晶体的结构与性质.doc

高二化学晶体结构与性质一.晶体常识1.晶体与非晶体比较（1）概念：晶体：由原子、分子、离子等微粒在三维空间按一定的规律呈周期性有序排列而形成的固体。非晶体：内部粒子在三维空间排列呈相对无序状态而形成的固体。（2）晶体和非晶体在性质上的差异相关解释（1）自范性：晶体能自发的实现多面体外形的性质。实现自范性的条件：晶体生长的速率适当。 晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表现。（2）做x射线衍射实验、出现峰值，而非晶体没有。这是二者最可靠的区别手段。2.获得晶体的三条途径熔融态物质凝固。气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。溶质从溶液中析出。3.晶胞（1）概念：晶胞是描述晶体结构的基本单元。（2）晶胞特点：晶胞一般都是平行六面体。整块晶体由晶胞“无隙并置”而成同种晶体晶胞中原子种类完全相同晶体结构的堆积方式：原理：组成晶体的原子、离子或分子在无其他因素（如共价键的方向性）影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。这是因为分别借助没有方向性的金属键、离子键和分子间作用力形成的金属晶体、离子晶体和分子晶体的结构中，都趋向于使原子或分子吸引尽可能多的原子或分子分布与周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。类型：等径圆球密堆积：同种分子或原子，大小相同。适用于分子晶体、金属晶体。非等径圆球密堆积：阴、阳离子，大小不同。适用于离子晶体。原子晶体不遵循密堆积。5.晶胞中微粒数的计算方法均摊法。如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有1/n属于这个晶胞。中学中常见的晶胞为立方晶胞立方晶胞中微粒数的计算方法如下：【注意：在使用“均摊法”计算晶胞中粒子个数时要注意晶胞的形状。若晶胞是六棱柱，则顶点上粒子占1/6，侧棱上粒子占1/3，上下面上棱占1/4。6.晶胞密度公式M（摩尔质量）=【晶体配位数：配位数反映了晶体空间构型的紧密程度，配位数越大，排列程度越紧密。晶体中配位数最大为12。原子配位数：某一个原子周围所接触到的同种原子的数目。离子配位数：离子晶体中，每个离子周围所接触到的异性离子的个数。】五种晶体的介绍分子晶体概念：分子间通过分子间作用力结合形成的晶体。构成微粒：分子微粒间的作用：分子间作用力（范德华力和氢键）【1、分子间作用力的大小决定了分子晶体的物理性质。分子的相对分子质量越大，分子间作用力越大，晶体的熔沸点越高，硬度越大。2、分子内存在共价键在晶体状态改变时不被破坏。】属于分子晶体的物质：部分非金属单质：N2、O2、Cl2、I2、S8、P4、C60、稀有气体（范德华力很弱、沸点很低）等。部分非金属氧化物：CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等。所有非金属氢化物几乎所有的酸绝大多数有机物结构：只有范德华力，无氢键：以一个分子为中心，其周围通常有12个紧邻的分子。称其配位数为12。分子晶体的这一特征称为分子密堆积。具有这样结构的有：O2、C60、CO2。分析：以干冰为例。【干冰：外形很像冰，硬度与冰相似，熔点比冰低很多，在常压下极易升华。在工业上广泛用作制冷剂。】1、 二氧化碳分子的位置：晶胞的八个顶点都落到CO2分子的中心，在这个正方体的每个面心上还有一个CO2分子。2、每个晶胞含二氧化碳分子的个数 =8*1/8+6*1/2=4个。3、与每个二氧化碳分子等距离且最近的二氧化碳分子有12个，配位数12。 主要是氢键，存在范德华力。具有方向性，配位数小于12，非致密堆积。具有这样结构的有：NH3、HF、H2O。分析：以冰为例。 每个水分子周围有4个水分子，可形成4个氢键， 1mol冰中含有2mol氢键。中心水分子的氧原子与周围水分子的氧原子形成正四面体构型。分子晶体的物理性质是由什么决定的？如何比较分子晶体熔、沸点的高低？【答】分子晶体是通过分子间作用力构成的，故要看其物理性质，应首先看分子间作用力的大小。分子晶体是通过分子间相互作用力构成的，晶体在熔化时，破坏的只是分子间作用力，一般不需要破坏分子内的化学键，所以只需要外界提供较少的能量。因此，分子晶体的熔点通常较低，硬度也较小，有较强的挥发性。当然，分子间作用力越强，分子晶体的熔、沸点越高，硬度越大。原子晶体（因共价键具有方向性而不遵循紧密堆积。）概念：相邻原子间以共价键结合而形成的有空间立体网状结构的晶体。构成微粒：原子。微粒间的作用：共价键。（决定晶体物理性质）属于原子晶体的物质：某些非金属单质：晶体B、晶体Si、晶体Ge、金刚石等。某些非金属化合物：金刚砂（SiC）、SiO2、BN、AlN、Si3N4等。某些氧化物：Al2O3结构：总述：原子晶体中只存在共价键，晶体中原子不遵循紧密堆积原则。晶体为立体空间网状结构。【原子晶体中不存在单个分子。如SiO2代表硅原子和氧原子的个数比为1:2，并不表示分子。所以不能说二氧化硅的分子式为SiO2，只能说化学式。】分析：以金刚石为例。（晶体Si相同）在晶体中每个碳原子以共价单键与4个碳原子相结合，成为正四面体。碳原子采取了sp3杂化，CC键夹角为10928。最小环上有6个碳原子且不共面。每个碳原子被12个六元环共用，每个共价键被6个六元环共用。每个碳六元环中平均含6*1/12=1/2个碳原子，含6*1/6=1个共价键。晶体中C原子数与CC键数的比为1:2，1mol金刚石中有2molCC键。每个金刚石晶胞中含有8个碳原子。【金刚石：已知晶体中硬度最大，熔点很高。硬且脆，用锤子砸易被破坏（无延展性）】以SiO2晶体为例。1、二氧化硅中硅原子和SiO键的比值为1/4，所以1mol二氧化硅中含有4mol SiO键。 2、最小环为12元环，平均每个最小环上有Si原子6*1/12=1/2个，有O原子6*1/6=1 个，所以Si:O个数比为1:2。3、金属晶体（1）概念：以金属阳离子与自由电子之间的强烈作用形成的单质晶体【自由电子：不专属于特定离子，几乎均匀分布在整个晶体，被许多金属阳离子共用。金属阳离子：在一定范围内振动，不是自由移动。】（2）构成微粒：金属阳离子，自由电子。不存在其他粒子。（3）微粒间的作用：金属键。（4）除汞外，金属单质常温下一般都是晶体。（5）金属晶体性质：导电性：自由移动的电子定向移动，形成电流。 延展性：各原子层发生滑动，不改变排列方式。熔沸点、硬度：与金属键的强弱有关（离子半径越小、所带电荷越多。金属键越强，熔沸点越高、硬度越大。）合金的熔沸点一般低于成分金属，硬度、强度高于成分金属。（6）结构：金属晶体的组成微粒采用密堆积方式形成晶体。二维堆积 非密置层：行列对齐四球一空 非最紧密排列 配位数4 密 置 层：行列相错三球一空 最紧密排列 配位数6三维堆积堆积模型代表金属空间利用率配位数空间结构模型晶胞简单立方堆积Po（钋）526体心立方堆积K型碱金属688六方最密堆积Mg型Zn、Ti、Mg7412面心立方最密堆积Cu型Cu、Ag、Au74124、离子晶体（1）概念：离子间通过离子键结合而成的晶体。（2）构成微粒：阴、阳离子。（3）微粒间的作用：离子键。（4）属于离子晶体的物质：大部分盐（PbCl2、(CH3COO)2Pb不是）；活泼金属氧化物：如Na2O、Na2O2、CaO等；强碱 NaOH、KOH、Ca(OH)2、Ba(OH)2、Mg(OH)2结构：几种离子晶体构型：影响离子晶体结构的因素：A.几何因素：成键时阴、阳离子半径比值越大，配位数越大。（r阳/r阴）B.电荷因素：阴阳离子的电荷比决定了各离子配位数是否相同。如NaCl、CsCl中，阴阳离子所带电荷数相同，因而阴阳离子的配位数相同NaCl（配位数6,6），CsCl（配位数8，8）。CaF2中，Ca2+和F-所带电荷比为2:1，所以个数比为1:2，Ca2配位数为8，F-配位数为4。C.键性因素：离子键的纯粹度。分析：以NaCl为例。1、Na+和Cl-的位置：Na+：体心和棱中点； Cl-：面心和顶点。或者反之。2、每个晶胞含Na+4个，Cl-4个。3、与Na+等距离且最近的Na+ 有：12个；与Na+等距离且最近的Cl- 有：6个。即Na+ 的配位数为6，Cl-的配位数为6。以CsCl为例。1、Cs+和Cl-的位置：Cs+位于体心，则Cl-位于顶点。或者反之。2、每个晶胞含Cs+1个、Cl-1个。3、在氯化铯晶体中，每个Cl-周围与之最接近且距离相等的Cs+共有8个，每个Cl-周围与之最接近且距离相等的 Cl-共有6个。即Cs+的配位数为8，Cl-的配位数为8。Ca2+：每个Ca2+周围与之最接近且距离相等的F-共有8个，即Ca2+的配位数为8。每个晶胞中有4个Ca2+。以CaF2为例。 F-：每个F-周围与之最接近且距离相等的Ca2+共有4个，即F-的配位数为4。每个晶胞中有8个F-。离子晶体稳定性与晶格能：概念：气态离子形成1mol离子晶体时释放的能量。晶格能的大小与阴、阳离子所带电荷的乘积成正比，与阴、阳离子间的距离成反比。规律：晶格能越大，形成的离子晶体越稳定；（离子键越强）熔点越高；硬度越大。【碳酸盐热分解的实质是什么？结构相似的金属碳酸盐，为什么金属阳离子半径越小，晶格能越大却容易分解？碳酸盐的热分解是由于晶体中的阳离子结合碳酸根离子中的氧离子，使碳酸根离子分解为二氧化碳分子的结果。热稳定性属于化学性质。组成碳酸盐中金属阳离子的半径越小（失电子能力越弱），金属性越弱，碳酸盐的热稳定性越差，反之越好。注意区分晶格能的影响，晶格能影响离子晶体的物理性质。】5混合晶体（1）结构分析：石墨是层状结构的，各层上呈平面六元并环结构。层内C原子以共价键与周围的3个C原子结合，C原子的杂化方式为sp2，C原子配位数为3；层内最小环有6个C原子组成，每个C原子被3个最小环所共用，每个最小环含有6*1/3=2个C原子，6*1/2=3个碳碳键；C原子与碳碳键个数比为2:3。层间没有化学键相连，靠分子间作用力（范德华力）维系。石墨有金属键，有导电性，但导电性只能沿石墨平面的方向。（2）石墨为什么很软？石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。（3）石墨的熔沸点为什么很高（高于金刚石）？石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键（大键），故熔沸点很高。三、晶体熔、沸点高低的比较方法（1）不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律：原子晶体离子晶体分子晶体。金属晶体熔、沸点差别很大，钨、铂等熔沸点很高，汞、铯等熔沸点很低。 （2）原子晶体由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高如熔点：金刚石碳化硅硅 （3）离子晶体一般地说，阴阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越强，相应的晶格能大，其晶体的熔、沸