晶體的類型與性質(zhì)

晶體的類型與性質(zhì)知識要點1.根據(jù)構(gòu)成晶體的粒子種類及粒子之間的相互作用的不同，可以將晶體分成離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體。在晶體結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成晶體的粒子在晶體中是有規(guī)則排列的。由于構(gòu)成粒子的不同以及粒子之間作用力的不同，導(dǎo)致不同類型的晶體具有不同的性質(zhì)特點。歸納成下表：晶體類型構(gòu)成粒子作用力物性特點離子晶體陰陽離子離子鍵熔沸點高、硬度大、質(zhì)脆，能溶于水（極性溶劑），不導(dǎo)電原子晶體原子共價鍵熔沸點高、硬度大，難溶于水，分子晶體分子分子間力熔沸點低、一般質(zhì)軟，晶體不導(dǎo)電，溶于水后能電離則水溶液導(dǎo)電金屬晶體金屬離子、自由電子金屬鍵一般熔沸點較高、質(zhì)硬（少數(shù)質(zhì)軟），難溶于水（K、Na、Ca等與水反應(yīng)），導(dǎo)電2.晶體類型的判別一般根據(jù)成鍵類型和晶體的物理性質(zhì)判斷。⑴凡是離子化合物形成的晶體，具有熔沸點高、硬度大、質(zhì)脆、不導(dǎo)電的特點，屬離子晶體。如：NaCl、KOH、MgSO4等。⑵直接由原子構(gòu)成，并以共價鍵結(jié)合形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有熔沸點高、硬度大、難溶于水的特性，屬原子晶體。如：金剛石、單晶硅、二氧化硅、碳化硅等。⑶通過分子間作用力結(jié)合而成的，具有熔沸點低、質(zhì)軟、不導(dǎo)電特性的晶體屬分子晶體。在分子晶體中各原子以共價鍵結(jié)合，分子間則是以范德華力結(jié)合，所以分子晶體的熔沸點低，通常狀態(tài)下為液體或氣體。如：干冰、I單質(zhì)、冰醋酸⑷金屬原子之間通過金屬鍵結(jié)合，具有導(dǎo)電導(dǎo)熱延展性、一般熔沸較高、硬度較大特性的晶體，屬金屬晶體。由于金屬晶體中有自由電子存在，所以具有導(dǎo)電導(dǎo)熱的特性。3.化學(xué)鍵的強弱與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系離子晶體中，離子鍵鍵能的大小與離子的半徑、離子所帶的電荷數(shù)、離子的核電荷數(shù)有關(guān)，一般起決定作用的主要是離子半徑的大小。離子半徑小，陰、陽離子間的靜電作用力大，離子鍵鍵能就大，離子晶體的熔沸點就高，硬度也大。原子晶體中共價鍵鍵能的大小與成鍵的原子半徑有關(guān)，原子半徑越小，鍵長越短，鍵能就越大，晶體的熔沸點就越高，硬度也就越大。分子晶體中分子與分子之間的作用力為范德華力，其能量較小。對于組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，其分子間的作用力隨相對分子質(zhì)量的增大而增大，熔沸點也隨之增高。還與分子的極性有關(guān)，分子極性大，分子間作用力大，熔沸點高。金屬晶體中金屬離子半徑越小，離子電荷數(shù)越大，其金屬離子與自由電子間的作用力越強，金屬的熔沸點就越高。4.石墨晶體具有層狀結(jié)構(gòu)的特點，層內(nèi)原子間以共價鍵的方式形成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于原子晶體），層與層之間以范德華力結(jié)合（相當(dāng)于分子晶體），層與層間有自由電子存在，晶體具有導(dǎo)電性（相當(dāng)于金屬晶體），所以石墨是一種過渡性或混合型晶體。二、方法技能板*1.思想方法： 高考說明中要求考生“對原子、分子、化學(xué)鍵等微觀結(jié)構(gòu)有一定的三維空間想象能力”。晶體的空間構(gòu)型是學(xué)習(xí)和理解晶體結(jié)構(gòu)十分重要的一個方面，應(yīng)用數(shù)學(xué)思想和數(shù)型結(jié)合的思維方式，在思考有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)題目時，應(yīng)用分析和綜合、比較和歸納的思考方法，充分應(yīng)用學(xué)過的化學(xué)鍵、分子間力，結(jié)合立體幾何知識，想象晶體中粒子在空間的排布方式，勾勒出晶體的整體結(jié)構(gòu)。應(yīng)用事物是相互聯(lián)系的觀點，從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，分析物質(zhì)的性質(zhì)。2.技能方法： 通過觀察分析典型的晶體模型（金剛石、SiO2、NaCl、干冰、石墨），掌握晶體中粒子在空間的排布，從構(gòu)成晶體的粒子以及粒子間作用力不同，分析晶體的物性特點，利用立體幾何、排列、組合的數(shù)學(xué)知識，解析晶體中粒子個數(shù)比。如果是原子晶體還可以解析粒子數(shù)與成鍵數(shù)之間的關(guān)系。利用晶體結(jié)構(gòu)的知識，通過數(shù)理計算，解析晶體的密度、粒子間的距離或測定阿佛加德羅常數(shù)值。范例講解例1.已知一B-N—與一C-C一屬等電子體物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均有很大的相似性。又知BN是一種新制的無機材料，則它的兩種晶體中，一種是類似于的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)晶體，可用作耐磨材料;另一種是類似于的層狀結(jié)構(gòu)的混合型晶體，可用作潤滑材料，在其晶體結(jié)構(gòu)的每一層上最小的封閉環(huán)中有個B原子，B—N鍵的鍵角應(yīng)為。目前BN可通過下列反應(yīng)制得，請配平該反應(yīng)。NaBO+NHCl——NaCl+BO+BN+247 4 23思路分析：碳單質(zhì)有兩種晶體：一種是金剛石，碳原子以共價鍵結(jié)合形成空間正四面體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鍵能大,硬度大、熔沸點高；另一種為石墨晶體，層狀結(jié)構(gòu)，每一層中碳原子排列成平面正六邊形，每個碳原子與其他三個碳原子以共價鍵結(jié)合，鍵角為120°，每一最小環(huán)有6個碳原子組成，層與層之間以分子間作用力結(jié)合，因而容易滑動（可用作潤滑劑）。BN與碳單質(zhì)屬等電子體，碳的晶體結(jié)構(gòu)中C原子1/2被B原子替代，1/2被N原子替代，依據(jù)題中所給晶體的物理性質(zhì)，推得BN應(yīng)形成金剛石和石墨兩種類型的晶體。在類似于石墨的晶體結(jié)構(gòu)中，每一層上一C一N一形成的最小環(huán)中有3個N原子和3個B原子。B—N鍵角為120°待配平的是一缺項反應(yīng)式，產(chǎn)物中缺氫，經(jīng)分析知缺水，應(yīng)先將缺少的產(chǎn)物水補上。然后配平化學(xué)方程式。解題快車道：一種是類似于金剛石結(jié)構(gòu)的晶體，另一種是類似于石墨結(jié)構(gòu)的混合型晶體，最小的封閉環(huán)中有3個B原子，B—N鍵的鍵角應(yīng)為120°。配平的化學(xué)方程式：NaBO+2NHCl=2NaCl+BO+2BN+4HO247 4 23 2本題是一道結(jié)構(gòu)信息題，在解答本題時應(yīng)對所提供信息（等電子體、晶體的物理性質(zhì)）的分析，聯(lián)系碳的兩種晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，推斷出BN的晶體類型。注意知識的遷移、聯(lián)系、對比在解題中的應(yīng)用。缺項配平應(yīng)根據(jù)元素守恒定律，找出缺少的元素種類，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的原理，推出缺項物質(zhì)。例2.已經(jīng)探明，我國南海跟世界上許多海域一樣，海底有極其豐富的甲烷資源。其總量超過已知蘊藏在我國陸地下的天然氣總量的一半。據(jù)報導(dǎo)，這些蘊藏在海底的甲烷是高壓形成的固體，是外觀像冰的甲烷水化物。（1） 試設(shè)想，若把它從海底取出，拿到地面上，它將發(fā)生什么變化？為什么？它的晶體是分子晶體、離子晶體還是原子晶體？你作出判斷的根據(jù)是什么？（2） 已知每1m3這種晶體能釋放出164m3的甲烷氣體，試估算晶體中水與甲烷的分子比（不足的數(shù)據(jù)由自己假設(shè)，只要假設(shè)的合理均按正確論）。思路分析:我們知道甲烷在常態(tài)下是氣體，從海底取出的甲烷水合物是在高壓下形成的，拿到地面將融化并放出甲烷氣體。甲烷分子和水分子都是由有限數(shù)目的原子通過共價鍵形成的小分子物質(zhì)，水分子和甲烷分子之間主要靠范德華力結(jié)合，而水分子之間不僅存在范德華力，還存在氫鍵，所以甲烷水合物是分子晶體。要求晶體中水與甲烷的分子比，在題給條件下，還需知道晶體的密度和甲烷氣體的狀態(tài)。解題快車道：假設(shè)甲烷的體積已折合成標(biāo)況下的體積，甲烷水合物晶體的密度與冰的密度相同，為1000kg/m3，貝1m3晶體的質(zhì)量為 1m3X1000kg/m3=1000kg其中甲烷的物質(zhì)的量 164皿：22.4/kmol=7.32kmol甲烷的質(zhì)量為7.32kmolX16kg/kmol=171.12kg水的質(zhì)量為 1000kg—171.12kg=828.88kg水的物質(zhì)的量為828.88kg：18kg/kmol=46.05kmol因此CH4：H2O=7.32：46.05 =1：6.3(分子比)以上計算是在自我假設(shè)的條件下得到的結(jié)果，只是答案之一。只要假設(shè)合理，可以得到不同的結(jié)果。由此看出在解題的過程中，分析題意和抓住條件是至關(guān)重要的。例3.1996年諾貝爾獎授予對發(fā)現(xiàn)C0有重大貢獻的三位科學(xué)家。C60分子是形如球狀的多面體(如圖所示)，該結(jié)構(gòu)的建立基于以下考慮:二C60分子中每個碳原子只跟相鄰的3個碳原子形成化學(xué)爐。^C60分子中只含有五邊形和六邊形： 透多面體的頂點數(shù)、面數(shù)和棱邊數(shù)的關(guān)系，遵循歐拉定理:?：哉頂點數(shù)+面數(shù)一棱邊數(shù)二2據(jù)上所述，可推知匕分子中有12個五邊形和20個六邊形，C60分子所含的雙鍵數(shù)為30。請回答下列問題：固體C60與金剛石相比較，熔點較高者應(yīng)是，理由是：（2） 試估計C跟F在一定條件下能否發(fā)生反應(yīng)生成CF（填“可能”或“不可能”），并簡述其理由：6060（3） 通過計算，確定C60分子所含單鍵數(shù)。C60分子所含單鍵數(shù)（4） C分子也已制得，它的分子結(jié)構(gòu)模型可以與C同樣考慮而推知。通過計算確定7C70分子中五邊形和六邊形的數(shù)目。c70分子審所含五邊形數(shù)為

（4）設(shè)分子中有五邊形數(shù)為X，則得：八邊形數(shù)為Y，每條棱邊被兩個多邊形共用。1/2(5X+6Y)=1/2(3X70)（化學(xué)鍵數(shù)即棱邊數(shù)）2（歐拉定理）70+(X+Y)—1/2(3X70)=（六邊形）解得X=12（五邊形） Y=25本題是一道綜合性和難度較大的題，解答時應(yīng)充分利用題目所提供的信息，如C分子中有12個五邊形和20個六邊形，C分子中含有雙鍵數(shù)為30，歐拉定理：抓住分子中鍵數(shù)與棱邊數(shù)、碳數(shù)與成鍵數(shù)的關(guān)系，尤其是每一個碳原子與其他3個碳原子成鍵為何可以折算成每一個碳原子相當(dāng)于形成1.5個鍵（棱）。本題還可以繼續(xù)求C70分子中碳碳雙鍵的數(shù)目。例4.（1）中學(xué)教材上圖示了NaCl晶體結(jié)構(gòu)，它向三維空間延伸得到完美晶體。NiO（氧化鎳）晶體的結(jié)構(gòu)與NaCl相同，Ni2+與最相鄰的02-的核間距離為aX10-8cm，計算晶體的密度（已知NiO的摩爾質(zhì)量為74.7g/mol）.（2）天然的和絕大部分人工制備的晶體都存在各種缺陷，例如在某種NiO晶體中就存在如圖所示的缺陷：一個Ni2+空缺，另有兩個Ni2+被Ni3+所取代。其結(jié)果晶體仍呈電中性，但化合物中Ni和0的比值卻發(fā)生了變化。某氧化鎳樣品組成為Ni0,試計算晶體中Ni3+與Ni2+的離子數(shù)之比。0.97結(jié)構(gòu)。根據(jù)已掌握的NaCl晶體的知識，引伸出結(jié)構(gòu)。根據(jù)已掌握的NaCl晶體的知識，引伸出NiO晶體（1）求晶體的密度：畫出NiO晶體的立體結(jié)構(gòu)簡圖，分析晶體的結(jié)構(gòu)，根據(jù)體積、晶體粒子數(shù)及質(zhì)量之間的關(guān)系，計算出在一個邊長為aX10-8cm的立方體結(jié)構(gòu)單元中所含的Ni2+和O2-離子的數(shù)目： Ni2+ 4X1/8=0.5O2- 4X1/8=0.5在（aX10-8cm）3的體積中含有1/2Ni2+個和1/2。2-個。即在（aX10*cm）3的體積中含有1/2個NiO。1molNiO的體積為：V=6.02X1023mol-iX(aX10-8cm)3X274.7g 60.2 _3 = g?NiO的密度為：p=6.02xl瀘弘尸工（八10氣湖"2成求解的關(guān)鍵是通過分析NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，與NiO晶體對比聯(lián)系，尋找到在（aX10-8cm）3的體積中所含NiO的數(shù)目。（2）計算Ni097O晶體中Ni3+與Ni2+的離子數(shù)之比有多種方法，方法一：守恒法 設(shè)NiO晶體中Ni3+為xmol,則Ni2+為（0.97-x）mol，根據(jù)電荷守恒原則可得：0"73x+2X（0.97—x）=2X1 x=0.06Ni3+：Ni2+=0.06：（0.97—0.06）=6：91方法二：列方程法（有兩種）①設(shè)Ni。％。晶體中Ni3+和Ni2+的物質(zhì)的量分別為X、Y，根據(jù)題意得：3X+2Y=2 （電荷守恒）X+Y=0.97 （質(zhì)量守恒）得X=0.06 Y=0.91Ni3+：Ni2+=0.06：（0.97—0.06）=6：91②若把NiO寫成xNiOyNiO，則可列得等式：0.97 23x+2y=0.97 （Ni原子守恒）x+3y=1 （O原子守恒）或（x+y）/（x+3y）=0.97/1 也可解得Ni3+：Ni2+=6：91還有其他方法，如十字交叉法、差量法、化學(xué)式推導(dǎo)法。請同學(xué)自己思考。例5.PCl是一種白色晶體，加熱到160°C時可不經(jīng)過液態(tài)階段就直接變成了蒸氣。測知180C時的蒸氣密度（已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況）為9.3g/L，分子極性為零，P—Cl鍵長為204pm和211pm兩種。繼續(xù)加熱到250C時測知壓強為起始時的兩倍（相同條件）。PCl在加壓下于148C時液化，形成一種能導(dǎo)電的熔體，測知P—Cl的鍵長為198pm5和206pm兩種?；卮鹣铝袉栴}：（1） 180C時的PCl5蒸氣中存在什么分子？為什么？寫出分子式，畫出其

立體圖。250°C時的PCl蒸氣中存在什么分子？為什么？寫出分子式，畫出其立體圖。 PC15液體能導(dǎo)電，說明PC1 PC15液體能導(dǎo)電，說明PC15能電離產(chǎn)生自由移動的陰、陽離子，若按PCl==PC1++C1-則生成的是PC1+和5Cl-，，PC1+應(yīng)是正四面體結(jié)構(gòu)，只有一種5 4 4 4PC15液體為什么能導(dǎo)電？試做出簡潔的解釋。PBr氣態(tài)分子結(jié)構(gòu)與PC1相似，它的熔體也能導(dǎo)電，經(jīng)測定知其中只存在一種P—B5r鍵。PBr5熔體為什么能導(dǎo)電？試做出簡潔的解釋。思路分析:PC1晶體在160C時升華成蒸氣，根據(jù)題中信息：180C時蒸氣的密度(已換算成標(biāo)況)為9.3g/L，求得蒸氣分子的摩爾質(zhì)量(相對分子質(zhì)量)：22.4L/mo1X9.3g/L==208.3g/mo1，而PC|的相對分子質(zhì)量為208.5,故蒸氣的分子式為PC1。在PC1中存在2種P—C1鍵，且分子極性為零，屬非極性分子，分子空間結(jié)肉應(yīng)具有對稱性。嘗試畫出可能的結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過分析判斷，確定正確的結(jié)構(gòu)。PC1分子中P原子最外層上有5個電子，與5個C1原子分別形成共價鍵，以P原子為中心，三個C1原子構(gòu)成一個正三角形，另兩個C1原子一個在正三角形的上方，一個在正三角形的下方，C1—P—C1在一條直線上，形成一個三角雙錐。(如圖所示)分子極性為零，符合題意。250C時蒸氣壓強的計算值為原來的二倍，壓強為何增大？由氣體阿佛加德羅定律知：在溫度和體積一定時，氣體的壓強與氣體的物質(zhì)的量成正比。即n/n=P/P。由此推知PC1發(fā)生了分解反應(yīng)：PC1==PC1+C1且1 2一1 2 5 _5 32PC1完全分解，蒸氣中存在PC13和C12兩種分子，氣體分子的物質(zhì)的量是原來的兩倍，所以壓強的計算值是原來的兩倍。聯(lián)想NH3分子的三棱錐形結(jié)構(gòu)，推出PC13的分子結(jié)構(gòu)也應(yīng)是三棱錐形(如圖所示)。(因為NH、PC1分子中的N、P原子尚有一對孤對電子，占據(jù)一定的空間，對成鍵的三個C1原子產(chǎn)生一定的“擠壓”作用，與BF3的正三角形結(jié)構(gòu)有所不同)。

P-C1鍵，不符合熔體中含有兩種P-C1鍵的題意。另一種電離的方式是：2PCl==PCl-+PCl+，產(chǎn)生的兩種離子的空間結(jié)構(gòu)為正四面體（PC1：）和正八面體（Pci-）（4）設(shè)NaC1的摩爾質(zhì)量為Mg/mol，食鹽晶體的密度為（4）設(shè)NaC1的摩爾質(zhì)量為Mg/mol，食鹽晶體的密度為g/cm3，阿佛加德羅

常數(shù)為NA，食鹽晶體中兩個距離最近的Na+離子中心距離為cm。6 5 5第（4）問是（3）的一個反饋性啟示，只是將氯原子換成漠原子。PBr5熔體若按PC15方式電離，便存在兩種不同鍵長的P—Br鍵，而題中信息告知PB5r5熔體中只存在一種鍵長的P—Br鍵，可見PBr5只能按下式電離：PBr5==PBr「Br-，PBr4+結(jié)構(gòu)與PC14+相同。說明PC15與PBr5有*相同之處，也有不同之處。4解題快車道:（1） PC1蒸氣中存在PC15分子，根據(jù)180°C時蒸氣的密度，得蒸氣分子的摩爾質(zhì)量（相對分子質(zhì)量）：22：4L/mo1X9.3g/L==208.3g/mo1，而PC1的相對分子質(zhì)量為208.5，基本相等，故蒸氣的分子式為PC1。PC1呈三角雙錐。（如圖所示），且分子極性為零，有兩種鍵長。 5 5（2） 中存在PC13和C12兩種分子，因為壓強的計算值是原來的兩倍。表明1molPC1完全分解成1mo1PC1和1mo1C1。氣體由等物質(zhì)的量的PC1和C1組成。5 3一.一2 3 2PC13呈三角錐形，C12為直線型雙原子分子。（3） PC15熔體電離產(chǎn)生自由移動的陰、陽離子，故能導(dǎo)電。2PC15==PC16-+PC1；（4） PBr5熔體電離產(chǎn)生自由移動的陰、陽離子，故也能導(dǎo)電。PBr5==PBr4++Br-解答本題時，要充分利用題中的信息，定性與定量結(jié)合，注意聯(lián)系已有的物理、化學(xué)知識（如密度、氣體阿佛加德羅定律、氨分子的結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)導(dǎo)電條件、空間結(jié)構(gòu)與鍵長），抓住鍵長的同與不同，應(yīng)用分析、推理、聯(lián)想、判斷、歸納的方法，達到解決問題的目的。例6.如圖所示，直線交點的圓圈為NaCl晶體中Na+和C1-所處的位置。這兩種離子在空間三個互相垂直的方向上都是等距離排列的。（1） 將其中代表Na+的圓圈涂黑（不考慮體積的大?。?） 晶體中在每一個Na+的周圍與它最接近的且等距離的Na+共有個。（3） 晶體中每一個重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元叫晶胞。在NaCl晶體中正六面體的頂點上、面上、棱上的Na+或C1-為該晶胞與其相鄰的晶胞所共有，一個晶胞中C1-的個數(shù)等于，計算式為;Na+的個數(shù)等于，計算式為

思路分析及解答： （1）NaCl晶體是由Na+和Cl-相互結(jié)合在一起堆積起來的，題中示意圖所給出的晶體的六個平面，每個平面的中心是一個離子，其上下、前后、左右共存在6個與之帶相反電荷的離子，平面的4個角上則是4個與之帶相同電荷的離子，按照這種認(rèn)識，將圖中任意一個圓圈涂黑（即認(rèn)為它是離子）。然后再將與之相間隔的一個圓圈涂黑，就得到了NaCl晶體的示意圖。（2）但是這樣涂黑，會得到兩種不同的圖形，一種是Na+處于立方體的中心，另一種是Cl-處于立方體的中心。如果得到前一種圖形（Na+處于立方體的中心），對回答第二個問題將比較方便，如果得到后一種圖形（Cl-處于立方體的中心），對回答第二個問題將會困難些，因此首先應(yīng)該把位于立方體中心的那個圓圈涂黑，以它表示Na+離子。居于立方體中心的Na+，實際上有3個平面通過它。如果將這3個平面分別稱之為x-、y-x-、y-、z平面，畫出來如下圖。小從圖中可以清楚地看出，在通過中心Na+的3個平面內(nèi)，每個平面都有4個Na+居于平面的4個角上，這4個Na+與中心Na+距離最近且相等，符合題目要求，因此在NaCl晶體中每個Na+周圍與它最接近的且距離相等的Na+共有12個。（3）根據(jù)題意，圖中一個結(jié)構(gòu)單元即為一個晶胞，以Na+居于晶胞的中心位置圖來分析，在一個晶胞中，頂點中的離子（Cl-）被8個相鄰的晶胞所共有，每個晶胞占1/8,面心上的離子（Cl-）被相鄰的兩個晶胞所共有，每個晶胞占1/2。由此可得每一晶胞中的Cl-離子數(shù)：8X§+6X2 =4（個）（頂點上8個Cl-，面心上共6個），棱上的離子（Na+）被相鄰的4個晶胞所共有，每個晶胞占1/4,立方體中心的離子（Na+）被一個晶胞所獨有。由此可得每一晶胞中的Na+離子數(shù)：1+12X1/4=4（個）（體心一個，棱上共12個）。（4）求NaCl晶體中兩個最近的Na+之間的距離（d），即求立方體的一個面對角線的1/2，如圖所示。設(shè)晶胞的棱長為x，最近的兩個Na+之間的距離為dmolNaCl中含晶胞1/4NA（個）。MJp_4M 每一個晶胞的體積x3==4" x=丫函二本題（1）雖簡單，卻是（2）的基礎(chǔ)。若（1）處理的不好，會導(dǎo)致（2）作答困難。常規(guī)