一、離子晶體
1．結構特點
(1)構成粒子：陽離子和陰離子。
(2)作用力：離子鍵。
(3)配位數(shù)：一個離子周圍最鄰近的異電性離子的數(shù)目。
微點撥：大量離子晶體的陰離子或陽離子不是單原子離子，有的還存在電中性分子。離子晶體中不僅有離子鍵還存在共價鍵、氫鍵等。
2．常見的離子晶體
3．物理性質(zhì)
(1)硬度較大，難于壓縮。
(2)熔點和沸點較高。
(3)固體不導電，但在熔融狀態(tài)或水溶液時能導電。
離子晶體是否全由金屬元素與非金屬元素組成？
提示：不一定，如NH4Cl固體是離子晶體但它不含金屬元素。
離子晶體一般不具有的特征是( )
A．熔點較高，硬度較大
B．易溶于水而難溶于有機溶劑
C．固體時不能導電
D．離子間距離較大，其密度較大
D [離子晶體的結構決定著離子晶體具有一系列特性，這些特性包括A、B、C項所述。]
二、過渡晶體與混合型晶體
1．過渡晶體
(1)四類典型的晶體是指分子晶體、共價晶體、金屬晶體和離子晶體。
(2)過渡晶體：介于典型晶體之間的晶體。
①幾種氧化物的化學鍵中離子鍵成分的百分數(shù)
從上表可知，表中的4種氧化物晶體中的化學鍵既不是純粹的離子鍵，也不是純粹的共價鍵，這些晶體既不是純粹的離子晶體也不是純粹的共價晶體，只是離子晶體與共價晶體之間的過渡晶體。
②偏向離子晶體的過渡晶體在許多性質(zhì)上與純粹的離子晶體接近，因而通常當作離子晶體來處理，如Na2O等。同樣，偏向共價晶體的過渡晶體則當作共價晶體來處理，如Al2O3、SiO2等。
微點撥：四類典型晶體都有過渡晶體存在。
2．混合型晶體
(1)晶體模型
石墨結構中未參與雜化的p軌道
(2)結構特點——層狀結構
①同層內(nèi)碳原子采取sp2雜化，以共價鍵(σ鍵)結合，形成平面六元并環(huán)結構。
②層與層之間靠范德華力維系。
③石墨的二維結構內(nèi)，每個碳原子的配位數(shù)為3，有一個未參與雜化的2p電子，它的原子軌道垂直于碳原子平面。
(3)晶體類型：石墨晶體中，既有共價鍵，又有金屬鍵和范德華力，屬于混合晶體。
(4)性質(zhì)：熔點很高、質(zhì)軟、易導電等。
石墨為什么具有良好的導電性？
提示：由于碳原子的p軌道相互平行且相互重疊，p軌道中的電子可在整個碳原子平面中運動，所以石墨具有導電性。
超氧化鉀又稱為“化學氧自救器”，主要用于煤礦井下救急。它能夠和人呼出的二氧化碳接觸產(chǎn)生氧氣，此反應的化學方程式為4KO2＋2CO2===2K2CO3＋3O2。
高溫下，超氧化鉀晶體呈立方體結構。晶體中氧的化合價可看作部分為0價，部分為－2價。如圖為超氧化鉀晶體的一個晶胞(晶體中基本的重復單元)。
[問題1] 判斷超氧化鉀的晶體類型是什么？
提示：離子晶體。
[問題2] 在該晶體的晶胞中含有K＋和Oeq \\al(－,2)的個數(shù)是多少？晶胞中與每個K＋距離最近的Oeq \\al(－,2)有幾個？
提示：作為面心立方晶胞，每個晶胞中含有4(即8×eq \f(1,8)＋eq \f(1,2)×6)個K＋，4(即1＋eq \f(1,4)×12)個Oeq \\al(－,2)，晶胞中與每個K＋距離最近的Oeq \\al(－,2)有6個。
[問題3] 超氧化鉀晶體中含有的化學鍵類型有哪些？
提示：超氧化鉀晶體(KO2)是離子化合物，陰、陽離子分別為Oeq \\al(－,2)、K＋，晶體中K＋與Oeq \\al(－,2)以離子鍵相結合，Oeq \\al(－,2)中O—O為共價鍵。
1．離子鍵沒有方向性和飽和性的原因
(1)由于離子鍵的實質(zhì)是靜電作用，而且離子的電荷分布通常被看成是球形對稱的，因此一種離子對帶異性電荷離子的吸引作用與其所處的方向無關。故相對共價鍵而言，離子鍵沒有方向性(相對的)。
(2)在離子化合物中，每個離子周圍最鄰近的帶異性電荷離子數(shù)目的多少，取決于陰、陽離子的相對大小。只要空間條件允許，陽離子將吸引盡可能多的陰離子排列在其周圍，陰離子也將吸引盡可能多的陽離子排列在其周圍，以達到降低體系能量的目的，所以在這個意義上，離子鍵是沒有飽和性的。
2．離子晶體的易錯知識小結
(1)離子晶體中無分子。如NaCl、CsCl只表示晶體中陰、陽離子個數(shù)比，為化學式，不是分子式。
(2)離子晶體中一定有離子鍵，可能有共價鍵和氫鍵等，如KNO3等晶體中既有離子鍵又有共價鍵；CuSO4·5H2O中除離子鍵外，還含有共價鍵和氫鍵。
(3)離子晶體中，每一個陰(陽)離子周圍排列的帶相反電荷離子的數(shù)目是固定的，不是任意的。
3．離子晶體的性質(zhì)
4．離子晶體的判斷
判斷一種物質(zhì)是不是離子晶體，我們可以根據(jù)物質(zhì)的分類、組成和性質(zhì)等方面進行判斷。
(1)利用物質(zhì)的分類
金屬離子和酸根離子、OH－形成的大多數(shù)鹽、強堿，活潑金屬的氧化物和過氧化物(如Na2O和Na2O2)，活潑金屬的氫化物(如NaH)，活潑金屬的硫化物等都是離子晶體。
(2)利用元素的性質(zhì)和種類
如成鍵元素的電負性差值大于1.7的物質(zhì)，金屬元素(特別是活潑的金屬元素，ⅠA、ⅡA族元素)與非金屬元素(特別是活潑的非金屬元素，ⅥA、ⅦA族元素)組成的化合物。
(3)利用物質(zhì)的性質(zhì)
離子晶體一般具有較高的熔、沸點，難揮發(fā)，硬而脆；固體不導電，但熔融或溶于水時能導電，大多數(shù)離子晶體易溶于極性溶劑而難溶于非極性溶劑。
1．下列敘述正確的是( )
A．Na2SO4晶體中含有離子鍵和極性共價鍵
B．離子晶體中一定存在離子鍵，同時存在其他化學鍵
C．Na2O2、NaHSO4晶體中的陰、陽離子個數(shù)比均為1∶2
D．晶體熔點：金剛石>食鹽>干冰>冰
A [Na2SO4晶體中含有Na＋和SOeq \\al(2－,4)，它們之間形成離子鍵，SOeq \\al(2－,4)中存在極性鍵，A項正確；離子晶體中一定存在離子鍵，可能存在共價鍵，如NaCl中僅有離子鍵，B項錯誤；Na2O2中的陰離子是Oeq \\al(2－,2)，陰、陽離子個數(shù)比為1∶2，NaHSO4中的陰離子是HSOeq \\al(－,4)，陰、陽離子個數(shù)比為1∶1，C項錯誤；冰中含有氫鍵，冰的熔點高于干冰，D項錯誤。]
2．下列性質(zhì)適合于離子晶體的是( )
①熔點1 070 ℃，易溶于水，水溶液能導電
②熔點10.31 ℃，液態(tài)不導電，水溶液能導電
③能溶于CS2，熔點112.8 ℃，沸點444.6 ℃
④熔點97.81 ℃，質(zhì)軟，導電，密度0.97 g/cm3
⑤熔點－218 ℃，難溶于水
⑥熔點3 900 ℃，硬度很大，不導電
⑦難溶于水，固體時導電，升溫時導電能力減弱
⑧熔點高，固體不導電，熔化時導電
A．①⑧B．②③⑥
C．①④⑦D．②⑤
A [離子晶體液態(tài)時能導電，難溶于非極性溶劑，熔點較高、質(zhì)硬而脆，固體不導電，故②③④⑤⑦均不符合離子晶體的特點；⑥中熔點達3 900 ℃，硬度很大，應是共價晶體。故只有①⑧符合題意。]
3．(2021·山東青島期中)MgO、Rb2O、CaO、BaO四種離子晶體的熔點由高到低的順序是( )
A．MgO>Rb2O>BaO>CaO
B．MgO>CaO>BaO>Rb2O
C．CaO>BaO>MgO>Rb2O
D．CaO>BaO>Rb2O>MgO
B [四種離子晶體所含陰離子相同，所含陽離子不同。對Mg2＋、Rb＋、Ca2＋、Ba2＋進行比較，Rb＋所帶電荷數(shù)最少，半徑最大，其與O2－形成的離子鍵最弱，故Rb2O的熔點最低。對Mg2＋、Ca2＋、Ba2＋進行比較，它們所帶電荷數(shù)一樣多，半徑Mg2＋BaO，相應離子晶體的熔點由高到低的順序為MgO>CaO>BaO。綜上所述，四種離子晶體的熔點由高到低的順序是MgO>CaO>BaO>Rb2O。]
4．NaCl晶體模型如下圖所示：
(1)在NaCl晶體中，每個Na＋周圍同時吸引________個Cl－，每個Cl－周圍也同時吸引著________個Na＋，在NaCl晶胞中含有________個Na＋、________個Cl－，晶體中每個Na＋周圍與它距離最近且相等的Na＋共有________個。
(2)對于氯化鈉晶體，下列描述正確的是________。
A．相鄰的正、負離子核間距等于正、負離子半徑之和
B．與氯化銫晶體結構相同
C．每個Na＋與6個Cl－作為近鄰
[解析] (1)在氯化鈉晶體中，一個Na＋位于晶胞的中心，12個Na＋分別位于晶胞的12條棱上，則屬于該晶胞的Na＋相當于3個eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,4)×12＝3))，因此一個晶胞中共含有4個Na＋，8個Cl－分別位于晶胞的8個頂角上，則屬于該晶胞的Cl－相當于1個eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,8)×8＝1))，6個Cl－分別位于晶胞的6個面心上，則屬于該晶胞的Cl－相當于3個eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)×6＝3))，所以一個晶胞中共含有4個Cl－。可見NaCl晶體中Na＋、Cl－的個數(shù)比為1∶1。
圖中位于晶胞中心的Na＋實際上共有3個平面通過它，通過中心Na＋的每個平面都有4個Na＋位于平面的四角，這4個Na＋與中心Na＋距離最近且距離相等。所以在NaCl晶體中，每個Na＋周圍與它距離最近且距離相等的Na＋共有12個，按相似的方法可推出每個Cl－周圍與它最近且距離相等的Cl－也共有12個。
(2)氯化銫晶體結構呈體心立方堆積，B錯誤，氯化鈉晶體中以Na＋為中心向三維方向伸展，有6個Cl－近鄰，C正確，相鄰的正、負離子核間距不等于正、負離子半徑之和，A錯誤。
[答案] (1)6 6 4 4 12 (2)C
判斷物質(zhì)結構圖是否表示晶胞的方法
整塊晶體是由“完全相同”的晶胞“無隙并置”地堆積而成的?！巴耆嗤卑ā盎瘜W上等同”——晶胞里原子的數(shù)目和種類完全等同；還包括“幾何上等同”——晶胞的形狀、取向、大小等同，而且原子的排列完全等同?！盁o隙并置”即一個晶胞與它的相鄰晶胞完全共頂角、共面、共棱。晶胞的這種本質(zhì)屬性可歸納為晶胞具有平移性。因此可根據(jù)結構圖在晶體中是否具有平移性來判斷是否表示晶胞。
1．(2021·福建寧德期中)下列說法正確的是( )
A．形成離子鍵的陰、陽離子間只存在靜電吸引力
B．第ⅠA族元素與第ⅦA族元素形成的化合物一定是離子化合物
C．離子化合物的熔點一定比共價化合物的熔點高
D．金屬元素與非金屬元素化合時，不一定形成離子鍵
D [形成離子鍵的陰、陽離子之間不但存在陰、陽離子之間的相互吸引，也存在著電子之間和原子核之間的相互排斥，A項錯誤；氫是第ⅠA族元素，與第ⅦA族元素形成的化合物HX都是共價化合物，B項錯誤；NaCl是離子化合物，SiO2是共價化合物，但NaCl的熔點低于SiO2的熔點，C項錯誤；金屬元素與非金屬元素的電負性之差小于1.7時往往形成共價鍵，如Al與Cl、Be與Cl(AlCl3、BeCl2均是共價化合物)等，D項正確。]
2．自然界中的CaF2又稱螢石，是一種難溶于水的固體，屬于典型的離子晶體。下列一定能說明CaF2是離子晶體的實驗是( )
A．CaF2難溶于水，其水溶液的導電性極弱
B．CaF2的熔、沸點較高，硬度較大
C．CaF2固體不導電，但在熔融狀態(tài)下可以導電
D．CaF2在有機溶劑(如苯)中的溶解度極小
C [離子晶體中含有離子鍵，離子鍵在熔融狀態(tài)下被破壞，電離出自由移動的陰、陽離子，所以離子晶體在熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ姡@是判斷某晶體是否為離子晶體的依據(jù)。]
3．石墨晶體是層狀結構(如圖)。以下有關石墨晶體的說法正確的一組是( )
①石墨中存在兩種作用力；②石墨是混合晶體；③石墨中的C為sp2雜化；④石墨熔點、沸點都比金剛石低；⑤石墨中碳原子數(shù)和C—C數(shù)之比為1∶2；⑥石墨和金剛石的硬度相同；⑦石墨層內(nèi)導電性和層間導電性不同；⑧每個六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是2
A．全對B．除⑤外
C．除①④⑤⑥外D．除⑥⑦⑧外
C [①不正確，石墨中存在三種作用力，一種是范德華力，一種是共價鍵，還有一種是金屬鍵；②正確；③正確，石墨中的C為sp2雜化；④不正確，石墨熔點比金剛石高；⑤不正確，石墨中碳原子數(shù)和C—C數(shù)之比為2∶3；⑥不正確，石墨質(zhì)軟，金剛石的硬度大；⑦正確；⑧正確，每個六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是6×1/3＝2。]
4．(2021·黑龍江哈爾濱三中高二期末)如圖所示，在氯化鈉晶胞中，與每個Na＋等距離且最近的幾個Cl－所圍成的空間結構為( )
A．正八面體B．十二面體
C．正六面體D．正四面體
A [取晶胞體心的鈉離子為參考，由題圖可知與該鈉離子等距離且最近的氯離子分別位于立方體晶胞的6個面心，所以鈉離子的配位數(shù)是6，將6個氯離子連接后所圍成的空間結構是正八面體，A正確。]
5．如圖所示，直線交點處的圓圈為NaCl晶體中Na＋或Cl－所處的位置。這兩種離子在空間三個互相垂直的方向上都是等距離排列的。
(1)請將其中代表Na＋的圓圈涂黑(不必考慮離子體積大小)，以完成NaCl晶體的晶胞結構示意圖。
(2)晶體中，在每個Na＋的周圍與它最近且距離相等的Na＋共有__________個。
(3)在NaCl晶胞的頂角上、面上、棱上的Na＋或Cl－為該晶胞和與其相鄰的晶胞所共有，一個晶胞中Cl－的個數(shù)等于__________，即____________________________________________(填計算式)；Na＋的個數(shù)等于___________________________________________________________________，即__________________________________________________(填計算式)。
(4)設NaCl的摩爾質(zhì)量為M g·ml－1，食鹽晶體的密度為ρ g·cm－3，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA。則食鹽晶體中兩個距離最近的鈉離子中心間的距離為____________________________________________________________cm。
[解析] (2)從NaCl晶胞結構可以看出，與頂角Na＋最近且距離相等的Na＋在面心，每個晶胞中有3個面心Na＋與頂角Na＋最近且等距，而每個頂角Na＋為8個晶胞共有，每個面心Na＋為2個晶胞共有，則與頂角Na＋最近且等距的面心Na＋共有8×3×eq \f(1,2)＝12個。
(3)根據(jù)離子晶體的晶胞，求陰、陽離子個數(shù)比的方法是均攤法。如(1)中所得NaCl晶胞中，含Na＋個數(shù)為8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，含Cl－個數(shù)為12×eq \f(1,4)＋1＝4。
(4)設Cl－與Na＋的最近距離為a cm，則兩個最近的Na＋間的距離為eq \r(2)a cm，eq \f(?a cm＋a cm?3×ρ g·cm－3×NA ml－1,4)＝M g·ml－1，即a＝eq \r(3,\f(M,2ρNA))，所以兩個Na＋間的最近距離為eq \r(2)·eq \r(3,\f(M,2ρNA)) cm。
[答案] (1)如圖所示(答案不唯一，合理即可)
(2)12
(3)4 12×eq \f(1,4)＋1＝4 4 8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4[答案不唯一，只要與第(1)問對應即可]
(4)eq \r(2)·eq \r(3,\f(M,2ρNA))
學 習 任 務
1．借助離子晶體模型認識離子晶體的結構和性質(zhì)。
2．能利用離子鍵的有關理論解釋離子晶體的物理性質(zhì)。
3．知道介于典型晶體之間的過渡晶體及混合型晶體是普遍存在的。
晶體類型
NaCl
CsCl
晶胞
陽離子的配位數(shù)
6
8
陰離子的配位數(shù)
6
8
晶胞中所含離子個數(shù)
Cl－(4個)
Na＋(4個)
Cs＋(1個)
Cl－(1個)
氧化物
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
離子鍵的百分數(shù)/%
62
50
41
33
離子晶體的結構與性質(zhì)
性質(zhì)
原因
熔、
沸點
離子晶體中有較強的離子鍵，熔化或汽化時需消耗較多的能量。所以離子晶體有較高的熔點、沸點和難揮發(fā)性。通常情況下，同種類型的離子晶體，離子半徑越小，離子鍵越強，熔、沸點越高
硬度
硬而脆。離子晶體表現(xiàn)出較高的硬度。當晶體受到?jīng)_擊力作用時，部分離子鍵發(fā)生斷裂，導致晶體破碎
導電性
不導電，但熔融或溶于水后能導電。離子晶體中，離子鍵較強，陰、陽離子不能自由移動，即晶體中無自由移動的離子，因此離子晶體不導電。當升高溫度時，陰、陽離子獲得足夠的能量克服了離子間的相互作用力，成為自由移動的離子，在外加電場的作用下，離子定向移動而導電。離子晶體溶于水時，陰、陽離子受到水分子的作用成了自由移動的離子(或水合離子)，在外加電場的作用下，陰、陽離子定向移動而導電
溶解性
大多數(shù)離子晶體易溶于極性溶劑(如水)中，難溶于非極性溶劑(如汽油、苯、CCl4)中。當把離子晶體放入水中時，水分子對離子晶體中的離子產(chǎn)生吸引，使離子晶體中的離子克服離子間的相互作用力而離開晶體，變成在水中自由移動的離子
延展性
離子晶體中陰、陽離子交替出現(xiàn)，層與層之間如果滑動，同性離子相鄰而使斥力增大導致不穩(wěn)定，所以離子晶體無延展性

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第三節(jié) 金屬晶體與離子晶體

版本： 人教版 (2019)

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