晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（第一輪復(fù)習(xí)教案）

§5－6晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)高考目標(biāo)要求了解幾類常見晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性質(zhì)初步掌握分析晶體結(jié)構(gòu)和組成的常用方法晶體1、概念具有規(guī)則幾何外形的固體2、晶體的分類離子晶體原子晶體分子晶體金屬晶體（過渡型晶體）3、各類晶體的比較比較分子晶體離子晶體原子晶體金屬晶體概念（定義）構(gòu)成晶體的微粒分子陰離子陽(yáng)離子原子金屬陽(yáng)離子自由電子微粒間的作用力分子間作用力（范德瓦爾斯力）離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵物理性質(zhì)熔沸點(diǎn)較低較高很高有高、有底硬度較小較大、硬而脆很大有大、有小導(dǎo)電性晶體不導(dǎo)電熔融狀態(tài)不導(dǎo)電水溶液部分導(dǎo)電部分不導(dǎo)電晶體不導(dǎo)電熔融狀態(tài)能導(dǎo)電水溶液能導(dǎo)電、不導(dǎo)電良導(dǎo)體導(dǎo)熱性不良不良不良良好延展性不良不良不良良好溶解性相似者相溶一般易溶于水難溶于有機(jī)溶劑不溶于一般溶劑不溶于一般溶劑影響晶體性質(zhì)的因素分子間作用力相對(duì)分子質(zhì)量的大小離子鍵的強(qiáng)弱離子的半徑和電荷共價(jià)鍵的強(qiáng)弱鍵長(zhǎng)、鍵能原子的半徑金屬鍵的強(qiáng)弱自由電子的多少半徑大小實(shí)例干冰、白磷NaCl、CsCl金剛石、碳化硅金屬單質(zhì)、合金過渡型晶體——石墨⑴同一片層內(nèi)，每個(gè)碳原子通過三個(gè)共價(jià)鍵與另三個(gè)碳原子相連成正六邊形，形成一個(gè)整體（類似與于原子晶體）。⑵在同一片層內(nèi)每個(gè)碳原子還有一個(gè)價(jià)電子在同一片層內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)（類似于金屬晶體）⑶片層與片層之間通過分子間力結(jié)合（類似于分子晶體）故，石墨具有原子晶體的特點(diǎn)：高熔沸點(diǎn)、難溶于任何溶劑；具有金屬晶體的特點(diǎn)：電和熱的良導(dǎo)體、有金屬光澤；具有分子晶體的特點(diǎn)：硬度小、質(zhì)地軟。判斷晶體類型的一般方法⑴依據(jù)組成晶體的微粒和微粒之間的相互作用力判斷⑵依據(jù)物質(zhì)的類別⑶依據(jù)晶體的性質(zhì)，如：熔沸點(diǎn)、導(dǎo)電性、硬度、機(jī)械加工性能等推測(cè)分析晶體組成的方法——均攤法：包括最小結(jié)構(gòu)單元分割法和點(diǎn)線面共用分割法。分割點(diǎn)線分割點(diǎn)－1/5線－1/2物質(zhì)熔沸點(diǎn)高低比較的一般規(guī)律原子晶體＞離子晶體＞分子晶體共價(jià)鍵離子鍵分子間作用力鍵長(zhǎng)、原子半徑離子半徑、離子電荷相對(duì)分子質(zhì)量如：C金剛石＞SiC＞Si＞MgCl2＞NaCl＞KCl＞HI＞HBr＞HCl特例：①NH3H2OHF的熔沸點(diǎn)比相應(yīng)同族其它元素的氫化物熔沸點(diǎn)反常的高（形成氫鍵的緣故）②金屬晶體、過渡型晶體因差異較大一般不列入比較系列。二、晶體結(jié)構(gòu)試題分類解析有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的推斷和計(jì)算是高中化學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，這些題目能很好地考察學(xué)生的觀察能力和三維想象能力，而且又很容易與數(shù)學(xué)、物理特別是立體幾何知識(shí)相結(jié)合，自然也就成為近年高考的熱點(diǎn)之一。此類題目的解答，要求學(xué)生在熟練掌握NaCl、CsCl、CO2、SiO2、金剛石等晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解和掌握一些重要的分析方法與原則。1、教材中重要的晶體結(jié)構(gòu)示意圖圖1：NaCl的晶體結(jié)構(gòu)圖2：CsCl的晶體結(jié)構(gòu)圖3：干冰的晶體結(jié)構(gòu)圖4：金剛石晶體結(jié)構(gòu)圖5：SiO2晶體結(jié)構(gòu)圖6：石墨晶體結(jié)構(gòu)俯視練習(xí)：1、請(qǐng)將圖1中NaCl晶體結(jié)構(gòu)中代表Na+的圓圈涂黑（不考慮體積大小），以完成NaCl晶體的結(jié)構(gòu)示意圖。在該晶體中每個(gè)Na+周圍與之最接近且距離相等的Na+共有個(gè)；與每個(gè)Na+等距離且最近的Cl-所圍成的空間幾何構(gòu)型為。2、在CsCl晶體中，每個(gè)Cs+周圍與之最接近的且距離相等的Cs+有個(gè)。3、在干冰晶體中，每個(gè)CO2分子周圍與之最接近的且距離相等的CO2分子有個(gè)。4、在金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，含有由共價(jià)鍵形成的碳原子環(huán)，其中最小的環(huán)上有個(gè)碳原子，每個(gè)碳原子上的任意兩個(gè)C—C鍵的夾角都是。5、石墨是層狀結(jié)構(gòu)，每一層內(nèi)，碳原子排列成而成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每一個(gè)碳原子跟其它個(gè)碳原子相連。2、根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)或晶胞結(jié)構(gòu)示意圖推斷晶體的化學(xué)式解答這類試題，通常采用分?jǐn)偡?。因?yàn)樵谝粋€(gè)晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的多個(gè)原子，并不是只為這一個(gè)晶胞所獨(dú)立占有，而是為多個(gè)晶胞共用，所以每一個(gè)晶胞只能按比例分?jǐn)偂７謹(jǐn)偟母驹瓌t是：晶胞任意位置上的原子如果是被n個(gè)晶胞所共有，則每個(gè)晶胞只能分得這個(gè)原子的。具體地，根據(jù)晶胞（晶體中最小重復(fù)單位）求晶體中粒子個(gè)數(shù)比的方法是：在立方晶系中①處于頂點(diǎn)的粒子，同時(shí)為8個(gè)晶胞共有，每個(gè)粒子有1/8屬于晶胞；②處于棱上的粒子，同時(shí)為4個(gè)晶胞共有，每個(gè)粒子有1/4屬于晶胞；③處于面上的粒子，同時(shí)為兩個(gè)晶胞共有，每個(gè)粒子有1/2屬于晶胞。④在晶胞內(nèi)的粒子只屬于該晶胞，每個(gè)粒子有1屬于該晶胞。例⒈現(xiàn)在四種晶體，其離子排列方式如圖所示，其中化學(xué)式正確的是（）AB2EF2XY3ZAB（A）（B）（C）（D）【分析】根據(jù)題意應(yīng)選C、D。這類題解題的思維方法為平均法，即先分析基本結(jié)構(gòu)單元中的一個(gè)點(diǎn)或一條邊為幾個(gè)結(jié)構(gòu)單元所共有，若為n個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元共有，則這個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元就只占有這個(gè)點(diǎn)或這條邊的1/n。這種求晶胞中粒子個(gè)數(shù)的方法還可類推到求晶胞中化學(xué)鍵數(shù)目，如：例2：石墨是層狀晶體，每一層內(nèi)碳原子排列成正六邊形，一個(gè)個(gè)正六邊形排列成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如果將每對(duì)相鄰碳原子間的短線看成一個(gè)化學(xué)鍵，則石墨晶體中每一層內(nèi)碳原子數(shù)與C—C鍵數(shù)的比是（）（A）2∶3（B）1∶3（C）1∶1（D）1∶2【分析】據(jù)石墨的晶體結(jié)構(gòu)可知：每個(gè)碳原子為三個(gè)正六邊形共用，每個(gè)正六邊形占有該碳原子的1/3，因此，每個(gè)正六邊形占有碳原子數(shù)為6×1/3個(gè)；晶體中每個(gè)C—C鍵即為每個(gè)正六邊形的邊，每個(gè)邊為2個(gè)正六邊形共用，每個(gè)正六邊形占有該C—C鍵的1/2，故每個(gè)正六邊形占有C—C鍵數(shù)目為6×1/2=3個(gè)，選（A）。例⒊最近發(fā)現(xiàn)一種由鈦原子和碳原子構(gòu)成的氣態(tài)團(tuán)簇分子（如左圖所示），頂角和面心的原子是鈦原子，棱的中心和體心的原子是碳原子，它的化學(xué)式是?！痉治觥磕愕拇鸢甘荰iC嗎？這是錯(cuò)的，為什么呢？這只不過是一個(gè)具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的大分子，而不是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)中的最小重復(fù)單位，按例1的方法計(jì)算自然是錯(cuò)的了。在這個(gè)問題中，我們只需數(shù)出兩種原子的數(shù)目就可以了（Ti14C13練習(xí)：6、水分子間由于氫鍵的作用彼此結(jié)合而形成(H2O)n，在冰中每個(gè)水分子被4個(gè)水分子包圍形成變形的四面體，通過氫鍵相互連接成晶體，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。則1mol冰中有mol氫鍵。7、科學(xué)家發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧化合物在90K具有超導(dǎo)性，若該化合物的結(jié)構(gòu)如下圖所示，則該化合物的化學(xué)式可能是（）（A）YBa2Cu3O4（B）YBa2Cu2O5（C）YBa2Cu3O5（D）YBaCu4O4（第6題圖）（第7題圖）（第8題圖）（第9題圖）（第10題圖）8、石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，在每一層內(nèi)，每一個(gè)碳原子都跟其它3個(gè)碳原子相結(jié)合。上圖是其晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖，則圖中7個(gè)六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是（）（A）10個(gè)（B）18個(gè)（C）24個(gè)（D）14個(gè)9、上圖所示為高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的一種化合物——鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是具有代表性的最小重復(fù)單元。試確定該結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)量。（相對(duì)原子質(zhì)量：Ca40Ti48O16）10、二氧化硅是立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其晶體模型如上圖所示，請(qǐng)認(rèn)真觀察該晶體模型后回答以下問題：（1）二氧化硅晶體中最小環(huán)為元環(huán)；（2）每個(gè)硅原子為個(gè)最小環(huán)共有；（3）每個(gè)最小環(huán)平均擁有個(gè)硅原子，個(gè)氧原子。3、晶胞結(jié)構(gòu)與晶體密度的計(jì)算例⒊如圖是CsCl晶體的晶胞（晶體中最小重復(fù)單元），已知晶體中兩個(gè)最近的Cs+核間距為acm，氯化銫的式量為M，NA為阿伏加德羅常數(shù)，則氯化銫晶體的密度為（）（A）（B）（C）（D）【分析】解法一：晶體的密度等于晶體的質(zhì)量與晶體在該質(zhì)量下的體積的比值（即晶體的密度=），據(jù)式量可知，1molCsCl的質(zhì)量為M克，故需求出1molCsCl的體積。因晶體是由晶胞構(gòu)成的，而1個(gè)CsCl晶胞的體積為a3cm3。因此，此題解題的關(guān)鍵是找出1molCsCl晶體中的晶胞數(shù)目，由晶胞的示意圖可知，1個(gè)晶胞中含1個(gè)Cs+和1個(gè)Clˉ，所以，在1molCsCl晶體中含NA解法二：一個(gè)晶胞的體積為a3cm3，若求出一個(gè)晶胞的質(zhì)量，則可以求出晶胞的密度，也就是晶體的密度（因?yàn)榫О蔷w中最小的結(jié)構(gòu)單元）。根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖可知，1個(gè)晶胞中含1個(gè)Cs+和1個(gè)Clˉ，所以一個(gè)晶胞的質(zhì)量也就是1個(gè)Cs+和1個(gè)Clˉ的質(zhì)量，所以晶胞的質(zhì)量為＋，即：=，因此也可得出晶體的密度。4、分子內(nèi)或晶體中化學(xué)鍵數(shù)目及多面體面數(shù)等的計(jì)算例⒋德國(guó)和美國(guó)科學(xué)家首次制造出了由20個(gè)碳原子組成的空心籠狀分子C20，該籠狀結(jié)構(gòu)是由許多正五邊形構(gòu)成的（如右圖所示）。請(qǐng)回答：C20分子中共有個(gè)正五邊形，共有條棱邊。C20晶體屬于（填晶體類型）。【分析】解法一：從分子結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，在C20分子內(nèi)每個(gè)碳原子與另外3個(gè)碳原子成鍵，因此，C20分子內(nèi)化學(xué)鍵總數(shù)=20×3×1/2（因?yàn)?個(gè)原子形成一個(gè)鍵），也即C20分子中共有30條棱邊（因?yàn)榛瘜W(xué)鍵總數(shù)=多面體棱邊總數(shù)）。從數(shù)學(xué)角度，多面體棱邊數(shù)=多面體面數(shù)×每個(gè)面的棱邊數(shù)×1/2（因?yàn)?個(gè)面共用一條棱邊），設(shè)正五邊形的個(gè)數(shù)為x，則有：30=x×5×1/2，所以，正五邊形的個(gè)數(shù)為12。實(shí)際上C20與C60都屬于碳的同素異形體，應(yīng)屬于分子晶體。解法二：設(shè)C20分子中含x個(gè)正五邊形，通過觀察圖形可知，每一個(gè)頂點(diǎn)為三個(gè)正五邊形共用，則每個(gè)正五邊形占有該頂點(diǎn)的1/2，因此，每個(gè)正五C20分子中含有正五邊形個(gè)數(shù)x=12；每一條邊為兩個(gè)正五邊形共用，每個(gè)正五邊形只占有這條邊的1/2，故C—C鍵的數(shù)目為12×5×1/2=30個(gè)，即C20分子中共有30條棱邊。邊形占有碳原子數(shù)為5×1/3個(gè)，這個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的碳原子數(shù)為x×5×1/3=20，因此，【總結(jié)】在分子內(nèi)或晶體中：化學(xué)鍵總數(shù)=多面體棱邊總數(shù)其中，化學(xué)鍵總數(shù)=參與成鍵的微粒總數(shù)×每個(gè)微粒的成鍵數(shù)×1/2多面體棱邊數(shù)=多面體面數(shù)×每個(gè)面的棱邊數(shù)×1/2練習(xí)11、已知晶體硼的基本結(jié)構(gòu)單元是由硼原子組成的正二十面體（如右圖）。其中有二十個(gè)等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點(diǎn)，每個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)硼原子，則這個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元由個(gè)硼原子構(gòu)成，共含有個(gè)B—B鍵。五、綜合性試題分析在有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的推斷和計(jì)算試題中，綜合性試題往往是試卷中難度最大的題目。其實(shí)，這類試題只是把以上有關(guān)分析與計(jì)算綜合到了一個(gè)題中，因此，我們可以采用以上有關(guān)解題方法對(duì)其做出分析解答。例⒌在離子晶體中，陰、陽(yáng)離子按一定規(guī)律在空間排列，右圖（a）是NaCl的晶體結(jié)構(gòu)，在離子晶體中，陰、陽(yáng)離子具有或近似具有球形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它們可以被看作是不等徑的剛性圓球，并彼此相切如NaCl晶體結(jié)構(gòu)圖（b），已知a為常數(shù)。（1）在NaCl晶體中，每個(gè)Na+同時(shí)吸引個(gè)Clˉ；Na+數(shù)目和Clˉ數(shù)目之比為；（2）Na+半徑與Clˉ半徑之比=（已知=）；（3）NaCl晶體中不存在分子，但在×105Pa，1413℃時(shí)，NaCl晶體形成氣體，并以分子形式存在。現(xiàn)有29.25克NaCl晶體，在×105Pa時(shí)強(qiáng)熱使溫度達(dá)到1501.5℃（4）若a=×10-8cm，求NaCl晶體的密度（已知3=，NaCl的摩爾質(zhì)量為58.5g/mol【解析】（1）6，1∶1（2）由圖（b），因?yàn)閞（Clˉ）＞r（Na+），則r（Clˉ）=2r（Na+）=a－2r（Clˉ）=a－2×，即r（Na+）=所以，==（3）摩爾質(zhì)量M==117g/mol設(shè)NaCl分子式為(NaCl)n，則有=117n=2，即NaCl氣體的分子式為Na2Cl2。（4）由NaCl晶體結(jié)構(gòu)分析，每個(gè)晶體中含有4個(gè)“NaCl分子”，則有ρV=，所以ρ=/×10-8)3=2.2g/cm練習(xí)：12、某離子晶體晶胞結(jié)構(gòu)如右圖所示，X位于立方體的頂點(diǎn)，Y位于立方體的中心，試回答：（1）晶體中每個(gè)Y同時(shí)吸引著個(gè)X，每個(gè)X同時(shí)吸引著個(gè)Y，該晶體的化學(xué)式為。（2）晶體中在每個(gè)X周圍與它最接近且距離相等的X共有個(gè)。（3）晶體中距離最近的2個(gè)X與一個(gè)Y形成的夾角（∠XYX）為（填角的度數(shù)）。（4）設(shè)該晶體的摩爾質(zhì)量為Mg·mol-1，晶體密度為ρg·cm-3，阿伏加德羅常數(shù)為NA，則晶體中兩個(gè)距離最近的X中心間的距離為cm。13、根據(jù)石墨晶體結(jié)構(gòu)示意圖及提供的數(shù)據(jù)計(jì)算（保留三位有效數(shù)字）。有關(guān)公式、數(shù)據(jù)見框圖。（1）12g石墨中，正六邊形的數(shù)目有多少？