晶體的結構和性質（第一輪復習教案）

§5－6晶體的結構和性質高考目標要求了解幾類常見晶體的結構特點及性質初步掌握分析晶體結構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）構成晶體的微粒分子陰離子陽離子原子金屬陽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）離子鍵共價鍵金屬鍵物理性質熔沸點較低較高很高有高、有底硬度較小較大、硬而脆很大有大、有小導電性晶體不導電熔融狀態(tài)不導電水溶液部分導電部分不導電晶體不導電熔融狀態(tài)能導電水溶液能導電、不導電良導體導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溶劑不溶于一般溶劑不溶于一般溶劑影響晶體性質的因素分子間作用力相對分子質量的大小離子鍵的強弱離子的半徑和電荷共價鍵的強弱鍵長、鍵能原子的半徑金屬鍵的強弱自由電子的多少半徑大小實例干冰、白磷NaCl、CsCl金剛石、碳化硅金屬單質、合金過渡型晶體——石墨⑴同一片層內，每個碳原子通過三個共價鍵與另三個碳原子相連成正六邊形，形成一個整體（類似與于原子晶體）。⑵在同一片層內每個碳原子還有一個價電子在同一片層內自由運動（類似于金屬晶體）⑶片層與片層之間通過分子間力結合（類似于分子晶體）故，石墨具有原子晶體的特點：高熔沸點、難溶于任何溶劑；具有金屬晶體的特點：電和熱的良導體、有金屬光澤；具有分子晶體的特點：硬度小、質地軟。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)物質的類別⑶依據(jù)晶體的性質，如：熔沸點、導電性、硬度、機械加工性能等推測分析晶體組成的方法——均攤法：包括最小結構單元分割法和點線面共用分割法。分割點線分割點－1/5線－1/2物質熔沸點高低比較的一般規(guī)律原子晶體＞離子晶體＞分子晶體共價鍵離子鍵分子間作用力鍵長、原子半徑離子半徑、離子電荷相對分子質量如：C金剛石＞SiC＞Si＞MgCl2＞NaCl＞KCl＞HI＞HBr＞HCl特例：①NH3H2OHF的熔沸點比相應同族其它元素的氫化物熔沸點反常的高（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、晶體結構試題分類解析有關晶體結構的推斷和計算是高中化學中的一個難點，這些題目能很好地考察學生的觀察能力和三維想象能力，而且又很容易與數(shù)學、物理特別是立體幾何知識相結合，自然也就成為近年高考的熱點之一。此類題目的解答，要求學生在熟練掌握NaCl、CsCl、CO2、SiO2、金剛石等晶體結構的基礎上，進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構示意圖圖1：NaCl的晶體結構圖2：CsCl的晶體結構圖3：干冰的晶體結構圖4：金剛石晶體結構圖5：SiO2晶體結構圖6：石墨晶體結構俯視練習：1、請將圖1中NaCl晶體結構中代表Na+的圓圈涂黑（不考慮體積大?。?，以完成NaCl晶體的結構示意圖。在該晶體中每個Na+周圍與之最接近且距離相等的Na+共有個；與每個Na+等距離且最近的Cl-所圍成的空間幾何構型為。2、在CsCl晶體中，每個Cs+周圍與之最接近的且距離相等的Cs+有個。3、在干冰晶體中，每個CO2分子周圍與之最接近的且距離相等的CO2分子有個。4、在金剛石的網狀結構中，含有由共價鍵形成的碳原子環(huán)，其中最小的環(huán)上有個碳原子，每個碳原子上的任意兩個C—C鍵的夾角都是。5、石墨是層狀結構，每一層內，碳原子排列成而成平面網狀結構。每一個碳原子跟其它個碳原子相連。2、根據(jù)晶體結構或晶胞結構示意圖推斷晶體的化學式解答這類試題，通常采用分攤法。因為在一個晶胞結構中出現(xiàn)的多個原子，并不是只為這一個晶胞所獨立占有，而是為多個晶胞共用，所以每一個晶胞只能按比例分攤。分攤的根本原則是：晶胞任意位置上的原子如果是被n個晶胞所共有，則每個晶胞只能分得這個原子的。具體地，根據(jù)晶胞（晶體中最小重復單位）求晶體中粒子個數(shù)比的方法是：在立方晶系中①處于頂點的粒子，同時為8個晶胞共有，每個粒子有1/8屬于晶胞；②處于棱上的粒子，同時為4個晶胞共有，每個粒子有1/4屬于晶胞；③處于面上的粒子，同時為兩個晶胞共有，每個粒子有1/2屬于晶胞。④在晶胞內的粒子只屬于該晶胞，每個粒子有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，其中化學式正確的是（）AB2EF2XY3ZAB（A）（B）（C）（D）【分析】根據(jù)題意應選C、D。這類題解題的思維方法為平均法，即先分析基本結構單元中的一個點或一條邊為幾個結構單元所共有，若為n個基本結構單元共有，則這個基本結構單元就只占有這個點或這條邊的1/n。這種求晶胞中粒子個數(shù)的方法還可類推到求晶胞中化學鍵數(shù)目，如：例2：石墨是層狀晶體，每一層內碳原子排列成正六邊形，一個個正六邊形排列成平面網狀結構，如果將每對相鄰碳原子間的短線看成一個化學鍵，則石墨晶體中每一層內碳原子數(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)石墨的晶體結構可知：每個碳原子為三個正六邊形共用，每個正六邊形占有該碳原子的1/3，因此，每個正六邊形占有碳原子數(shù)為6×1/3個；晶體中每個C—C鍵即為每個正六邊形的邊，每個邊為2個正六邊形共用，每個正六邊形占有該C—C鍵的1/2，故每個正六邊形占有C—C鍵數(shù)目為6×1/2=3個，選（A）。例⒊最近發(fā)現(xiàn)一種由鈦原子和碳原子構成的氣態(tài)團簇分子（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，它的化學式是?！痉治觥磕愕拇鸢甘荰iC嗎？這是錯的，為什么呢？這只不過是一個具有規(guī)則結構的大分子，而不是一個空間結構中的最小重復單位，按例1的方法計算自然是錯的了。在這個問題中，我們只需數(shù)出兩種原子的數(shù)目就可以了（Ti14C13練習：6、水分子間由于氫鍵的作用彼此結合而形成(H2O)n，在冰中每個水分子被4個水分子包圍形成變形的四面體，通過氫鍵相互連接成晶體，其結構如下圖所示。則1mol冰中有mol氫鍵。7、科學家發(fā)現(xiàn)釔鋇銅氧化合物在90K具有超導性，若該化合物的結構如下圖所示，則該化合物的化學式可能是（）（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、石墨晶體是層狀結構，在每一層內，每一個碳原子都跟其它3個碳原子相結合。上圖是其晶體結構的俯視圖，則圖中7個六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是（）（A）10個（B）18個（C）24個（D）14個9、上圖所示為高溫超導領域的一種化合物——鈣鈦礦的結構，該結構是具有代表性的最小重復單元。試確定該結構單元的質量。（相對原子質量：Ca40Ti48O16）10、二氧化硅是立體的網狀結構，其晶體模型如上圖所示，請認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）每個硅原子為個最小環(huán)共有；（3）每個最小環(huán)平均擁有個硅原子，個氧原子。3、晶胞結構與晶體密度的計算例⒊如圖是CsCl晶體的晶胞（晶體中最小重復單元），已知晶體中兩個最近的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量與晶體在該質量下的體積的比值（即晶體的密度=），據(jù)式量可知，1molCsCl的質量為M克，故需求出1molCsCl的體積。因晶體是由晶胞構成的，而1個CsCl晶胞的體積為a3cm3。因此，此題解題的關鍵是找出1molCsCl晶體中的晶胞數(shù)目，由晶胞的示意圖可知，1個晶胞中含1個Cs+和1個Clˉ，所以，在1molCsCl晶體中含NA解法二：一個晶胞的體積為a3cm3，若求出一個晶胞的質量，則可以求出晶胞的密度，也就是晶體的密度（因為晶胞是晶體中最小的結構單元）。根據(jù)晶胞的結構示意圖可知，1個晶胞中含1個Cs+和1個Clˉ，所以一個晶胞的質量也就是1個Cs+和1個Clˉ的質量，所以晶胞的質量為＋，即：=，因此也可得出晶體的密度。4、分子內或晶體中化學鍵數(shù)目及多面體面數(shù)等的計算例⒋德國和美國科學家首次制造出了由20個碳原子組成的空心籠狀分子C20，該籠狀結構是由許多正五邊形構成的（如右圖所示）。請回答：C20分子中共有個正五邊形，共有條棱邊。C20晶體屬于（填晶體類型）。【分析】解法一：從分子結構示意圖可以看出，在C20分子內每個碳原子與另外3個碳原子成鍵，因此，C20分子內化學鍵總數(shù)=20×3×1/2（因為2個原子形成一個鍵），也即C20分子中共有30條棱邊（因為化學鍵總數(shù)=多面體棱邊總數(shù)）。從數(shù)學角度，多面體棱邊數(shù)=多面體面數(shù)×每個面的棱邊數(shù)×1/2（因為2個面共用一條棱邊），設正五邊形的個數(shù)為x，則有：30=x×5×1/2，所以，正五邊形的個數(shù)為12。實際上C20與C60都屬于碳的同素異形體，應屬于分子晶體。解法二：設C20分子中含x個正五邊形，通過觀察圖形可知，每一個頂點為三個正五邊形共用，則每個正五邊形占有該頂點的1/2，因此，每個正五C20分子中含有正五邊形個數(shù)x=12；每一條邊為兩個正五邊形共用，每個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，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，這個基本結構單元的碳原子數(shù)為x×5×1/3=20，因此，【總結】在分子內或晶體中：化學鍵總數(shù)=多面體棱邊總數(shù)其中，化學鍵總數(shù)=參與成鍵的微?？倲?shù)×每個微粒的成鍵數(shù)×1/2多面體棱邊數(shù)=多面體面數(shù)×每個面的棱邊數(shù)×1/2練習11、已知晶體硼的基本結構單元是由硼原子組成的正二十面體（如右圖）。其中有二十個等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂點，每個頂點各有一個硼原子，則這個基本結構單元由個硼原子構成，共含有個B—B鍵。五、綜合性試題分析在有關晶體結構的推斷和計算試題中，綜合性試題往往是試卷中難度最大的題目。其實，這類試題只是把以上有關分析與計算綜合到了一個題中，因此，我們可以采用以上有關解題方法對其做出分析解答。例⒌在離子晶體中，陰、陽離子按一定規(guī)律在空間排列，右圖（a）是NaCl的晶體結構，在離子晶體中，陰、陽離子具有或近似具有球形對稱結構，它們可以被看作是不等徑的剛性圓球，并彼此相切如NaCl晶體結構圖（b），已知a為常數(shù)。（1）在NaCl晶體中，每個Na+同時吸引個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，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時強熱使溫度達到1501.5℃（4）若a=×10-8cm，求NaCl晶體的密度（已知3=，NaCl的摩爾質量為58.5g/mol【解析】（1）6，1∶1（2）由圖（b），因為r（Clˉ）＞r（Na+），則r（Clˉ）=2r（Na+）=a－2r（Clˉ）=a－2×，即r（Na+）=所以，==（3）摩爾質量M==117g/mol設NaCl分子式為(NaCl)n，則有=117n=2，即NaCl氣體的分子式為Na2Cl2。（4）由NaCl晶體結構分析，每個晶體中含有4個“NaCl分子”，則有ρV=，所以ρ=/×10-8)3=2.2g/cm練習：12、某離子晶體晶胞結構如右圖所示，X位于立方體的頂點，Y位于立方體的中心，試回答：（1）晶體中每個Y同時吸引著個X，每個X同時吸引著個Y，該晶體的化學式為。（2）晶體中在每個X周圍與它最接近且距離相等的X共有個。（3）晶體中距離最近的2個X與一個Y形成的夾角（∠XYX）為（填角的度數(shù)）。（4）設該晶體的摩爾質量為Mg·mol-1，晶體密度為ρg·cm-3，阿伏加德羅常數(shù)為NA，則晶體中兩個距離最近的X中心間的距離為cm。13、根據(jù)石墨晶體結構示意圖及提供的數(shù)據(jù)計算（保留三位有效數(shù)字）。有關公式、數(shù)據(jù)見框圖。（1）12g石墨中，正六邊形的數(shù)目有多少？