晶体的类型与性质

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

2、金属键 一般熔沸点较高、质硬（少数质软）， 难溶于水（K、Na Ca等与水反应）， 导电 2晶体类型的判别 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：NaCI、KOH MgSO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。女口：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：

3、干冰、丨2单质、冰醋酸 金属原子之间通过金属键结合，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

4、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。 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 、方法技能 构有一定的三维空间想象能力”。

5、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、NaCI、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，禾U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

6、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，B- N键的键角应为。 目前BN可通过下列反应制得，请配平该反应。 Na2B4O7 +NH4Cl NaCl + B 2O3 + BN + 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

7、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 N- 形成的最小环中有3个N原子和3个B原子。B-N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，

8、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，B- N键的键角应为120。 配平的化学方程式： NaBQ + 2 NH 4CI = 2NaCl + B 2Q + 2BN +4出0 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

9、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？ 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，所以甲烷水合物是分子晶体

10、。 (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U 1m3 晶体的质量为 1 m3x 1000kg/ m3 =1000 kg 其中甲烷的物质的量 3 164 m * 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 kg 171.12 kg = 828.88 kg 水的物质的量为828.88 kg * 18 kg/k mol

11、= 46.05 k mol 因此 CH: HO = 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C6q有重大贡献的三位科学家。C6q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： (1) C6q分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化 (2) C6q分子中只含有五边形和六边形: (3) 多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理: 顶点数+面数一棱边数=2 据上所述，可推知

12、C6q分子中有12个五边形和20个六边形，C6q 分子所含的双键数为30。请回答下列问题: (1)固体C6q与金刚石相比较，熔点较高者应是 理由是: (2) 试估计C60跟F2在一定条件下能否发生反应生成 GsoFeo (填“可能”或“不 可能”)，并简述其理由： (3) 通过计算，确定C60分子所含单键数。G。分子所含单键数 (4) G。分子也已制得，它的分子结构模型可以与 G。同样考虑而推知。通过计 算确定C7o分子中五边形和六边形的数目。G。分子中所含五边形数为 ，六边形数为 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

13、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G。应属分子晶 体，熔沸点低，所以金刚石的熔沸点比 C60高。 (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。C60分子中 含有双键数为30,所以G。能与极活泼的F2分子发生加成反应。 (3) 分析题意和结构图可知，C60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：1.5 X 60 = 90 ,已知Go

14、分子中含双键 数为30,所以G-G单键数为9030 = 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C0的冋题。 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F2分子发生加成反 应生成 C60F60。 (3) C60分子中形成的化学键数等于棱边数，1/2 (3X 60) =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 = 90 （4）设分子中有五边形数为

15、X,六边形数为Y,每条棱边被两个多边形共用。 则得： 1/2 (5X+6Y = 1/2 (3x 70)(化学键数即棱边数) 70+ (X+Y 1/2 (3 x 70)= 2 （欧拉定理） 解得X = 12 （五边形）丫 = 25 （六边形） 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C6o分子中有12个五边形和20个六边形，G。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 Go分子中碳碳双键的数目。 例4.（ 1）中学

16、教材上图示了 NaCI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NaCI相同，Ni2+与最相邻的（O的核间距离为a x 10-8cm计算晶体的密度（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：一个皿2+空缺，另有两个Ni2+被皿3+所取代。其结 果晶体仍呈电中性，但化合物中Ni和O的比值却发生了变化。某氧化镍样品组 成为NioaO,试计算晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。 （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

17、数及质量之间的关系，计算出在一个边长为ax 10-8c m的 立方体结构单元中所含的 Ni2+和O2-离子的数目：Ni 2+4 x 1/8=0.5 &4 x 1/8=0.5 在（ax 10-8cm 3的体积中含有1/2 Ni2+个和1/2 8个。即在（ax 10-8cm 3的体积中含有1/2个NiO。1mol NiO的体积为： 23i83 V=6.02 x 10 mol- x( ax 10- cm)x 2 74.7g60.23 :二g - C 滋 NiO 的密度为：p =门1匸二： l! - i. . - - J= 求解的关键是通过分析NaCI晶体的结构，与NiO晶体对比联系，寻找到 在(ax

18、 10-8cn)3的体积中 所含NiO的数目。 (2) 计算Nio.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Nio.97O晶体中Ni3+为x mol,则Ni2+为(0.97 x) mol，根据电荷守恒原则可得： 3x +2 x (0.97 x) = 2 x 1x = 0.06 Ni3+: Ni2+ = 0.06 : (0.97 0.06) = 6 : 91 方法二：列方程法(有两种) 设Ni0.97O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=0.91 Ni3+： N

19、i2+ = 0.06 : (0.97 0.06) = 6 : 91 若把NioaO写成xNiO写Ni2Q，则可列得等式： x+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 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. PCI5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，P Cl键长为204pm和211pm两种。继续加热到250E时测知压强为起始时 的两

20、倍(相同条件)。PCl5在加压下于148C时液化，形成一种能导电的熔体， 测知P Cl的键长为198pm和206pm两种。回答下列问题： 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）250E时的PCI5蒸气中存在什么分子？为什么？写出分子式，画出其 立体图。 （3）PCI5液体为什么能导电？试做出简洁的解释 （4）PBr5气态分子结构与PCI5相似，它的熔体也能导电，经测定知其中只 存在一种P Br键。PBrs熔体为什么能导电？试做出简洁的解释。 思路分析: （1）PCI5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

21、.3g/L，求得蒸气分子的摩尔质量（相对分子质量）： 22.4L/mol x 9.3g/L=208.3g/mol，而PCI 5的相对分子质量为 208.5，故蒸气的 分子式为PCb。在PCI5中存在2种P CI键，且分子极性为零，属非极性分子， 分子空间结构应具有对称性。尝试画出可能的结构，再经过分析判断，确定正确 的结构。PCI5分子中P原子最外层上有5个电子，与5个CI原子分别形成共价 键，以P原子为中心，三个CI原子构成一个正三角形，另两个CI原子一个在正 三角形的上方，一个在正三角形的下方，CI P-CI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）2

22、50C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，气体的压强与气体的物质的量成正比。 即 ni/n2 = P1/P2。由此推知PCI5发生了分解反应：PCI 5= PCI3 + CI2且 PCI5完全分解，蒸气中存在PCI3和CI2两种分子，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NH分子的三棱锥形结构，推出PCI3 的分子结构也应是三棱锥形（如图所示）。（因为 NH、PCI3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CI原子产生一定的“挤压” 作用，与BF3的正三角形结构有所不同）。 （3）P

23、CI5液体能导电，说明PCI5能电离产生自由移动的阴、阳离子，若按 PCl5=PCl4+ +CI-则生成的是PCI 4+和Cl-，PCl4+应是正四面体结构，只有一种 P Cl键，不符合熔体中含有两种 P Cl键的题意。另一种电离的方式是： 2PCl5= = PCl6- + PCl4+，产生的两种离子的空间结构为正四面体（PCIQ和正八面 体（PCI6）（如图所示），PCI5熔体能导电，PCI5应是离子化合物。 第（4）问是（3）的一个反馈性启示，只是将氯原子换成溴原子。PBr5熔体 若按PCI5方式电离，便存在两种不同键长的 p Br键，而题中信息告知PBr5熔 体中只存在一种键长的P- B

24、r键，可见PBr5只能按下式电离：PBr5=PBi4+Br-， PBr4+结构与PCb+相同。说明PCI5与PBr5有相同之处，也有不同之处。 解题快车道： （1）PCI5蒸气中存在PCI5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/mol x 9.3g/L=208.3g/mol，而PCI 5的相对分 子质量为208.5，基本相等，故蒸气的分子式为 PCI50 PCI5呈三角双锥。（如图 所示），且分子极性为零，有两种键长。 （2） 中存在PCI3和CI2两种分子，因为压强的计算值是原来的两倍。表明 1 mol PCI5完全分解成1mol PCI3和Im

25、olCb。气体由等物质的量的PCI3和Cb组成。 PCI3呈三角锥形，CI2为直线型双原子分子。 （3）PCI5熔体电离产生自由移动的阴、阳离子，故能导电。2PCl5=PCl6-+PCl4+ （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 NaCI晶体中N6和CI-所处的位置。这

26、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共有 个。 （3） 晶体中每一个重复的结构单元叫晶胞。在 NaCI晶体中正六面体的顶点 上、面上、棱上的N6或CI-为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中CI-的 个数等于计算式为； Na的个数等于计算式为 （4）设NaCI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Nx，食盐晶体中两个距离最近的Nsf离子中心距离为 cm 思路分析及解答：（1） NaCI晶体是由N/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 NaCI晶体的示意图。 （2）但是这样涂黑，会得到两种不同的图形，一种是 “a处于立方体的中心， 另一种是CI-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（CI-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