高中化学选修三——晶体结构与性质

晶体结构与性质

一、晶体的常识

1.晶体与非晶体

得到晶体的途径：熔融态物质凝固；凝华；溶质从溶液中析出

特性：①自范性；②各向异性（强度、导热性、光学性质等）

③固定的熔点；④能使X-射线产生衍射（区分晶体和非晶体最可靠的科学方法）

2.晶胞--描述晶体结构的基本单元，即晶体中无限重复的部分

一个晶胞平均占有的原子数=×晶胞顶角上的原子数+×晶胞棱上的原子+×晶胞面上

的粒子数+1×晶胞体心内的原子数

思考：下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(I

2

)、金刚石(C)晶胞的示意图，它们分别平均含几个原子？

eg：1.晶体具有各向异性。如蓝晶（Al

2O

3

·SiO

2

）在不同方向上的硬度不同；又如石墨与

层垂直方向上的电导率和与层平行方向上的电导率之比为1：1000。晶体的各向异性主要表现在（）

①硬度②导热性③导电性④光学性质

A.①③

B.②④

C.①②③

D.①②③④

2.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.晶体一定是无色透明的固体

C.非晶体无自范性而且排列无序

D.固体SiO

2

一定是晶体

3.下图是CO

2

分子晶体的晶胞结构示意图，其中有多少个原子？

二、分子晶体与原子晶体

1.分子晶体--分子间以分子间作用力（范德华力、氢键）相结合的晶体

注意：a.构成分子晶体的粒子是分子

b.分子晶体中，分子内的原子间以共价键结合，相邻分子间以分子间作用力结合

①物理性质

a.较低的熔、沸点

b.较小的硬度

c.一般都是绝缘体，熔融状态也不导电

d.“相似相溶原理”：非极性分子一般能溶于非极性溶剂，极性分子一般能溶于极性溶剂

②典型的分子晶体

a.非金属氢化物：H

2O、H

2

S、NH

3

、CH

4

、HX等

b.酸：H

2SO

4

、HNO

3

、H

3

PO

4

等

c.部分非金属单质:：X

2、O

2

、H

2

、S

8

、P

4

、C

60

d.部分非金属氧化物：CO

2、SO

2

、NO

2

、N

2

O

4

、P

4

O

6

、P

4

O

10

等

f.大多数有机物：乙醇，冰醋酸，蔗糖等

③结构特征

a.只有范德华力--分子密堆积（每个分子周围有12个紧邻的分子）

CO

2

晶体结构图

b.有分子间氢键--分子的非密堆积以冰的结构为例，可说明氢键具有方向性

④笼状化合物--天然气水合物

2.原子晶体--相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体

注意：a.构成原子晶体的粒子是原子 b.原子间以较强的共价键相结合

①物理性质

a.熔点和沸点高

b.硬度大

c.一般不导电

d.且难溶于一些常见的溶剂

②常见的原子晶体

a.某些非金属单质：金刚石（C）、晶体硅(Si)、晶体硼（B）、晶体锗(Ge)等

b.某些非金属化合物：碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体

c.某些氧化物：二氧化硅（ SiO

2）晶体、Al

2

O

3

金刚石的晶体结构示意图二氧化硅的晶体结构示意图

思考：1.怎样从原子结构角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降

2.“具有共价键的晶体叫做原子晶体”，这种说法对吗？

eg：1.在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是（）

A.HF、HCI、HBr、HI的热稳定性依次减弱

B.金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降

C.F

2、C1

2

、Br

2

、I

2

的熔、沸点逐渐升高

D.N

2

可用做保护气

2.氮化硼是一种新合成的无机材料，它是一种超硬耐磨、耐高温、抗腐蚀的物质。下列各组物质熔化时所克服的微粒间的作用力与氮化硼熔化所克服的微粒间的作用力类型相同的是（）

A.氯化钠和金刚石

B.冰和干冰

C.晶体硅和水晶

D.硼和苯

3.

（）晶体硼的晶体类型属于晶体，理由是

（2）已知晶体硼结构单元是由硼原子组成的正二十面体，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点上各有1个硼原子。通过分析图形及推算，此晶体结构单元由____个硼原子构成，其中B-B键的键角为，共含有

个B-B键

三、金属晶体

1.电子气理论--金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有的金属原子维系在一起

2.

金属阳离子半径越小，所带电荷越多，自由电子越多，金属键越强，熔点就越高，硬度也越大

如：KNa>K>Rb>Cs

3.金属晶体的原子堆积模型

金属原子在二维空间（平面）上有二种排列方式

金属晶体可以看成金属原子在三维空间中堆积而成，有四种基本模式

①简单立方堆积--Po

配位数为6，空间占用率52%，每个晶胞含1个原子

②体心立方堆积--K型（Na、K、Fe）

配位数为8，空间占用率68%，每个晶胞含2个原子

③六方最密堆积--Mg型（Mg、Zn、Ti）

④面心立方堆积--Cu型（Cu、Ag、Au）

4.混合晶体--石墨晶体

石墨质软：石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动

石墨的熔沸点很高（熔点高于金刚石）：石墨各层均为平面网状结构，碳原子以sp2杂化与周围三个碳原子形成σ键，垂直平面的p

z

轨道形成大π键

eg：1.在下列有关晶体的叙述中错误的是（）

A.分子晶体中，一定存在极性共价键

B.原子晶体中，只存在共价键

C.金属晶体的熔沸点差别很大

D.稀有气体的原子能形成分子晶体

2.下列叙述正确的是（）

A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子的

B.原子晶体中只含有共价键

C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键

D.分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键

3.金属晶体中金属离子与自由电子之间的强烈相互作用叫金属键。金属键越强，其金属的硬度越大，熔沸点越高，且据研究表明，一般说来金属原子半径越小，价电子数越多，则金属键越强。由此判断下列说法中错误的是（）

配位数=4（非密置层）配位数=6（密置层）

每两层形成一个周期，

即ABAB堆积方式

配位数为12

空间利用率74%

每个晶胞含2个原子

每三层形成一个周期，

即ABCABC堆积方式

配位数为12

空间利用率74%

每个晶胞含4个原子

每个Cl-周围与之最接

近且距离相等的Na+有

6

个，这几个

Na+构成正

八面体；Na+同理

Cs+位于体心

Cl-位于顶点

在CsCl 晶体的一个晶胞中

含Cs+：1

含Cl-：8×1/8=1

Na+位于顶点和面心

Cl-位于棱心和体心

在NaCl 晶体的一个晶胞中

含Na+：1+12×1/4=4

含Cl-：8×1/8+6×1/2=4

Ca2+位于顶点和面心

F-位于内部

在CaF2晶体的一个晶胞中

含Ca2+：8×1/8+6×1/2=4

含F-：8

A.镁的硬度小于铝

B.镁的熔沸点低于钙

C.镁的硬度大于钾

D.钙的熔沸点高于钾

四、离子晶体

1.离子晶体--由阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体

物理性质：a.硬度较大 b.熔、沸点较高 c.固态时不导电，熔化状态才导电

2.结构模型

①NaCl型晶体

②CsCl型晶体

③CaF

2

型晶体

注意：审题时注意是“分子结构”还是“晶体结构”，若是分子结构，其化学式由图中所有实际存在的原子个数决定，且原子个数比不约简

3.晶格能--气态离子形成1摩尔离子晶体释放的能量，或拆开1mol离子晶体使之形成气态阴离子和气态阳离子所吸收的能量

①晶格能越大，离子晶体越稳定，熔沸点越高，硬度越大

②离子晶体中阴、阳离子半径越小，所带电荷越多，离子键越强，晶格能越大

③岩浆晶出规则与晶格能的关系--晶格能高的晶体熔点较高，更容易在岩浆冷却过程中冷

Ca2+的配位数为8，构成立方体

F-的配位数为4，构成正四面体

eg：1.下列说法正确的是（）

A.一种金属元素和一种非金属元素一定能形成离子化合物

B.离子键只存在于离子化合物中

C.共价键只存在于共价化合物中

D.离子化合物中必定含有金属元素

2.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：CO

>NaCl

2

3.钙钛矿晶胞结构如下图所示

（1）该晶体结构中氧、钛、钙的离子个数比是，化学式可表示为

（2）在该物质的晶体结构中，每个钛离子周围与它最接近且距离相等的钛离子、钙离子各有、个

（3）若钙、钛、氧三元素的相对原子质量分别为a，b，c，晶体结构图中正方体边长(钛原子之间的距离)为dnm（1nm=10-9m），则该晶体的密度为 g/cm3

表示）

（阿伏加德罗常数用N

A

习题精选

1.晶体与非晶体的本质区别是（）

A.晶体有规则的几何外形，而非晶体没有规则的几何外形

B.晶体内粒子有序排列，而非晶体内粒子无序排列

C.晶体有固定熔、沸点，而非晶体没有固定熔、沸点

D.晶体的硬度大，而非晶体的硬度小

2.石墨晶体的层面上每个正六边型拥有的共价键数和碳原子数分别为（）

A.6，6

B.2，4

C.2，3

D.3，2

3.X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于Y，W可以形成自然界中最硬的原子晶体，下列叙述错误的是（）

A.WX

是沼气的主要成分

4

Y是分子晶体

B.固态X

2

C.ZW是原子晶体

D.ZY

的水溶液俗称“水玻璃”

2

4.下列有关晶体结构的叙述中，不正确的是（）

A.冰晶体中，每个水分子与周围最近的4个水分子通过氢键相吸引，并形成四面体

B.干冰晶体中，每个晶胞平均含有8个氧原子

C.金刚石晶体中，碳原子与C-C键之比为1∶2

D.二氧化硅晶体中，最小环是由6个硅原子组成的六元环

5.下列有关原子晶体的叙述中，不正确的是（）

A.原子晶体中可能存在非极性共价键

B.原子晶体的硬度一般比分子晶体的高

C.在SiO

晶体中，1个硅原子和2个氧原子以共价键结合

2

D.金刚砂晶体是直接由硅原子和碳原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体

6.关于晶体的下列说法正确的是（）

A.1mol金刚石晶体中含有4mol共价键

B.金属镁、金刚石和固体氖都是由原子直接构成的单质晶体

C.金属晶体的熔点可能比分子晶体的低，也可能比原子晶体的高

D.铜晶体中，1个铜离子跟2个价电子间有较强的相互作用

7.某晶体的部分结构为正三棱柱，这种晶体中A、B、C三种微粒数目之比为（）

A.3∶9∶4

B.1∶4∶2

C.2∶9∶4

D.3∶8∶4

8.前些年报道的硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。如图所示是该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子，6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为（）

A.MgB

B.MgB

2 C.Mg

2

B D.Mg

3

B

2

9.根据下列性质判断，属于离子晶体的是（）

A.熔点2700℃，导电性好，延展性强

B.无色晶体，熔点3550℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂

C.无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点800℃，熔化时能导电

D.熔点-56.6℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电

10.下列有关晶体的叙述中不正确的是（）

A.金刚石的网状结构中,由共价键形成的碳原子环中,最小的环上有6个碳原子

B.NaCl晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+离子共有6个

C.CsCl晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl-

D.干冰晶体中,每个二氧化碳分子周围紧邻12个二氧化碳分子

11.下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是（）

A.熔点：NaF＞MgF

2＞AlF

3

B.晶格能：NaF＞NaCl＞NaBr

C.阴离子的配位数：CsCl＞NaCl＞CaF

2

D.硬度：MgO＞CaO＞BaO

12.有关物质的结构和组成如图所示，下列说法中不正确的是（）

A.在NaCl晶体中，距Na+最近的Cl-形成正八面体

B.该气态团簇分子的分子式为EF或FE

C.在CO

2晶体中，一个CO

2

分子周围有12个CO

2

分子紧邻

D.在碘晶体中，碘分子的排列有两种不同的方向

13.BCl

3的熔点为10.7℃，沸点为12.5℃。在BCl

3

分子中，Cl-B-Cl键角为120°，它可

以水解，水解产物之一是HCl。下列对BCl

3

的叙述中正确的是（）

A.BCl

3

是原子晶体

B.熔化时BCl

3

能导电

C.BCl

3

分子是一种极性分子

D.水解方程式：BCl

3 + 3H

2

O ? H

3

BO

3

+ 3HCl

14.有四种不同堆积方式的金属晶体的晶胞如图所示，有关说法正确的是（）

A.①为简单立方堆积，②为六方最密堆积，③为体心立方堆积，④为面心立方最密堆积

B.每个晶胞含有的原子数分别为：①1个，②2个，③3个，④4个

C.晶胞中原子的配位数分别为：①6，②8，③12，④12

D.空间利用率的大小关系为：①<②<③<④

15.C

60

、金刚石和石墨的结构模型如图所示(石墨仅表示出其中的一层结构)

（1）C

60

、金刚石和石墨三者的关系是互为

A.同分异构体

B.同素异形体

C.同系物

D.同位素

（2）固态时，C

60

属于 (填“原子”或“分子”)晶体，其熔点比金刚石

(填“高”、“低”或“无法确定”)

（3）晶体硅的结构跟金刚石相似，1 mol硅晶体中含有硅硅单键的数目约是

N

A

个；二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅硅单键之间插入1个氧原子，二氧化硅的空间网状结构中，硅、氧原子形成的最小环上氧原子数目是

（4）石墨层状结构中，平均每个正六边形占有的碳原子数是个

16.下图为一个金属铜的晶胞，请完成以下各题

（1）该晶胞拥有的铜原子数是 个 （2）该晶胞称为 （填序号）

A.六方晶胞

B.体心立方晶胞

C.面心立方晶胞

（3）此晶胞立方体的边长为a cm ，Cu 的相对原子质量为64，金属铜的密度为ρg/cm 3，则阿伏加德罗常数为 （用a 、ρ表示） 17.（1）A 组属于 晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是 （2）B 组晶体共同的物理性质是 （填序号）

①有金属光泽 ②导电性 ③导热性 ④延展性

（3）C 组中HF 熔点反常是由于 （4）D 组晶体可能具有的性质是 （填序号）

①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④熔融状态能导电

（5）D 组晶体的熔点由高到低的顺序为：NaCl ＞KCl ＞RbCl ＞CsCl ，其原因解释为 18.氮化硼（BN ）是一种重要的功能陶瓷材料。以天然硼砂为起始物，经过一系列反应可以得到BF3和BN ，如下图所示 请回答下列问题：

（1）由B 2O 3制备BN 的化学方程式是 （2）基态B 原子的电子排布式为 ；B 和N 相比，电负性较大的是 ，BN 中B 元素的化合价为

（3）在BF 3分子中，F-B-F 的键角是 ， B 原子的杂化轨道类型为 ，BF 3和过

量NaF 作用可生成NaBF 4，BF -

4的立体构型为

（4）在与石墨结构相似的六方氮化硼晶体中，层内B 原子与N 原子之间的化学键为 ，层间作用力为

（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361.5 pm ，立方氮化硼的一个晶胞中含有 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 ，上图为金刚石晶胞）

19.下图为CaF 2、H 3BO 3（层状结构，层内的H 3BO 3分子通过氢键结合）、金属铜三种晶体的结构示意图，请回答下列问题：

（1）图Ⅰ所示的CaF 2晶体中与Ca 2+

子形成晶体后周围最紧邻的铜原子数为

（2）图Ⅱ所示的物质结构中最外能层已达8电子结构的原子是 ，H 3BO 3晶体中B 原子个数与极性键个数比为

（3）金属铜具有很好的延展性、导电性、传热性，对此现象最简单的解释是用

理论

（4）三种晶体中熔点最低的是 （填化学式），其晶体受热熔化时，克服的微粒之间的相互作用为

（5）已知两个距离最近的Ca 2+核间距离为a ×10-8cm ，结合CaF 2晶体的晶胞示意图，CaF 2晶体的密度为 （列出表达式，MCaF 2= 78 g ·mol -1）

20.VIA 族的氧、硫、硒(Se)、碲(Te)等元素在化合物中常表现出多种氧化态，含VIA 族元素的化合物在研究和生产中有许多重要用途。请回答下列问题：

（1）S 单质的常见形式为S 8，其环状结构如下图所示，S 原子采用的轨道杂化方式是 （2）O 、S 、Se 原子的第一电离能由大到小的顺序为 （3）Se 原子序数为 ，其核外M 层电子的排布式为 （4）H 2Se 的酸性比H 2S （填“强”或“弱”）。气态SeO 3分子的立体构型

为 ，SO 2-

3离子的立体构型为 （5）H 2SeO 3的K 1和K 2分别为2.7×10-3和2.5×10-8，H 2SeO 4第一步几乎完全电离，K 2为1.2

×10-2

，请根据结构与性质的关系解释：

①H 2SeO 3和H 2SeO 4第一步电离程度大于第二步电离的原因 ②H 2SeO 4比H 2SeO 3酸性强的原因

（6）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540.0 pm ，密度为 g ·cm -3（列式并计算），

a 位置S 2-离子与

b 位置Zn 2+

离子之间的距离为 pm （列式表示）

21.碳元素不仅能形成丰富多彩的有机化合物，而且还能形成多种无机化合物，同时自身可以形成多种单质，碳及其化合物的用途广泛

（1）C 60分子的晶体中，在晶胞的顶点和面心均含有一个C 60分子，则一个C 60晶胞的质量为 g

（2）干冰和冰是两种常见的分子晶体，下列关于两种晶体的比较中正确的是

a.晶体的密度：干冰＞冰

b.晶体的熔点：干冰＞冰

c.晶体中的空间利用率：干冰＞冰

d.晶体中分子间相互作用力类型相同

（3）金刚石和石墨是碳元素形成的两种常见单质，下列关于这两种单质的叙述中正确的有

a.金刚石中碳原子的杂化类型为sp 3杂化，石墨中碳原子的杂化类型为sp 2杂化

b.晶体中共价键的键长：金刚石中C-C ＜石墨中C-C

c.晶体的熔点：金刚石＞石墨

d.晶体中共价键的键角：金刚石＞石墨

e.金刚石晶体中只存在共价键，石墨晶体中则存在共价键、金属键和范德华力

f.金刚石和石墨的熔点都很高，所以金刚石和石墨都是原子晶体

（4）金刚石晶胞结构如图，立方BN 结构与金刚石相似，在BN 晶体中，B 原子周围最近的N 原子所构成的立体图形为 ，B 原子与N 原子之间共价键与配位键的数目比为 ，一个晶胞中N 原子数目为

（5）C 与孔雀石共热可以得到金属铜，铜原子的原子结构示意图为 ，金属铜采用面心立方最密堆积（在晶胞的顶点和面心均含有一个Cu 原子），则Cu 的晶体中Cu 原子

的配位数为 。已知Cu 单质的晶体密度为ρg/cm 3

，Cu 的相对原子质量为M ，阿伏伽德罗常数N A ，则Cu 的原子半径为

22. 前四周期原子序数依次增大的元素A ，B ，C ，D 中，A 和B 的价电子层中未成对电子均只有1个，平且A -和B +的电子相差为8；与B 位于同一周期的C 和D ，它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2，且原子序数相差为2 回答下列问题：

（1）D 2+的价层电子排布图为

（2）四种元素中第一电离最小的是，电负性最大的是（填元素符号）（3）A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示

①该化合物的化学式为；D的配位数为

②列式计算该晶体的密度 g·cm-3

（4）A-、B+和C3+三种离子组成的化合物B

3CA

6

，其中化学键的类型有；该化合物

中存在一个复杂离子，该离子的化学式为，配位体是

23.东晋《华阳国志·南中志》卷四中已有关于白铜的记载，云南镍白铜（铜镍合金）闻名中外，曾主要用于造币，亦可用于制作仿银饰品。回答下列问题：

（1）镍元素基态原子的电子排布式为，3d能级上的未成对电子数为

（2）硫酸镍溶于氨水形成[Ni(NH

3)

6

]SO

4

蓝色溶液

①[Ni(NH

3)

6

]SO

4

中阴离子的立体构型是

②在[Ni(NH

3)

6

]SO

4

中Ni2+与NH

3

之间形成的化学键称为，提供孤电子对的

成键原子是

③氨的沸点（填“高于”或“低于”）膦（PH

3

），原因是

；氨是分子（填“极性”或“非极性”），中心原子的轨道杂化类型为

（3）单质铜及镍都是由键形成的晶体；元素铜与镍的第二电离能分别为：I

Cu

=1958

kJ·mol-1、I

Ni =1753 kJ·mol-1，I

Cu

> I

Ni

的原因是

（4）某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示

①晶胞中铜原子与镍原子的数量比为

②若合金的密度为d g·cm-3，晶胞参数a= nm （Cu、Ni的相对原子质量分别为64、59）