3-3金属晶体与离子晶体II 课件 高二下学期化学人教版选择性必修2

第三章晶体结构与性质第三节

金属晶体与离子晶体1.能辨识常见的离子晶体，能从微观角度理解离子键对离子晶体性质的影响，能从宏观角度解释离子晶体性质的差异。2.通过对离子晶体模型的认识，理解离子晶体的结构特点，预测其性质。核心素养

发展目标“两类新晶体，一个系统表，三条比较线，四种计算力”

两类新晶体：金属晶体（电子气模型）、离子晶体（离子键模型）。一个系统表：四大典型晶体对比总表（构成微粒、作用力、物理性质）。

三条比较线：

熔沸点：离子晶体/共价晶体/金属晶体（一般）>

分子晶体。

导电性：金属晶体（固态导电）、离子晶体（熔融/溶液导电）、分子晶体（一般不导电）、共价晶体（一般不导电）。

硬度：共价晶体

>

离子晶体/金属晶体（差异大）

>

分子晶体。

四种计算力（综合应用）：

晶胞粒子数计算（均摊法）。

化学式确定。

键数/配位数计算。

晶体密度计算（结合晶胞参数）。离子晶体

一

莹石CaF2

胆矾CuSO4·5H2O明矾KAl(SO4)2·12H2O重晶石BaSO4(1)离子晶体定义：离子晶体是由_______和_______相互作用形成的晶体。(2)成键粒子：大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子，有的还存在电中性分子(如H2O、NH3等)。(3)相互作用：阳离子、阴离子之间以_______结合，复杂离子内可能含有_______，甚至存在氢键，例如CaCO3、K2SO4、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O等。(4)物理性质：硬度较大，难压缩；熔点和沸点较高；固体不导电，但在熔融状态或水溶液中能导电。阳离子阴离子离子键共价键离子晶体是否具有较好的延展性同种电荷相互排斥，使晶面裂开发生滑动施加外力离子晶体较脆，延展性较差NaCl晶胞钠离子和氯离子的位置钠离子——体心和棱心氯离子——面心和顶点可互换一、NaCl晶胞如图所示：①每个Na+周围距离最近的Cl-有6个

(上、下、左、右、前、后各1个)，构成正八面体，每个Cl-周围距离最近的Na+有6个，构成正八面体。②每个Na+紧邻12个Na+；每个Cl-紧邻12个Cl-。③每个晶胞中实际拥有的Na+数是4，Cl-数是4。化学式组成为NaCl。离子的配位数：一种离子周围最邻近的异电性离子的数目。面心立方晶胞中的八面体空隙，位于晶胞的体心（1个）和棱心（12×1/4=3个）（如上图），一共有4个八面体空隙。八面体空隙3、6、7、8、9、12号围成正八面体空隙1、3、6、7号围成正四面体空隙四面体空隙面心立方晶胞中的四面体空隙，位于八分之一晶胞的立方体体心位置（如上图），一共有8个四面体空隙。你觉得Na+

应该怎么镶嵌才能利用完‌所有缝隙‌？大个的Cl-紧密排列，小个的Na+镶嵌在缝隙中(类似于吃饱饭了，但妈妈说还可以喝碗汤，因为还有缝隙可以塞)所有缝隙都利用完了吗实际上，由于Na⁺和Cl⁻的尺寸匹配问题NaCl的晶胞只填满了八面体空隙晶胞中四面体空隙有8个，填不填满是另一回事类比原子轨道客观存在，填不填电子是另一回事1.结构基础Cl-作面心立方最密堆积；每个Na+被上、下、左、右、前、后6个Cl-包围，形成正八面体。Na+全部填满其正八面体空隙。可互换视角：Na+作面心立方最密堆积、Cl-填八面体空隙，结构等效。2.正八面体位置体心：1个，完全属于本晶胞；周围6个面心Cl-构成正八面体顶点棱心：3个（12棱心×1/4），12条棱中点，每条棱被4个晶胞共享，每个晶胞分摊1/4；配位Cl-来自相邻晶胞，构型仍为完美正八面体3.四面体空隙数=8（在小立方体的体心），在NaCl中全部空着。1.Ni与NaCl中Cl-堆积相同，Ni可以吸附H2,氢以单个原子形式填入四面体空隙、则Ni最大量吸收H2后，n(Ni):n(H)=

。

1:22.氮化钼作为锂离子电池负极材料具有很好的发展前景。它属于填隙式氮化物，N原子部分填充在Mo原子立方晶格的八面体空隙中，晶胞结构如图所示。氮化钼的化学式为

。如果让Li+填入氮化钼晶体的八面体空隙，一个晶胞最多可以填入

个Li+。2Mo2N二、CsCl晶胞如图所示：①每个Cs+周围距离最近的Cl-有8个

(8个顶角)，构成立方体，每个Cl-周围距离最近的Cs+有8个，构成立方体。②每个Na+紧邻6个Na+；每个Cl-紧邻6个Cl-。③每个晶胞中实际拥有的Cs+数是1，Cl-数是1。化学式组成为CsCl。离子晶体阴离子的配位数阳离子的配位数NaClCsCl6688NaCl、CsCl都是同一主族的氯化物,且都是AB型，为什么它们的配位数却不相同呢(NaCl的是6,CsCl的是8)？据表分析影响离子晶体中离子配位数的因素。配位数468半径比0.2~0.40.4~0.70.7~1.0空间构型ZnSNaClCsCl几何因素:晶体中正负离子的半径比电荷因素:晶体中正负离子的电荷比正负离子的半径比越大,配位数越多.C下图是从NaCl或CsCl晶体结构图中分割出来的部分结构图，其中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图是(

)A．图①和图③B．图②和图③C．图①和图④D．只有图④三、CaF2晶胞如图所示：①每个Ca2+周围距离最近的F-有8个

(8个小立方体的体心)，构成立方体，每个F-周围距离最近的Ca2+有4个，构成四面体。②Ca2+周围最近且等距的Ca2+有12个。F-周围最近且等距的

F-有6个。②每个晶胞中实际拥有的Ca2+数是4，F-数是8。化学式组成为CaF2。CaFCa2+呈面心立方密堆积，F-填充在四面体空隙中。(大离子堆积小离子填隙)F-Ca2+

四面体空隙阴阳离子个数比=配位数反比(1)阳离子的配位数：4(2)阴离子的配位数：4(3)一个ZnS晶胞中含：

4个阳离子和4个阴离子四、ZnS晶胞如图所示：晶胞类型晶胞结构离子位置配位数距离最近且相等的相反离子每个晶胞含有离子数实例NaCl型CsCl型ZnS型CaF2型离子晶体晶体类型晶胞类型晶胞结构示意图配位数距离最近且相等的相反离子每个晶胞含有离子数实例NaCl型

ABCsCl型ZnS型AB2CaF2型Na+：6Cl-：6Cs+：Cl-：88Zn2+：S2-：44Ca2+：F-：48Na+：Cl-：Cs+：Cl-：Zn2+：S2-：Ca2+：F-：Na+：Cl-：Cs+：Cl-：Zn2+：S2-：Ca2+：F-：6688444844114484KBrAgCl、MgO、CaS、BaSeZnS、AgI、BeOCsClCsBr、CsI、TlCl碱土金属卤化物、碱金属氧化物。各类型离子晶体晶胞的比较1.CaF2的晶胞结构如右图，若该晶胞边长为apm，晶胞中F-半径为bpm，则Ca2+半径的表达式为

pm（列式表示）2.由Al元素和N元素形成的某种化合物的晶胞如图所示，已知N原子位于晶胞体对角线的1/4处。假设该化合物晶体的密度为ρg·cm－3，NA为阿伏加德罗常数的值，则晶胞中相距最近的两个N原子之间的距离为(

)方法提示：投影或演绎A离子晶体熔沸点的高低离子键强弱离子半径离子所带的电荷离子晶体的物理性质离子半径越小、离子所带的电荷越多，离子键越强。如：熔点MgO>NaClKF>KCl>KBr>KI（1）离子晶体熔沸点。（2）离子晶体硬而脆。（3）离子晶体不导电，熔化或溶于水后能导电分析下表中离子化合物的数据，能得出什么结论？结论：与金属晶体类似，离子晶体由于离子键强弱不同，熔、沸点差异较大。化合物熔点/℃化合物熔点/℃CaO2613Na2SO4884KCl770Ca2SiO42130NH4NO3169.6Na3PO4340BaSO41580CH3COOCs194LiPF6200（分解温度）NaNO22701.若晶体类型不同，一般情况下：共价晶体＞离子晶体＞分子晶体。金属晶体的熔、沸点差别很大，一般不参与比较。2.若晶体类型相同，则有：物质的熔点与晶体类型的关系(1)分子晶体①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常的高。如熔、沸点：H2O>H2Te>H2Se>H2S。②组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高，如熔、沸点：SnH4>GeH4>SiH4>CH4，F2<Cl2<Br2<I2。③组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔、沸点越高，如熔、沸点：CO>N2。(3)金属晶体中，离子半径越小，离子电荷越高，金属键就越强，熔点就越高。合金的熔点比它的各成分金属的熔点低。(4)离子晶体中，结构相似时，离子半径越小，离子电荷越高，晶格能越大，离子键就越强，熔点就越高。(2)共价晶体中，结构相似时，原子半径越小，共价键键长越短，键能越大，熔点越高。【科学-技术-社会】

离子液体

离子晶体的熔点，有的很高，如CaO的熔点为2613℃，有的较低，如NH4NO3、Ca(H2PO4)2的熔点分别为170℃、109℃。早在1914年就有人发现，引入有机基团可降低离子化合物的熔点，如C2H5NH3NO3(硝酸乙基铵)的熔点只有12℃，比NH4NO3低了158℃!

到20世纪90年代，随着室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物的优异性质不断被开发利用，才意识到它们的巨大价值，并将它们定义为离子液体。离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子（如图3-31）。常见的阴离子如四氯铝酸根（AlCl4-）、六氟磷酸根（PF6-）、四氟硼酸根（BF4-）等，特点：能调节离子液体的水溶性、粘度、导电性这些关键性质。常见的阳离子如季铵离子（R4N+，即NH4+的H被烃基R取代）、带烃基侧链的咪唑、嘧啶等有环状含氮结构的有机胺正离子等。特点：体积大、结构不对称，很难规则堆积成晶体。

化合物熔点/℃NH4NO3169.6Ca(H2PO4)2109CH3COOCs194C2H5NH3NO312实际上，有些离子组成的物质在常温下甚至以液态形式存在。离子液体:熔点低、不挥发、不流失；稳定性强、分解温度通常300°C以上；还能减少污染，被叫做“绿色溶剂”。离子液体是在室温或接近室温时呈液态的盐类物质，应用广泛。1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体结构如图所示，下列相关叙述错误的是A.该离子液体中C原子杂化方式为sp2、sp3B.阴离子呈正四面体形C.该离子液体中只含极性键和非极性键D.该离子液体与水能够形成氢键√过渡晶体与混合型晶体

二1.过渡晶体(1)常见的四类典型晶体是_____晶体、_____晶体、_____晶体和_____晶体，纯粹的典型晶体并不多，大多数晶体是四类典型晶体之间的过渡晶体。四类晶体都有过渡型。(2)举例——离子晶体与共价晶体的过渡①离子键的百分数离子键的百分数是依据_______的差值计算出来的，差值越大，离子键的百分数越____。分子共价金属离子电负性大第三周期前几种元素的氧化物中，化学键中离子键成分的百分数如下表所示：氧化物Na2OMgOAl2O3SiO2离子键的百分数/%62504133②由表可知，这4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的_________。过渡晶体当成离子晶体比较方便当成共价晶体比较方便就像Al元素化合物存在两性(不是纯粹的金属也不是纯粹的非金属)③处理方式偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作_________来处理，如Na2O等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如______、______等。离子晶体Al2O3SiO22Al2O3(熔融)4Al+3O2↑

为什么不用AlCl3?AlCl3是分子晶体(共价化合物),Al2O3是共价晶体(共价化合物),后者含有离子键成分，强度弱一些，容易断键。几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数氧化物Na2OMgOAl2O3SiO2P2O5SO3Cl2O7离子键的百分数/%62504133离子键的百分数更小离子晶体共价晶体分子晶体过渡过渡电负性差值越大，离子键成分的百分数越高化合物键型离子键的百分数电负性差值CsCl离子键75%3.16―0.79＝2.37HCl极性共价键20%3.16―2.22＝0.94Cl2非极性共价键03.16―3.16＝0钛的电负性1.54卤素的电负性F：3.98Cl：3.16Br：2.96I：2.66电负性差值2.441.621.421.12TiF4是离子化合物，离子晶体;TiCl4

、TiBr4、TiI4是共价化合物，分子晶体。层平面内C原子的配位数为3，共价键的键长很短，键能很大，石墨的熔点很高。类似共价晶体层与层之间靠范德华力维系，作用力弱，容易滑动，所以石墨质软，可作润滑剂。类似分子晶体层中每个碳原子均剩余一个未参与杂化的2p电子，所有的p轨道平行重叠，形成离域π键，这些p轨道中的电子可在整个层平面中运动。石墨能导电，类似金属晶体石墨结构中未参与杂化的p轨道2.混合型晶体(1)概念晶体内部具有若干种不同的作用力，具有若干种晶体的结构与性质，这类晶体称为混合型晶体。(2)典型的混合型晶体——石墨①石墨晶体的结构特点a.层内碳原子采取____杂化，以_______相结合形成平面六元并环结构。所有碳原子的未参与杂化的p轨道相互平行且相互重叠，使p轨道中的电子可在_______________中运动。sp2共价键整个碳原子平面b.层间石墨晶体中层与层之间相隔距离较大，以________维系。②石墨的晶体类型石墨中既存在共价键，具备共价晶体的特性，又存在分子间作用力，具有分子晶体的特性，同时还具有类似金属晶体的导电性，故石墨体是一种混合型晶体。③石墨的物理性质熔点___、易_____、质软易滑动。导电高范德华力

1.石墨为什么很软？

3.石墨为什么能导电？

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。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π键）2.石墨的熔沸点为什么很高（高于金刚石）？4.石墨晶体中存在哪些作用力？晶体中存在共价键、金属键、范德华力这是因为石墨晶体中存在自由电子，可以在整个碳原子的平面上运动但是电子不能从一个平面跳跃到另一个平面，所以石墨能导电，并且沿层的平行方向导电性强。这也是晶体各向异性的表现。1.石墨晶体由层状石墨“分子”按ABAB……方式堆积而成，如图所示，图中用虚线标出了石墨的一个六方晶胞。该晶胞中含有的碳原子数为_____。42.石墨烯是从石墨材料中剥离出来的由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。其结构如图：下列有关说法正确的是(

)A．石墨烯中碳原子的杂化方式为sp3杂化B．石墨烯中平均每个六元碳环含有3个碳原子C．从石墨中剥离石墨烯需要破坏化学键D．石墨烯具有导电性D3.石墨烯是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，如图所示。1mol石墨烯中含有的六元环个数为

，下列有关石墨烯的说法正确的是___(填字母)。a．晶体中碳原子间全部是碳碳单键b．石墨烯中所有碳原子可以处于同一个平面c．从石墨中剥离得到石墨烯需克服分子间作用力0.5NAbc表3-7几种碳酸盐的热分解温度和阳离子半径组成碳酸盐中阳离子的金属的金属性越弱，金属阳离子的半径越小，碳酸盐的热稳定性越差，反之越好。科学视野碳酸盐热分解温度/0C阳离子半径/pmMgCO3CaCO3SrCO3BaCO3402900117213606699112135碳酸盐热分解的实质是什么？表3-7的有关数值说明了什么？1.定义：气态离子形成1摩离子晶体时释放的能量。2.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。简言之,晶格能的大小与离子带电量成正比,与离子半径成反比。二、晶格能晶格能越大,形成的离子晶体越稳定；熔点越高；硬度越大。某些离子晶体的晶格能F-Cl-Br-I-Li+Na+K+Rb+Cs+1036923821785740853786715689659807747682660631757704649630604资料卡片卤化钠及碱土金属离子晶体AB型离子晶体离子电荷Z晶格能

kJ⋅mol−1熔点/℃摩氏硬度NaF19239933.2NaCl17868012.5NaBr17477472.5NaI17046612.5MgO2379128526.5CaO2340126144.5SrO2322324303.5BaO2305419183.3岩浆晶出规则与晶格能科学视野岩浆晶出规则：晶格能越大越容易析出(PnO3n+1)(n+2)-1.NH4H2PO4和LiFePO4属于简单磷酸盐，而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐，如：焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如下图所示：这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为

（用n代表P原子数)2.有一种多聚硼酸盐为无限网状结构（如图3-12所示），其结构的基本单元可以表示为(B5On)m-,则m=____，n=____。393.FeS2晶体的晶胞如图所示，晶胞边长为anm，FeS2相对式量为M，阿伏加德罗常数的值为NA，其晶体密度的计算表达式为___

g/cm3；晶胞中Fe2＋位于S22-所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为

nm。(1)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立方结构，边长为a＝0.446nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K与O间的最短距离为________nm，与K紧邻的O个数为_____。(2)在KIO3晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于_____位置，O处于______位置。0.31512体心棱心MgO具有NaCl型结构(如图)，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X­射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a＝0.420nm，则r(O2-)为________nm。MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′＝0.448nm，则r(Mn2＋)为______nm。

0.1480.076根据晶胞结构，面对角线是O2-半径的4倍，即4r