《导学案晶体的结构与性质》含详解

晶体的结构与性质

[考纲要求]1.理解离子键的形成，能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。2.了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。3.理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。4.了解分子晶体、原子晶体、离子晶体、金属晶体的结构微粒、微粒间作用力的区别。

知识点一晶体与非晶体

(1)________________________。

(2)____________________________________。

(3)__________________________。

3．晶胞

(1)概念

描述晶体结构的__________。

(2)晶体中晶胞的排列——无隙并置

①无隙：相邻晶胞之间没有__________。

②并置：所有晶胞________排列、________相同。

知识点二分子晶体与原子晶体

1．分子晶体的结构特点

(1)晶体中只含__________。

(2)分子间作用力为______________，也可能有_______________________________。

(3)分子密堆积：一个分子周围通常有____个紧邻的分子。

2．原子晶体的结构特点

(1)晶体中只含原子。

(2)原子间以____________结合。

问题思考

1．具有规则几何外形的固体一定是晶体吗？晶胞是否一定为“平行六面体”？

知识点三金属晶体

1．金属键

(1)“电子气理论”要点

该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的__________形成遍布整块晶体的“电子气”，被__________所共用，从而把所有的金属原子维系在一起。

(2)金属晶体是由__________、__________通过________形成的一种“巨分子”。金属键的强度__________。

2

1．离子晶体

(1)概念

①离子键：__________间通过________________(指相互排斥和相互吸引的平衡)形成的化学键。

②离子晶体：由阳离子和阴离子通过________结合而成的晶体。

(2)决定离子晶体结构的因素

①几何因素：即______________________________________________________。

②电荷因素，即阴、阳离子电荷不同，配位数必然不同。

③键性因素：离子键的纯粹程度。

(3)一般物理性质

一般地说，离子晶体具有较高的____点和____点，较大的________、难于压缩。这些性质都是因为离子晶体中存在着较强的离子键。若要破坏这种作用需要较多的能量。

2．晶格能

(1)定义：气态离子形成1摩尔离子晶体________的能量，单位kJ·mol－1，通常取正值。

(2)大小及与其他量的关系

①晶格能是最能反映离子晶体________的数据。②在离子晶体中，离子半径越小，离子所带电荷数越大，则晶格能越大。③晶格能越大，阴、阳离子间的离子键就越强，形成的离子晶体就越稳定，而且熔点高，硬度大。

知识点五几种常见的晶体模型

(1)原子晶体(金刚石和二氧化硅)

①金刚石晶体中，每个C与另外____个C形成共价键，C—C键之间的夹角是______，最小的环是____元环。含有1molC的金刚石中，形成的共价键有____mol。

②SiO2晶体中，每个Si原子与____个O成键，每个O原子与____个硅原子成键，最小的环是______元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是____原子。

(2)分子晶体

①干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有____个。

②冰的结构模型中，每个水分子与相邻的____个水分子以氢键相连接，1mol冰中，有____mol“氢键”。

(3)离子晶体

①NaCl型：在晶体中，每个Na＋同时吸引____个Cl－，每个Cl－同时吸引____个Na＋，配位数为____。每个晶胞含____个Na＋和____个Cl－。

②CsCl型：在晶体中，每个Cl－吸引____个Cs＋，每个Cs＋吸引____个Cl－，配位数为____。

(4)石墨晶体

石墨层状晶体中，层与层之间的作用是____________________，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是____，C原子采取的杂化方式是______。

问题思考

2．在晶体模型中，金刚石中的“铁棍”和干冰中的“铁棍”表示的意义一样吗？分子晶体中有化学键吗？

一、晶体基本类型和性质的比较

典例导悟

1(2013·徐州质检)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．原子晶体中的相邻原子间只存在非极性共价键

C．离子晶体中可能含有共价键

D．金属晶体的熔点和沸点都很高

二、晶体的有关计算

1．确定晶体组成的方法——均摊法

均摊法：指每个晶胞平均拥有的粒子数目。如：某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有1/n属于一个晶胞。

(1)长方体形(正方体)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献

①处于顶点的粒子，同时为____个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为____。②处于棱上的粒子，同时为____个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为____。③处于面上的粒子，同时为____个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为____。④处于体心的粒子，则完全属于该晶胞，对晶胞的贡献为____。

(2)非长方体形(正方体)晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定。如石墨晶胞每一层内6个碳原子排成六边形，其顶点的1个碳原子对六边形的贡献为1/3。

典例导悟

2

右图为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构是具有代表性的最小重复单元。

(1)在该物质的晶体中，每个钛离子周围与它最近且等距离的钛原子共有____个。 (2)该晶体中，元素氧、钛、钙的个数比是________。 2．晶体密度(或微粒间距离)的计算

解题思路知道微粒间距离――→根据晶胞结构

晶胞体积――→摩尔质量

密度，或已知密度求微粒间距离。

典例导悟3右图是

氯化铯晶体的晶胞(晶体中的最小重复单元)，已知晶体中两个最近的Cs＋核间距离为a cm，氯化铯的相对分子质量为M，N A为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体密度是()

A.8M N A a 3g·cm －3

B.8Ma 38N A

g·cm －3 C.M N A a 3g·cm －3D.Ma 3N A a

3g·cm －3

题组一晶体的“分割”与计算

1．[2013·课标全国卷－37(5)]六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5pm 。立方氮化硼晶胞中含有______

个氮原子、______个硼原子、立方氮化硼的密度是__________________g·cm －

3(只要求列算式，不必计算出数值。阿伏加德罗常数为N A )。

2．[2013·山东理综－32(4)]CaO 与NaCl 的晶胞同为面心立方结构，已知CaO 晶体密度

为a g·cm －3

，N A 表示阿伏加德罗常数，则CaO 晶胞体积为________cm 3。

3．(2013·全国理综Ⅰ，13)下面关于SiO 2晶体网状结构的叙述正确的是( )

A ．最小的环上，有3个Si 原子和3个O 原子

B ．最小的环上，Si 和O 原子数之比为1∶2

C ．最小的环上，有6个Si 原子和6个O 原子

D ．存在四面体结构单元，O 处于中心，Si 处于4个顶点

4.[2013·全国课标卷，37(4)]X 、Y 、Z 可形成立方晶体结构的化合物，其晶胞中X 占据所有棱的中心，Y 位于顶角，Z 处于体心位置，则该晶体的组成为X ∶Y ∶Z ＝________。

5．[2013·山东理综，32(4)]铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构是：Pb4＋处于立方晶胞顶点，Ba2＋处于晶胞中心，O2－处于晶胞棱边中心。该化合物化学式为__________，每个Ba2＋与______个O2－配位。

题组二晶体的类型与晶体的性质

6．(2013·江苏－21A)原子序数小于36的X、Y、Z、W四种元素，其中X是形成化合物种类最多的元素，Y原子基态时最外层电子数是其内层电子总数的2倍，Z原子基态时2p原子轨道上有3个未成对的电子，W的原子序数为29。回答下列问题：

(1)Y2X2分子中Y原子轨道的杂化类型为__________，1molY2X2含有σ键的数目为

________。

(2)化合物ZX3的沸点比化合物YX4的高，其主要原因是______________________。

(3)元素Y的一种氧化物与元素Z的一种氧化物互为等电子体，元素Z的这种氧化物的分子式是____________。

(4)元素W的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示，

该氯化物的化学式是__________，它可与浓盐酸发生非氧化还原反应，生成配合物H n WCl3，反应的化学方程式为________________________________________________。

7．(2013·浙江理综，8)有X、Y、Z、W、M五种短周期元素，其中X、Y、Z、W同周期，Z、M同主族；X＋与M2－具有相同的电子层结构；离子半径：Z2－>W－；Y的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料。

下列说法中，正确的是()

A．X、M两种元素只能形成X2M型化合物

B．由于W、Z、M元素的氢化物相对分子质量依次减小，所以其沸点依次降低

C．元素Y、Z、W的单质晶体属于同种类型的晶体

D．元素W和M的某些单质可作为水处理中的消毒剂

8．[2013·海南，19(Ⅱ)]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______FeO(填“<”或“>”)；

(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下图所示。该合金的化学式为____________；

题组一晶体的结构与性质

1．下列关于晶体的说法正确的是()

A．在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子

B．在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子

C．原子晶体的熔点一定比金属晶体的高

D．分子晶体的熔点一定比金属晶体的低

2．(2013·苏州调研)下列性质适合分子晶体的是()

①熔点1070℃，易溶于水，水溶液导电

②熔点10.31℃，液态不导电，水溶液导电

③能溶于CS2，熔点112.8℃，沸点444.6℃

④熔点97.81℃，质软导电，密度为0.97g·cm－3

A．①②B．②③C．①④D．③④

题组二常见晶体及其结构的认识

3．如下图表示一些晶体中的某些结构，它们分别是NaCl、CsCl、干冰、金刚石、石墨结构中的某一种的某一部分。

(1)其中代表金刚石的是(填编号字母，下同)____，其中每个碳原子与____个碳原子最接近且距离相等。金刚石属于________晶体。

(2)其中代表石墨的是____，其中每个正六边形占有的碳原子数平均为____个。

(3)其中代表NaCl的是____，每个Na＋周围与它最接近且距离相等的Na＋有____个。

(4)代表CsCl的是____，它属于________晶体，每个Cs＋与____个Cl－紧邻。

(5)代表干冰的是____，它属于________晶体，每个CO2分子与______个CO2分子紧邻。

题组三晶体的有关计算

4．(2013·沈阳质检)最近科学家发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如右

图所示。图中顶点和面心的原子都是钛原子，棱的中心和体心的原子都是碳原子，该分子的化学式是()

A．Ti13C14B．Ti14C13

C．Ti4C5D．TiC

5．(2013·张家港联考)金晶体的最小重复单元(也称晶胞)是面心立方体，即在立方体的8个顶点及

各个面的中心各有一个金原子，每个金原子被相邻的晶胞所共用(右图)。金原子的直径为d，用N A表示阿伏加德罗常数，M表示金的摩尔质量。

(1)金晶体每个晶胞中含有____个金原子。

(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定_____________。

(3)一个晶胞的体积是______。

(4)金晶体的密度是__________。

题组四综合探究

6．已知A、B、C、D、E五种元素的原子序数依次递增，A、B、C、D位于前三周期。A位于周期表的s区，其原子中电子层数和未成对电子数相同；B的基态原子中电子占据三种能量不同的原子轨道，且每种轨道中的电子总数相同；D原子的核外成对电子数是未成对电子数的3倍。A、B、D三种元素组成的一种化合物M是新装修居室中常含有的一种有害气体，A、B两种元素组成的原子个数之比为1∶1的化合物N是常见的有机溶剂。E有“生物金属”之称，E4＋和氩原子的核外电子排布相同。

请回答下列问题(答题时，A、B、C、D、E均用所对应的元素符号表示)：

(1)E的基态原子的外围电子排布式为__________。

(2)由A、B、C形成的ABC分子中，含有______个σ键，______个π键。

(3)下列叙述正确的是________(填字母)。

a．M易溶于水，是因为M与水分子之间能形成氢键，且M是极性分子；N不溶于水，是因为N是非极性分子

b．M和二氧化碳分子中的中心原子均采用sp2杂化

c．N分子中含有6个σ键和1个π键

d．BD2晶体的熔点、沸点都比二氧化硅晶体的低

(4)E的一种氧化物Q，其晶胞结

构如图所示，则Q的化学式为_____________________________________________，该晶体中氧原子的配位数为______________________________________________。

(5)B、C、D三种元素的第一电离能由小到大的顺序为__________。

(6)在浓的ECl3的盐酸溶液中加入乙醚，并通入HCl至饱和，可得到配位数为6、组成为ECl3·6H2O的绿色晶体，该晶体中两种配体的物质的量之比为1∶5，则该配离子的化学式为__________。

学案58晶体的结构与性质

【课前准备区】

知识点一

1．周期性有序无序有无固定不固定各向异性各向同性熔点X-射线衍射

2．(1)熔融态物质凝固

(2)气态物质冷却不经液态直接凝固

(3)溶质从溶液中析出

3．(1)基本单元

(2)①任何间隙②平行取向

知识点二

1．(1)分子(2)范德华力氢键

(3)12

2．(2)共价键

知识点三

1．(1)价电子所有原子

(2)金属阳离子自由电子金属键差别很大

2．6812 知识点四

1．(1)①阴、阳离子静电作用 ②离子键

(2)①晶体中阴、阳离子的半径比决定晶体结构 (3)熔沸硬度

2．(1)释放 (2)①稳定性 知识点五 (1)①4109°28′六2 ②42十二Si (2)①12②42 (3)①66644 ②888

(4)分子间作用力2sp 2 问题思考

1．(1)具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如玻璃；

(2)晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的最小部分，而不一定是最小的“平行六面体”。

2．不一样，金刚石中表示的是C －C 共价键，而干冰中的“铁棍”表示分子间作用力，分子晶体中多数含有化学键(如CO 2中的C===O 键)，少数则无(如稀有气体形成的晶体)。

【课堂活动区】

一、分子原子金属阳离子、自由电子阴、阳离子分子间作用力共价键金属键离子键很高较高难溶于任何溶剂常见溶剂难溶大多易溶于水等极性溶剂

二、1.(1)①818②414③21

2

④1

典例导悟

1．C[稀有气体为单原子分子，晶体中分子内无共价键，A 不正确；SiO 2晶体为原子晶体，Si 原子与氧原子间为极性键，B 不正确；Na 2O 2、铵盐等离子晶体中含有共价键，C 正确；不同金属晶体、金属键强弱不同，其熔、沸点差别很大，D 不正确。]

2．(1)6 (2)3∶1∶1

解析从所给模型图中可确定晶体中距离最近的钛原子的相对位置为

，即每个钛原子周围与它最近且等距离的钛

原子有6个。图中钙原子位于立方体体心，为该立方体单独占有；钛原子位于顶点，为8个

立方体共有，故每个立方体拥有钛原子数为8×1

8

＝1(个)；氧原子位于棱上，为4个立方体所

共有，每个立方体拥有氧原子数为12×1

4

＝3(个)，故N (O)∶N (Ti)∶N (Ca)＝3∶1∶1。

3．C[该晶胞中含有1个Cs ＋和1个Cl －

，则1个CsCl 分子的质量为M N

g ，晶胞的体积为

a 3cm 3，故密度为M N A a

3g·cm －

3。] 【课后练习区】 高考集训

1．4425×4

(361.5×10－

10)3×N A 解析依据金刚石的晶胞结构及化学式BN 可确定立方氮化硼晶胞中含有4个N 原子，4

个B 原子。则一个晶胞的质量可表示为25

N A ×4g(BN 的摩尔质量为25g·mol －1)，一个晶胞的体

积可表示为(361.5×10－10)3cm 3(1pm ＝10－12m ＝10－10cm)，晶体密度的表达式为

25×4

(361.5×10－10)3×N A

g·cm －3。 2.224N A ·a 解析根据CaO 晶胞与NaCl 晶胞相同，可知CaO 晶胞中含有4个Ca 2＋和4个O 2－，则

晶胞质量为m ＝56g N A ×4＝224N A g ，则晶胞的体积V ＝m ρ＝224g N A ·a g·cm －3＝224N A ·

a cm 3

。

3．C

4．3∶1∶1

解析每一个晶胞中实际拥有的离子数目的计算规律为：顶点：18、棱上：14、面心：1

2、体

心：晶胞独有，推出X ∶Y ∶Z ＝3∶1∶1。

5．BaPbO 312

解析根据共用关系，每个晶胞中含有Pb 4＋：8×18＝1Ba 2＋：1O 2－：12×1

4＝3，故化学式

为BaPbO 3。Ba 2＋处于晶胞中心，只有1个，O 2－处于晶胞棱边中心，共12个，故每个Ba 2＋与12个O 2－配位。

6．(1)sp 杂化 (2)3N A 或3×6.02×1023 (2)NH 3分子间存在氢键 (3)N 2O

(4)CuClCuCl ＋2HCl(浓)===H 2CuCl 3(或CuCl ＋2HCl(浓)===H 2[CuCl 3])

解析形成化合物种类最多的元素是H ，基态时，最外层电子数是内层电子数2倍的元素是C,2p 原子轨道上有3个未成对电子的是N 元素，原子序数为29的是Cu 元素。

(1)C 2H 2是直线形分子，C 原子杂化方式为sp 杂化，C 2H 2分子中有一个碳碳三键，因此1molC 2H 2分子中有3N A σ键，即3×6.02×1023个。

(2)由于NH 3分子间存在氢键，使其沸点较高。 (3)CO 2和N 2O 都是22个电子，二者互为等电子体。

(4)晶胞中Cu 的个数为8×1/8＋6×1/2＝4，而Cl 全在晶胞中，因此该晶体的化学式为CuCl 。

7．D[X ＋与M 2－具有相同的电子层结构且均属于短周期元素，可推知X 为钠元素，M 为氧元素，由此可知Z 为硫元素；X 、Y 、Z 、W 属于同周期元素，由离子半径：Z 2－>W －，可推知W 为氯元素；Y 的单质晶体熔点高、硬度大，是一种重要的半导体材料，不难判断，Y

为硅元素。Na 与O 两种元素可形成Na 2O 和Na 2O 2两种化合物，故A 项错误；虽然HCl 、H 2S 、H 2O 相对分子质量依次减小，但因H 2O 分子间存在氢键，沸点高于HCl 和H 2S ，故B 项错误；单质Si 属于原子晶体，单质S 和Cl 2属于分子晶体，故C 项错误；O 3和Cl 2都具有强氧化性，可作为水处理的消毒剂，故D 项正确。]

8．(1)[Ar]3d 84s 2或1s 22s 22p 63s 23p 63d 84s 2 (2)> (3)66 (4)LaNi 5

解析 (1)核外电子排布式与价电子排布式要区别开。

(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 晶体结构类型与NaCl 相同，而NaCl 晶体中Na ＋、Cl －的配位数都是6，所以，NiO 晶体Ni 2＋、O 2－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 ：8×18＝1，Ni ：1＋8×1

2＝5。所以该合

金的化学式为LaNi 5。

考点集训

1．A[在原子晶体中构成晶体的粒子是原子，在离子晶体中构成晶体的粒子是阳离子和阴离子；在分子晶体中构成晶体的粒子是分子，在金属晶体中构成晶体的粒子是金属阳离子和自由电子，故选项B 错误；晶体的熔点一般是原子晶体>离子晶体>分子晶体，而金属晶体的熔点相差比较大，晶体硅的熔点(1 410 ℃)要比金属钨的熔点(3 410℃)低，而金属汞的熔点(常温下是液体)比蔗糖、白磷(常温下是固态，分子晶体)等低，所以选项B 、C 、D 不正确。]

2．B[①熔点高，不是分子晶体，分子晶体熔点较低；④选项是金属钠的性质。] 3．(1)D4原子

(2)E2 (3)A12 (4)C 离子8 (5)B 分子12

4．B[因为该结构是气态团簇分子，Ti 、C 原子不存在与其他分子间的共用关系，故由示意图数出Ti 和C 原子的个数可确定其分子式为Ti 14C 13。]

5．(1)4

(2)金属原子间相接触，即相切 (3)22d 3

(4)2M d 3N A

解析利用均摊法解题，8个顶角上金原子有18属于该晶胞，每个面上金原子有1

2属于该晶

胞，共有6个，故每个晶胞中金原子个数＝8×18＋6×1

2

＝4。假设金原子间相接触，则有

正方形的对角线为2d。正方形边长为2d。所以V晶＝(2d)3＝22d3，

V m＝V晶

4N A＝

2

2d

3N A，所以ρ＝

M

V m

＝2M

d3N A

。

6．(1)3d24s2(2)22(3)ad(4)TiO23

(5)C

解析根据原子的构造原理可知B、D分别是碳和氧，所以C必然是氮，新装修居室中常含有的有害气体M是HCHO，故A是氢。E的原子序数是22，E是钛。

(1)根据构造原理可得钛的基态原子的外围电子排布式为3d24s2。

(2)HCN的结构式为H—C≡N，所以分子中含2个σ键，2个π键。

(3)HCHO是极性分子，N是苯，是非极性分子，a正确；HCHO中的碳原子是sp2杂化，CO2中的碳原子是sp杂化，b错；苯分子中12个σ键(6个碳碳σ键，6个碳氢σ键)，一个大π键，c错；CO2是分子晶体，SiO2是原子晶体，d正确。

(4)钛原子在晶胞的顶点和体心，则一个晶胞中有2个钛原子，氧原子有四个位于面内，2个位于晶胞内，故每个晶胞中有4个氧原子，故Q的化学式是TiO2。

(5)N原子2p轨道处于半满状态，使其第一电离能略高于C、O，碳的非金属性比氧弱，第一电离能也较小，故三者的第一电离能大小顺序为C

(6)TiCl3中钛为＋3价，其两个配体分别是Cl－、H2O，故配离子的化学式为[TiCl(H2O)5]2＋。