化學(xué)人教選修3配套學(xué)案3.4離子晶體

第四節(jié)離子晶體激趣入題·情境呈現(xiàn)在我們周圍廣泛存在著離子化合物，常溫下，許多離子化合物以晶體形態(tài)存在，如碳酸鈣等。這些晶體是如何形成的？在這些晶體中，微粒又是怎樣堆積的呢？依據(jù)前面研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的方法，觀察NaCl晶體，發(fā)現(xiàn)其中的微粒排布同樣具有周期性，從中截取一個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)，就得到了NaCl晶體的晶胞。在NaCl中，每個(gè)Na＋周圍分布有六個(gè)Cl－，同樣每個(gè)Cl－周圍分布有六個(gè)Na＋，那么，在一個(gè)晶胞中實(shí)際擁有的Na＋與Cl－各是多少個(gè)？新知預(yù)習(xí)·自主探究一、離子晶體1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：2．決定晶體結(jié)構(gòu)的因素：3．常見(jiàn)的離子晶體：晶體類型NaClCsClCaF2晶胞陽(yáng)離子的配位數(shù)__6____8____8__陰離子的配位數(shù)__6____8____4__4．物理性質(zhì)：(1)硬度__較大__，難于壓縮。(2)熔點(diǎn)和沸點(diǎn)__較高_(dá)_。(3)固體不導(dǎo)電，但在__熔融狀態(tài)或水溶液__中能導(dǎo)電。二、晶格能1．概念：氣態(tài)離子形成__1__mol離子晶體釋放的能量。2．影響因素：晶格能—eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(離子帶電荷越多,離子半徑越小))→越大3．晶格能對(duì)離子晶體性質(zhì)的影響。晶格能越大，形成的離子晶體越__穩(wěn)定__，而且熔點(diǎn)越__高_(dá)_，硬度越__大__。預(yù)習(xí)自測(cè)·初試牛刀1．思考辨析：(1)離子晶體中含有陰、陽(yáng)離子，在固態(tài)時(shí)導(dǎo)電。(×)(2)離子晶體中不存在共價(jià)鍵。(×)(3)氯化鈉、氟化鈣晶體我們通常寫為NaCl、CaF2，說(shuō)明晶體中存在組成為NaCl、CaF2的分子。(×)(4)在NaCl晶胞中正六面體的頂點(diǎn)上、面上、棱上的Na＋或Cl－為該晶胞與其相鄰的晶胞所共有，一個(gè)晶胞中Na＋的個(gè)數(shù)為6；Cl－的個(gè)數(shù)為4。(×)(5)氯化鈉的熔點(diǎn)大于氯化鉀的熔點(diǎn)。(√)(6)MgO的熔、沸點(diǎn)和硬度均高于CaO。(√)2．離子晶體不可能具有的性質(zhì)是(C)A．具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)B．易溶于水，難溶于非極性溶劑C．具有良好的導(dǎo)電性D．堅(jiān)硬而易粉碎解析：離子晶體中的陰、陽(yáng)離子不能自由移動(dòng)，離子晶體不能導(dǎo)電，所以選C。3．下列物質(zhì)中，含有共價(jià)鍵的離子晶體是(C)A．NaCl B．SiO2C．NH4Cl D．I2解析：NaCl中Na＋離子和Cl－離子之間只存在離子鍵，是離子晶體，A錯(cuò)；SiO2中只存在共價(jià)鍵，是共價(jià)化合物，B錯(cuò)；銨根中存在共價(jià)鍵，Cl－和NHeq\o\al(＋,4)之間存在離子鍵，NH4Cl是離子化合物，C正確；I2單質(zhì)中存在共價(jià)鍵，I2為單質(zhì)，不是化合物，D錯(cuò)。4．下列說(shuō)法一定正確的是(D)A．固態(tài)時(shí)能導(dǎo)電的物質(zhì)一定是金屬晶體B．熔融狀態(tài)能導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體C．水溶液能導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體D．固態(tài)不導(dǎo)電而熔融態(tài)導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體解析：四種晶體在不同狀態(tài)下的導(dǎo)電性區(qū)別如下：分子晶體原子晶體金屬晶體離子晶體固態(tài)不導(dǎo)電不導(dǎo)電(晶體硅導(dǎo)電)可導(dǎo)電不導(dǎo)電熔融狀態(tài)不導(dǎo)電不導(dǎo)電可導(dǎo)電可導(dǎo)電水溶液有的可導(dǎo)電－－可導(dǎo)電5.已知NaCl的摩爾質(zhì)量為58.5g·mol－1，食鹽晶體的密度為ρg·cm－3，若如圖中Na＋與最鄰近的Cl－的核間距離為acm，那么阿伏伽德羅常數(shù)的值可表示為(A．117a3ρ B．eq\f(M,NAa3)C．eq\f(234,a3ρ) D．eq\f(58.5,2a3ρ)6．根據(jù)下圖推測(cè)，CsCl晶體中兩距離最近的Cs＋間距離為a，則每個(gè)Cs＋周圍與其距離為a的Cs＋數(shù)目為_(kāi)_6__，每個(gè)Cs＋周圍距離相等且次近的Cs＋數(shù)目為_(kāi)_12__，距離為_(kāi)_eq\r(2)a__；每個(gè)Cs＋周圍距離相等且第三近的Cs＋數(shù)目為_(kāi)_8__，距離為_(kāi)_eq\r(3)a__；每個(gè)Cs＋周圍緊鄰且等距的Cl－數(shù)目為_(kāi)_8__。解析：以圖中大立方體中心的Cs＋為基準(zhǔn)，與其最近(距離為a)的Cs＋分別位于其上、下、前、后、左、右的六個(gè)方位，即6個(gè)；與其次近(距離為eq\r(2)a)的Cs＋分別位于通過(guò)中心Cs＋的3個(gè)切面的大正方形的頂點(diǎn)，個(gè)數(shù)為4×3＝12；與其第三近(距離為eq\r(3)a)的Cs＋分別位于大立方體的8個(gè)頂點(diǎn)上；每個(gè)Cs＋周圍緊鄰且等距的Cl－數(shù)目為8。課堂探究·疑難解惑知識(shí)點(diǎn)一離子晶體的結(jié)構(gòu)┃┃問(wèn)題探究__■1．構(gòu)成離子晶體的微粒是什么？微粒之間的作用力是什么？決定晶體結(jié)構(gòu)的因素有哪些？2．NaCl、CsCl和CaF2晶體中陰、陽(yáng)離子的配位數(shù)分別是多少？┃┃探究提示__■1．提示構(gòu)成離子晶體的微粒是陰、陽(yáng)離子。微粒之間的作用力是離子鍵。決定晶體結(jié)構(gòu)的因素有：陰陽(yáng)負(fù)離子的半徑比、電荷比及離子鍵的純粹程度。2．提示離子晶體陰離子配位數(shù)陽(yáng)離子配位數(shù)NaCl66CsCl88CaF248┃┃知識(shí)總結(jié)__■1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)離子晶體是由陽(yáng)離子和陰離子通過(guò)離子鍵結(jié)合而成的晶體。(2)離子晶體微粒之間的作用力是離子鍵。由于靜電作用沒(méi)有方向性，故離子鍵沒(méi)有方向性。只要條件允許，陽(yáng)離子周圍可以盡可能多地吸引陰離子，同樣，陰離子周圍可以盡可能多地吸引陽(yáng)離子，故離子鍵也沒(méi)有飽和性。根據(jù)靜電作用大小的影響因素可知，在離子晶體中陰、陽(yáng)離子半徑越小，所帶電荷數(shù)越多，離子鍵越強(qiáng)。(3)離子晶體的化學(xué)式只表示晶體中陰、陽(yáng)離子的個(gè)數(shù)比，而不是表示其分子組成。2．常見(jiàn)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu)：晶體晶胞晶胞詳解NaCl①在NaCl晶體中，Na＋的配位數(shù)為6，Cl－的配位數(shù)為6②與Na＋(Cl－)等距離且最近的Na＋(Cl－)有12個(gè)③每個(gè)晶胞中有4個(gè)Na＋和4個(gè)Cl－④每個(gè)Cl－周圍的Na＋構(gòu)成正八面體圖形CsCl①在CsCl晶體中，Cs＋的配位數(shù)為8，Cl－的配位數(shù)為8②每個(gè)Cs＋與6個(gè)Cs＋等距離相鄰，每個(gè)Cs＋與8個(gè)Cl－等距離相鄰CaF2①在CaF2晶體中，Ca2＋的配位數(shù)為8，F(xiàn)－的配位數(shù)為4②每個(gè)晶胞中含有4個(gè)Ca2＋和8個(gè)F－┃┃典例剖析__■典例1高溫下，超氧化鉀晶體呈立方體結(jié)構(gòu)，晶體中氧的化合價(jià)部分為0，部分為－2。如圖為超氧化鉀晶體的一個(gè)晶胞(晶體中最小的重復(fù)單元)。下列說(shuō)法正確的是(A)A．超氧化鉀的化學(xué)式為KO2，每個(gè)晶胞含有4個(gè)K＋和4個(gè)Oeq\o\al(－,2)B．晶體中每個(gè)K＋周圍有8個(gè)Oeq\o\al(－,2)，每個(gè)Oeq\o\al(－,2)周圍有8個(gè)K＋C．晶體中與每個(gè)K＋距離最近的K＋有8個(gè)D．晶體中，0價(jià)氧元素與－2價(jià)氧元素的原子個(gè)數(shù)比為1∶3解析：在一個(gè)超氧化鉀晶胞中，含K＋數(shù)為8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，O2－數(shù)為12×eq\f(1,4)＋1＝4，故化學(xué)式為KO2，且每個(gè)晶胞中含有4個(gè)K＋和4個(gè)Oeq\o\al(－,2)，故A項(xiàng)正確；晶體中每個(gè)K＋周圍有6個(gè)Oeq\o\al(－,2)，每個(gè)Oeq\o\al(－,2)周圍有6個(gè)K＋，故B項(xiàng)不正確；晶體中與每個(gè)K＋最近距離的K＋有12個(gè)，故C項(xiàng)不正確；設(shè)0價(jià)氧原子個(gè)數(shù)為x，－2價(jià)氧原子個(gè)數(shù)為y，根據(jù)KO2為電中性得：2y＝eq\f(x＋y,2)，eq\f(x,y)＝eq\f(3,1)，故D項(xiàng)不正確。規(guī)律方法指導(dǎo)：解答該題時(shí)，一要利用“均攤法”，求得每個(gè)晶胞中所含離子的數(shù)目；二要根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)求得陰陽(yáng)離子的配位數(shù)。同時(shí)也可聯(lián)想NaCl晶體模型，利用熟悉的模型去解答有關(guān)問(wèn)題。┃┃變式訓(xùn)練__■1．(1)下圖為離子晶體空間構(gòu)型示意圖，(●為陽(yáng)離子，○為陰離子)，以M代表陽(yáng)離子，以N代表陰離子，寫出各離子晶體的組成表達(dá)式：A__MN__；B__MN2__；C__MN2__；D__MN__。(2)下面是從NaCl或CsCl晶體結(jié)構(gòu)中分割出來(lái)的部分結(jié)構(gòu)圖，其中屬于從NaCl晶體中分割出來(lái)的結(jié)構(gòu)圖是__①④__。解析：(1)運(yùn)用立方晶胞結(jié)構(gòu)的特征判斷。在A項(xiàng)中M、N都在立方體的頂點(diǎn)且個(gè)數(shù)相等，故化學(xué)式為MN；在B項(xiàng)中，含M：eq\f(1,8)×8＋1＝2個(gè)，含N：eq\f(1,2)×4＋2(體心)＝4個(gè)；在C項(xiàng)中，含M：eq\f(1,8)×4＝eq\f(1,2)個(gè)，含N：1個(gè)；在D項(xiàng)中，含M：eq\f(1,8)×8＝1個(gè)，含N：1個(gè)(體心)。(2)NaCl晶體是簡(jiǎn)單立方體結(jié)構(gòu)，每個(gè)Na＋周圍有6個(gè)Cl－，每個(gè)Cl－周圍有6個(gè)Na＋；與每個(gè)Na＋等距離的Cl－有6個(gè)，且構(gòu)成正八面體，同理，與每個(gè)Cl－等距離的6個(gè)Na＋也構(gòu)成正八面體，由此可知圖①和④是屬于NaCl晶體的。知識(shí)點(diǎn)二離子晶體的性質(zhì)┃┃問(wèn)題探究__■離子晶體主要有哪些性質(zhì)？┃┃探究提示__■提示熔點(diǎn)高，硬度較大，不導(dǎo)電，但在熔融狀態(tài)或溶于水時(shí)導(dǎo)電。┃┃知識(shí)總結(jié)__■性質(zhì)原因熔沸點(diǎn)離子晶體中有較強(qiáng)的離子鍵，熔化或氣化時(shí)需消耗較多的能量。所以離子晶體有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和難揮發(fā)性。通常情況下。同種類型的離子晶體，離子半徑越小，離子鍵越強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)越高硬度硬而脆。離子晶體表現(xiàn)出較高的硬度：當(dāng)晶體受到?jīng)_擊力作用時(shí)，部分離子鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致晶體破碎導(dǎo)電性不導(dǎo)電，但熔融或溶于水后能導(dǎo)電。離子晶體中，離子鍵較強(qiáng)，陰、陽(yáng)離子不能自由移動(dòng)，即晶體中無(wú)自由移動(dòng)的離子，因此離子晶體不導(dǎo)電。當(dāng)升高溫度時(shí)，陰、陽(yáng)離子獲得足夠的能量克服了離子間的相互作用力，成為自由移動(dòng)的離子，在外加電場(chǎng)的作用下，離子定向移動(dòng)而導(dǎo)電。離子晶體溶于水時(shí)，陰、陽(yáng)離子受到水分子的作用成了自由移動(dòng)的離子(或水合離子)，在外加電場(chǎng)的作用下，陰、陽(yáng)離子定向移動(dòng)而導(dǎo)電溶解性大多數(shù)離子晶體易溶于極性溶劑(如水)中，難溶于非極性溶劑(如汽油、苯、CCl4)中。當(dāng)把離子晶體放入水中時(shí)，水分子對(duì)離子晶體中的離子產(chǎn)生吸引，使離子晶體中的離子克服離子間的相互作用力而離開(kāi)晶體，變成在水中自由移動(dòng)的離子延展性離子晶體中陰、陽(yáng)離子交替出現(xiàn)，層與層之間如果滑動(dòng)，同性離子相鄰而使斥力增大導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以離子晶體無(wú)延展性┃┃典例剖析__■典例2下列大小關(guān)系正確的是(B)A．熔點(diǎn)：NaI>NaBrB．硬度：MgO>CaOC．晶格能：NaCl<NaBrD．熔點(diǎn)：CO2>NaCl解析：二者均為離子晶體，離子半徑：I－>Br－，離子半徑越小，晶格能越大，離子晶體的熔點(diǎn)越高，A錯(cuò)誤；二者均為離子晶體，離子半徑：Mg2＋<Ca2＋，離子半徑越小，晶格能越大，硬度越大，B正確；二者均為離子晶體，離子半徑：Cl－<Br－，離子半徑越小，晶格能越大，C錯(cuò)誤；CO2為分子晶體，NaCl為離子晶體，離子晶體的熔點(diǎn)高于分子晶體的熔點(diǎn)，D錯(cuò)誤。┃┃變式訓(xùn)練__■2．NaF、NaI和MgO均為離子晶體，有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：物質(zhì)①NaF②NaI③MgO離子電荷數(shù)112鍵長(zhǎng)/m2.31×10－103.18×10－102.10×10－10試判斷，這三種化合物熔點(diǎn)由高到低的順序是(B)A．①>②>③ B．③>①>②C．③>②>① D．②>①>③解析：三種晶體中，MgO的鍵長(zhǎng)最短，離子電荷又多，故其晶格能最大，熔點(diǎn)最高；NaF的鍵長(zhǎng)小于NaI，故NaF的晶格能大于NaI，熔點(diǎn)高于NaI。核心素養(yǎng)·專家博客納米技術(shù)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，美國(guó)科學(xué)家費(fèi)曼()在1959年的美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上發(fā)表《底部有很大空間》的演講中曾預(yù)言：“至少依我看來(lái)，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性?！边@被公認(rèn)為納米科學(xué)技術(shù)思想的來(lái)源。1984年，德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的格萊特(H.Gleiter)在高真空的條件下將粒徑為6nm的鐵粒子加壓成形，燒結(jié)得到納米量級(jí)的塊狀體，納米材料由此得到迅速發(fā)展。1990年，納米技術(shù)獲得了重大突破。美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)阿爾馬登研究中心的科學(xué)家成功地對(duì)單個(gè)的原子進(jìn)行了重排。他們使用掃描隧道顯微鏡慢慢地把35個(gè)氙原子移動(dòng)到各自的位置，組成了IBM三個(gè)字母，而三個(gè)字母加起來(lái)還沒(méi)有3nm長(zhǎng)。中國(guó)科學(xué)家利用原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)“刻”下了世界上字號(hào)最小的唐詩(shī)。┃┃即時(shí)訓(xùn)練__■下列有關(guān)離子晶體的數(shù)據(jù)大小比較不正確的是(A)A．熔點(diǎn)：NaF>MgF2>AlF3B．晶格能：NaF>NaCl>NaBrC．陰離子