晶体的类型与性质.docx

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1、晶体的类型与性质一. 知识要点1.根据构成晶体的粒子种类及粒子之间的相互作用的不同，可以将晶体分 成离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。在晶体结构中，构成晶体的粒子 在晶体中是有规则排列的。由于构成粒子的不同以及粒子之间作用力的不同，导 致不同类型的晶体具有不同的性质特点。归纳成下表：晶体类 型构成粒子作用力物性特点离子晶 体阴阳离子离子键熔沸点高、硬度大、质脆，能溶于水（极性溶剂），不导电原子晶 体原子共价键熔沸点高、硬度大，难溶于水，分子晶 体分子分子间 力熔沸点低、一般质软，晶体不导电， 溶于水后能电离则水溶液导电金属晶 体金属离 子、自由 电子金属键一般熔沸点较高、质硬（少数质软）

2、， 难溶于水（K、Na、Ca等与水反应）， 导电2.晶体类型的判别一般根据成键类型和晶体的物理性质判断。凡是离子化合物形成的晶体，具有熔沸点高、硬度大、质脆、不导电的特点， 属离子晶体。如：NaCl、KOH、MgSO4等。直接由原子构成，并以共价键结合形成空间网状结构，具有熔沸点高、硬度 大、难溶于水的特性，属原子晶体。如：金刚石、单晶硅、二氧化硅、碳化硅等。通过分子间作用力结合而成的，具有熔沸点低、质软、不导电特性的晶体属 分子晶体。在分子晶体中各原子以共价键结合，分子间则是以范德华力结合，所 以分子晶体的熔沸点低，通常状态下为液体或气体。如：干冰、I单质、冰醋酸金属原子之间通过金属键结合，

3、具有导电导热延展性、一般熔沸较高、硬度 较大特性的晶体，属金属晶体。由于金属晶体中有自由电子存在，所以具有导电 导热的特性。3.化学键的强弱与物质性质的关系离子晶体中，离子键键能的大小与离子的半径、离子所带的电荷数、离子 的核电荷数有关，一般起决定作用的主要是离子半径的大小。离子半径小，阴、 阳离子间的静电作用力大，离子键键能就大，离子晶体的熔沸点就高，硬度也大。原子晶体中共价键键能的大小与成键的原子半径有关，原子半径越小，键长 越短，键能就越大，晶体的熔沸点就越高，硬度也就越大。分子晶体中分子与分子之间的作用力为范德华力，其能量较小。对于组成和结 构相似的物质，其分子间的作用力随相对分子质量

4、的增大而增大，熔沸点也随之 增高。还与分子的极性有关，分子极性大，分子间作用力大，熔沸点高。金属晶体中金属离子半径越小，离子电荷数越大，其金属离子与自由电子间的 作用力越强，金属的熔沸点就越高。4.石墨晶体具有层状结构的特点，层内原子间以共价键的方式形成平面网状 结构（相当于原子晶体），层与层之间以范德华力结合（相当于分子晶体），层 与层间有自由电子存在，晶体具有导电性（相当于金属晶体），所以石墨是一种 过渡性或混合型晶体。二、方法技能板* 1.思想方法：高考说明中要求考生“对原子、分子、化学键等微观结构有一定的三维空间想象能力”。晶体的空间构型是学习和理解晶体结构十分重 要的一个方面，应用数

5、学思想和数型结合的思维方式，在思考有关物质结构题目 时，应用分析和综合、比较和归纳的思考方法，充分应用学过的化学键、分子间 力，结合立体几何知识，想象晶体中粒子在空间的排布方式，勾勒出晶体的整体 结构。应用事物是相互联系的观点，从物质的结构，分析物质的性质。2.技能方法：通过观察分析典型的晶体模型（金刚石、SiO2、NaCl、干冰、石墨），掌握晶体中粒子在空间的排布，从构成晶体的粒子以及粒子间作用 力不同，分析晶体的物性特点，利用立体几何、排列、组合的数学知识，解析晶 体中粒子个数比。如果是原子晶体还可以解析粒子数与成键数之间的关系。利用 晶体结构的知识，通过数理计算，解析晶体的密度、粒子间的

6、距离或测定阿佛加 德罗常数值。三. 范例讲解例1.已知一B-N与一C-C一属等电子体物质，其结构和性质均有很 大的相似性。又知BN是一种新制的无机材料，则它的两种晶体中，一种是类似 于 的空间网状结构晶体，可用作耐磨材料;另一种是类似于的层状结构的混合型晶体，可用作润滑材料，在其晶体结构的每一层上最小的封 闭环中有 个B原子，BN键的键角应为。目前BN可通过下列反应制得，请配平该反应。NaBO + NHCl NaCl + BO + BN + 2 4 742 3思路分析：碳单质有两种晶体：一种是金刚石，碳原子以共价键结合形成空间正四面体 网状结构，键能大,硬度大、熔沸点高；另一种为石墨晶体，层状

7、结构，每一层 中碳原子排列成平面正六边形，每个碳原子与其他三个碳原子以共价键结合，键 角为120，每一最小环有6个碳原子组成，层与层之间以分子间作用力结合， 因而容易滑动（可用作润滑剂）。BN与碳单质属等电子体，碳的晶体结构中C 原子1/2被B原子替代，1/2被N原子替代，依据题中所给晶体的物理性质，推 得BN应形成金刚石和石墨两种类型的晶体。在类似于石墨的晶体结构中，每一 层上一C一N一 形成的最小环中有3个N原子和3个B原子。BN键角为 120待配平的是一缺项反应式，产物中缺氢，经分析知缺水，应先将缺少的产物 水补上。然后配平化学方程式。解题快车道：一种是类似于金刚石结构的晶体，另一种是类

8、似于石墨结构的 混合型晶体，最小的封闭环中有3个B原子，BN键的键角应为120。配平的化学方程式：NaBO + 2 NHCl = 2NaCl + BO + 2BN +4H O 2474232本题是一道结构信息题，在解答本题时应对所提供信息（等电子体、晶体 的物理性质）的分析，联系碳的两种晶体的结构和性质，推断出BN的晶体类型。 注意知识的迁移、联系、对比在解题中的应用。缺项配平应根据元素守恒定律， 找出缺少的元素种类，根据化学反应的原理，推出缺项物质。例2.已经探明，我国南海跟世界上许多海域一样，海底有极其丰富的甲 烷资源。其总量超过已知蕴藏在我国陆地下的天然气总量的一半。据报导，这些 蕴藏在

9、海底的甲烷是高压形成的固体，是外观像冰的甲烷水化物。（1）试设想，若把它从海底取出，拿到地面上，它将发生什么变化？为什 么？它的晶体是分子晶体、离子晶体还是原子晶体？你作出判断的根据是什么？（2）已知每1 m3这种晶体能释放出164 m3的甲烷气体，试估算晶体中水与 甲烷的分子比（不足的数据由自己假设，只要假设的合理均按正确论）。思路分析:(1) 我们知道甲烷在常态下是气体，从海底取出的甲烷水合物是在高压下形 成的，拿到地面将融化并放出甲烷气体。甲烷分子和水分子都是由有限数目的原 子通过共价键形成的小分子物质，水分子和甲烷分子之间主要靠范德华力结合， 而水分子之间不仅存在范德华力，还存在氢键，

10、所以甲烷水合物是分子晶体。(2) 要求晶体中水与甲烷的分子比，在题给条件下，还需知道晶体的密度和 甲烷气体的状态。解题快车道：假设甲烷的体积已折合成标况下的体积，甲烷水合物晶体的密度与冰的密度 相同，为 1000kg/ m3，贝1m3 晶体的质量为1 m3X 1000kg/ m3 =1000 kg其中甲烷的物质的量164皿：22.4/k mol = 7.32 k mol甲烷的质量为 7.32 k mol X 16kg/ k mol = 171.12 kg水的质量为1000 kg171.12 kg = 828.88 kg水的物质的量为 828.88 kg： 18 kg/k mol = 46.05

11、 k mol因此 CH4： H2O = 7.32： 46.05= 1： 6.3 (分子比)以上计算是在自我假设的条件下得到的结果，只是答案之一。只要假设合理， 可以得到不同的结果。由此看出在解题的过程中，分析题意和抓住条件是至关重 要的。例3. 1996年诺贝尔奖授予对发现C0有重大贡献的三位科学家。C60分子是 形如球状的多面体(如图所示)，该结构的建立基于以下考虑:二(1) C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学炉。(2) C60分子中只含有五边形和六边形：透(3) 多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理:：哉顶点数+面数一棱边数二2据上所述，可推知匕分子中有12个五

12、边形和20个六边形，C60分子所含的双键数为30。请回答下列问题：(1) 固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是，理由是：（2）试估计C跟F在一定条件下能否发生反应生成C F （填“可能”或“不 可能”），并简述其理由： 60 60（3）通过计算，确定C60分子所含单键数。C60分子所含单键数（4）C分子也已制得，它的分子结构模型可以与C同样考虑而推知。通过计 算确定7C70分子中五边形和六边形的数目。c70分子审所含五边形数为（4）设分子中有五边形数为X， 则得：八边形数为Y，每条棱边被两个多边形共用。1/2 (5X+6Y)=1/2 (3X70)（化学键数即棱边数）2（欧拉定理）70+ (

13、X+Y)1/2 (3X70)=（六边形）解得X = 12（五边形）Y = 25本题是一道综合性和难度较大的题，解答时应充分利用题目所提供 的信息，如C分子中有12个五边形和20个六边形，C分子中含有双键数为 30，欧拉定理：抓住分子中键数与棱边数、碳数与成键数的关系，尤其是每一 个碳原子与其他3个碳原子成键为何可以折算成每一个碳原子相当于形成1.5 个键（棱）。本题还可以继续求C70分子中碳碳双键的数目。例4.（1）中学教材上图示了 NaCl晶体结构，它向三维空间延伸得到完美晶 体。NiO （氧化镍）晶体的结构与NaCl相同，Ni2+与最相邻的02-的核间距离为a X10-8cm，计算晶体的密

14、度（已知NiO的摩尔质量为74.7g/mol）.（2）天然的和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如在某种NiO晶 体中就存在如图所示的缺陷：一个Ni2+空缺，另有两个Ni2+被Ni3+所取代。其结 果晶体仍呈电中性，但化合物中Ni和0的比值却发生了变化。某氧化镍样品组 成为Ni 0,试计算晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。0.97结构。根据已掌握的NaCl晶体的知识，引伸出NiO晶体（1）求晶体的密度：画出NiO晶体的立体结构简图，分析晶体的结构， 根据体积、晶体粒子数及质量之间的关系，计算出在一个边长为aX10-8cm的 立方体结构单元中所含的Ni2+和O2-离子的数目：Ni2+4

15、X1/8=0.5O2-4X1/8=0.5在（aX10-8cm） 3的体积中含有1/2Ni2+个和1/2。2-个。即在（aX10*cm） 3的体积中含有1/2个NiO。1mol NiO的体积为：V=6.02X 1023mol-iX(aX10-8cm) 3 X274.7g60.2_3=g NiO的密度为：p = 6.02xl泸弘尸工（八10气湖2成求解的关键是通过分析NaCl晶体的结构，与NiO晶体对比联系，寻找到 在（aX10-8cm） 3的体积中所含NiO的数目。（2）计算Ni0 97O晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比有多种方法，方法一：守恒法设Ni O晶体中Ni3+为x mol,则Ni2

16、+为（0.97-x） mol，根据电荷守恒原则可得：073x +2X （0.97x） = 2X1x = 0.06Ni3+： Ni2+ = 0.06： （0.970.06） = 6： 91方法二：列方程法（有两种）设Ni。晶体中Ni3+和Ni2+的物质的量分别为X、Y，根据题意得：3X+2Y=2（电荷守恒）X+Y=0.97（质量守恒）得 X=0.06Y=0.91Ni3+： Ni2+ = 0.06： （0.970.06） = 6： 91 若把Ni O写成xNiOyNiO，则可列得等式：0.972 3x+2y=0.97（Ni 原子守恒）x+3y=1（O原子守恒）或 （x+y） / （x+3y） =0

17、.97/1也可解得 Ni3+： Ni2+ = 6： 91还有其他方法，如十字交叉法、差量法、化学式推导法。请同学自己思考。例5. PCl是一种白色晶体，加热到160C时可不经过液态阶段就直接变成 了蒸气。测知180C时的蒸气密度（已换算成标准状况）为9.3g/L，分子极性为 零，PCl键长为204pm和211pm两种。继续加热到250C时测知压强为起始时 的两倍（相同条件）。PCl在加压下于148C时液化，形成一种能导电的熔体， 测知PCl的键长为198pm5和206pm两种。回答下列问题：（1）180C时的PCl5蒸气中存在什么分子？为什么？写出分子式，画出其立体图。(2) 250C时的PC

18、l蒸气中存在什么分子？为什么？写出分子式，画出其立体图。PC15液体能导电，说明PC15能电离产生自由移动的阴、阳离子，若按 PCl =PC1 +C1-则生成的是PC1+ 和5Cl-，PC1+应是正四面体结构，只有一种 5444(3) PC15液体为什么能导电？试做出简洁的解释。(4) PBr气态分子结构与PC1相似，它的熔体也能导电，经测定知其中只 存在一种PB5r键。PBr5熔体为什么能导电？试做出简洁的解释。思路分析:(1) PC1晶体在160C时升华成蒸气，根据题中信息：180C时蒸气的密度 (已换算成标况)为9.3g/L，求得蒸气分子的摩尔质量(相对分子质量)：22.4L/mo1X9

19、.3g/L=208.3g/mo1，而PC|的相对分子质量为208.5,故蒸气的 分子式为PC1。在PC1中存在2种PC1键，且分子极性为零，属非极性分子， 分子空间结肉应具有对称性。尝试画出可能的结构，再经过分析判断，确定正确 的结构。PC1分子中P原子最外层上有5个电子，与5个C1原子分别形成共价 键，以P原子为中心，三个C1原子构成一个正三角形，另两个C1原子一个在正 三角形的上方，一个在正三角形的下方，C1PC1在一条直线上，形成一个 三角双锥。(如图所示)分子极性为零，符合题意。(2) 250C时蒸气压强的计算值为原来的二倍，压强为何增大？由气体阿佛 加德罗定律知：在温度和体积一定时，

20、气体的压强与气体的物质的量成正比。即 n/n=P/P。由此推知PC1发生了分解反应： PC1 = PC1 + C1 且12 一125_532PC1完全分解，蒸气中存在PC13和C12两种分子，气体分子的物质的量是原来的 两倍，所以压强的计算值是原来的两倍。联想NH3分子的三棱锥形结构，推出PC13 的分子结构也应是三棱锥形(如图所示)。(因为NH、PC1分子中的N、P原子 尚有一对孤对电子，占据一定的空间，对成键的三个C1原子产生一定的“挤压” 作用，与BF3的正三角形结构有所不同)。P-C1键，不符合熔体中含有两种P-C1键的题意。另一种电离的方式是：2PCl=PCl-+PCl+，产生的两种

21、离子的空间结构为正四面体（PC1：）和正八面 体（Pci-）（4）设NaC 1的摩尔质量为Mg/mol，食盐晶体的密度为g/cm3，阿佛加德罗常数为NA，食盐晶体中两个距离最近的Na+离子中心距离为 cm。 （如图所示），pci熔体能导电，pci应是离子化合物：655第（4）问是（3）的一个反馈性启示，只是将氯原子换成漠原子。PBr5熔体 若按PC15方式电离，便存在两种不同键长的PBr键，而题中信息告知PB5r5熔 体中只存在一种键长的PBr键，可见PBr5只能按下式电离：PBr5=PBrBr-， PBr4+结构与PC14+相同。说明PC15与PBr5有*相同之处，也有不同之处。4解题快车道

22、:（1）PC1蒸气中存在PC15分子，根据180C时蒸气的密度，得蒸气分子的摩尔质量（相对分子质量）：22：4L/mo1X9.3g/L=208.3g/mo1，而PC1的相对分 子质量为208.5，基本相等，故蒸气的分子式为PC1。PC1呈三角双锥。（如图 所示），且分子极性为零，有两种键长。55（2）中存在PC13和C12两种分子，因为压强的计算值是原来的两倍。表明1 mol PC1完全分解成1mo1 PC1和1mo1C1。气体由等物质的量的PC1和C1组成。53一 . 一 232PC13呈三角锥形，C12为直线型双原子分子。（3）PC15熔体电离产生自由移动的阴、阳离子，故能导电。2PC15

23、=PC16-+PC1；（4）PBr5熔体电离产生自由移动的阴、阳离子，故也能导电。PBr5=PBr4+Br-解答本题时，要充分利用题中的信息，定性与定量结合，注意联系已有的物 理、化学知识（如密度、气体阿佛加德罗定律、氨分子的结构、电解质导电条件、 空间结构与键长），抓住键长的同与不同，应用分析、推理、联想、判断、归纳 的方法，达到解决问题的目的。例6.如图所示，直线交点的圆圈为NaCl晶体中Na+和C1-所处的位置。这 两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。（1）将其中代表Na+的圆圈涂黑（不考虑体积的大小）（2）晶体中在每一个Na+的周围与它最接近的且等距离的Na+共有 个。

24、（3）晶体中每一个重复的结构单元叫晶胞。在NaCl晶体中正六面体的顶点 上、面上、棱上的Na+或C1-为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中C1-的 个数等于，计算式为; Na+的个数等于，计算式为思路分析及解答：（1） NaCl晶体是由Na+和Cl-相互结合在一起堆积起来的，题中示意图所给出的晶体的六个平面，每个平面的中心是一个离子，其上下、 前后、左右共存在6个与之带相反电荷的离子，平面的4个角上则是4个与之 带相同电荷的离子，按照这种认识，将图中任意一个圆圈涂黑（即认为它是离子）。 然后再将与之相间隔的一个圆圈涂黑，就得到了 NaCl晶体的示意图。（2）但是这样涂黑，会得到两种不同的图

25、形，一种是Na+处于立方体的中心， 另一种是Cl-处于立方体的中心。如果得到前一种图形（Na+处于立方体的中心），对回答第二个问题将比较方 便，如果得到后一种图形（Cl-处于立方体的中心），对回答第二个问题将会困 难些，因此首先应该把位于立方体中心的那个圆圈涂黑，以它表示Na+离子。居 于立方体中心的Na+，实际上有3个平面通过它。如果将这3个平面分别称之为x-、 y-、 z平面，画出来如下图。小从图中可以清楚地看出，在通过中心Na+的3个平面内，每个平面都有4 个Na+居于平面的4个角上，这4个Na+与中心Na+距离最近且相等，符合题目要 求，因此在NaCl晶体中每个Na+周围与它最接近的且

26、距离相等的Na+共有12个。（3）根据题意，图中一个结构单元即为一个晶胞，以Na+居于晶胞的中心 位置图来分析，在一个晶胞中，顶点中的离子（Cl-）被8个相邻的晶胞所共有， 每个晶胞占1/8,面心上的离子（Cl-）被相邻的两个晶胞所共有，每个晶胞占 1/2。由此可得每一晶胞中的Cl-离子数：8X + 6 X 2= 4 （个）（顶点上8个Cl-，面心上共6个），棱上的离子（Na+ ）被相邻的4个晶胞所共有，每个晶胞占1/4,立方体中心 的离子（Na+）被一个晶胞所独有。由此可得每一晶胞中的Na+离子数：1+12X1/4=4 （个）（体心一个，棱上共12个）。（4）求NaCl晶体中两个最近的Na+

27、之间的距离（d），即求立方体的一个 面对角线的1/2，如图所示。设晶胞的棱长为x，最近的两个Na+之间的距离为 d mol NaCl 中含晶胞 1/4 NA （个）。MJp_ 4M每一个晶胞的体积x3= 4 x= 丫函二本题（1）虽简单，却是（2）的基础。若（1）处理的不好，会导致（2）作 答困难。常规的问题是求Na+周围有几个最近的等距离的Cl-（有6个），本题却 问Na+周围有几个最近的等距离的Na+，增加了题目的难度，因而学会观察分析结 构图显得较为重要（尤其是立体图）。第三问的关键是弄清在不同位置上的Na+ （或Cl-）被几个晶胞所共有，每一晶胞所占的分数。最后一问是数、理、化结 合的

28、问题，需要应用（3）的结论和质量、密度、体积之间的关系来求解。计算 中应细心，减少运算失误。其次是求两个最近的Na+之间的距离（d），而不是求 Na+与Cl-的最近距离（x）。形数为 70思路分析：本题用获诺贝尔奖的素材为背景，考查物质结构知识，题给条件较充分， 但四个小问由易到难，逐步加深，有一定的坡度，更有一定的难度。是一道入门 容易上楼难的题。（1）判断晶体熔沸点的高低，主要是依据晶体的类型。本质是粒子之间的作用力。金刚石是典型的原子晶体，熔沸点高硬度大，而固体C应属分子晶 体，熔沸点低，所以金刚石的熔沸点比C60高。60（2）能否发生加成反应，要分析物质结构中是否含有不饱和键。C分子中

29、含有双键数为30,所以C60能与极活泼的F2分子发生加成反应。60（3）分析题意和结构图可知，C分子中形成的化学键数应等于棱边数，每 一个碳原子分别与另3个碳原子成键（单键或双键）形成三条棱，每一个碳 原子相当于形成1.5条棱，棱边数为：1.5X60 = 90，已知C6分子中含双键 数为30，所以C一C单键数为90一30 = 60。本小题也可以由欧拉定理公式计（4）在认识C60分子的基础上，通过知识的迁移和联系来解决C70的问题。解题快车道：（1）金刚石，因为金刚石是典型的原子晶体，熔沸点高硬度大，而固 体c60属分子晶体，熔沸点低，所以金刚石的熔沸点比c60高。（2）可能，因为C60分子含有30个双键，能与极活泼的匚分子发生加成反应生成 C60F60。60* 1 2 3（3）C60分子中形成的化学键数等于棱边数，1/2 （3X60） =90也可以由欧拉定理公式计算棱边数（即化学键数）60+ （12+20）2 = 90C60分子中含单键数为9030 = 60