第3节　晶体结构与性质

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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。

3．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。

4．了解分子晶体与原子晶体、离子晶体、金属晶体的结构微粒、微粒间作用力的区别。

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一、晶体常识

1．晶体与非晶体

特别提示：具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如玻璃。

2．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。

即时训练1 下列有关晶体的说法中正确的是__________。

①凡是有规则外形的固体一定是晶体

②晶体与非晶体的本质区别：是否有自范性

③熔融态物质凝固就得到晶体

④晶体有一定的熔沸点

⑤区分晶体和非晶体最可靠的科学方法：是否具有固定的熔沸点

⑥晶胞为word/media/image2_1.png的示意图：为阳离子，为阴离子。以M代表阳离子，N代表阴离子。化学式为MN2

二、分子晶体和原子晶体

1．分子晶体

(1)结构特点

①晶体中只含分子。

②分子间作用力为范德华力，也可能有氢键。

③分子密堆积：一个分子周围通常有12个紧邻的分子。

(2)典型的分子晶体

①冰：水分子之间的主要作用力是__________，也存在______________，每个水分子周围只有______个紧邻的水分子。

②干冰：CO2分子之间存在____________，每个CO2分子周围有____个紧邻的CO2分子。

2．原子晶体

(1)结构特点

①晶体中只含原子。

②原子间以____________结合。

③____________________结构。

(2)典型的原子晶体——金刚石

①碳原子取________杂化轨道形成共价键，碳碳键之间夹角为________。

②每个碳原子与相邻的____个碳原子结合。

即时训练2 下列说法中正确的是________。

①干冰(CO2)晶体中包含的作用力为分子间力和共价键

②SiO2晶体中包含的作用力只有共价键

③CO2表示一个二氧化碳分子是由一个碳原子和两个氧原子构成的

④SiO2表示一个二氧化硅分子是由一个硅原子和两个氧原子构成的

⑤原子晶体比分子晶体的熔沸点高得多

⑥冰、干冰、水晶均属于分子晶体

特别提示：(1)原子晶体一定含有共价键，分子晶体可能不含有共价键，如稀有气体；(2)分子晶体的熔沸点的比较要注意氢键的影响。

三、金属晶体

1．“电子气理论”要点

(1)该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的____________形成遍布_____________的“电子气”，被______________所共用，从而把________________维系在一起。

(2)金属晶体是由______________、______________通过__________形成的一种“巨分子”。

(3)金属键的强度______________。

2．金属晶体的构成、通性及其解释

即时训练3 下列说法中正确的是____________。

①含有阳离子的物质一定含有阴离子

②含有阴离子的物质一定含有阳离子

③金属晶体易导电是因为有自由移动的金属阳离子

④金属晶体能导电是因为金属晶体在外加电场作用下可失去电子

⑤金属晶体的熔沸点一定比分子晶体的高

四、离子晶体

1．离子晶体

(1)概念

①离子键：__________间通过____________(指__________和__________的平衡)形成的化学键。

②离子晶体：由__________和____________通过__________结合而成的晶体。

(2)决定离子晶体结构的因素

①几何因素：即________________________________。

②电荷因素：即正负离子________________________。

③键性因素：离子键的纯粹程度。

(3)一般物理性质

一般地说，离子晶体具有较高的熔点和沸点，较大的硬度、难于压缩。这些性质都是因为离子晶体中存在着较强的离子键。若要破坏这种作用需要较多的能量。

2．晶格能

(1)定义

____________形成1 mol离子晶体__________的能量，单位________________，通常取________值。

(2)大小及与其他量的关系

①晶格能是最能反映离子晶体____________的数据。

②在离子晶体中，离子半径越______，离子所带电荷数越______，则晶格能越大。

③晶格能越大，形成的离子晶体就越__________，而且熔点越______，硬度越________。

即时训练4 下列说法中正确的是__________。

①NaCl表示一个氯化钠分子是由一个钠离子和一个氯离子构成的

②离子晶体不导电，熔融或溶于水后能导电

③多数离子晶体易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂

④离子晶体晶格能越大，熔沸点越高

⑤NaCl的晶格能大于NaF的晶格能

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一、晶体结构的计算

1．晶体化学式的求法

晶体的化学式的确定常用分摊法，其核心为若晶体中某位置上粒子被n个重复单元共用，那该粒子有属于这个晶胞。如由立方晶胞中：

(1)处于顶点上的粒子被8个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞；

(2)处于棱上的粒子被4个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞；

(3)处于面心上的粒子被2个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞；

(4)处于晶胞内部的粒子，该粒子完全属于这个晶胞。

2．有关晶胞各物理量的关系

对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：a3×ρ×NA＝n×M，a表示晶胞的棱长，ρ表示密度，NA表示阿伏加德罗常数，n表示1 mol晶胞中所含晶体的物质的量，M表示相对分子质量，a3×ρ×NA表示1 mol晶胞的质量。

【例1】 Ⅰ.铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构是：Pb4＋处于立方晶胞顶点，Ba2＋处于晶胞中心，O2－处于晶胞棱边中心。该化合物化学式为______________________，每个Ba2＋与______个O2－配位。

Ⅱ.CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如下图所示)，但CaC2晶体中哑铃形C的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶体中1个Ca2＋周围距离最近的C数目为____________。

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特别提醒

要记住一些常见晶体的晶胞，如

二、四种晶体的比较与判断

【例2】 碳化硅SiC是一种晶体，具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列各种晶体：①晶体硅　②硝酸钾　③金刚石　④碳化硅　⑤干冰　⑥冰，它们的熔点由高到低的顺序是(　　)。

A．①②③④⑤⑥　　　　 B．①④③②⑥⑤

C．③④①②⑥⑤ D．③④①②⑤⑥

方法归纳

(1)比较晶体的熔点，首先要判断晶体的类型，一般是原子晶体的熔点＞离子晶体＞分子晶体。若有相同类型的晶体，则比较这些晶体中粒子间的作用力强弱。①原子晶体熔化时断开的是共价键，原子半径越小，键长越短，键能越大，熔沸点越高；②离子晶体熔化时断开的是晶格能，离子半径越小，离子电荷数越多，晶格能越大，熔沸点越高；③分子晶体熔化时断开的是分子间作用力，分子间作用力越大，熔沸点越高，具有氢键的分子晶体，熔沸点反常的高；④金属晶体熔化时断开的是金属键，金属离子半径越小，离子电荷数越多，金属键越强，熔沸点越高。

(2)注意原子晶体的熔点不一定比离子晶体的熔点高，金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高。

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1．(高考集萃)(1)(2012课标全国理综)ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛。立方ZnS晶体结构如下图所示，其晶胞边长为540.0 pm。密度为__________________(列式并计算)，a位置S2－与b位置Zn2＋之间的距离为__________pm(列式表示)。

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(2)(2012海南化学)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361 pm。又知铜的密度为9.00 g·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]。

(3)(2012山东理综)下列关于金属及金属键的说法中正确的是________。

a．金属键具有方向性与饱和性

b．金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用

c．金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子

d．金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光

2．立方氮化硼结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5 pm，立方氮化硼晶胞中含有________个氮原子、________个硼原子，立方氮化硼的密度是________ g·cm－3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数为NA)。

3．有下列几种晶体：A.水晶　B．冰醋酸　C．白磷　D．金刚石　E．晶体氩　F．干冰　G．NaOH

(1)属于分子晶体的是________，直接由原子构成的分子晶体是________。

(2)属于原子晶体的化合物是________，由非极性键构成的原子晶体是______。

(3)直接由原子构成的晶体是________。

(4)受热熔合时，晶体内的化学键不发生变化的是________，需克服共价键的是________。

(5)既含离子键又含共价键的是________。

(6)下图是干冰晶体结构的一部分，观察此图，试说明每个CO2分子周围有________个与之紧邻等距的CO2分子。

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4．金属镍及其化合物在合金材料以及催化剂等方面应用广泛。请回答下列问题：

(1)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠相同，Ni2＋和Fe2＋的离子半径分别为69 pm和78 pm，则熔点NiO________FeO(填“＜”或“＞”)。

(2)NiO晶胞中Ni和O的配位数分别为________、_____________________________。

(3)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料，其晶胞结构示意图如下图所示。该合金的化学式为________________。

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参考答案

基础梳理整合

一、1.有　无　有　无　固定　不固定

2．(1)基本单元　(2)任何间隙　平行　取向

即时训练1

答案：②④⑥

二、1.(2)氢键　范德华力　4　范德华力　12

2．(1)共价键　三维空间网状

(2)sp3　109°28′　4

即时训练2

答案：①②③⑤

三、1.(1)价电子　整块晶体　所有原子　所有的金属原子　(2)金属阳离子　自由电子　金属键　(3)差别很大

2．定向移动　热　频繁碰撞　相对滑动　体系的排列方式　润滑剂

即时训练3

答案：②

四、1.(1)阴、阳离子　静电作用　相互排斥　相互吸引　阳离子　阴离子　离子键

(2)晶体中正负离子的半径比决定晶体结构　电荷不同，配位数必然不同

2．(1)气态离子　释放　kJ·mol－1　正

(2)稳定性　小　多　稳定　高　大

即时训练4

答案：②③④

核心归纳突破

【例1】 答案：Ⅰ.BaPbO3　12　Ⅱ.4

解析：Ⅰ.每一个晶胞中Ba2＋的个数为1，Pb4＋的个数为8×＝1，O2－的个数为12×＝3，所以其化学式为BaPbO3；立方体的12个棱边中心上的O2－离中心Ba2＋最近且相等，所以每个Ba2＋与12个O2－配位；Ⅱ.因为晶胞为长方体，所以处于6个面心的C有两个离的比另外四个远，所以最近的C数目为4。

【例2】 C　解析：这些晶体属于原子晶体的有①③④、离子晶体的有②、分子晶体的有⑤⑥。一般来说，原子晶体的熔点＞离子晶体的熔点＞分子晶体的熔点；对于原子晶体，键长Si—Si＞Si—C＞C—C，相应键能Si—Si＜Si—C＜C—C，故它们的熔点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅。

演练巩固提升

1．答案：(1)＝4.1 g·cm－3

或或135

(2)4.70×10－23　4.23×10－22

NA＝＝6.01×1023 mol－1

(3)b

2．答案：4　4　

解析：因为金刚石属于面心立方晶体，即碳原子处在立方体的8个顶点、6个面心，每个晶胞中含有碳原子数为×8＋×6＝4，根据BN的化学式可推知一个晶胞中含有4个N原子；因一个BN的质量是g，一个晶胞的质量为×4 g，而一个晶胞的体积为(361.5×10－10)3 cm3，依据ρ＝可得。

3．答案：(1)BCEF　E　(2)A　D　(3)ADE　(4)BCEF　AD　(5)G　(6)12

解析：(1)注意氩是单原子分子，不含化学键，其晶体是由原子直接构成；(6)以立方体的一个顶点为研究对象，离其最近的是面中心的分子，补齐其他7个同样的立方体，找出通过所研究顶点的3个相互垂直的截面，每个截面上有4个，总共12个。

4．答案：(1)＞　(2)6　6　(3)LaNi5

解析：(1)晶格能与离子半径有关，其他因素相同时，离子半径越大，晶格能越小；(2)由信息可知NiO与氯化钠相似，所以Ni和O的配位数均为6；(3)La在8个顶点，所以La为＝1，Ni有8个位于面上和一个中心，所以Ni为＋1＝5。