第三章晶体结构与性质精.docx

1、第三章晶体结构与性质精第三章 晶体结构与性质第一节 晶体的常识第1课时 晶体与非晶体知识梳理 晶体与非晶体晶体：其内部微粒(原子、分子或离子)在空间里按一定规则作周期性重复排列而构成的固体物质称为晶体。也可定义为是晶胞按一定规则堆积起来的具有多面体外形的均匀结构体称为晶体。非晶体：其内部微粒(原子或分子)在空间里的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质称为非晶体。晶体的基本性质自范性：指晶体在适当的条件下可以自发地形成几何多面体外形的性质。所谓“自发”，即自动发生的过程。不过“自发”过程的实现仍需要一定的条件。例如，水能自发地从高出流向低处，但不打开拦截水流的闸门，水库里的水就不能下泄。晶体呈现

2、自范性的条件之一是晶体生长的速率要适当。熔融态物质冷却凝固，有时能得到晶体，但凝固速率过快，常常只得到看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。最有趣的例子就是天然的水晶球。水晶球是岩浆里熔融态SiO2的浸入地壳的空洞冷却形成的。常见的外形是看不到晶体的外形的玛瑙，剖开水晶球，内层里才是呈现晶体外形的水晶。其实玛瑙和水晶都是SiO2晶体，不同的是玛瑙熔融态SiO2过速冷却形成的，而水晶则是缓慢冷却形成的。从本质上，晶体的自范性是晶体中，粒子在空间里周期性有序排列的宏观表现。相反，非晶体中粒子的排列是相对无序的，因而没有自范性。晶体有各向异性：晶体在不同方向上的性质(强度、导热性、光学性质等

3、)各不相同。晶体的对称性：晶体具有的规则几何外形是我们可以推测它的第三个特征，即具有特定的对称性。例如，规则的食盐晶体具有立方体外形，它既具有轴对称，也具有面对称。晶体有确定的熔点：给晶体加热，当温度升高到某温度时便立即熔化，此时温度不变。晶体有固定的熔点而非晶体没有固定熔点等。晶体能使X-射线产生衍射：晶体能使X-射线产生衍射现象。 晶体的制备方法：熔融态物质凝固；气态物质冷却不经过液态而直接凝固(凝华)；溶质直接从溶液中析出。 晶体与非晶体的含义：内部微粒(原子、分子或离子)在空间里按一定规则作周期性重复排列而构成的固体物质称为晶体。内部的原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质称

4、为非晶体。晶体的分类：根据晶体内部微粒的种类和微粒间的相互作用的不同，可以将晶体分为离子晶体、原子晶体、金属晶体、分子晶体和混合晶体(如石墨)。例题精析 例1下列有关化学键与晶体结构说法正确的是 ( )A.两种元素组成的分子中一定只有极性键B.离子化合物的熔点一定比共价化合物的高C.非金属元素组成的化合物一定是共价化合物D.含有阴离子的化合物一定含有阳离子解析本题考查化学键与晶体结构知识。A错误，比如C2H6，既有极性键又有非极性键。离子化合物的熔点也不一定都比共价化合物熔点高，如SiO2具有较高熔点，比NaCl高。非金属元素组成的化合物也不一定都是共价化合物，如NH4Cl、NH4NO3都是离

5、子化合物。含有阴离子的化合物一定含有阳离子，D正确，但是含有阳离子的晶体不一定含有阴离子，如金属晶体。答案D 例2下列化合物，按其晶体的熔点由高到低排列正确的是 ( ) A.SiO2 CsCl CBr4 CF4 B.SiO2 CsCl CF4 CBr4C.CsCl SiO2 CBr4 CF4 D.CF4 CBr4 CsCl SiO2答案A解析晶体熔、沸点比较，应依据原子晶体离子晶体分子晶体，结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越大，熔、沸点越高，则正确的顺序为SiO2、CsCl、CBr4、CF4。 例3下列事实中能证明甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构的是 （ ）A.CH3C

6、l只代表一种物质 B. CH2Cl2只代表一种物质C. CHCl3只代表一种物质 D. CCl4只代表一种物质解析CH4分子中有4个等同的CH键，可能有两种对称的空间排布正四面体结构和平面正方形结构，如下图所示：对于正四面体的立体结构，四个顶点的位置完全相同，故四个氢原子完全相同，所以CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4都只有一种结构。而平面正方形中，四个氢原子位置虽然也完全相同，但相互间存在着相邻和相间两种关系。所以，只有CH3Cl、CHCl3、CCl4存在一种结构，而CH2Cl2却有两种结构(如图)。因此，由“CH2Cl2只代表一种物质”，可判断出甲烷分子是以碳原子为中心的空间正

7、四面体结构，而非平面正方形结构的。答案B第2课时 晶胞知识梳理 晶胞：描述晶体结构的基本单元(或者晶格中最小的重复单位叫晶胞)。描述晶体在微观空间里原子的排列，不需要画出千千万万个原子，只需要在微观空间里取出一个晶胞即可。可用蜂巢和蜂室的关系比喻晶体和晶胞的关系，如下图所示。整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞无隙并置而成。所谓无隙是指相邻晶胞之间没有任何间隙。所谓并置是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。整个晶体就是晶胞按周期性在三维空间重复排列而成的。这种排列必须是晶胞的并置堆砌。同时，相邻的八个平行六面体均能共顶点相连。 晶胞的结构：一般来说晶胞都是一个平行六面体，在它的上下左右前后无隙并置

8、地排列着无数晶胞，而且所有的晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。 晶体结构的堆积模型等径圆球的密堆积：a.密置层：在一个平面上只有当等径圆球与周围其它六个等径圆球相接触时才能做到最密堆积，这样形成的层称为密置层。b.密置双层：将B层放在A层上面时，两层平行地错开，使B层每个球的球心恰好对应于A层中相邻三个球所围成的空隙的中心，使两层紧密接触，每一个球与另一层的三个球相接触，达到最密堆积模式，称为密置双层。c.在密置双层上再堆积第三层C时，有两种最密堆积方式：.A3型最密堆积，用符号表示为“ABAB”。第三、五、七、九个密堆积层的圆球球心恰好与A层圆球球心相对应，而第二、四

9、、八个密置层的圆球球心正好与B层圆球球心相对应，各层间都紧密接触。金属镁的晶体属于A3型最密堆积。.A1型最密堆积：用符号表示为“ABCABC”。第三层C圆球球心的位置，既与A层的圆球球心错开也与B层的圆球球心错开，此后四、五、六个密堆积层的圆球分别依次与A、B、C层的圆球相对应，不断重复ABCABC堆积。金属铜的晶体属于A1型最密堆积。d.构成晶体的主要类型：金属晶体、分子晶体。非等径圆球的密堆积：a.不等径圆球的密堆积是将不同半径的圆球的堆积看成是大球先按一定方式做等径圆球的密堆积，小球再填充在大球所形成的空隙中。b.构成晶体的主要类型：离子晶体。配位数：在密堆积中，一个原子或离子周围所邻

10、接的原子或离子的数目称为配位数。例如：在二维空间中，密置层配位数为6，非密置层配位数为4。晶体化学式的确定方法：均摊法或分割法平行六面体(长方体形或正方体形)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献：处于顶点的粒子同时为8个晶胞所共有，每个粒子有属于该晶胞，即。处于棱上的粒子同时为4个晶胞所共有，每个粒子有属于该晶胞，即。处于面上的粒子同时为2个晶胞所共有，每个粒子有属于该晶胞，即。处于晶胞内部的粒子则完全属于该晶胞，对晶胞的贡献为1，即。非长方体形(正方体)晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定，如混合晶体石墨，每一层内碳原子排成正六边形，其顶点(1个碳原子)对六边形的贡献为。例题精析 例1NaCl的

11、晶胞如下图，每个NaCl晶胞中含有的Na+离子和Cl离子的数目分别是 ( )A.14，13 B.1，1 C.4，4 D.6，6解析本题考查NaCl晶体结构。分析NaCl晶胞结构图，n(Na+)=8+6=4，n(Cl)12+1=4，n(Na+)n(Cl) =44。答案C。例2碘元素有多种价态，可以形成多种含氧阴离子IxOyn。由2个IO62正八面体共用一个面形成的IxOyn的化学式为 ( ) A.I2O94 B.I2O106 C.I2O118 D.I2O1210 解析本题主要考查离子组成与空间结构的关系。由于正八面体由八个正三角形构成，则IO62结构应为：I在正八面体中心，6个O原子在正八面体的

12、六个顶点上，若2个正八面体共用一个面，则应减少3个氧原子而I原子数不变，所以由2个IO62正八面体共用一个面形成的IxOyn其中氧原子数为：6239，I原子数为：112，故IxOyn的化学式为I2O94。结构分析如下图所示：答案A例3下列关于晶体的说法一定正确的是 ( )A.分子晶体中都存在共价键B.CaTiO3晶体中每个Ti4+和12个O2-相紧邻C.SiO2晶体中每个硅原子与两个氧原子以共价键相结合D.金属晶体的熔点都比分子晶体的熔点高解析惰性气体都是单原子分子，电价的晶体中不存在共价键，A不正确；在题目所给晶体结构模型中每个Ti4+周围有3个O2与之相邻，用均摊法不难求得晶体中每个Ti4

13、+离子周围共有：38个O2，故B正确；在SiO2的晶体中Si、O以单键相结合，因此每个硅原子与4个氧原子结合，C不正确；金属汞的熔点比I2、蔗糖等的熔点都低，D不正确。答案B第二节 分子晶体与原子晶体第1课时 分子晶体知识梳理分子晶体：分子间以分子间作用力相结合形成的晶体叫做分子晶体。分子晶体的物理性质 具有较低的熔、沸点，有较强的挥发性，硬度较小。部分分子晶体如干冰、碘、红磷、萘等容易升华。在溶解性上，不同的分子晶体存在着较大的差异，强极性的溶于水。在固态和熔融状态时都不导电。典型的分子晶体所有非金属的氢化物，如：水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等。大部分非金属单质，如：稀有气体、卤素(X2)、

14、氧气(O2)、硫(S8)、氮气(N2)、白磷(P4)、C60等。部分非金属的氧化物，如：CO2、SO2、SO3、P4O10等。几乎所有的酸，如：H2SO4、HNO3、H2SO3、H2SiO3、H3PO4等。绝大多数有机物，如：苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。分子晶体的结构特征：不同的分子晶体其空间构型不同，由于构成分子晶体的作用力为分子间作用力，而分子间作用力通常不具有方向性和饱和性，因此，分子晶体中分子在形成晶体时也会尽可能利用空间。大多数分子晶体具有如下结构特征：如果分子间作用力只有范德华力，若以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子，如：氧气(O2)、C60、干冰的晶胞等。如果分子间

15、作用力除范德华力外还有氢键，由于氢键具有方向性，必然要对晶体的构型产生影响，有的因分子间还存在氢键而连接成链状，有的连接成链状，有的则形成骨架型结构，如冰的晶体结构。水分子间作用力主要是氢键也存在范德华力，如图所示。由图可知，在冰的晶体中，每隔水分子周围只有4个紧邻的水分子，形成正四面体。氢键不必化学键，比共价键弱得多，却与共价键一样具有方向性，所以由于氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体中空间利用率不高，有相当大的空袭是得病的密度减小。例题精析 例1下列说法正确的是 ( )A.原子晶体中只存在非极性共价键B.稀有气体形成的晶体属于分子

16、晶体C.干冰升华时，分子内共价健会发生断裂D.金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物解析本题主要考查常见晶体的相关知识。单质类型的原子晶体(晶体硅、金刚石)中，只有非极性共价键，而化合物型的晶体(SiO2)中则含有极性共价键，A不正确；稀有气体为单原子分子，故B正确；干冰升华时破坏的是CO2分子之间的作用力，分子内的C=O共价键没有变化，C不正确；只有活泼金属与活泼非金属才能形成离子化合物，而AlCl3等物质则为共价化合物，D不正确。答案B例2雪花，被人们称为“冬之精灵”。科学研究发现，世界上没有两片雪花的形状是完全相同的。不同雪花中，水分子 ( ) A.数目都是巨大的 B.数目都是

17、相同的C.化学性质不相同 D.空间排列方式相同解析“世界上没有两片完全相同的雪花”说明了不同的雪花中一方面其所含的水分子数目不同，其次水分子在空间的排列方式不同，但它们共同的特征是每片雪花中都是化学性质相同的水分子组成的，并且含有的水分子的数目都非常的巨大，故答案为A。答案A例3下列物质发生变化时，所克服的粒子间相互作用属于同种类型的是 （ ）A.液溴和苯分别受热变为气体B.干冰和氯化铵分别受热变为气体C.二氧化硅和铁分别受热熔化D.食盐和葡萄糖分别溶解在水中解析液溴、苯都是由分子组成的，气化时克服分子间作用力。干冰受热气化克服分子间作用力、氯化铵受热分解克服离子键。二氧化硅（原子晶体）熔化克

18、服共价键、铁(金属晶体)熔化克服金属键。食盐(离子晶体)溶于水克服离子键、葡萄糖(分子晶体)溶于水克服分子间作用力。答案A 第2课时 原子晶体知识梳理原子晶体：所有原子都以共价键相互结合而形成空间网状结构(是一个巨分子)的晶体，叫做原子晶体，也可以叫做共价晶体。典型的原子晶体：金刚石、二氧化硅、晶体硅等。原子晶体的物理性质：熔、沸点高，硬度很大，不导电，难溶于一些常见的溶剂。常见的原子晶体某些非金属的单质，如：晶体硼、晶体硅、晶体Ge、金刚石等。某些非金属化合物，如：金刚砂(SiC)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。例题精析例1下列说法正确的是

19、( )A.原子晶体中只存在非极性共价键B.稀有气体形成的晶体属于分子晶体C.干冰升华时，分子内共价健会发生断裂D.金属元素和非金属元素形成的化合物一定是离子化合物解析本题主要考查常见晶体的相关知识。单质类型的原子晶体(晶体硅、金刚石)中，只有非极性共价键，而化合物型的晶体(SiO2)中则含有极性共价键，A不正确；稀有气体为单原子分子，故B正确；干冰升华时破坏的是CO2分子之间的作用力，分子内的C=O共价键没有变化，C不正确；只有活泼金属与活泼非金属才能形成离子化合物，而AlCl3等物质则为共价化合物，D不正确。拓展提高。答案B例2已知周期表中，元素Q、R、W、Y与元素X 相邻。Y的最高价氧化物

20、的水化物是强酸。回答下列问题：W与Q可以形成一种高温结构陶瓷材料。W的氯化物分子呈正四面体结构，W的氧化物的晶体类型是： ；Q的具有相同化合价且可以相互转变的氧化物是： ；R和Y形成的二元化合物中，R呈现最高化合价的化合物的化学式是： ； 这5个元素的氢化物分子中，立体结构类型相同的氢化物的沸点从高到低排列次序是(填化学式)： ，其原因是： ；电子总数相同的氢化物的化学式和立体结构分别是： ；W和Q所形成的结构陶瓷材料的一种合成方法如下：W的氯化物与Q的氢化物加热反应，生成化合物W(QH2)4和HCl气体；W(QH2)4在高温下分解生成Q的氢化物和该陶瓷材料。上述相关反应的化学方程式(各物质用

21、化学式表示)是： 。解析本题可结合问题作答。W的氯化物为正四体型，则应为SiCl4或CCl4，又W与Q形成高温陶瓷，故可推断W为Si。 SiO2为原子晶体。高温陶瓷可联想到Si3N4，Q为N，则有NO2与N2O4之间的相互转化关系。Y的最高价氧化的的水化物为强酸，且与Si、N等相邻，则只能是S。R为As，所以R的最高价化合物应为As2S5。显然X为P元素。氢化物沸点顺序为NH3AsH3PH3，因为前者中含有氢键后两者构型相同，分子间作用力不同； SiH4、PH3和H2S的电子数均为18，其结构分别为正四面体，三角锥和V形。 由题中所给出的含字母的化学式可以写出具体的物质，然后配平即可。答案原子

22、晶体 NO2和N2O4 As2S5 NH3AsH3PH3 NH3的分子间存在有氢键，所以在NH3、AsH3、PH3中沸点最高 又因为AsH3的相对分子质量大于PH3，分子间作用力AsH3大于PH3，故沸点AsH3高于PH3 SiH4：正四面体；PH3：三角锥；H2S：角形(V字形) SiCl42NH3=Si(NH2)44HCl、3Si(NH2)4Si3N48NH3例3C和Si元素在化学中占有极其重要的地位。写出Si的基态原子核外电子排布式。从电负性角度分析，C、Si和O元素的非金属活泼性由强至弱的顺序为。SiC的晶体结构与晶体硅的相似，其中C原子的杂化方式为，微粒间存在的作用力是。氧化物MO的

23、电子总数与SiC的相等，则M为（填元素符号）。MO是优良的耐高温材料，其晶体结构与NaCl晶体相似。MO的熔点比CaO的高，其原因是。C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2化学式相似，但结构和性质有很大不同。CO2中C与O原子间形成键和键，SiO2中Si与O原子间不形成上述健。从原子半径大小的角度分析，为何C、O原子间能形成，而Si、O原子间不能形成上述键。答案 1s22s22p63s23p2 OCSi sp3 共价键 Mg Mg2+半径比Ca2+小，MgO晶格能大 Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p-p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成上述稳定的键。解析C、Si和O的电负性大小

24、顺序为：OCSi。晶体硅中一个硅原子周围与4个硅原子相连，呈正四面体结构，所以杂化方式是sp3。 SiC电子总数是20个，则氧化物为MgO；晶格能与所组成离子所带电荷成正比，与离子半径成反比，MgO与CaO的离子电荷数相同，Mg2+半径比Ca2+小，MgO晶格能大，熔点高。Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p-p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成上述稳定的键。物质结构与性质、原子结构、杂化方式综合考查。第三节 金属晶体第1课时 金属键知识梳理金属键：金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用叫做金属件。其本质仍是一种电性作用。通常情况下，金属原子的部分或全部外围电子原子核的束缚比较弱，在

25、金属晶体内部，金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有原子维系在一起，这种作用称作金属键。金属键的形成可以从以下三个方面理解：金属原子易失去价电子，形成金属阳离子；金属体中无原子接受电子即无阴离子生成，故不能形成离子键；金属原子价电子数少，同种原子之间不能形成共价键，故金属原子失去的电子在整个金属体中形成自由电子。金属键的特征：自由电子不是专属于某几个特定和金属离子，即每个金属离子均可享有所有自由电子，但都不可能独占某个或几个自由电子，成键电子在整个金属晶体中自由移动。金属键既没有方向性，也没有饱和性。如下图所示： 金属晶体金属晶体：金属原子通过金属键

26、形成的单质晶体，叫做金属晶体。金属晶体物理性质的特点：熔、沸点一般比较高，硬度一般较大，具有良好的延展性、导热性和导电性。延展性：因为金属具有紧密堆积结构，又由于自由电子与金属阳离子的静电作用在整个晶体范围内的分布式均匀的，因此，金属的一部分在外力的作用下相对于另一部分发生位移时，只要这种位移不至于是原子核间的平均距离有显著地改变就不会破坏金属键，所以金属具有良好的延展性。导电性：由于自由电子在外电场的作用下做定向运动，所以金属有导电性。导热性：金属的导热性与金属晶体里的自由电子的运动有关。金属容易导热，就是由于自由电子运动时把能量从温度高的地方传到温度低的地方，从而使整块金属达到相同的温度。

27、例题精析 例1下列说法中正确的是 ( )A.离子晶体中每个离子周围均吸引着6个带相反电荷的离子B.金属导电的原因是在外电场作用下金属产生自由电子，电子定向运动C.分子晶体的熔沸点很低，常温下都呈液态或气态D.原子晶体中的各相邻原子都以共价键相结合解析离子晶体的结构不同，每个离子周围吸引的带相反电荷的离子的数目不同，A错误；金属是由金属阳离子和自由电子构成的，但自由电子并不是在外加电场的作用下才产生的，B错误；分子晶体在常温下也有呈固态的，C错误；组成原子晶体的元素是非金属元素，非金属元素间以共价键结合，D正确。答案D例2下列说法中正确的是 ( )A.非金属元素呈现的最高化合价不超过该元素原子的

28、最外层电子数B.非金属元素呈现的最低化合价，其绝对值等于元素原子的最外层最子数C.最外层有2个电子的原子都是金属原子D.最外层有5个电子的原子都是非金属原子解析非金属元素（一般是主族元素）的最高正价等于它的最外层电子数，所以A正确。B中非金属元素的最低化合价的绝对值等于它形成8电子稳定结构所需的电子数，也就是8减去最外层电子数。He原子最外层两个电子，但He不是金属，所以C错误。第族元素中的Sb、Bi的最外层都是5个电子，但它们都是金属，D错误。答案A 例3下列叙述正确的是 ( )A. 分子晶体中的每个分子内一定含有共价键B. 原子晶体中的相邻原子间只存在非极性共价键C. 离子晶体中可能含有共

29、价键D.金属晶体的熔点和沸点都很高解析本题考查晶体结构知识。分子晶体中不一定含有共价键，如稀有气体；原子晶体中可含有极性共价键，如SiO2；金属晶体的熔、沸点不一定高，如汞常温下为液体。答案C 第2课时 金属晶体的原子堆积模型 知识梳理金属晶体中的原子在空间中的堆积方式 简单立方堆积：相邻非密置层的原子核在同一条直线上一层一层地在三维空间里堆积，这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，称为简单立方。每个晶胞含有一个原子，配位数为6，分别位于上、下、前、后、左、右。这种堆积方式空间利用率最低。只有极少数金属采取这种堆积方式，如金属钋Po。体心立方堆积A2型密堆积：非密置层在空间一层一层堆积的另一种方

30、式是将上层金属原子填入下层的金属原子形成凹穴内，下一层的原子核与上一层相邻的四个原子围成的空隙在同一垂直于层面的直线上，并使非密置层的原子稍微分离，如此重复所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一个原子在立方体的顶角，另一个原子在立方体的中心，这种堆积方式称为体心立方堆积。每个金属原子于最近的8个金属原子相接触，配位数为8，这种堆积方式的空间利用率高于简单立方堆积为68.02%。如碱金属。面心立方最密堆积A1型密堆积：密置层原子的空间堆积方式也有两种。若将密置层的第一层标记为A层，第二层标记为B层，则B层中三球围成的空隙正对A层的球心，第三层标记为 C层，C层的球心正对B层中三球围成的空隙，但C层的球心不与A、B层中任一层的球心正对，这样以“ABCABC