(完整word版)3晶体结构与性质知识点详解.doc

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第三章晶体结构与性质

第一节晶体的常识

【知识点梳理】

一、晶体与非晶体

1、晶体与非晶体

① 晶体：是内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一定规律做周期性重复排列构成

的物质。

② 非晶体：是内部的原子或分子的排列呈杂乱无章的分布状态的物质。

2、晶体的特征

（1）晶体的基本性质

晶体的基本性质是由晶体的周期性结构决定的。

① 自范性：

a．晶体的自范性即晶体能自发的呈现多面体外形的性质。

b．“自发”过程的实现，需要一定的条件。晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速

率适当。

② 均一性：指晶体的化学组成、密度等性质在晶体中各部分都是相同的。

③ 各向异性：同一晶体构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体

的性质也随方向的不同而有所差异。

④ 对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。在外形上，常有相等的对称

性。这种相同的性质在不同的方向或位置上做有规律的重复，这就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。

⑤ 最小内能：在相同的热力学条件下，晶体与同种物质非晶体固体、液体、气体相比

较，其内能最小。

⑥ 稳定性：晶体由于有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。

⑦ 有确定的熔点：给晶体加热，当温度升高到某温度便立即熔化。

⑧能使 X 射线产生衍射：当入射光的波长与光栅隙缝大小相当时，能产生光的衍射现

象。 X 射线的波长与晶体结构的周期大小相近，所以晶体是个理想的光栅，它能使X 射线产生衍射。利用这种性质人们建立了测定晶体结构的重要试验方法。非晶体物质没有周期性

结构，不能使 X 射线产生衍射，只有散射效应。

（2）晶体 SiO 2与非晶体 SiO2的区别

①晶体 SiO2 有规则的几何外形，而非晶体SiO 2无规则的几何外形。

②晶体 SiO2 的外形和内部质点的排列高度有序，而非晶体SiO 2内部质点排列无序。

③晶体 SiO2 具有固定的熔沸点，而非晶体SiO 2无固定的熔沸点。

④晶体 SiO2 能使 X 射线产生衍射，而非晶体SiO2没有周期性结构，不能使X 射线产生衍射，只有散射效应。

3、区分晶体与非晶体的方法

（1）考查固体的某些性质

晶体的熔点较固定，而非晶体无固定的熔点。考察固体的熔点，可间接地确定某一固体

是否为晶体。晶体的许多物理性质表现出各向异性，而非晶体则表现出各向同性。

（2）对固体进行 X —射线衍射实验。这是区分晶体与非晶体最可靠的科学方法。

二、晶胞

1、定义：晶体结构的基本单元叫晶胞。

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2、晶胞与晶体的关系

一般来说，晶胞都是平行六面体。晶体是由数量巨大的完全等同的晶胞“无隙并置”而成的。“完全等同”是指化学上等同和几何上等同，化学上等同就是指晶胞里原子数目和种类完

全等同；几何上等同是指不仅晶体中所有的晶胞的形状、取向和大小等同，而且晶胞里的原

子排列和空间取向完全等同。“无隙并置”是指一个晶胞与它相邻的晶胞完全共顶角、共面、

共棱的，取向一致，无间隙，从一个晶胞到另一个晶胞只需平移，不需转动，进行或不进行

平移操作，整个集体的微观结构无区别。

3、均摊法：是指每个图形平均拥有的粒子数目。如某个粒子为n 个图形（晶胞）所共有，则该粒子有1/n 属于一个图形（晶胞）。

①长方形（正方体）晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献。体内：1；面中： 1/2；棱上：

1/4 顶点： 1/8；

②非长方体晶胞中粒子对晶胞的贡献视情况而定。如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边

形，其顶点（ 1 个 C 原子）对六边形的贡献为1/3。

三、物质熔沸点高低比较规律

1、不同晶体类型的物质的熔沸点高低顺序一般是：原子晶体＞离子晶体＞分子晶体。

同一晶体类型的物质，则晶体内部结构粒子间的作用越强，熔沸点越高。

2、原子晶体要比较共价键的强弱，一般地说，原子半径越小，形成的共价键的键长越

短，键能越大，其晶体熔沸点越高。如熔点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅。

3、离子晶体要比较离子键的强弱。一般地说，阴阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用就越强，其离子晶体的熔沸点就越高，如熔点： MgO ＞ MgCl 2＞NaCl ＞CsCl。

4、分子晶体：组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高，如：熔沸点：O2

＞N2，HI ＞HBr ＞HCl 。组成和结构不相似的物质，分子极性越大，其熔沸点就越高，如熔

沸点 CO＞N 2。在同分异构体中，一般地说，支链数越多，熔沸点越低，如沸点：正戊烷

＞异戊烷＞新戊烷；同分异构体的芳香烃及其衍生物，其熔沸点高低顺序是邻＞间＞对位化合

物。

5、金属晶体中金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔沸点就越

高。

6、元素周期表中第Ⅶ A 族卤素的单质(分子晶体 )的熔沸点随原子序数递增而升高；第

ⅠA 族碱金属元素的单质(金属晶体 )的熔沸点随原子序数的递增而降低。

四、晶胞的计算公式：

NM

V

N A

式中ρ—晶体密度， V —晶体所占体积， N—一个晶胞所含微粒个数， M —粒子的摩尔质量， N A—阿伏加德罗常数。

第二节分子晶体和原子晶体

【知识点梳理】

1、分子晶体

（ 1）概念：分子间以分子间作用力结合的晶体叫做分子晶体。

勿忘初心方得始终（2）构成微粒：分子。特例：稀有气体为单原子分子。

（3）微粒间的作用：

① 分子间作用力，部分晶体中存在氢键。

② 分子间作用力的大小决定了晶体的物理性质；分子的相对分子质量越大，分子间作

用力越大，物质的溶、沸点越高，硬度越大。

③ 分子内存在化学键：在晶体状态改变时不被破坏。

④ 分子晶体采用密堆积。

注意：分子密堆集的概念：如果分子间的作用力只有范德华力，分子晶体常形成面心结构的晶胞，如 CO2的晶胞，如图所示。若以一个分子为中心，其周围通常可以有12 个紧邻的分子，这一特征称为分子密堆积。

（ 4）分子晶体的性质：

① 一般而言，硬度较小，易挥发。

② 具有较低的熔沸点。

③ 固体和熔融状态下都不导电。

④ “相似相溶原理”：非极性溶质一般能溶于非极性溶

剂；极性溶质一般能溶于极性溶剂。

（ 5）“CO”分子晶体的结构模型（上图）：

2

在 CO2晶体中，每个 CO2分子与 12 个 CO2分子等距离相邻（三个互相垂直的平面上各

4个）。注：大多数分子晶体具有这种结构特征。

（6）常见的分子晶体：

①所有非金属氢化物，如：水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等。

②部分非金属单质，如：卤素X 2、氧气、硫（ S8）、氮（ N 2）、白磷（ P4）、 C60等。

③部分非金属氧化物，如：CO2、SO2、 SO3、 P4O6、 P4O10等。

④几乎所有的酸，如：H 2SO4、 HNO 3、 H3PO4、 H2SiO 3等。

⑤ 绝大多数有机物，如：苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。

（7）氢键型晶体：

水形成的晶体的特征：所有水分子以氢键的结合在一起形成链状或层状等结构。在冰晶体中，每个水分子周围只有 4 个紧邻的水分子（如图），每个水分子可形成 4 个氢键。

水形成冰晶体时体积膨胀，密度减小。

2、原子晶体

（1）概念：相邻原子间以共价键结合而形成空间网状结构的晶体，叫做原子晶体。

（2）构成微粒：原子。

（3）微粒间作用：共价键。决定了晶体的物理性质。

（4）原子晶体结构特征：

① 晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键相结合。晶体中原子不遵循紧密堆积

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② 晶体为立体空间网状结构。

③原子晶体中不存在单个分子。如 SiO 2代表硅原子和氧原子个数比为 1： 2，并不代表分

子。

（5）金刚石、 SiO 2的晶体结构模型：

① 金刚石：

金刚石的晶体结构模型

在金刚石晶体里，每个碳原子都被相邻的 4 个碳原子包围，以共价键跟这 4 个碳原子结合，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心。这些正四面体结构向空间发展，

构成一个坚实的、彼此联接的空间网状晶体（如上图）。最小的碳环上有 6 个碳原子。

② SiO2晶体在 SiO2晶体中， 1 个 Si 原子和 4 个 O 原子形成 4 个共价键，每个Si 原子周围结合 4 个 O 原子；同时，每个O 原子跟 2 个 Si 原子相结合（硅为四价，氧为二价）。实际上， SiO2晶体由 Si 原子和 O 原子按 1 : 2 的比例所组成的立体网状的晶体（如下图）。最小的环上有12 个原子。

二氧化硅的晶体结构模型

（6）物理性质

①一般具很高的熔点和沸点：原子晶体中原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体

熔沸点就越高。

② 难溶于水。

③ 硬度大：共价键作用强。

（7）常见原子晶体：

①某些非金属单质；如：晶体硼、晶体Si 和晶体 Ge、金刚石等。

②某些非金属化合物；如金刚砂（SiC）、二氧化硅（SiO2）、氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）、氮化硅（ Si3N4）等。

③ 某些氧化物，如氧化铝（Al 2O3）等。

3、石墨晶体

（1）石墨晶体是层状结构，在每一层内，碳原子排列成六边形，一个个六边形排列成平

面的网状结构，每一个碳原子都跟其他三个碳原子相结合，层与层之间以分子间作用力相结

合。

勿忘初心方得始终（2）石墨晶体不是原子晶体，而是原子晶体与分子晶体之间的一种过渡型晶体。

（3）石墨的物理性质

由于石墨结构的特殊性，它的物理性质为熔点很高，有良好的导电性，还可作润滑剂。

第三节金属晶体

【知识点梳理】

1、金属晶体的形成

由于金属原子的价电子比较少，容易失去价电子成为金属离子（带电荷的金属原子）。

这些释出来的价电子称为自由电子。自由电子不专属于某个特定的金属离子，而为整个金

属晶体所共有，它们在整个晶体里自由地运动着，形成了自由电子的“海洋”。释出价电子后的金属离子就沉浸在这种“海洋”中（抵消了金属离子之间的斥力）。这种自由电子跟金属离

子之间较强烈的相互作用称为金属键，金属键使许多金属离子按一定规律排列形成金属晶

体．金属晶体中存在金属离子和自由电子，不存在分子。

2、“电子气理论”与金属的物理通性

“电子气理论”是描述金属键本质的最简单理论。其内涵是：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所公用，金属键就是将所有原子维系在一起的这

种金属脱落价电子后形成的离子与“价电子气”之间的强烈相互作用。

用“电子气理论”可以解释金属的延展性、导电导热性等物理性质。

（ 1）延展性：当金属受到外力作用时，晶体中各原子层就会发生相对滑动，但不会改

变原来的排列方式，而且弥漫在金属原子间的“电子气”可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂

的作用，因而金属都有良好的延展性。

（ 2）导电性：金属内部的原子之间的“电子气”的流动是无方向性的，在外加电场的作

用下，“电子气”在电场中定向移动形成电流。

（ 3）导热性：金属热导率随温度的升高而降低，是由于“电子气”中的自由电子在受热的作用下与金属原子频繁碰撞的缘故。

3、金属的拓展知识

（ 1）超导体——一类急待开发的材料

一般说来，金属是电的良好导体(汞的很差 )。 1911 年荷兰物理学家H·昂内斯在研究低温条件下汞的导电性能时，发现当温度降到约 4 K( 即–269℃ )时汞的电阻“奇异”般地降为零，表现出超导电性。后又发现还有几种金属也有这种性质，人们将具有超导性的物质叫做超导体。

（ 2）合金

两种和两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质，叫做合金，合金属于混合物，对应的固体为金属晶体。合金的特点：

① 仍保留金属的化学性质，但物理性质改变很大；

② 熔点比各成份金属的都低；

③强度、硬度比成分金属大；

④有的抗腐蚀能力强；

⑤导电性比成分金属差。

（ 3）金属的物理性质由于金属晶体中存在大量的自由电子和金属离子(或原子 )排列很

紧密，使金属具有很多共同的性质。

1）状态：通常情况下，除

Hg 外都是固体。

2）金属光泽：多数金属具有光泽。但除

Mg 、 Al 、Cu 、Au 在粉末状态有光泽外，其他

金属在块状时才表现出来。

3）易导电、导热：由于金属晶体中自由电子的运动，使金属易导电、导热。 4）延展性

5）熔点及硬度：由金属晶体中金属离子跟自由电子间的作用强弱决定。金属除有共同的物理性质外，还具有各自的特性。

① 颜色：绝大多数金属都是银白色，有少数金属具有颜色。如

Au 金黄色 Cu 紫红色

Cs 银白略带金色。

② 密度：与原子半径、 原子相对质量、 晶体质点排列的紧密程度有关。

最重的为锇 （Os ）

铂（ Pt ）最轻的为锂（

Li ）。

③ 熔点：最高的为钨（ W ），最低的为汞（ Hg ），Cs 为 28.4℃， Ca 为 30℃。 ④ 硬度：最硬的金属为铬（ Cr ），最软的金属为钾（ K ），钠（ Na ），铯（ Cs ）等，可用

小刀切割。

⑤ 导电性： 导电性能强的为银 （Ag ），金（Au ），铜（Cu ）等。导电性能差的为汞 （ Hg ）。

⑥ 延展性：延展性最好的为金（

Au ），铝（ Al ）。

4、晶体结构的密堆积原理

所谓密堆积原理是指在由无方向性的金属键、离子键和分子间作用力等结合的晶体中，

原子、离子或分子等微粒总是趋向于相互配位数高、 能充分利用空间的堆积密度大的哪些结构。密堆积方式由于充分利用空间，从而可使体系的势能尽可能降低，结构稳定。

由此可以得出，在金属晶体的四种堆积模型中，空间利用率越高，结构越稳定。 5、金属晶体的原子堆积模型对比

堆积模型

采用这种堆积 空间利 配位数

晶胞（结构示意图）

的典型代表

用率

简单立 Po

52%

6

非 方堆积

密 置

层

体心立 Na 、 K 、 Fe 、

68%

8

方堆积

Cr 、W

六方堆

Mg 、 Zn 、 Ti 、 12

积

74%

Be 、 Co 、 Ni

密 置 层

面心立 Cu 、 Ag 、Au 、 12

方堆积

74%

Ca 、 Pb 、 Al

第四节离子晶体

【知识点梳理】

1、离子晶体

（1）概念：阴阳离子以离子键结合的晶体叫做离子晶体

（2）构成微粒：阴阳离子

（3）微粒间的作用：离子键

（4）离子晶体的性质：

根据晶格能的大小，可以说明离子晶体的一般性质。①熔点、沸点较高，而且随着离子

电荷的增加，核间距的缩短，晶格能增大，熔、沸点

升高。

②一般易溶于水，而难溶于非极性溶剂。因为极性溶剂水能有效地减弱正、负离子间的作用力。

③熔融态或水溶液中能导电。

④延展性差。

应该指出，离子晶体的性质还与离子间的极化有关。离子极化程度增强，导致晶体的水溶性减小，颜色加深，热稳定性下降，熔点下降等。

2、晶格能

（1）定义：气态离子形成 l mol 离子晶体释放的能量，通常取正值。

（2）规律：

①与阴、阳离子所带的电荷成正比，与阴、阳离子间的距离成反比；②主要影响离子晶

体的物理性质，晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬

度越大。

（ 3）岩浆晶析出的规则：晶格能高的晶体，熔点较高，在岩浆冷却过程中先结晶析出。3、离子晶体的配位数

由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体，称为离子晶体。在离子晶体中阴阳离子

之间形成离子键时，都有固定的的配位数。

配位数是指一个离子周围邻近的异电性离子的数目，其影响因素：

①正、负离子半径比的大小；

②与阴、阳离子所带的电荷数成正比，比如 CaF2中 Ca2＋的配位数为“8，” F－的配位数为“4。”

4、常见离子晶体

（ 1）氯化钠的晶体结构

NaCl 为离子晶体，由Na＋、 Cl －构成，晶体中，每个Na＋同时吸引着 6 个 Cl －，每个 Cl －也同时吸引着 6 个 Na ＋。每个 Na＋周围与其最接近的且距离相等的Na ＋有 12 个（ Cl －也如此）。每个晶胞中平均占有 4 个 Na＋和 4 个 Cl －。

（ 2）氯化铯的晶体结构

＋－

构成，晶体中，每个＋

同时吸引着

－

，每个 Cl

CsCl 为离子晶体，由 Cs 和 Cl Cs 8 个 Cl －也同时吸引着8 个 Cs＋。每个Cs＋周围与其最近的且距离相等的Cs＋有 6 个。