高中化学选修三第三章导学案

高二化学选修三第三章晶体结构班级姓名第小组小组评价教师评价

第三章晶体结构与性质

第一节晶体的常识

【学习目标】

1. 了解晶体的初步知识,知道晶体与非晶体的本质差异。

2. 学会识别晶体与非晶体的结构示意图

3. 掌握晶胞的定义以及晶胞中原子个数的计算方法——均摊法。

【基础知识】

一．晶体与非晶体

1. 晶体与非晶体的本质差异

2. 晶体与非晶体的性质差异

3. 获得晶体的途径

熔融态物质凝固

获得晶体的途径气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）

溶质从溶液中析出

二．晶体结构的基本单元——晶胞

1. 晶胞的特点

（1）晶胞是描述晶体结构的基本单元

习惯采用的晶胞是平行六面体，其三条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。

（2）整个晶体就是晶胞按其周期性在三维空间重复排列而成。每个晶胞上下左右前后无隙并置地排列着与其一样的无数晶胞，决定了晶胞的8个顶角、平行的面以及平行的棱完全相同。

2. 晶胞中粒子数目的计算——均摊法

如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有

n

1

属于这个晶胞。

（1）长方体（正方体）晶胞中不同位置的粒子数的计算。

位于顶角→同为8个晶胞所共有，

8

1

粒子属于该晶胞。

位于棱上→同为4个晶胞所共有，

4

1

粒子属于该晶胞。

粒子

位于面上→同为2个晶胞所共有，

2

1

粒子属于该晶胞。

位于内部→整个粒子都属于该晶胞。

（2）非长方体（正方体）晶胞中粒子视具体情况而定，如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，

其顶角（1个碳原子）被三个六边形共有，每个六边形占该粒子的

3

1

。

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【过关训练】

1．下列关于晶体与非晶体的说法正确的是（）

A. 晶体一定比非晶体的熔点高

B. 晶体有自范性但排列无序

C. 非晶体无自范性而且排列无序

D. 固体SiO2一定是晶体

2．下列叙述中，正确的是（）

A. 具有规则几何外形的固体一定是晶体

B. 晶体与非晶体的根本区别在于是否具有规则的几何外形

C. 具有各向异性的固体一定是晶体

D. 许多固体粉末用肉眼看不到晶体外形，因此不属于晶体

3．下列过程得不到晶体的是 ( )

A. 对NaCl饱和溶液降温，所得到的固体

B. 气态H2O冷却为液态，然后再冷却成的固态

C. 熔融的KNO3冷却后所得的固体

D. 将液态的玻璃冷却所得到的固体

4. 元素X 位于第四周期，其基态原子的内层轨道全部排满电子，且最外层电子数为2。元素Y

基态原子的3p 轨道上有4个电子。X与Y所形成化合物晶体的晶胞如图所示。

①在1个晶胞中，X离子的数目为______。

②该化合物的化学式为______ 。

答案

①4

②ZnS

5. 最近发现一种由钛（Ti）原子和碳原子构成的气态团簇分子，分子模型如图所示，其中圆圈

表示钛原子，黑点表示碳原子，则它的化学式为（）

A．TiC

B．Ti13C14

C．Ti4C7

D．Ti14C13

【问题与收获】

。

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第二节分子晶体与原子晶体（1）

【学习目标】

1．了解分子晶体的晶体结构模型及其性质的一般特点。

2．理解分子晶体的晶体类型与性质的关系。

3．了解分子间作用力对物质物理性质的影响。

4．了解氢键及其物质物理性质的影响。

【基础知识】

一．分子晶体

1. 分子晶体及其结构特征

（1）概念

分子间以分子间作用力相结合形成的晶体称为分子晶体。

（2）构成微粒

分子（稀有气体分子为单原子分子）。

（3）分子晶体内的作用

①分子间存在的分子间作用力（部分分子间有氢键）决定晶体的物理性质。组成、结构相似的分子，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高，硬度越大。

②分子内存在化学键，但分子晶体的状态改变时，化学键不变。

（4）分子晶体的结构类型

①分子间只存在范德华力的分子晶体，如干冰等。其结构特征为：

a.由于范德华力没有方向性和饱和性，该类分子晶体将采用尽可能密的堆积结构。

b.以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子，分子晶体的这一特征称为分子密堆积。分子的配位数较高。

②分子间存在氢键的分子晶体，如冰，其结构特征是：

氢键的方向性和饱和性是决定分子晶体结构类型的主要因素，故晶体中分子的配位数相对较小，晶体的空间利用率较低，晶体的密度较小。

【注意】大多数分子晶体中只存在范德华力，只有水等少数特殊分子中含有氢键。

2. 分子晶体的物理性质及影响因素

（1）分子晶体的物理性质

①具有较低的熔、沸点。

a.分子晶体的熔、沸点一般低于500℃。分子晶体通常易挥发。

b.分子晶体熔化时，只破坏分子间作用力，分子内的共价键不被破坏。

②具有较小的硬度。

③固态和熔融状态下都不导电。

④溶解性：符合“相似相溶”规律。

（2）常见的分子晶体

①所有非金属氢化物，如H2O、H2S、NH3、HCl、CH4等。

②大部分非金属单质以及稀有气体单质，如O2、N2、P4、C60、H2、He、卤素单质等。

③部分非金属氧化物，如CO2、SO2、SO3等。

④几乎所有的酸，如H2SO4、HNO3、H3PO4、H2SO3等。

⑤绝大多数有机物，如苯、乙醇、乙酸、葡萄糖等。

（3）分子晶体的熔、沸点的变化规律

分子晶体的熔、沸点高低取决于分子间作用力的大小。

①对组成和结构相似、晶体中又不含氢键的物质来说，随着相对分子质量的增大，分子间作用力增强，熔、沸点升高，如熔点：I2>Br2>Cl2>F2。

②具有氢键的分子晶体熔、沸点反常的高，如沸点：H2O>H2S。

③对于同分异构体，其支链越多，熔、沸点越低。

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3. 几种常见分子晶体的晶胞结构 （1）干冰（如图所示）

干冰分子间只存在范德华力，不存在氢键，在 晶胞中呈现有规律的排列，每个CO 2分子周围， 离该分子最近且距离相等的CO 2分子有12个 （同层4个，上层4个，下层4个），属于分子 密堆积。每个晶胞实际拥有4个CO 2分子。

（2）冰（如图所示）

①冰中水分子间的主要作用力是氢键（氢键不是 化学键，有方向性），也存在范德华力。 ②在冰的晶体结构中，每个O 原子周围都有4个 H 原子，2个H 原子距O 原子较近，以共价键结合； 另外2个H 原子距O 原子较远，则是以氢键相连。所以在冰晶体中，O 的配位数为4。每个水分子与4 个紧邻的水分子结合，形成正四面体构型。

③由于氢键的影响，冰中水分子的间距较大，结构比较松散。因此液态水变成固态水（冰、雪、霜）时，密度变小。 【过关训练】

1. 下列性质符合分子晶体的是 （ ） A. 熔点1070℃，易溶于水，水溶液能导电 B. 熔点1031℃，液体不导电，水溶液能导电 C. 熔点97.81℃，质软，能导电，密度是0.97g/cm 3

D. 熔点870℃，熔化时能导电，水溶液也能导电

2. 氢键对晶体性质的影响主要表现为：①影响分子的稳定性 ②影响晶体的熔、沸点 ③影响晶体的密度

A. ②

B. ①和②

C. ②和③

D. ①、②和③ 3. 下列物质的固体中，不存在分子的是 （ ）

A. 二氧化硅

B. 二氧化硫

C. 二氧化碳

D. 二硫化碳 4． （1）如图为CO 2分子晶体结构的一部分，观察图形。试说明每个CO 2分子周围有 个与之紧邻 且等距的CO 2分子；该结构单元平均占有 个 CO 2分子。

（2）在40GPa 高压下，用激光器加热到1800K 时， 人们成功制得原子晶体干冰，其结构和性质与SiO 2 原子晶体相似，下列说法正确的是 （填序号）。

A. 原子晶体干冰易升华，可用作制冷剂

B. 原子晶体干冰有很高的熔点和沸点

C. 原子晶体干冰在一定条件下可与氢氧化钠反应

D. 每摩尔原子晶体干冰中含有4molC-O 键 答案

（1）12 4

（2）BDE 【问题与收获】

。

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第二节 分子晶体与原子晶体（2）

【学习目标】

1. 了解原子晶体的晶体结构模型及其性质的一般特点。

2. 理解原子晶体的晶体类型与性质的关系。 【基础知识】 二．原子晶体

1. 原子晶体及其结构特征 （1）概念

相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为原子晶体。 （2）作用力与结构

相邻原子间以共价键结合形成空间立体网状结构。

【拓展】①原子晶体中只存在一种作用（即共价键），不存在小分子，故原子晶体为“巨分子”结构。

②由原子直接形成的晶体有原子晶体、稀有气体形成的分子晶体。 （3）原子晶体的结构特征

①晶体中只存在共价键，原子间全部通过共价键结合。晶体中原子不遵循紧密堆积原则。 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的个数比为1:2，并不代表分子。 【注意】共价键的饱和性和方向性决定了原子晶体配位原子的数目是有限的（原子晶体不遵循紧密堆积的原因）。 （4）常见的原子晶体

①某些非金属单质及部分金属单质，如晶体硼、晶体锗、晶体硅、金刚石等。 ②某些非金属化合物，如金刚砂（SiC ）、氮化硼（BN ）、氮化硅（Si 3N 4）等。 ③某些氧化物，如二氧化硅（SiO 2）等。

2. 原子晶体的物理性质

（1）熔点和沸点很高。原子晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化或汽化就要克服共价键之间的相互作用，需要很高的能量。因此，原子晶体一般都具有很高的熔点和沸点。 （2）硬度很大。例如，金刚石是自然界中存在的最硬的物质。 （3）一般不导电。

（4）难溶于一些常见的溶剂。 3．金刚石和二氧化硅的晶体结构 （1）金刚石

①金刚石的结构 金刚石晶体中，每个碳原子以sp 3

杂化轨道和与它紧邻的4个 碳原子以共价键相结合，形成正四面体构型，这些正四面体向

空间发展，构成彼此相连的立体网状结构，键角均为109°28′（如图所示）。 【说明】a.金刚石晶体中最小碳环由6个碳原子构成且它们不在同一平面内。

b.在金刚石晶体中，1个碳原子形成4个C-C 键，而1个C-C 键为2个碳原子共用，故碳原子个数与C-C 键个数之比为1:2。

c.晶体硅和金刚砂的结构与金刚石相似，其中金刚砂（SiC ）晶体中Si 、C 是交替排列的。 ② 金刚石的物理性质

在常见晶体中，金刚石的硬度最大；金刚石的熔、沸点很高。 ③金刚石的晶胞 每个晶胞中平均含有8×81+6×2

1

+4×1=8个碳原子。 （2）二氧化硅 ①结构

在二氧化硅晶体中，1个硅原子结合4个氧原子形成4个共价键，同时每个氧原子结合两个硅原子；O-Si-O 键角为109°28′（如图所示）。

晶体中最小的环上有6个硅原子、6个氧原子，是12元环，且它们不在同一平面内。

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②物理性质

二氧化硅晶体具有较大的硬度和较高的熔、沸点。

【说明】含1molSi原子的SiO2晶体中，含有4molSi-O键。

【过关训练】

1. 制造光导纤维的材料是一种纯度很高的硅氧化物，它是具有立体网状结构的晶体，如图是其简化了的平面示意图，下列关于这种材料的说法中正确的是（）

A．晶体中Si与O的数目比是1∶4

B．晶体中Si与O的数目比是1∶6

C．该物质是原子晶体

D．该物质是分子晶体

2. 干冰和二氧化硅晶体同属IVA族元素的最高价氧化物，它们的性质差别很大的原因

是（）

A. 二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量

B. C=O键键能比Si-O键键能小

C. 干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体

D. 干冰易升华，二氧化硅不能

3. 下列晶体，关于熔、沸点高低的叙述中，正确的是（）

A. Cl2>I2

B. 金刚石

C. NH3>PH3

D. C(CH3)4>CH3CH2CH2CH2CH34. 有A、B、C三种晶体，分别由H、C、Na、Cl四种元素的一种或几种形成，对这三种晶体进行实验，结果如下表：

(1)晶体的化学式分别为：A：________，B：_______，C：_______。

(2)晶体的类型分别为：A：_____________，B：____________，C：______________。

(3)晶体中微粒间的作用力分别是：A：_____________，B：____________，C：______________。

答案

(1)NaCl C HCl

(2)离子晶体原子晶体分子晶体

(3)离子键共价键范德华力

【问题与收获】

。

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第三节金属晶体

【学习目标】

1．知道金属键的涵义。

2．能用金属键理论解释金属的物理性质。

3．能列举金属晶体的基本堆积模型。

4．了解金属晶体性质的一般特点。

5．理解金属晶体的类型与性质的关系。

【基础知识】

一．金属键与金属晶体

1. 金属键

（1）概念

金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。

（2）成键微粒

金属阳离子和自由电子。

（3）金属键的特征

金属键无方向性和饱和性。

（4）金属键强弱的影响因素

①金属阳离子的半径。

②金属阳离子的电荷数。

③金属阳离子（原子）的堆积方式。

2. 金属晶体（1）金属晶体是原子间通过金属键形成的一类晶体。金属晶体常温下除汞外都是固体。

（2）性质：优良的导电性、导热性和延展性。

（3）用电子气理论解释金属的性质

①延展性——当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但排列方式不变，金属离子与自由电子形成的金属键没有破坏，所以金属有良好的延展性。

②导电性——在外加电场的作用下，金属晶体中的电子气做定向移动而形成电流，呈现良好的导电性。

③导热性——电子气在运动时经常与金属原子碰撞，从而引起两者能量交换。

二．金属晶体的原子堆积模型和混合晶体

1. 金属晶体的四种堆积模型

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2. 石墨——混合晶体

(1)结构特点——层状结构

①同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成正六边形平面网状结构。所有碳原子的2p轨道平行且相互重叠，p电子可在整个平面中运动。

②层与层之间以范德华力相结合。

(2)晶体类型

石墨晶体中，既有共价键又有金属键和范德华力，属于混合晶体。

【过关训练】

1. 金属晶体具有延展性的原因是（）

A. 金属键很微弱

B. 金属键没有饱和性

C. 金属阳离子之间存在斥力

D. 密堆积层的阳离子容易发生滑动，但不会破坏密堆积的排列方式，也不会破坏金属键

2. 金属晶体的熔、沸点之间的差距是由于（）

A. 金属键的强弱不同

B. 金属的化合价的不同

C. 金属的晶体中电子数的多少不同

D. 金属的阳离子的半径大小不同

3. 与金属的导电性和导热性有关的是（）

A. 原子半径大小

B. 最外层电子数的多少

C. 金属的活泼性

D. 自由电子

4. ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料。等行业中应用广泛。立方ZnS晶体结构如下图所示，其晶胞边长为540.0pm，密度为_______g·cm—3(列式并计算)，a位置S2ˉ离子与b位置Zn2+离子之间的距离为_______ pm(列式表示)。

答案

o

10928'

sin

2

或1353

【问题与收获】

。

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第四节离子晶体（1）

【学习目标】

1．使学生理解氯化钠、氯化铯等典型离子晶体的结构模型及其性质的一般特点。

2．使学生理解离子晶体的晶体类型与性质的关系。

3．掌握根据晶体结构模型计算微粒数的一般方法。

【基础知识】

一．离子晶体

1. 离子键及其特征

（1）定义

阴、阳离子通过静电作用所形成的化学键叫离子键。

【注意】①阴、阳离子间的静电作用包括静电吸引和静电排斥。当阴、阳离子之间的静电引力和静电斥力达到平衡时，阴、阳离子保持一定的核间距，形成稳定的离子键，使整个体系达到能量最低状态。阴、阳离子在平衡位置上振动而不能自由移动。

②离子化合物是由离子键结合形成的化合物，即离子键只存在于离子化合物中。

③离子键的强弱与离子半径和离子所带电荷有关：离子半径越小，离子键越强；离子所带电荷越多，离子键越强。

（2）形成条件

当两种元素的原子间形成离子键时，必须满足一方（金属）具有较强的失电子能力，同时另一方（非金属）具有较强的得电子能力。一般应满足两种元素的电负性之差大于1.7这一条件。活泼金属与活泼非金属之间易形成离子键。绝大多数金属离子及NH4+与含氧酸根离子之间易形成离子键。

（3）特征离子键没有饱和性和方向性。这是因为阴、阳离子在各个方向上都可以与带相反电荷的离子发生静电作用（没有方向性）；在静电作用能够达到的范围内，只要空间条件允许，一个离子可以同时吸引多个带相反电荷的离子（没有饱和性）。

2. 离子晶体及其性质

（1）概念

离子晶体是阴、阳离子通过离子键结合，在空间中呈现有规律的排列所形成的晶体。

（2）组成微粒及作用力

离子晶体的组成微粒为阴、阳离子，其中阴、阳离子间以离子键结合。

【注意】离子晶体中不存在单个分子，晶体的化学式只表示晶体中阴阳离子的个数比，而不是表示分子的组成。

（3）存在范围

强碱及大多数盐类。

（4）物理性质

离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性。

①离子晶体在固态时不导电，在熔融状态或在水溶液中能导电。

②离子晶体的熔、沸点较高，难压缩，难挥发。

③离子晶体硬而脆。

④大多数离子晶体易溶于极性溶剂如水等，而难溶于非极性溶剂如苯等。

（5）离子晶体熔点高低的影响因素

物质的熔化实质是减弱晶体内的微粒间的作用力，而构成离子晶体的微粒是阴、阳离子，因此离子晶体的熔化实际上是减弱阴、阳离子间的相互作用力，故离子晶体的熔点与离子键的强弱有关。

高二化学选修三第三章晶体结构

①结构相似且化学式中各离子个数比相同的离子晶体中，离子半径越小（或阴、阳离子半径之和越小），键能越强，晶体的熔、沸点越高。如NaCl、KCl、RbCl的熔、沸点依次降低。

②对于离子半径接近（或相等）的晶体，离子所带电荷数大的熔点较高。如MgO的熔点高于NaCl。

3. 常见离子晶体

【过关训练】

1. 高温下，超氧化钾晶体(KO2)呈立方体结构。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞（晶体中最小的重复单元）。则下列有关说法正确的是（）A．KO2中只存在离子键

B．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞中含有1个K+和1个O2-

C．晶体中与每个K+距离最近的O2－有6个

D．晶体中，所有原子之间都是以离子键相结合

2. 常见的离子晶体类型有5种，如下图是其中一种空间构型，则该晶体中X、Y的离子个数之比可能是（）

A．4∶1

B．2∶1

C．1∶1

D．1∶2

3. 下列含有极性键的离子晶体是（）

①醋酸钠②氢氧化钾③金刚石④乙醇⑤氯化钙

A. ①②⑤

B. ①②

C. ①④⑤

D. ①⑤

4. 下列关于离子晶体的说法正确的是（）

A. 有阳离子的晶体一定是离子晶体

B. 离子晶体中不一定存在离子键

C. 离子晶体中可能含有共价键

D. 离子晶体能导电

【问题与收获】

。

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第四节离子晶体（2）

【学习目标】

1．了解晶格能的应用，知道晶格能的大小可以衡量离子晶体中离子键的强弱。

2．通过分析数据和信息，能说明晶格能的大小与离子晶体性质的关系。

3. 掌握晶体熔、沸点高低的比较。

【基础知识】

二．晶格能

1. 概念

晶格能是指气态离子形成1mol离子晶体释放的能量，通常取正值。单位：kJ·mol-1。

2．影响因素

晶格能与阴、阳离子间的距离成反比，与阴、阳离子所带电荷的乘积成正比。

（1）晶体构型相同的离子晶体，核间距越小，晶格能越大。

（2）晶体构型不同的离子晶体，离子所带电荷数越多，核间距越小，晶格能越大。晶格能越大，离子键越强，晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。

除此之外，晶格能的大小还与离子晶体的堆积方式有关。

3. 晶格能与晶体的性质

晶格能的数据可以用来说明许多典型的离子晶体等的物理、化学性质的变化规律，晶格能较大，晶体的熔、沸点较高，硬度较大。

三．晶体熔、沸点高低的比较

1. 不同类型晶体熔、沸点高低的比较

通常情况下，不同类型晶体熔、沸点的高低顺序为：原子晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点差异很大，所以比较金属晶体与其他晶体的熔、沸点时要具体问题具体分析。2. 同种类型晶体熔、沸点高低的比较

（1）同属原子晶体

用原子半径的大小来比较熔、沸点的高低，一般来说原子半径越小，熔、沸点越高。例如，熔沸点：金刚石>碳化硅>晶体硅。

（2）同属离子晶体

离子半径越小，所带电荷越多，离子键越强，熔、沸点越高。例如，熔、沸点：MgO>NaCl,NaCl>CsCl。（3）同属金属晶体

金属阳离子所带的电荷越多，半径越小，金属键越强，熔、沸点越高。例如，熔、沸点：Al>Mg>Na。（4）同属分子晶体

①组成和结构相似的分子晶体，一般来说相对分子质量越大，分子间作用力越强，熔、沸点越高。例如，熔、沸点：I2>Br2>Cl2>F2。

②组成和结构相似的分子晶体，如果分子之间存在氢键，则分子间作用力增大，熔、沸点出现反常。例如，沸点：HF>HI>HBr>HCl。

3. 常温常压下物质的状态与晶体熔、沸点高低的关系

（1）熔点：固态物质>液态物质。

（2）沸点：液态物质>气态物质。

【过关训练】

1. 下列推论正确的是（）

A. SiH4的沸点高于CH4，可推测PH3的沸点高于NH3

B. NH4+为正四面体结构，可推测出PH4+也为正四面体结构

C. CO2晶体是分子晶体，可推测SiO2晶体也是分子晶体

D. C2H6是碳链为直线形的非极性分子，可推测C3H8也是碳链为直线形的非极性分子

高二化学选修三第三章晶体结构

2. 下列判断错误的是（）

A. 沸点：NH3>PH3>AsH3

B. 熔点：Si3N4>NaCl>SiI4

C. 酸性：HClO4>H2SO4>H3PO4

D. 碱性：NaOH>Mg(OH)2>Al(OH)3

3. 下列大小关系正确的是（）

A. 晶格能：NaCl

B. 硬度：MgO>CaO

C. 熔点：NaI>NaBr

D. 熔、沸点：CO2>NaCl

4. 镁、铜等金属离子是人体内多种酶的辅因子。工业上从海水中提取镁时，先制备无水氯化镁，然后将其熔融电解，得到金属镁。

(1)以为原料用熔融盐电解法制备镁时，常加入或等金属氯化物，其主要作用除了降低熔点之外还有________________________ 。

(2)已知的晶体结构属于型。某同学画出的晶胞结构示意图如下图所示，请改正图中错误：________________ 。

(3) 是第三周期元素，该周期部分元素氟化物的熔点见下表：

解释表中氟化物熔点差异的原因：________________________

。

答案

(1)增大离子浓度，从而增大熔融盐的导电性

(2)⑧应为灰色

半径应大于

(3)NaF与MgF2为离子晶体，SiF4为分子晶体，所以NaF与MgF2远比SiF4熔点要高。又因为Mg2+

的半径小于Na+的半径，所以MgF2的离子键强度大于NaF的离子键强度，故MgF2的熔点大于NaF。【问题与收获】

。