学年人教版选修3 第3章第4节 离子晶体 学案.docx
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学年人教版选修3第3章第4节离子晶体学案
第四节 离子晶体
[核心素养发展目标] 1.宏观辨识与微观探析:
能辨识常见的晶体,能从微观角度理解离子键强弱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.证据推理与模型认知:
通过对常见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。
一、离子晶体
1.离子键
(1)概念
阴、阳离子通过静电作用形成的化学键,叫做离子键。
(2)实质:
离子键是一种静电作用,包括阴、阳离子之间的静电吸引和静电排斥。
(3)特征:
没有方向性和饱和性。
2.离子晶体
(1)概念:
阴离子和阳离子通过离子键结合而成的晶体。
(2)常见的离子晶体
强碱、活泼金属氧化物和过氧化物、大部分盐。
特别提醒
(1)在离子晶体中无分子。
如NaCl、CsCl只表示晶体中阴、阳离子个数比,为化学式,不是分子式。
(2)离子晶体中一定有离子键,还可能有共价键,如KNO3、NH4Cl等晶体中既有离子键又有共价键。
(3)全部由非金属元素形成的晶体也有可能是离子晶体,如铵盐。
例1 泽维尔研究发现,当用激光脉冲照射NaI,使Na+和I-两核间距为1.0~1.5nm时,呈离子键;当两核靠近约距0.28nm时,呈共价键。
根据泽维尔的研究成果能得出的结论是( )
A.NaI晶体是离子晶体和分子晶体的混合物
B.离子晶体可能含有共价键
C.NaI晶体中既有离子键,又有共价键
D.共价键和离子键没有明显的界线
答案 D
二、离子晶体的结构与性质
1.离子晶体中离子的配位数
(1)配位数:
一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
(2)影响配位数的因素
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
键性因素
离子键的纯粹程度
2.典型离子晶体的结构模型
化学式
NaCl
CsCl
CaF2
晶胞
晶胞中离子数目
Na+:
4
Cl-:
4
Cs+:
1
Cl-:
1
Ca2+:
4
F-:
8
阳离子的配位数
6
8
8
阴离子的配位数
6
8
4
3.离子晶体的性质
(1)熔、沸点较高,硬度较大。
(2)离子晶体不导电,但熔化或溶于水后能导电。
(3)大多数离子晶体能溶于水,难溶于有机溶剂。
特别提醒
(1)离子晶体中,每一阴(阳)离子周围排列的带相反电荷离子的数目都是固定的,不是任意的。
(2)离子晶体的熔、沸点和硬度与离子键的强弱有关,离子键越强,离子晶体的熔、沸点越高,硬度越大。
(3)离子键的强弱与离子半径和离子所带电荷数有关,离子半径越小,离子所带的电荷数越多,离子键越强。
例2 自然界中的CaF2又称萤石,是一种难溶于水的固体,属于典型的离子晶体。
下列一定能说明CaF2是离子晶体的实验是( )
A.CaF2难溶于水,其水溶液的导电性极弱
B.CaF2的熔、沸点较高,硬度较大
C.CaF2固体不导电,但在熔融状态下可以导电
D.CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
答案 C
解析 离子晶体中含有离子键,离子键在熔融状态下被破坏,电离出自由移动的阴、阳离子,所以离子晶体在熔融状态下能够导电,这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。
例3 (2018·长沙高二期中)如图为NaCl和CsCl的晶体结构,下列说法错误的是( )
A.NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体
B.NaCl和CsCl晶体中阴、阳离子个数比相同
C.NaCl和CsCl晶体中阳离子的配位数分别为6和8
D.NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体,所以阳离子与阴离子的半径比相同
答案 D
解析 NaCl和CsCl都是由阴、阳离子通过离子键构成的晶体,阴、阳离子个数之比都为1∶1,则都属于AB型的离子晶体,故A、B正确;结合题图可知,NaCl为面心立方结构,钠离子的配位数为6,CsCl为体心立方结构,铯离子的配位数为8,故C正确;NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体,但钠离子半径小于铯离子半径,则NaCl的阳离子与阴离子的半径比
小于CsCl的,故D错误。
例4 (2018·南京高二期中)MgO、Rb2O、CaO、BaO四种离子晶体熔点的高低顺序是( )
A.MgO>Rb2O>BaO>CaO
B.MgO>CaO>BaO>Rb2O
C.CaO>BaO>MgO>Rb2O
D.CaO>BaO>Rb2O>MgO
答案 B
解析 四种离子晶体所含阴离子相同,所含阳离子不同。
对Mg2+、Rb+、Ca2+、Ba2+进行比较,Rb+所带电荷数少,离子半径最大,其与O2-形成的离子键最弱,故Rb2O的熔点最低。
对Mg2+、Ca2+、Ba2+进行比较,它们所带电荷数一样多,离子半径Mg2+<Ca2+<Ba2+,与O2-形成的离子键由强到弱的顺序是MgO>CaO>BaO,相应离子晶体的熔点由高到低的顺序为MgO>CaO>BaO。
综上所述,四种离子晶体熔点的高低顺序是MgO>CaO>BaO>Rb2O。
1.正误判断
(1)离子晶体一定是离子化合物( )
(2)离子晶体中一定含有金属元素( )
(3)离子晶体的熔点一定低于原子晶体的熔点( )
(4)金属晶体与离子晶体的导电原理相同( )
(5)含有阴离子的晶体一定是离子晶体( )
答案
(1)√
(2)× (3)× (4)× (5)√
2.下列说法中正确的是( )
A.固态时能导电的物质一定是金属晶体
B.熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体
C.水溶液能导电的晶体一定是离子晶体
D.固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体
答案 D
解析 四种晶体在不同状态下的导电性区别如下:
分子晶体
原子晶体
金属晶体
离子晶体
固态
不导电
不导电(晶体硅导电)
导电
不导电
熔融状态
不导电
不导电
导电
可导电
水溶液
有的可导电
-
-
可导电
3.(2018·西安月考)下列说法中正确的是( )
A.形成离子键的阴、阳离子间只存在静电吸引力
B.第ⅠA族元素与第ⅦA族元素形成的化合物一定是离子化合物
C.离子化合物的熔点一定比共价化合物的熔点高
D.离子化合物中可能只含有非金属元素
答案 D
解析 形成离子键的阴、阳离子之间不但存在阴、阳离子之间的相互吸引,也存在着电子之间的相互排斥和原子核之间的相互排斥,A项错误;氢是ⅠA族元素,与ⅦA族元素形成的化合物HX都是共价化合物,B项错误;NaCl是离子化合物,SiO2是共价化合物,但前者的熔点较低,C项错误;NH4Cl、(NH4)2SO4等都是只含有非金属元素的离子化合物,D项正确。
4.一种离子晶体的晶胞如图所示。
其中阳离子A以
表示,阴离子B以
表示。
关于该离子晶体的说法正确的是( )
A.阳离子的配位数为8,化学式为AB
B.阴离子的配位数为4,化学式为A2B
C.每个晶胞中含4个A
D.每个A周围有4个与它等距且最近的A
答案 C
解析 用均摊法可知,晶胞中含有阳离子数为8×
+6×
=4,阴离子显然是8个,故化学式为AB2,A、B项错误;每个A周围最近且等距离的A有12个(类似于干冰晶体),D项错误。
5.铜单质及其化合物在很多领域有重要用途,如金属铜用来制造电线电缆,五水硫酸铜可用作杀菌剂。
(1)Cu位于元素周期表第ⅠB族。
Cu2+的核外电子排布式为____________________。
(2)如图是铜的某种氧化物的晶胞结构示意图,可确定该晶胞中阴离子的个数为________。
(3)Cu2O的熔点比Cu2S的______(填“高”或“低”),请解释原因:
________________________________________________________________________。
答案
(1)1s22s22p63s23p63d9(或[Ar]3d9)
(2)4
(3)高 Cu2O与Cu2S相比,阳离子相同、阴离子所带电荷数也相同,但O2-的半径比S2-的小,所以Cu2O中离子键较强,熔点较高
解析
(1)Cu为29号元素,位于元素周期表的ds区,其价电子排布式为3d104s1,则Cu2+的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9。
(2)由铜的氧化物的晶胞结构可知,有8个O处于顶点位置,4个O处于棱上,2个O处于面上,1个O处于体心,故一个晶胞中实际拥有的O个数为:
8×
+4×
+2×
+1=4。
(3)Cu2O与Cu2S相比,阳离子相同、阴离子所带电荷数也相同,但O2-的半径比S2-的小,所以Cu2O中离子键较强,熔点较高。
题组一 离子晶体的组成与性质
1.(2019·南通高二月考)仅由下列各组元素所构成的化合物,不可能形成离子晶体的是( )
A.H、O、SB.Na、H、O
C.K、Cl、OD.H、N、Cl
答案 A
解析 强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐等是离子晶体。
B项NaOH、C项KClO、D项NH4Cl都是离子晶体。
2.离子晶体中一定不会存在的相互作用是( )
A.离子键B.极性键
C.非极性键D.范德华力
答案 D
解析 离子化合物中一定含有离子键,也可能含有共价键,主要是OH-和含氧酸根中的极性共价键,还有O
中的非极性共价键。
只有分子晶体中才含有范德华力,离子晶体中一定不会有范德华力。
3.(2018·南京高二月考)下列物质的性质中,可证明某晶体是离子晶体的是( )
A.易溶于水
B.晶体不导电,熔融时能导电
C.熔点较高
D.晶体不导电,水溶液能导电
答案 B
4.下列性质适合于离子晶体的是( )
A.熔点1070℃,易溶于水,水溶液能导电
B.熔点10.31℃,液态不导电,水溶液能导电
C.能溶于CS2,熔点112.8℃,沸点444.6℃
D.熔点97.81℃,质软,导电,密度0.97g·cm-3
答案 A
解析 离子晶体在液态(即熔融态)导电,B项错误;CS2是非极性溶剂,根据“相似相溶”规律,C项错误;离子晶体质硬易碎,且固态不导电,D项错误。
5.(2018·南京高二下学期月考)下表给出几种化合物的熔点和沸点:
物质
NaCl
MgCl2
AlCl3
CCl4
熔点/℃
801
714
190
-22.9
沸点/℃
1465
1412
178
76.8
关于表中4种化合物有下列说法,其中正确的是( )
①AlCl3在加热时可升华
②CCl4属于分子晶体
③1500℃时NaCl可形成气体分子
④AlCl3是典型的离子晶体
A.①②④B.③④C.①②③D.①②③④
答案 C
解析 根据各物质的熔、沸点判断,AlCl3和CCl4为分子晶体;AlCl3的沸点低于熔点,所以可升华;NaCl为离子晶体,但1500℃高于其沸点,故1500℃时以分子形式存在。
6.离子晶体熔点的高低取决于阴、阳离子之间的核间距离和离子所带电荷的大小,根据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是( )
A.KCl>NaCl>BaO>CaO
B.NaCl>KCl>CaO>BaO
C.CaO>BaO>KCl>NaCl
D.CaO>BaO>NaCl>KCl
答案 D
解析 对于离子晶体来说,离子所带电荷数越多,阴、阳离子间的核间距离越小,离子键越强,熔点越高,阳离子半径大小顺序为Ba2+>K+>Ca2+>Na+;阴离子半径:
Cl->O2-,比较可得D项正确。
7.(不定项)下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是( )
A.熔点:
NaF>MgF2>AlF3
B.离子键强弱:
NaF<NaCl<NaBr
C.阴离子的配位数:
CsCl>NaCl>CaF2
D.硬度:
MgO>CaO>BaO
答案 AB
解析 掌握好离子半径的大小变化规律是分析离子晶体性质的关键。
r(Na+)>r(Mg2+)>r(Al3+),Na+、Mg2+、Al3+所带电荷数依次增大,所以NaF、MgF2、AlF3的离子键依次增强,故熔点依次升高;r(F-)<r(Cl-)<r(Br-),故NaF、NaCl、NaBr的离子键依次减弱;在CsCl、NaCl、CaF2中阴离子的配位数分别为8、6、4;r(Mg2+)<r(Ca2+)<r(Ba2+),故MgO、CaO、BaO中离子键依次减弱,硬度依次减小。
题组二 离子晶体结构分析
8.(不定项)(2019·南通一中月考)下列关于氯化铯晶体的叙述不正确的是( )
A.1mol氯化铯中有6.02×1023个CsCl分子
B.氯化铯晶体中,每个Cs+周围与它最近且等距离的Cs+有6个
C.氯化铯晶体中,Cs+和Cl-的配位数都是8
D.每个晶胞中平均含有1个Cs+和1个Cl-
答案 A
解析 在氯化铯晶体中不存在CsCl分子,只存在Cs+和Cl-,化学式CsCl表示氯化铯晶体中Cs+和Cl-的个数比为1∶1。
9.(2019·盐城高二检测)在冰晶石(Na3[AlF6])晶胞中,[AlF6]3-占据的位置相当于NaCl晶胞中Cl-占据的位置,则冰晶石晶胞中含Na+数为( )
A.12B.8C.4D.3
答案 A
解析 NaCl晶胞中Cl-个数为8×
+6×
=4,由题意知,冰晶石晶胞中[AlF6]3-的个数也应当为4,化学式Na3[AlF6]中Na+和[AlF6]3-的个数比为3∶1,所以冰晶石晶胞中含Na+个数为4×3=12。
10.在下列离子晶体空间结构示意图中,
代表阳离子,代表阴离子。
若M代表阳离子,N代表阴离子,则化学式为MN2的晶体结构是( )
答案 B
解析 A项,阳离子位于顶点和面心,晶胞中平均含有阳离子的数目为8×
+6×
=4,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为4∶1,化学式为M4N,错误;B项,阳离子位于顶点,晶胞中平均含有阳离子的数目为4×
=
,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为
∶1=1∶2,化学式为MN2,正确;C项,阳离子位于顶点,晶胞中平均含有阳离子的数目为3×
=
,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为
∶1=3∶8,化学式为M3N8,错误;D项,阳离子位于顶点,晶胞中平均含有阳离子的数目为8×
=1,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为1∶1,化学式为MN,错误。
11.(不定项)钡在氧气中燃烧时得到一种钡的氧化物晶体,其晶胞的结构如图所示,下列有关说法中不正确的是( )
A.该晶体属于离子晶体
B.晶体的化学式为Ba2O2
C.该晶体的晶胞结构与CsCl相似
D.与每个Ba2+距离相等且最近的Ba2+共有12个
答案 BC
解析 图示晶体中含有Ba2+和O
,则该晶体属于离子晶体,A项正确;该晶体的晶胞结构与NaCl的晶胞结构相似,所以与每个Ba2+距离相等且最近的Ba2+共有12个,C项不正确,D项正确;在1个NaCl晶胞中含有4个Na+和4个Cl-,因此该氧化物的1个晶胞中含有4个Ba2+和4个O
,晶体的化学式应为BaO2,B项错误。
12.已知CsCl晶体的密度为ρg·cm-3,NA为阿伏加德罗常数的值,相邻的两个Cs+的核间距为acm,如图所示,则CsCl的相对分子质量可以表示为( )
A.NA·a3·ρB.
C.
D.
答案 A
解析 该立方体中含1个Cl-,Cs+数目为8×
=1,根据ρV=
知,M=ρVNA=ρa3NA,以g·mol-1为单位时摩尔质量在数值上等于其相对分子质量,所以其相对分子质量是ρa3NA。
13.金属镍及其化合物在合金材料以及催化剂等方面应用广泛。
请回答下列问题:
(1)Ni原子的核外电子排布式为________________。
(2)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同:
Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69pm和78pm,则熔点NiO________(填“<”或“>”)FeO。
(3)NiO晶胞中Ni和O的配位数分别为____________、__________。
(4)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料,其晶胞结构示意图如图所示。
该合金的化学式为_____________________。
答案
(1)1s22s22p63s23p63d84s2(或[Ar]3d84s2)
(2)> (3)6 6 (4)LaNi5
解析
(2)NiO、FeO都属于离子晶体,熔点高低受离子键强弱影响,离子半径越小,离子键越强,熔点越高。
(3)因为NiO晶体结构与NaCl的相同,而NaCl晶体中Na+、Cl-的配位数都是6,所以,NiO晶体中Ni2+、O2-的配位数也是6。
(4)根据晶胞结构可计算,一个合金晶胞中,La原子数=8×
=1,Ni原子数=1+8×
=5。
所以该合金的化学式为LaNi5。
14.(2018·江苏盘湾中学、陈洋中学高二期中联考)A、B为两种短周期元素,A的原子序数大于B,且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍。
A、B形成的化合物是中学化学常见的化合物,该化合物熔融时能导电,试回答下列问题:
(1)A、B的元素符号分别是__________、____________。
(2)写出A、B元素形成的化合物的电子式:
________________________________________________________________________。
(3)A、B所形成的化合物的晶体结构与氯化钠晶体结构相似,则每个阳离子周围吸引了____________个阴离子;晶体中阴、阳离子个数之比为____________。
(4)A、B所形成化合物的晶体的熔点比NaF晶体的熔点________(填“高”或“低”),其判断的理由是______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)Mg O
(2)
(3)6 1∶1
(4)高 MgO中离子所带电荷数较多,离子键强
解析 A、B形成的化合物是中学化学常见的化合物,该化合物熔融时能导电,说明是离子化合物。
B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍,B的最外层电子数<8,又是3的倍数,就只能是6或3,最外层电子数为6的短周期元素只有O和S,最外层电子数为3的短周期元素为B或Al,分别对应的A的最外层电子数是2或1,A的原子序数大于B,则满足条件的有A为Na、B为B,A为Mg、B为O,其中MgO为中学化学常见化合物,且为离子化合物。
(1)根据上述分析可知,A、B分别是Mg和O。
(2)A、B元素形成的化合物是MgO,其电子式为
。
(3)因A、B所形成的化合物是MgO,其晶体结构与氯化钠晶体结构相似,则每个阳离子周围吸引了6个阴离子,晶体中阴、阳离子个数之比为1∶1。
(4)Mg2+、O2-与Na+、F-半径相差不大,但Mg2+、O2-所带的电荷数多,形成的离子键较强,故熔点较高。
15.如图所示为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿的晶胞结构。
(1)在该物质的晶体结构中,每个钛离子周围与它距离最近且相等的钛离子有______个,钙离子有______个。
(2)该化合物的化学式为________。
(3)若钙、钛、氧三种元素的相对原子质量分别为a、b、c,晶胞的边长(钛离子之间的距离)为dnm(1nm=1×10-9m),则该晶体的密度为__________g·cm-3(用NA表示阿伏加德罗常数的值)。
答案
(1)6 8
(2)CaTiO3 (3)
解析
(1)每个钛离子周围与它距离最近且相等的钛离子有6个(上、下、前、后、左、右各1个),每个钛离子周围与它距离最近且相等的钙离子有8个。
(2)该正六面体结构单元中,钙离子位于晶胞的体心,故钙离子数为1。
钛离子位于顶角,钛离子数为8×
=1,氧离子位于棱上,氧离子数为12×
=3。
因此,该化合物的化学式为CaTiO3。
(3)由
(2)可知,1个晶胞的质量m=
g,体积V=(d×10-7cm)3=d3×10-21cm3,则晶体的密度ρ=
=
g·cm-3。
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