化學人教版選修3學案3-4離子晶體

第四節(jié)離子晶體[學習目標]1.通過模型了解離子晶體的結構特點并利用其結構特點解釋物理性質。2．結合圖片了解常見的離子晶體的晶胞結構。3．了解晶格能的概念、意義及對物質性質的影響。一、離子晶體1．構成離子晶體的粒子構成離子晶體的粒子是陽離子和陰離子，粒子之間的相互作用是離子鍵，這些粒子在晶體中不能(填“能”或“不能”，下同)自由移動，所以離子晶體不能導電。2．配位數離子晶體中離子的配位數指一個離子周圍最鄰近的異電性離子的數目。決定離子晶體中離子的配位數的因素有幾何因素、電荷因素、鍵性因素。(1)幾何因素是指晶體中正負離子的半徑比(r＋/r－)。它是決定離子晶體結構的重要因素。(2)電荷因素是指正負離子的電荷比。如在NaCl晶體中，每個Na＋周圍有6個Cl－，每個Cl－周圍有6個Na＋。NaCl只是氯化鈉晶體的化學式，在晶體中不存在單個氯化鈉分子，只有Na＋和Cl－。在CsCl晶體中，每個Cs＋周圍有8個Cl－，每個Cl－周圍有8個Cs＋。如果正負離子的電荷不同，正負離子的個數必定不相同，結果，正負離子的配位數就不會相同。如在CaF2晶體中，Ca2＋和F－的電荷比是21，個數比是12，Ca2＋的配位數為8，F(xiàn)－的配位數為4。(3)鍵性因素是指離子鍵的純粹程度。3．特點離子晶體硬度較大、難于壓縮、較高的熔點和沸點。二、晶格能1．概念氣態(tài)離子形成1摩爾離子晶體釋放的能量，通常取正值。2．影響晶格能大小的因素(1)離子所帶電荷：離子所帶電荷越多，晶格能越大。(2)離子的半徑：離子的半徑越小，晶格能越大。3．晶格能的作用晶格能直接反應離子晶體的穩(wěn)定性。晶格能越大，形成的離子晶體越穩(wěn)定，而且熔點越高，硬度越大。知識點一離子晶體的組成和性質1．離子鍵(1)定義：陰、陽離子間通過靜電作用所形成的化學鍵叫做離子鍵。(2)成鍵元素：活潑金屬元素(如K、Na、Ca、Ba等，主要是第ⅠA族和第ⅡA族元素)和活潑非金屬元素(如F、Cl、Br、O等，主要是第ⅥA族和第ⅦA族元素)相互結合時大多形成離子鍵。(3)成鍵原因：活潑金屬原子容易失去電子而形成陽離子，活潑非金屬原子容易得到電子形成陰離子。當活潑金屬遇到活潑非金屬時，電子發(fā)生轉移，分別形成陽、陰離子，再通過靜電作用形成離子鍵。(4)離子鍵只存在于離子化合物中。(5)強堿、活潑金屬氧化物、大多數鹽類等是離子化合物。2．離子晶體(1)離子晶體是由陽離子和陰離子通過離子鍵結合而成的晶體。(2)離子晶體微粒之間的作用力是離子鍵。由于靜電作用沒有方向性，故離子鍵沒有方向性。只要條件允許，陽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離子，故離子鍵也沒有飽和性。根據靜電作用大小的影響因素可知，在離子晶體中陰陽離子半徑越小，所帶電荷數越多，離子鍵越強。(3)離子晶體的化學式只表示晶體中陰陽離子的個數比，而不是表示分子的組成。3．離子晶體的組成①離子晶體由陰陽離子組成，陰陽離子間的作用力是離子鍵。②離子晶體中不一定都含有金屬元素，如NH4Cl是離子晶體。③離子晶體中除離子鍵外不一定不含其他化學鍵，如：NaOH晶體中還含有極性共價鍵，Na2O2晶體中還含有非極性共價鍵。④由金屬元素和非金屬元素組成的晶體不一定是離子晶體，如：AlCl3是由金屬元素Al和非金屬元素Cl組成的分子晶體，含有金屬離子的晶體不一定是離子晶體，如：金屬晶體中含有金屬陽離子。4．離子晶體的性質(1)具有較高的熔沸點，難揮發(fā)離子晶體中，陰、陽離子間有強烈的相互作用(離子鍵)，要克服離子間的相互作用使物質熔化和沸騰，就需要較多的能量。因此，離子晶體具有較高的熔沸點和難揮發(fā)的性質。一般說來，陰、陽離子的電荷數越多，離子半徑越小，離子鍵越強，離子晶體的熔沸點越高，如Al2O3>MgO；NaCl>CsCl等。(2)硬而脆離子晶體中，陰、陽離子間有較強的離子鍵，離子晶體表現(xiàn)出較高的硬度。當晶體受到沖擊力作用時，部分離子鍵發(fā)生斷裂，導致晶體破碎。(3)導電性離子晶體不導電，熔化或溶于水后能導電。離子晶體中，離子鍵較強，離子不能自由移動，即晶體中無自由移動離子，離子晶體不導電。當升高溫度時，陰、陽離子獲得足夠能量克服離子間的相互作用，成為自由移動的離子，在外界電場作用下，離子定向移動而導電。離子化合物溶于水時，陰、陽離子受到水分子作用變成了自由移動的離子(或水合離子)，在外界電場作用下，陰、陽離子定向移動而導電。(4)溶解性大多數離子晶體易溶于極性溶劑(如水)中，難溶于非極性溶劑(如苯、CCl4)中。當把離子晶體放在水中時，極性水分子對離子晶體中的離子產生吸引，使晶體中的離子克服離子間的作用而離開晶體，變成在水中自由移動的離子。化學變化過程一定發(fā)生舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成，但破壞化學鍵或形成化學鍵的過程卻不一定發(fā)生化學變化。如食鹽熔化會破壞離子鍵，食鹽結晶過程會形成離子鍵，但均不是化學變化過程。1.AB型離子晶體NaCl和CsCl中的配位數為何不同？【點撥】eq\f(r＋,r－)是決定離子晶體結構的重要因素，其值越大，配位數越大，NaCl與CsCl雖都為AB型離子晶體，但Na＋與Cs＋的半徑不同，則eq\f(r＋,r－)的比值不同，則配位數也就不同。2．如何判斷一種晶體是否為離子晶體？【點撥】常見的方法有以下兩種。方法一：由組成晶體的粒子種類來判斷，離子化合物形成的晶體一定為離子晶體。方法二：由晶體的性質來判斷。(1)根據導電性，固態(tài)時不導電，而熔融狀態(tài)或溶于水時能導電的一般為離子晶體；(2)根據機械性能，一般具有較大硬度且質脆的為離子晶體。3．離子鍵為何沒有方向性和飽和性？【點撥】通常情況下，陰、陽離子可以看成是球形對稱的，其電荷分布也是球形對稱的，只要空間條件允許，一個離子可以同時吸引多個異電性離子。因此，離子鍵沒有方向性和飽和性?！纠?】下列性質中，可以較充分說明某晶體是離子晶體的是()A．具有較高的熔點B．固態(tài)不導電，水溶液能導電C．可溶于水D．固態(tài)不導電，熔融狀態(tài)能導電【提示】判斷某晶體是否屬于離子晶體，就要看它是否具有離子晶體的特性。熔點高、固體不導電、可溶或難溶于水都不是離子晶體所特有的，而在熔融狀態(tài)下能否導電是區(qū)分化合物是離子化合物還是共價化合物的重要依據?！窘馕觥繌娜埸c來看，離子晶體一般具有較高的熔點，但金剛石、石英等原子晶體也有很高的熔點，A項錯誤；從溶解性來看，蔗糖、葡萄糖等分子晶體也可溶于水，C項錯誤；從導電性來看，AlCl3、HCl都不是離子化合物，但它們的水溶液均能導電，B項錯誤；而如果固態(tài)不導電、熔融狀態(tài)能導電，說明由固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的過程是克服離子鍵(而不是共價鍵或金屬鍵)的過程，即固態(tài)中原本有陰、陽離子，只是不能自由移動，而由陰、陽離子構成的晶體一定是離子晶體。【答案】D下列有關離子晶體的數據大小比較不正確的是(A)A．熔點：NaF>MgF2>AlF3B．晶格能：NaF>NaCl>NaBrC．陰離子的配位數：CsCl>NaCl>CaF2D．硬度：MgO>CaO>BaO解析：由于r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)，且Na＋、Mg2＋、Al3＋所帶電荷數依次增大，所以NaF、MgF2、AlF3的離子鍵依次增強，晶格能依次增大，故熔點依次升高。r(F－)<r(Cl－)<r(Br－)，故NaF、NaCl、NaBr的晶格能依次減小。在CsCl、NaCl、CaF2中陰離子的配位數分別為8、6、4。r(Mg2＋)<r(Ca2＋)<r(Ba2＋)，故MgO、CaO、BaO中離子鍵依次減弱，晶格能依次減小，硬度依次減小。知識點二常見離子晶體的構型1．離子晶體的典型結構(1)NaCl型①如圖所示，每個Na＋周圍最近距離的Cl－有6個，構成正八面體構型；每個Cl－周圍最近距離的Na＋也有6個，構成正八面體構型。由此可推知食鹽晶體的化學式為NaCl。②每個Na＋周圍最近距離的Na＋有12個(上層4個，同層4個，下層4個)；每個Cl－周圍最近距離的Cl－也有12個。③每個晶胞中Na＋的實際數目是1＋12×eq\f(1,4)＝4(個)，Cl－的數目是6×eq\f(1,2)＋8×eq\f(1,8)＝4(個)。由此亦可推知食鹽晶體的化學式為NaCl。(2)CsCl型CsCl型離子晶體中，每個離子被8個帶相反電荷的離子包圍，常見的CsCl型離子晶體有銫的鹵化物(氟化物除外)等。CsCl晶體的晶胞如圖所示。①每個Cs＋周圍最近距離的Cl－有8個，構成正六面體構型；每個Cl－周圍最近距離的Cs＋也有8個，構成正六面體構型。由此可推知該晶體的化學式為CsCl。②每個Cs＋周圍最近距離的Cs＋有6個(上、下、左、右、前、后)，構成正八面體；每個Cl－周圍最近距離的Cl－也有6個，構成正八面體。③每個晶胞中實際Cs＋的數目為8×eq\f(1,8)＝1(個)，Cl－的數目為1個。由此亦可推知該晶體的化學式為CsCl。(3)CaF2型CaF2晶體中每個Ca2＋周圍同時吸引著8個F－，每個F－周圍同時吸引著4個Ca2＋(如圖所示)。2．離子晶體中離子的配位數(1)離子的配位數：晶體晶胞中一個離子周圍最鄰近的異電性離子的數目稱為該離子的配位數。見下表：離子晶體NaClCsClCaF2陰離子的配位數684陽離子的配位數688(2)影響配位數的因素①離子的半徑：離子半徑比值越大，配位數就越大(見下表)。離子晶體正、負離子半徑比(r＋/r－)配位數(C.N.)NaClr＋/r－＝0.52(0.414～0.732)6CsClr＋/r－＝0.93(0.732～1.00)8ZnSr＋/r－＝0.27(0.225～0.414)4②離子的電荷數：離子正、負電荷的比值決定陰、陽離子的個數比，這對配位數有重要影響。以CaF2的結構為例分析：分析右圖中的晶胞結構可知：每個Ca2＋周圍最鄰近的F－有8個，表明Ca2＋的配位數為8；每個F－周圍最鄰近的Ca2＋有4個，表明F－的配位數為4。由此可見，在CaF2晶體中，Ca2＋和F－的個數比為12，剛好與Ca2＋和F－的電荷比21相反。因此可以得出：晶體中陰、陽離子的電荷比也是決定離子晶體結構的重要因素，稱為電荷因素。NaCl、CsCl晶體中有無單個分子？“NaCl”、“CsCl”是否代表其分子構成？其晶體中陰、陽離子的配位數各是多少？【點撥】在NaCl晶體、CsCl晶體中都不存在單個的NaCl分子、CsCl分子，在這兩種晶體里，陰、陽離子的個數比都是11。所以NaCl和CsCl是表示離子晶體中離子個數比的化學式，而不是表示其分子構成的分子式。這兩種離子晶體中陰、陽離子的配位數見下表。離子晶體陰離子的配位數陽離子的配位數NaCl66CsCl88【例2】高溫下，超氧化鉀晶體呈立方體結構，晶體中氧的化合價部分為0，部分為－2。如圖為超氧化鉀晶體的一個晶胞(晶體中最小的重復單元)。下列說法正確的是()A．超氧化鉀的化學式為KO2，每個晶胞含有4個K＋和4個Oeq\o\al(－,2)B．晶體中每個K＋周圍有8個Oeq\o\al(－,2)，每個Oeq\o\al(－,2)周圍有8個K＋C．晶體中與每個K＋距離最近的K＋有8個D．晶體中，0價氧元素與－2價氧元素的原子個數比為13【提示】解答該題時，一要利用“均攤法”，求得每個晶胞中所含離子的數目；二要根據晶體結構求得陰陽離子的配位數。同時也可聯(lián)想NaCl晶體模型，利用熟悉的模型去解答有關問題。【解析】在一個超氧化鉀晶胞中，含K＋數為8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，Oeq\o\al(－,2)數為12×eq\f(1,4)＋1＝4，故化學式為KO2，且每個晶胞中含有4個K＋和4個Oeq\o\al(－,2)，故A正確；晶體中每個K＋周圍有6個Oeq\o\al(－,2)，每個Oeq\o\al(－,2)周圍有6個K＋，故B錯；晶體中與每個K＋距離最近的K＋有12個，故C錯；設0價氧原子個數為x，－2價氧原子個數為y，根據KO2為電中性物質得：2y＝eq\f(x＋y,2)，eq\f(x,y)＝eq\f(3,1)，故D不正確?！敬鸢浮緼下面是從NaCl或CsCl晶體結構中分割出來的部分結構圖，其中屬于從NaCl晶體中分割出來的結構圖是(C)A．圖(1)和(3) B．圖(2)和(3)C．圖(1)和(4) D．只有圖(4)解析：本題考查了離子晶體的代表物質NaCl、CsCl晶體結構。NaCl晶體是簡單立方體結構，每個Na＋周圍有6個Cl－，每個Cl－周圍有6個Na＋；與每個Na＋等距離的Cl－有6個，且構成正八面體，同理，與每個Cl－等距離的6個Na＋也構成正八面體，由此可知圖(1)和(4)是屬于NaCl晶體的，C項正確，A、B、D三項錯誤。知識點三晶格能1．概念離子晶體的晶格能的定義是氣態(tài)離子形成1mol離子晶體時釋放的能量，通常取正值。下表給出了某些離子晶體的晶格能數據。某些離子晶體的晶格能/(kJ·mol－1)F－Cl－Br－I－Li＋1036853807757Na＋923786747704K＋821715682649Rb＋785689660630Cs＋740659631604晶格能可用來判斷離子鍵的強弱，晶格能越大，晶格越穩(wěn)定，破壞其晶格時消耗的能量也越大，表示離子鍵越強，則離子晶體越穩(wěn)定。2．影響晶格能大小的因素影響晶格能大小的因素主要是離子所帶的電荷和陰、陽離子間的距離。晶格能與陰、陽離子所帶電荷的乘積成正比，與陰、陽離子間的距離的平方成反比，可用下式表示：晶格能∝eq\f(q1·q2,r2)離子所帶電荷越多，核間距越小，晶格能就越大。而離子的核間距與離子的半徑大小有關，陽離子或陰離子半徑越小，離子的核間距就越小，則晶格能就越大。如，比較MgO晶體和NaCl晶體的晶格能大小。Mg2＋和O2－都是二價離子，而Na＋和Cl－都是一價離子；Mg2＋半徑小于Na＋，O2－半徑小于Cl－，故Mg2＋和O2－的核間距小于Na＋和Cl－的核間距，所以MgO晶體的晶格能大于NaCl晶體的晶格能。除此之外，影響晶格能的因素還有離子晶體的結構型式。如，NaCl晶體中，每個Na＋周圍有6個Cl－，稍遠一點，又有12個Na＋，再遠一點還有8個Cl－……而帶異性電荷的離子之間存在著相互吸引作用，帶同性電荷的離子之間卻存在著相互排斥作用。因而具有不同結構型式的晶體的晶格能也不相同。3．晶格能與離子晶體性質的關系因為晶格能的大小標志著離子晶體裂解成氣態(tài)陰、陽離子的難易程度，反映著離子晶體中離子鍵的強度，故它與離子晶體的性質有著密切聯(lián)系。對于相同類型的離子晶體，晶格能越大，離子鍵越強，熔沸點越高，硬度越大。幾種離子晶體的晶格能和熔點、硬度數據如下表。AB型離子晶體離子電荷數晶格能/(kJ·mol－1)熔點/℃摩氏硬度NaF19239933.2NaCl17868012.5NaBr1747747<2.5NaI1704661<2.5MgO2379128526.5CaO2340126144.5【例3】根據下表的數據，判斷下列說法正確的是()離子化合物離子電荷數鍵長/pm晶格能/(kJ·mol－1)熔點/℃摩氏硬度NaF12319239933.2NaCl12827868012.5MgO2210379128526.5CaO2240340126144.5A.晶格能的大小與正負離子電荷數和距離成正比B．晶格能越大，即正負離子間的靜電引力越強，晶體的熔點就越高，硬度就越大C．NaF晶體比NaCl晶體穩(wěn)定D．表中物質CaO的晶體最穩(wěn)定【提示】(1)晶格能是氣態(tài)離子形成1mol離子晶體釋放的能量，通常取正值；晶格能越大，形成的離子晶體越穩(wěn)定，離子晶體的熔點越高，硬度越大。(2)同種類型的離子晶體，離子所帶電荷數越多、離子半徑越小，晶格能越大?！窘馕觥緼項，根據表中的數據可知，晶格能的大小與正負離子之間的距離成反比；B項，離子鍵本質是陰、陽離子間的靜電作用，不只是引力，還有斥力等，晶格能越大，即正負離子間的靜電作用力越強，晶體的熔點就越高，硬度就越大；C項，晶格能：NaF>NaCl，故NaF晶體比NaCl晶體穩(wěn)定；D項，晶格能越大，晶體越穩(wěn)定，表中所列物質中MgO的晶體最穩(wěn)定?！敬鸢浮緾離子晶體溴化鈉、氯化鈉和氧化鎂的核間距和晶格能(部分)如下表所示。NaBrNaClMgO離子的核間距/pm290276205晶格能/(kJ·mol－1)7873890(1)溴化鈉晶體比氯化鈉晶體晶格能小(填“大”或“小”)，主要原因是NaBr晶體比NaCl晶體中離子的核間距大。(2)氧化鎂晶體比氯化鈉晶體晶格能大，主要原因是氧化鎂晶體中的陰、陽離子的電荷數絕對值大，并且離子的核間距小。(3)溴化鈉、氯化鈉和氧化鎂晶體中，硬度最大的是氧化鎂。工業(yè)制取單質鎂時，往往電解的是氯化鎂而不是氧化鎂，主要原因是氧化鎂晶體比氯化鎂晶體晶格能大，熔點高，電解時消耗電能大。解析：(1)離子核間距越小，晶格能越大，核間距NaBr>NaCl，故晶格能NaCl>NaBr；(2)離子所帶電荷越多，晶格能越大，MgO中陰、陽離子所帶電荷多，且r(O2－)<r(Cl－)<r(Br－)，r(Mg2＋)<r(Na＋)，故晶格能：MgO>NaCl。(3)晶格能大的物質，熔點高，硬度大，三種物質中硬度最大的為MgO；MgO的熔點高，電解時要消耗大量的電能。1．離子晶體中一定不會存在的相互作用是(D)A．離子鍵 B．極性鍵C．非極性鍵 D．范德華力解析：離子化合物中一定含有離子鍵，也可能含有共價鍵，例如OH－和含氧酸根中的極性共價鍵，還有Oeq\o\al(2－,2)中的非極性共價鍵。只有分子晶體中才含有范德華力，離子晶體中一定不含有范德華力。因此選D。2．下列說法中正確的是(D)A．固態(tài)時能導電的物質一定是金屬晶體B．熔融狀態(tài)能導電的晶體一定是離子晶體C．水溶液能導電的晶體一定是離子晶體D．固態(tài)不導電而熔融態(tài)導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)不導電不導電(晶體硅導電)可導電不導電熔融狀態(tài)不導電不導電可導電可導電水溶液有的可導電－－可導電3.下列說法不正確的是(D)A．由于NaCl晶體和CsCl晶體中正負離子半徑比不相等，所以兩種晶體中離子的配位數不相等B．CaF2晶體中，Ca2＋的配位數為8，F(xiàn)－的配位數為4，配位數不相等主要是由于F－、Ca2＋所帶電荷(絕對值)不相同C．MgO的熔點比MgCl2高主要是因為MgO的晶格能比MgCl2大D．MCO3中M2＋半徑越大，MCO3熱分解溫度越低解析：碳酸鹽受熱分解是由于晶體中陽離子結合碳酸根離子中的氧離子，使碳酸根離子分解為二氧化碳分子，故陽離子半徑越小，碳酸鹽的分解溫度越低，故選D。4．下列說法不正確的是(D)A．離子晶體的晶格能越大，離子鍵越強B．陽離子的半徑越大，則可同時吸引的陰離子越多C．通常陰、陽離子的半徑越小、所帶電荷數越多，該陰陽離子組成離子化合物的晶格能越大D．拆開1mol離子鍵所需的能量叫該離子晶體的晶格能解析：晶格能是氣態(tài)離子形成1mol離子晶體釋放的能量。5．下列性質適合于離子晶體的是(A)①熔點1070℃②熔點10.31℃③能溶于CS2，熔點112.8℃，沸點④熔點97.81℃，質軟，導電，密度0.97g/cm⑤熔點－218℃⑥熔點3900℃⑦難溶于水，固體時導電，升溫時導電能力減弱⑧難溶于水，熔