为阴离子），以M代表阳离子，以N代表阴离子，写出各离子晶体的组成表达式：

A__MN____；B__MN2____；C__MN2____；D__MN____.

（2）下面是从NaCl或CsCl晶体结构中分割出来的部分结构图，其中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图是__①④____。

解析：

（1）运用立方晶胞结构的特征判断。

在A项中M、N都在立方体的顶点且个数相等，故化学式为MN；在B项中，含M：

×8＋1＝2个，含N：

×4＋2（体心）＝4个；在C项中，含M：

×4＝个，含N：

1个；在D项中，含M：

×8＝1个，含N：

1个（体心）。

（2）NaCl晶体是简单立方体结构，每个Na＋周围有6个Cl－，每个Cl－周围有6个Na＋；与每个Na＋等距离的Cl－有6个，且构成正八面体，同理，与每个Cl－等距离的6个Na＋也构成正八面体，由此可知图①和④是属于NaCl晶体的。

知识点二　离子晶体的性质

性质

原因

熔沸点

离子晶体中有较强的离子键，熔化或气化时需消耗较多的能量。

所以离子晶体有较高的熔点、沸点和难挥发性。

通常情况下。

同种类型的离子晶体，离子半径越小，离子键越强，熔、沸点越高

硬度

硬而脆。

离子晶体表现出较高的硬度：

当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎

导电性

不导电，但熔融或溶于水后能导电。

离子晶体中，离子键较强，阴、阳离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此离子晶体不导电。

当升高温度时，阴、阳离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外加电场的作用下，离子定向移动而导电。

离子晶体溶于水时，阴、阳离子受到水分子的作用成了自由移动的离子（或水合离子），在外加电场的作用下，阴、阳离子定向移动而导电

溶解性

大多数离子晶体易溶于极性溶剂（如水）中，难溶于非极性溶剂（如汽油、苯、CCl4）中。

当把离子晶体放入水中时，水分子对离子晶体中的离子产生吸引，使离子晶体中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体，变成在水中自由移动的离子

延展性

离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离子晶体无延展性

典例2　下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是（　A　）

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

解析：

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＋）

〔变式训练2〕　根据下表给出的几种物质的熔、沸点数据，判断下列有关说法中错误的是（　D　）

物质

NaCl

MgCl2

AlCl3

SiCl4

单质B

熔点/℃

801

710

190

68

2300

沸点/℃

1465

1418

160

57

2500

A．SiCl4是分子晶体

B．单质B可能是原子晶体

C．AlCl3加热能升华

D．NaCl的键的强度比MgCl2小

解析：

由表中所给的熔、沸点数据可知：

SiCl4的熔、沸点最低，均低于100℃，为分子晶体；单质B的熔、沸点最高，高于2019℃，可能为原子晶体；AlCl3的沸点低于熔点，故可升华；NaCl的熔点高于MgCl2的熔点，表明NaCl中的离子键较难断裂，所以NaCl的键的强度比MgCl2大。

纳米技术

诺贝尔物理学奖获得者，美国科学家费曼（R.P.Feynman）在1959年的美国物理学年会上发表《底部有很大空间》的演讲中曾预言：

“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。

”这被公认为纳米科学技术思想的来源。

1984年，德国萨尔兰大学的格莱特（H.Gleiter）在高真空的条件下将粒径为6nm的铁粒子加压成形，烧结得到纳米量级的块状体，纳米材料由此得到迅速发展。

1990年，纳米技术获得了重大突破。

美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排。

他们使用扫描隧道显微镜慢慢地把35个氙原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母，而三个字母加起来还没有3nm长。

中国科学家利用原子力显微镜（AFM）技术“刻”下了世界上字号最小的唐诗。

1．下列说法正确的是（　D　）

A．离子晶体中可能含有共价键，但一定含有金属元素

B．分子晶体一定含有共价键

C．离子晶体中一定不存在非极性键

D．含有离子键的晶体一定是离子晶体

解析：

根据离子