高中化学第3章第2节第2课时离子晶体教案鲁科版选修3
第2课时离子晶体
[学习目标定位] 1.正确理解离子键、离子晶体的概念，知道离子晶体类型与其性质的联系。2.认识晶格能的概念和意义，能根据晶格能的大小，分析晶体的性质。
一离子晶体结构模型
离子晶体中，阴离子呈等径圆球密堆积，阳离子有序地填在阴离子的空隙中，每个离子周围等距离地排列着异电性离子，被异电性离子包围。
1．观察分析表中AB型离子晶体的结构模型，填写下表：
2．右图是CaF2晶体的晶胞示意图
回答下列问题：
(1)Ca2＋的配位数是8，F－的配位数是4。
(2)该晶胞中含有的Ca2＋数目是4，F－数目是8。
3．问题讨论：
(1)在NaCl和CsCl两种晶体中，阴、阳离子的个数比都是1∶1，都属于AB型离子晶体，为什么二者的配位数不同、晶体结构不同？
答案在NaCl晶体中，正负离子的半径比r＋/r－＝0.525，在CsCl晶体中，r＋/r－＝0.934，由于r＋/r－值的不同，结果使晶体中离子的配位数不同，其晶体结构不同。NaCl晶体中阴、阳离子的配位数都是6，CsCl晶体中阴、阳离子的配位数都是8。r＋/r－数值越大，离子的配位数越高。
(2)为什么在NaCl(或CsCl)晶体中，正负离子的配位数相同；而在CaF2晶体中，正负离子的配位数不相同？
答案在NaCl、CsCl晶体中，正负离子的配位数相同，是由于正负离子电荷(绝对值)相同，因而正负离子的个数相同，结果导致正负离子的配位数相同；若正负离子的电荷不相同，正负离子的个数必定不相同，结果正负离子的配位数就不会相同。CaF2晶体中，Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4，离子所带电荷越多，配位数越多。
(3)根据离子晶体的形成，推测离子晶体具有怎样的特性？
答案离子晶体是由阴、阳离子间通过较强的离子键而形成的，所以离子晶体具有较高的熔、沸点，难挥发，硬度较大，离子晶体不导电，熔化或溶于水后能导电。大多数离子晶体能溶于水，难溶于有机溶剂。
[归纳总结]
1．离子键无方向性和饱和性，在离子晶体中阴、阳离子与异电性离子接触尽可能采用最密堆积，可以看作是不等径圆球密堆积。
2．晶体中正负离子的半径比是决定离子晶体结构的重要因素，简称几何因素。此外正负离子的电荷比也是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素。
3．强碱、活泼金属氧化物、大多数盐类都是离子化合物。它们在通常条件下都是固体，都属于离子晶体。
4．一般说来，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高，如：Al2O3>MgO，NaCl>CsCl等。
[活学活用]
1．下列关于氯化钠晶体结构的说法中正确的是( )
A．氯化钠晶体中，阴、阳离子的配位数相等
B．氯化钠的晶体结构中，每1个Na＋仅结合1个Cl－
C．氯化钠的晶胞中的质点代表一个NaCl
D．氯化钠晶体中存在单个的NaCl分子
答案 A
解析氯化钠晶体中，每个Na＋周围结合6个Cl－，而每个Cl－周围结合6个Na＋；NaCl 只表示Na＋和Cl－个数比为1∶1。
2．下列性质中，可以较充分说明某晶体是离子晶体的是( )
A．具有较高的熔点
B．固态不导电，水溶液能导电
C．可溶于水
D．固态不导电，熔融状态能导电
答案 D
解析
二晶格能1．晶格能是指将1_mol离子晶体中的阴、阳离子完全气化而远离所吸收的能量。
(1)吸收的能量越多，晶格能越大，表示离子键越强，离子晶体越稳定。
(2)晶格能符号为U，通常取正值，单位kJ·mol－1。
2．观察分析下表，回答下列问题：
(1)
答案影响晶格能的因素：离子所带的电荷数和阴、阳离子间的距离(与离子半径成正比)。晶格能与离子所带电荷数的乘积成正比，与阴、阳离子间的距离成反比。
(2)晶格能与晶体的熔点、硬度有怎样的关系？
答案晶格能的数据可以用来说明许多典型离子晶体的性质变化规律，晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，晶体的熔、沸点越高，硬度越大。
[归纳总结]
影响离子键强度的因素
(1)离子电荷数的影响：电荷数越多，晶格能越大，离子键越牢固，离子晶体的熔点越高、硬度越大。
(2)离子半径的影响：半径越大，导致离子核间距越大，晶格能越小，离子键越易断裂，离子晶体的熔点越低、硬度越小。
[活学活用]
3．一种金属晶体与一种离子晶体相比较，正确的是( )
A．金属晶体一定比离子晶体微粒堆积得更密集
B．金属晶体一定比离子晶体硬度大
C．金属晶体一定比离子晶体熔点高
D．金属晶体一定比离子晶体导电性强
答案 D
解析一般来说，金属晶体和离子晶体的微粒堆积方式均为密堆积，但具体到某一种金属晶体或离子晶体，就很难说谁的微粒堆积更密集了。离子晶体的熔点和硬度普遍较高；金属晶体的熔点和硬度有的很高，也有的很低。金属晶体都有导电性，离子晶体熔融态时都导电固态时不导电。
4．NaF、NaI、MgO晶体均为离子晶体，根据下列数据，这三种晶体的熔点高低顺序是( )
A
C．③>②>①D．②>①>③
答案 B
解析NaF、NaI、MgO均为离子晶体，它们熔点高低由离子键强弱决定，而离子键的强弱与键长和离子电荷数有关，MgO中键长最短，离子电荷数最高，故离子键最强。
离子晶体?????
构成微粒：阴、阳离子
微粒间作用：离子键
堆积形式：非等径圆球密堆积
物理性质：与晶格能有关典型例子：NaCl 、CsCl 、ZnS
当堂检测
1．下列各类化合物中，固态时只能形成离子晶体的是( )
A ．非金属氧化物
B ．非金属单质
C ．强酸
D ．强碱
答案 D
2．下列物质中，属于离子晶体，并且含有共价键的是( ) A ．CaCl 2 B ．MgO C ．N 2
D ．NH 4Cl
答案 D
解析 N 2中只有共价键。CaCl 2、MgO 、NH 4Cl 都是离子晶体，CaCl 2、MgO 中只含离子键，而NH 4Cl 的NH ＋
4中N —H 是共价键。
3．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 答案 A
解析 由于Na ＋
、Mg 2＋
、Al 3＋
的离子半径依次减小，所带电荷数依次增加，所以NaF 、MgF 2、AlF 3的晶格能依次增大，即熔点依次升高；F －
、Cl －
、Br －
的半径依次增大，NaF 、NaCl 、
NaBr 的晶格能依次减小；CsCl 、NaCl 、CaF 2中阴离子的配位数分别为8、6、4；Mg 2＋、Ca 2＋
、Ba 2＋
的半径依次增大，MgO 、CaO 、BaO 的晶格能依次减小，即硬度依次减小。
4．下列关于晶格能的叙述中正确的是( ) A ．晶格能仅与形成晶体中的离子所带电荷有关 B ．晶格能仅与形成晶体的离子半径有关 C ．晶格能是指相邻的离子间的静电作用 D ．晶格能越大的离子晶体，其熔点越高 答案 D
解析 晶格能与离子所带电荷的乘积成正比，与阴、阳离子半径的大小成反比。晶格能越大，晶体的熔、沸点越高，硬度也越大，所以D 项正确。
5．如图是氯化铯晶体的晶胞(晶体中最小的重复结构单元)示意图，已知晶体中2个最近的Cs ＋
核间距为a cm ，氯化铯(CsCl)的相对分子质量为M ，N A 为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体的密度为( )
A.8M
N A a 3
g·cm －3
B.Ma 38N A g·cm －3
C.M N A a
3g·cm －3
D.Ma 3N A
g·cm －3 答案 C
解析 ρ＝m V ＝M N A ×1a 3g·cm －3＝M N A a
3g·cm －3
。
40分钟课时作业
[基础过关]
一、离子晶体的结构及其特征
1．如右图，在氯化钠晶胞中，与每个Na＋等距离且最近的几个Cl－所围成的几何构型为
( )
A．十二面体
B．正八面体
C．正六面体
D．正四面体
答案 B
解析首先要理解最近的离子在什么位置，以一个晶胞为例，处在中心位置上的Na＋被六个面上的Cl－所包围，这6个Cl－离中心Na＋最近，将六个面心的Cl－连成一个图形即正八面体，也可以有其他连接方法。
2．高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构。晶体中氧的化合价可看作部分为0价，
部分为－2价。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中最小的重复单元)。则下列说法
正确的是( )
A ．晶体中只存在离子键
B ．超氧化钾的化学式为KO 2，每个晶胞含有1个K ＋
和1个O －
2 C ．晶胞中与每个K ＋
距离最近的O －
2有6个 D ．晶体中所有原子之间都是以离子键结合 答案 C
解析 根据题给信息，超氧化钾晶体是面心立方晶胞，超氧化钾晶体(KO 2)是离子化合物，阴、阳离子分别为O －
2、K ＋
，晶体中K ＋
与O －
2以离子键相结合，O －
2中O —O 键为共价键。作为面心立方晶胞，每个晶胞中含有4(即8×18＋12×6)个K ＋，4(即1＋14×12)个O －
2，晶胞
中与每个K ＋
距离最近的O －2有6个。
3．氯化铯晶胞(晶体重复的结构单元)如图甲所示，该晶体中Cs ＋
与Cl －
的个数比为1∶1，化学式为CsCl 。若某晶体晶胞结构如图乙所示，其中含有A 、B 、C 三种元素的粒子，则该晶体中的A 、B 、C 的粒子个数比为( )
A ．8∶6∶1
B ．4∶3∶1
C ．1∶6∶1
D ．1∶3∶1
答案 D
解析 在此晶体的晶胞中有A ：8×18＝1个，有B ：6×1
2＝3个，有C ：1×1＝1个，即
A 、
B 、
C 的粒子个数比为1∶3∶1。
4．萤石(CaF 2)晶体属于立方晶系，萤石中每个Ca 2＋
被8个F －
所包围，则每个F －
周围最近距离的Ca 2＋
数目为( )
A ．2
B ．4
C ．6
D ．8
答案 B
解析萤石(CaF2)中Ca2＋和F－的数目之比为1∶2，Ca2＋被8个F－所包围，配位数是8，F－的配位数应为4，所以每个F－周围最近距离的Ca2＋数目为4。
二、离子晶体的主要特性及其应用
5．下列说法中正确的是( )
A．固态时能导电的晶体一定是金属晶体
B．熔融态能导电的晶体一定是离子晶体
C．水溶液能导电的晶体一定是离子晶体
D．固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体
答案 D
解析离子晶体是阴、阳离子组成的，固态时阴、阳离子不能自由移动，不导电；熔融状态时，离子化合物电离，能够导电；而金属晶体固态时也能导电。
6．碱金属和卤素形成的化合物大多具有的性质是( )
①固态时不导电，熔融状态导电②能溶于水，其水溶液导电③低熔点④高沸点⑤易升华
A．①②③B．①②④
C．①④⑤D．②③④
答案 B
解析卤素与碱金属形成的化合物为典型的离子化合物，具备离子晶体的性质。
7．下列性质适合于离子晶体的是( )
A．熔点1070℃，易溶于水，水溶液能导电
B．熔点10.31℃，液态不导电，水溶液能导电
C．能溶于CS2，熔点112.8℃，沸点444.6℃
D．熔点97.81℃，质软，导电，密度0.97g·cm－3
答案 A
解析离子晶体在液态(即熔融态)时是导电的，所以B项不是离子晶体；CS2是非极性溶剂，根据“相似相溶”的规律，C项也不是离子晶体；由于离子晶体质硬易碎，且固态不导电，所以D项也不是离子晶体。
三、离子晶体的晶格能与其性质的关系
8．离子晶体熔点的高低决定于阴、阳离子之间的核间距离和晶格能的大小，根据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是( )
A．KCl>NaCl>BaO>CaO
B．NaCl>KCl>CaO>BaO
C．CaO>BaO>KCl>NaCl
D．CaO>BaO>NaCl>KCl
答案 D
解析对于离子晶体来说，离子所带电荷数越多，阴、阳离子间的核间距离越小，晶格能越大，离子键越强，熔点越高。阳离子半径大小顺序为Ba2＋>K＋>Ca2＋>Na＋；阴离子半径：Cl－>O2－，比较可得只有D项是正确的。
9．下列大小关系正确的是( )
A．晶格能：NaCl
C．熔点：NaI>NaBr D．熔、沸点：KCl>NaCl
答案 B
解析对于电荷数相同的离子，半径越小，离子键越强，晶格能越大，硬度越大，熔、沸点越高。半径：Cl－ 10．X、Y都是ⅡA族(Be除外)的元素，已知它们的碳酸盐的热分解温度：T(XCO3)>T(YCO3)，则下列判断不正确的是( ) A．晶格能：XCO3 B．阳离子半径：X2＋>Y2＋ C．金属性：X>Y D．氧化物的熔点：XO>YO 答案 D 解析碳酸盐的热分解温度与形成碳酸盐的金属元素的活动性有关，金属越活泼，形成的盐越稳定，因此根据碳酸盐的热分解温度：T(XCO3)>T(YCO3)，可判断出X的活动性大于Y，即金属性：X>Y，在周期表中，X位于Y的下面，阳离子半径：X2＋>Y2＋，所以B、C选项正确。根据阳离子半径：X2＋>Y2＋以及影响离子化合物晶格能、熔沸点的因素可知，晶格能：XCO3 [能力提升] 11．已知晶格能的大小影响岩浆晶出的次序，晶格能越大，形成的晶体越稳定，岩浆中的矿物越容易结晶析出。分析下表中硅酸盐矿物和石英的晶格能。 回答下列问题： (1)橄榄石和云母晶出的顺序是________。 (2)石英总是在各种硅酸盐析出后才晶出的原因是________________。 (3)推测云母和橄榄石的熔点顺序为________，硬度大小为________。 答案(1)先晶出橄榄石后晶出云母 (2)石英的晶格能较小，所以石英总是在各种硅酸盐析出后才晶出 (3)橄榄石高于云母橄榄石高于云母 解析解此类题目要求学生通过认真分析科学数据，从中找出科学规律。晶格能高的晶体，熔点较高，更容易在岩浆冷却过程中先结晶析出，故先晶出橄榄石后晶出云母。晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。此题使学生从定量的角度加深了对晶格能的认识，并更加深刻地体会到晶格能影响离子晶体的性质。 12．X、Y、Z是三种常见的短周期元素，它们可以形成XY2、XY3、Z2Y、Z2Y2等化合物。已知X原子比Y原子多一个电子层，Y得到电子达到8电子稳定结构时与Z离子具有相同的电子层结构。 (1)X是________，Y是________，Z是________。 (2)Z的单质属于________晶体，Z与Y形成Z2Y的过程可用电子式表示为_______。 答案(1)硫(S) 氧(O) 钠(Na) (2)金属 解析根据题意知：X在第3周期，Y在第2周期。由于Y与Z能形成Z2Y、Z2Y2，Z的离子应为阳离子，Z元素在第3周期。结合形成化合物的形式以及“常见”的短周期元素，则X为硫，Y为氧、Z为钠。 13．A、B为两种短周期元素，A的原子序数大于B，且B原子的最外层电子数为A原子最外层电子数的3倍。A、B形成的化合物是中学化学常见的化合物，该化合物熔融时能导电。试回答下列问题： (1)A、B的元素符号分别是________、________。 (2)用电子式表示A、B元素形成化合物的过程： ________________________________________________________________________。 (3)A、B所形成的化合物的晶体结构与氯化钠晶体结构相似，则每个阳离子周围吸引了________个阴离子；晶体中阴、阳离子数之比为________。 (4)A、B所形成化合物的晶体的熔点比NaF晶体的熔点________，其判断的理由是________________________________________________________________________。 答案(1)Mg O (2) (3)6 1∶1 (4)高离子半径相差不大，MgO中离子所带电荷较多，离子键较强，离子键越强，熔点越高 解析(1)最外层电子数是从1→8，B原子的最外层电子数是A原子的3倍，且A、B 能形成化合物，则B原子的最外层电子数只能为6，A的为2。短周期元素分别为A是Be或Mg，B是O或S，又因为原子序数A>B，则A是Mg，B是O。 (2)电子式表示MgO的形成过程： (3)MgO晶体结构与NaCl相似，则每个Mg2＋周围有6个O2－，阴、阳离子数之比为1∶1。 (4)因为Mg2＋、O2－所带电荷比Na＋、F－所带电荷多，且r(Mg2＋) 14．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MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时，常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物，其主要作用除了降低熔点之外还有__________。 (2)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。某同学画出的MgO晶胞结构示意图如下图所示，请改正图中错误： ________________________________________________________________________。 (3)用镁粉、碱金属盐及碱土金属盐等可以做成烟火。燃放时，烟火发出五颜六色的光，请用原子结构的知识解释发光的原因：______________________________________。 答案 (1)增强熔融盐的导电性 (2)空心球应为O 2－ ，实心球应为Mg 2＋ ；8号空心球应改为实心球 (3)电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以发光的形式释放能量 解析 (1)这些物质不能实际参与反应，但能增强熔融盐的导电性。 (2)Mg 2＋ 和O 2－ 的半径大小是O 2－ >Mg 2＋ ，故空心球应为O 2－ ，实心球应为Mg 2＋ ；图中应该黑白球交替出现，故8号球应为实心球。 (3)电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以发光的形式释放能量。 [拓展探究] 15．某离子晶体晶胞的结构如图所示，试分析： (1)晶体中每个Y 同时吸引着________个X ，每个X 同时吸引着________个Y ，该晶体的化学式为________。 (2)晶体中每个X 周围与它距离最近且相等的X 共有____个。 (3)晶体中距离最近的2个X 与1个Y 所形成的夹角∠XYX 为________(填角的度数)。 (4)设该晶体的摩尔质量为M g·mol －1 ，晶体密度为ρg·cm －3 ，阿伏加德罗常数为N A ，则晶体中距离最近的两个X 之间的距离为________cm 。 答案 (1)4 8 XY 2(或Y 2X) (2)12 (3)109.5° (4)2 3 M 2ρ·N A 解析 (1)Y 只为一个晶胞所共有，即每个Y 同时吸引4个X ，而X 处于顶点上，为8个晶胞所共有，即每个X 同时吸引8个Y 。在每个晶胞中含X 个数为18×4＝1 2个，含1个Y ， 则化学式为XY 2或Y 2X 。 (2)在一个晶胞中，每个X 与它距离最近的X 有3个，则每个X 周围有：3×8 2 ＝12个(每 个面为两个晶胞共有)。 (3)在晶胞中，Y 与四个X 形成正四面体结构，故键角为109.5°。 (4)因为一个晶胞中只含12个XY 2或Y 2X ，故一个晶胞的质量为M 2N A ，则有ρ＝M 2N A a 3(a 为晶 胞的边长)，得a ＝ 3 M 2ρ·N A ，则距离最近的两个X 之间的距离为23M 2ρ·N A 。