晶体的结构与性质专题.docx
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晶体的结构与性质专题
晶体的结构与性质专题
教学内容:
①常见晶体的类型及其结构和性质
②晶体类型的判断及相关计算
③晶体熔沸点高点的判断
前言:
前面我们讨论过原子结构、分子结构,对于化学键的形成也有了初步的了解,同时也知道组成千万种物质的质点可以是离子、原子或分子。
又根据物质在不同温度和压强下,物质主要分为三态:
气态、液态和固态,下面我们观察一些固态物质的图片。
(1)黄色的硫磺;
(2)紫黑色的碘;(3)高锰酸钾
像上面这一类固体,有着自己有序的排列,我们把它们称为晶体;而像玻璃这一类固体,本身原子排列杂乱无章,称它为非晶体,今天我们的课题就是一起来探究晶体与非晶体的有关知识。
一、晶体与非晶体
在初中化学中,我们知道,晶体与非晶体的差别在于,晶体有固定熔点,而非晶体无固定熔点,这只是晶体与非晶体的表观现象,那么他们在本质上有哪些差异呢?
晶体与非晶体的本质差异
自范性
微观结构
晶体
有
原子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体
没有
原子排列相对无序
晶体原子在三维空间里呈周期性有序排列,因而晶体具有自范性:
自范性:
晶体能自发性地呈现多面体外形的性质。
所谓自范性即“自发”进行,但这里得注意,“自发”过程的实现仍需一定的条件。
如水能自发地从高处流向低处,但不打开拦截水流的闸门,水库里的水不能下泻。
(1)晶体的概念
晶体是指由结晶物质构成的、其内部的构造质点(如原子、分子)呈平移周期性规律排列、具有规则外形的固体。
(2)晶体的分类与结构
一般可分为分子晶体、离子晶体、原子晶体、金属晶体四种基本类型。
晶体中,构成晶体的微粒的堆积是有一定规律的。
为了描述晶体的结构,我们把构成晶体的原子当成一个点,再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来,就绘成了像图中所表示的格架式空间结构:
晶体中能够反映晶体结构特征的基本重复单位,我们称之为晶胞。
也可以说,晶胞在空间连续延伸形成了晶体,晶胞与晶体的关系如同砖块与墙体的关系。
(3)晶体的通性
①均匀性;②各向异性:
晶体在不同方向上显示不同的性质;
③具有固定的熔点;④对称性:
这在很大程度上决定了晶体的性质。
例:
下列说法正确的是()
A.晶体与非晶体的本质差别在于晶体有固定的熔点而非晶体没有
B.晶体中的原子的排列具有周期性,因而晶体具有自范性
C.晶体一般可分为原子晶体、离子晶体、分子晶体三种类型
D.晶体一般具有规则的外形,而非晶体则没有
二、晶胞
(1)基本概念
在晶体结构中具有代表性的基本的重复单位称为晶胞。
晶胞在三维空间无限重复就产生了宏观的晶体。
(2)基本要点
①晶胞必须是平行六面体;
②同一晶体中所划分出来的同类晶胞的大小和形状完全相同;
③晶胞是晶体结构中的基本的重复单位,但不一定是最小的重复单位。
例如:
简单立方晶胞面心立方晶胞体心立方晶胞
(离子晶体)(原子晶体)(金属晶体)
(3)几种常见的晶胞
中学中常见的晶胞为立方晶胞。
立方晶胞中粒子数的计算方法如下:
①顶点粒子有1/8属于晶胞;②棱边粒子有1/4属于晶胞;
③面心粒子有1/2属于晶胞;③体心粒子按1全部计入晶胞。
例:
观察图片并回答下列问题:
(1)石墨晶体结构
(2)CsCl晶胞(3)某离子晶体的晶胞
①观察石墨晶体结构,试分析石墨晶体结构每层由许多个正六边形构成,则平均每1个正六边形占有碳原子数为_______个。
②如图所示的是CsCl晶体的晶胞:
其中Cs+位于中心,Cl-位于8个顶角,则每个晶胞中的Cl-的数目为个,Cs+的数目为个。
③某离子晶体的晶胞结构如图所示:
则该离子晶体的每个晶胞含A、B、C原子的个数分别为个。
三、分子晶体
(1)基本概念
含分子的晶体称为分子晶体,也就是说,分子间由分子间作用力(又称作范德瓦耳斯力或范德华力)将分子结合起来的固体物质。
分子晶体的熔沸点一般比较低,且固态与液态均不导电。
(2)常见的分子晶体
分子晶体包括以下几类物质:
①所有非金属氢化物,如HCl,HF,H2S,HBr等。
②大部分非金属单质,如:
稀有气体、卤素(X2)、氧气、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、C60等(金刚石,和单晶硅等是原子晶体)。
③部分非金属氧化物,如:
CO2、SO2、SO3、P4O6等(如SiO2是原子晶体)
④几乎所有的酸,如HNO3、H2SO4、HCl、H3PO4等。
⑤绝大多数有机化合物,如:
苯、乙酸、乙醇、葡萄糖等
⑥所有常温下呈气态和液态的物质(除汞外)以及易挥发的固态物质(如I2)。
(3)分子晶体的构型
CO2分子晶体的构型如下图所示:
一个CO2的晶胞中含有4个CO2分子,其最小的重复单位为一个CO2分子。
分子与分子间以分子间作用力相互吸引,当二氧化碳从固态(干冰)升华到液态时,分子间的距离变大。
(物质的固态、液态和气态的差别其实就是分子间距离的变化)在距离变大的过程中,要克服分子间作用力即范德华力的作用,而并没有破坏CO2分子中C和O原子的形成的共价键。
(4)分子晶体的熔沸点规律
由上可知,分子晶体从一种形态(如固态)到另一种形态(气态)时,要克服分子间作用力;如果分子间作用力越大,则克服这种作用力所需要提供的能量更高,即熔沸点更高。
一般而言,分子的相对分子质量越大,则分子间作用力越大,其分子间作用力也越强,分子晶体的熔沸点更高,如熔沸点:
Br2 但也有少部分物质表现出反常的现象,如分子量H2O(18) 这是因为H2O分子和H2O分子之间还存在着另一种作用力----氢键。 克服氢键的影响而使分子间距离变大需要提供额外的能量,所以H2O的熔沸点较SO2更高。 氢键存在于某些特殊的分子中(如: HF、H2O、NH3及其它一些含F、O、N和H的化合物中)。 它是一种较强的分子间作用力(本质也是静电引力),氢键并不是化学键,氢键比化学键弱得多,但比分子间作用力稍强。 HF分子间的氢键(···表示氢键) 所以,比较分子晶体的熔沸点一般的方法为: ①比较相对分子质量 相对分子质量越大,该晶体的熔沸点就高。 例如,熔沸点 : F2 < Cl2 < Br2 < I2 ②比较氢键 含有氢键的晶体熔沸点比不含氢键的晶体的沸点大得多。 例如,熔沸点 : 水(H2O)>氯化氢(HCl) 这是因为水分子中H与其他水分子中的O结合紧密,形成了氢键。 而氯化氢分子中则没有这种结构。 例: 下列氢化物在液态时,分子间不存在氢键的是() A.CH4B.NH3C.H2OD.HF 例: 下列分子晶体: ①HCl、②HBr、③HI、④CO、⑤N2、⑥H2沸点由高到低的顺序排列正确的是() A.①②③④⑤⑥B.③②①⑤④⑥ C.③②①④⑤⑥D.⑥⑤④③②① 四、离子晶体 (1)基本概念 离子晶体指的是内部的离子由离子键互相结合的固态物质。 注意: ①离子晶体一定是离子化合物。 ②离子化合物不一定是离子晶体,需要观察物质的状态。 例如: NaCl在气态时的存在形式是分子,这个时候绝对不能称为离子晶体。 ③离子晶体必然含有离子键,但也可以同时含有共价键。 例如NH4Cl晶体,NH4+与Cl−间是离子键,但NH4+内部的N与H之间是共价键(含配位键)。 例: 下列物质属于离子晶体的是() A.气态的NaClB.CO2C.SiO2D.NH4NO3 (2)离子晶体的性质 一般地,离子晶体的熔点、沸点都比较高(具体来说,分子晶体<离子晶体<原子晶体),硬度较大。 离子晶体如NaCl在水溶液中或熔化状态下能完全电离为相应的阳离子(Na+)和阴离子(Cl−),因而能够导电。 (3)离子晶体的结构 离子晶体中含有电荷量相等的阴离子和阳离子,并且这两种离子交替排列,整齐有规律,往往呈现出规则的几何外形。 比如: NaCl晶体的结构如下图所示: NaCl晶体的结构示意图(·Na Cl)NaCl晶体的熔融过程 由图可见,每个Na+周围有上下前后左右共6个最近的等距离的Cl−;每个Cl−周围有上下前后左右共6个最近的等距离的Na+;每个Na+周围有12个Na+;每个Cl−周围有12个Cl−。 离子晶体中不存在分子,所以,对于如氯化钠之类的离子晶体是不存在诸如“氯化钠分子”这个概念的。 一个晶胞中,计算得两种离子的个数比为1: 1。 所以,用化学式表示氯化钠的组成应为NaCl。 这种方法叫“均摊法”,并不是说离子晶体中存在“氯化钠分子”。 (4)熔沸点规律 离子晶体间是通过离子键相互作用的,离子键能量的大小叫做晶格能。 离子晶体溶于水或者熔融电离出相应的阴阳离子都需要破坏离子键,所以离子键越强,破坏需要的能量越高,及离子晶体的熔沸点越高。 一般离子半径越小、所带电荷数越多,离子键越强,熔沸点越高。 如熔沸点: LiCl>NaCl。 又如熔点: MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。 例: 下列性质中,能较充分说明某晶体是离子晶体的是() A.具有高的熔点B.固态不导电,水溶液能导电 C.可溶于水D.固态不导电,熔化状态能导电 例: NaF、NaI、MgO均为离子晶体,现有下表所示数据,试判断这三种化合物熔点由高到低的正确顺序为() 物质 ①NaF ②NaI ③MgO 离子电荷数 1 1 2 键长/(10-30m) 2.31 3.18 2.10 A.①>②>③ B.③>①>②C.③>②>①D.①>②>③ 五、原子晶体 (1)基本概念 相邻原子之间通过强烈的共价键结合而成的空间网状结构的晶体叫做原子晶体。 常见的原子晶体是周期系第ⅣA族元素的一些单质和某些化合物,例如金刚石、硅晶体、SiO2、SiC等。 (但碳元素的另一单质石墨不是原子晶体,属过渡型晶体。 ) (2)原子晶体的结构 原子晶体中,组成晶体的微粒是原子,原子之间通过共价键连接起来,下图为金刚石的晶体模型示意图: (1)金刚石的晶体模型 (2)二氧化硅的晶体模型 由图可知,与分子晶体不一样,原子晶体中的每个原子都是通过共价键连接在一起的,因此,类似于离子晶体,金刚石这类原子晶体并没有“金刚石分子”这个概念的。 如图2的二氧化硅晶体模型,从模型中我们可以看到,一个硅原子通过共价键与4个O原子连接,一个O原子则通过共价键与2个Si原子连接,因此,可计算两种原子的比例为: Si: O=1: 2,得其最简式为SiO2。 (3)原子晶体的性质 在原子晶体中,由于原子间以较强的共价键相结合,而且形成空间立体网状结构,所以原子晶体的: ①熔点和沸点很高;②硬度很大;③一般不导电;④难溶于一些常见的溶剂。 如金刚石是典型的原子晶体,熔点高达3550℃,硬度很大,也不导电,且不溶于水。 (4)熔沸点规律 共价键一般结合牢固。 当熔融或者溶解原子晶体时,就需要破坏掉原子之间的共价键。 因此,共价键越牢固,原子晶体的熔沸点更高。 一般非金属性越强、半径越小,共价键越强,熔沸点越高。 硬度也越大。 如金刚石(C-C)比晶体硅(Si-Si)的熔沸点高,是因为C比Si元素非金属性强,原子半径小,所以碳-碳共价键比硅-硅共价键强。 例: 氮化硅(Si3N4)是一种新 型的耐高温耐磨损材料,在工业上有广泛用途,它属于( ) A.原子晶体B.分子晶体C.金属晶体D.离子晶体 例: 下面的排序不正确的是() A.晶体熔点的高低: 金刚石>碳化硅>硅B.硬度由大到小: 金刚石>碳化硅>晶体硅 C.熔点由高到低: Na>Mg>AlD.晶格能由大到小: NaF>NaCl>NaBr>NaI 六、金属晶体 (1)基本概念 ①金属键: 通常情况下,金属原子的部分与全部外围电子受原子核的“束缚”比较弱,在金属晶体内部,它们可以从原子上“脱落”下来,形成自由移动的电子。 而金属原子则成为金属离子。 化学上把金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用称为金属键。 ②金属晶体 由金属键形成的单质晶体。 金属单质及一些金属合金都属于金属晶体,例如镁、铝、铁和铜等。 (2)金属晶体的结构 在IA主族中(如Na)金属原子容易释放出一个价电子形成金属离子,这些释出的价电子,不在属于那个或那几个指定的金属离子,而是整体金属的“集体财富”。 它们在整个晶体内自由移动,人称“自由电子”。 有人描述金属晶体内的实际情况是“金属离子沉浸在自由电子的海洋中”。 (该理论称为“电子气”理论。 )换言之,是金属离子和自由电子之间存在着较强的电性作用,使许多金属离子和自由电子相互结合在一起形成晶体: (1)金属晶体的结构模型 (2)金属离子与自由电子之间的强静电力 但是金属晶体中的“金属离子和自由电子之间存在着较强的电性作用”有相对强弱之分。 一般来说,价电子数越多,原子半径越小,“作用”愈强,其熔沸点相对较高,密度、硬度也相对较大。 从金属的结构示意图我们可以看到,晶体中有阳离子,并不一定就存在有阴离子。 (3)金属晶体的性质 金属具有共同的特性,如金属有光泽、不透明,是热和电的良导体,有良好的延展性和机械强度。 大多数金属具有较高的熔点和硬度。 ①延展性 在金属内部,金属离子与自由电子之间的作用没有方向性。 因此,当金属受到外力作用时,金属原子之间发生相对滑动,但各层金属离子与自由电子之间仍然保持金属键的作用。 所以,在一定强度的外力作用下,金属可以发生形变,表现良好的延展性。 ②导热性 自由电子与金属离子可以通过碰撞传递能量,因此金属晶体具有良好的导热性。 ③导电性 自由电子在外加电场的作用下可以发生定向移动,因此,金属具有良好的导电性。 (4)熔沸点规律 一般来说,金属离子半径越小,所带电荷数越多,金属键就越强,熔沸点就越高,硬度也基本如此。 例如第3周期金属单质: Al>Mg>Na,再如元素周期表中第ⅠA族元素单质: Li>Na>K>Rb>Cs。 熔点最高的金属是钨。 例: 金属的下列性质中,不能用金属的结构模型加以解释的是() A.易导电B.易导热C.有延展性D.易锈蚀 例: 下列各组物质中,按熔沸点由高到低的顺序排列正确的是() A.O2、I2、HgB.Cl2、KCl、SiO2 C.Rb、K、NaD.SiC、NaCl、SO2 七、晶体的熔沸点规律小结 判断物质熔沸点高低先看晶体类型。 (1)若晶形不同,则一般地: 原子晶体>离子晶体>分子晶体(金属晶体熔沸点差别大,有特别高的如钨,也有特别低的如汞,故和三者的比较不能有固定的规律,一般要具体分析)。 (2)若晶形相同,则比较晶体内部粒子间相互作用的强弱,相互作用越强,熔沸点就越高。 ①离子晶体 看离子键的强弱,一般离子半径越小、所带电荷数越多,离子键越强,熔沸点越高。 ②原子晶体 看共价键的强弱,一般非金属性越强、半径越小,共价键越强,熔沸点越高。 ③分子晶体 看分子间作用力的强弱,对组成和结构相似的物质(一般为同族元素的单质、化合物或同系物),相对分子质量越大,分子间作用力越强,熔沸点越高。 (如果有氢键,则反常的高)。 ④金属晶体 取决于金属键的强弱,金属离子半径越小,所带电荷数越多,金属键就越强,熔沸点就越高,硬度也是如此。 对于周期表中同族元素单质的熔沸点比较,同样根据以上规律,如卤素、氧族元素、氮族元素的单质是分子晶体,从上到下相对分子质量增大,分子间作用力增强,熔沸点升高;碱金属都是金属晶体,从上到下离子半径增大,金属键减弱,熔沸点降低。 八、典型习题 例: 下列分子晶体中,熔沸点顺序排列正确的是() A.H2O>H2SB.HBr>HIC.CH4>SiH4D.硫(S8) 例: 实现下列变化,需克服相同类型作用力的是() A.石墨和干冰的熔化B.食盐和冰醋酸的熔化 C.液溴和水的汽化D.纯碱和烧碱的熔化 例: 某物质由A、B、C三种元素组成,其晶体中微粒的排列方式如图所示,该晶体的化学式是() A.AB3C3B.AB3CC.A2B3CD.A2B2C 例: 以下属于原子晶体的是() A.SiCB.石墨C.二氧化碳D.氧化镁 例: 下列叙述正确的是() A.同主族金属的原子半径越大,熔点越高 B.分子间作用力越强,分子晶体的熔点越高 C.氯化钠晶体中存在有NaCl分子 D.分子晶体的相对分子质量越大,熔沸点越高,所以硫化氢的沸点高于水 例: 碳化硅的结构类似于金刚石的晶体,其中碳原子和硅原子的位置是交替的。 在下列三种晶体①金刚石②晶体硅③碳化硅中,它们的熔点从高到低的顺序是() A.①③②B.②③①C.③①②D.②①③ 例: 据美国《科学》杂志报道: 在40GPa高压下,用激光器加热到1800K,制得具有高熔点、高硬度的二氧化碳晶体。 下列关于该晶体的说法不正确的是() A.该晶体属于原子晶体B.该晶体易汽化,可用作制冷材料 C.一定条件下,该晶体可跟氢氧化钠反应D.该晶体属于分子晶体 解析: 高熔点、高硬度是原子晶体的特点,故该二氧化碳晶体是原子晶体。 例: 下列物质为固态时,必定是分子晶体的是() A.酸性氧化物B.非金属单质C.碱性氧化物D.含氧酸 例: 水的状态除了气、液和固态外,还有玻璃态。 它是由液态水急速冷却到165K时形成的,玻璃态的水无固定形状,不存在晶体结构,且密度与普通液态水的密度相同,有关玻璃态水的叙述正确的是() A.水由液态变为玻璃态,体积缩小B.水由液态变为玻璃态,体积膨胀 C.玻璃态是水的一种特殊状态D.玻璃态水是分子晶体 课后习题 一、不定项选择题 1.下列化合物,按其晶体的熔点由高到低排列正确的是() A.SiO2>CsCl>CBr4>CF4B.SiO2>CsCl>CF4>CBr4 C.CsCl>SiO2>CBr4>CF4D.CF4>CBr4>CsCl>SiO2 2.在下列有关晶体的叙述中错误的是() A.离子晶体中,一定存在离子键B.在晶体中,有阳离子就一定有阴离子 C.金属的熔、沸点均很高D.稀有气体的原子能形成分子晶体 3.共价键、离子键和范德华力都是粒子之间的不同作用力,下列物质同时含有上述两种作用力的组合是() ①Na2O2 ②SiO2 ③石墨 ④金刚石 ⑤NaCl ⑥白磷 A.①②④B.①③⑥C.②④⑥D.③④⑤ 4.媒体曾报道硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导的最高纪录。 如图示意的是该化合物的晶体结构: 镁原子间形成正六棱柱,且棱柱的上下底面还各有一个镁原子;6个硼原子位于棱柱侧面上。 则该化合物的化学式为() A.MgB2B.Mg3B2 C.Mg2BD.Mg2B3 5.下列化合物中,熔点最高的是() A.KFB.MgOC.CaOD.NaCl 6.下列式子中,真实表示物质分子组成的是() A.H2SO4B.NH4ClC.SiO2D.C 7.已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体,其晶胞如图所示, 则下面表示该化合物的化学式正确的是() A.ZXY3B.ZX2Y6C.ZX4Y8D.ZX8Y12 8.如下图所示是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式,图中: O—X、●—Y、⊗—Z。 其对应的化学式不正确的是() 9.下列物质的熔沸点高低顺序中,正确的是() A.金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅B.CI4>CBr4>CCl4>CH4 C.MgO>H2O>O2>N2D.金刚石>生铁>纯铁>钠 10.下 列叙述正确的是() A.分子晶体中的每个分子内一定含有共价键B.离子晶体中可能含有共价键 C.原子晶体中的相邻原子间只存在非极性共价键D.金属晶体的熔点和沸点都很高 11.下列离子晶体的熔沸点最大的是() A.Na2SB.K2SC.Na2OD.MgO 12.下列叙述中正确的是() A.离子晶体中肯定不含非极性共价键B.离子化合物一定是离子晶体 C.离子晶体一定是离子化合物D.离子晶体都能导电 13.原子序数小于18的八种连号元素,它们的单质熔点随原子序数增 大而变大的趋势如图所示,图中X元素应属() A.ⅢA族B.ⅣA族C.ⅤA族D.ⅥA族 -----------------------------------------参考答案------------------------------------ 一、不定项选择题 1-5: ABCBDB6-13: AABBCBDCB
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