?四類典型晶體的比較與晶胞結(jié)構(gòu)的有關(guān)計算
探 究 任 務(wù)
1．能借助分子晶體、共價晶體、離子晶體、金屬晶體等模型說明晶體中的微粒及其微粒間的相互作用。
2．能對指定的晶胞結(jié)構(gòu)進行有關(guān)計算。


四類典型晶體的比較

1．四類典型晶體的比較
　　類型
項目　　
離子晶體
共價晶體
分子晶體
金屬晶體
構(gòu)成晶體
的粒子
陰、陽
離子
原子
分子
金屬陽離子
和自由電子
粒子間
的作用
離子鍵
共價鍵
分子間作用力(范德華力或氫鍵)
金屬鍵
確定作用力強弱的一般判斷方法
離子電荷數(shù)、半徑
鍵長(原
子半徑)
組成結(jié)構(gòu)相似時，比較相對分子質(zhì)量
離子半徑、價電子數(shù)
熔、沸點
較高
很高
較低
差別較大(汞常溫下為液態(tài)，鎢熔點為3 410 ℃)
硬度
略硬而脆
很大
較小
差別較大
導(dǎo)電性
不良導(dǎo)體(熔化后或溶于水導(dǎo)電)
不良導(dǎo)體(個別為半導(dǎo)體)
不良導(dǎo)體(部分溶于水發(fā)生電離后導(dǎo)電)
良導(dǎo)體
溶解性
多數(shù)易溶
一般不溶
相似相溶
一般不溶于水，少數(shù)與水反應(yīng)
機械
加工性
不良
不良
不良
優(yōu)良
延展性
差
差
差
優(yōu)良

(1)離子晶體中一定存在離子鍵，可能存在共價鍵，一定不存在分子間作用力。
(2)只有分子晶體中存在單個分子。
(3)某些離子晶體的熔點高于某些共價晶體的熔點。
如MgO(2 852 ℃)＞SiO2(1 710 ℃)。
(4)某些分子晶體的熔點高于某些金屬晶體的熔點。
如堿金屬熔點較低。
(5)個別金屬的熔點高于某些共價晶體的熔點。
如鎢(3 410 ℃)＞SiO2(1 710 ℃)。
(6)合金的熔點一般低于各成分金屬的熔點。

2．晶體熔、沸點高低的比較方法
(1)不同類型晶體熔、沸點的比較
①不同類型晶體的熔、沸點高低一般規(guī)律：共價晶體＞離子晶體＞分子晶體。
②金屬晶體的熔、沸點差別很大，如鎢、鉑等熔、沸點很高，汞、銫等熔、沸點很低。
(2)同種類型晶體熔、沸點的比較
①共價晶體
原子半徑越小→鍵長越短→鍵能越大→熔、沸點越高。如熔點：金剛石＞硅晶體。
②離子晶體
一般地說，陰、陽離子的電荷數(shù)越多，離子半徑越小，則離子間的作用力就越強，其離子晶體的熔、沸點就越高。如熔點：MgO＞NaCl＞CsCl。
③分子晶體
a．分子間作用力越大，物質(zhì)的熔、沸點越高；具有氫鍵的分子晶體熔、沸點反常得高。如沸點：H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
b．組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，熔、沸點越高。如熔、沸點：SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。
c．組成和結(jié)構(gòu)不相似的物質(zhì)(相對分子質(zhì)量接近)，分子的極性越大，其熔、沸點越高。如熔、沸點：CO＞N2，CH3OH＞CH3CH3。
④金屬晶體
金屬離子半徑越小，離子電荷數(shù)越多，其金屬鍵越強，金屬熔、沸點就越高。如熔、沸點：Na＜Mg＜Al。

【例1】　(2021·湖北武漢部分重點中學(xué)高二期末)下列為幾種晶體或晶胞的示意圖：


請回答下列問題：
(1)上述晶體中，粒子之間以共價鍵結(jié)合形成晶體的是__________。
(2)冰、金剛石、MgO、CaCl2、干冰5種晶體的熔點由高到低的順序為_______________________________________________________________。
(3)每個Cu晶胞中實際占有__________個Cu原子；CaCl2晶體中Ca2＋的配位數(shù)為__________。
(4)冰的熔點遠高于干冰，除H2O是極性分子、CO2是非極性分子外，還有一個重要的原因是____________________________________。
[解析]　(1)共價晶體中原子間以共價鍵結(jié)合，則粒子之間以共價鍵結(jié)合形成晶體的是金剛石晶體。
(2)熔點高低的一般規(guī)律：共價晶體>離子晶體>分子晶體，冰和干冰屬于分子晶體，熔點：冰>干冰；MgO和CaCl2屬于離子晶體，熔點：MgO>CaCl2；金剛石是共價晶體，熔點最高，則熔點由高到低的順序為金剛石>MgO>CaCl2>冰>干冰。
(3)Cu原子占據(jù)晶胞的面心和頂角，則每個Cu晶胞中實際占有的Cu原子數(shù)為×8＋×6＝4；根據(jù)氯化鈣的晶胞圖可知，每個Ca2＋周圍距離最近且相等的Cl－有8個，所以CaCl2晶體中Ca2＋的配位數(shù)為8。
(4)冰的熔點遠高于干冰，除H2O是極性分子、CO2是非極性分子外，還因為水分子間存在氫鍵。
[答案]　(1)金剛石晶體
(2)金剛石>MgO>CaCl2>冰>干冰
(3)4　8
(4)H2O分子之間能形成氫鍵

1．下列說法中正確的是(　　)
A．固態(tài)時能導(dǎo)電的物質(zhì)一定是金屬晶體　
B．熔融狀態(tài)能導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體
C．水溶液能導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體
D．固態(tài)不導(dǎo)電而熔融狀態(tài)導(dǎo)電的晶體一定是離子晶體
D　[四種晶體在不同狀態(tài)下的導(dǎo)電性區(qū)別如下：

分子晶體
共價晶體
金屬晶體
離子晶體
]
固態(tài)
不導(dǎo)電
不導(dǎo)電
(晶體硅導(dǎo)電)
導(dǎo)電
不導(dǎo)電
熔融狀態(tài)
不導(dǎo)電
不導(dǎo)電
導(dǎo)電
可導(dǎo)電
水溶液
有的可導(dǎo)電
－
－
可導(dǎo)電
2．Mg是第三周期元素，該周期部分元素氟化物的熔點見下表：
氟化物
NaF
MgF2
SiF4
熔點/K
1 266
1 534
183
(1)解釋表中氟化物熔點差異的原因：
a．________________________________________________。
b．________________________________________________。
(2)硅在一定條件下可以與Cl2反應(yīng)生成SiCl4，試判斷SiCl4的沸點比CCl4的________(填“高”或“低”)，理由__________________________________
__________________________________________________________________。
[解析]　(1)先比較不同類型晶體的熔點。NaF、MgF2為離子晶體，陰、陽離子以離子鍵結(jié)合，離子鍵作用力強，SiF4固態(tài)時為分子晶體，分子間以范德華力結(jié)合，范德華力較弱，故NaF和MgF2的熔點都高于SiF4的熔點。b．再比較相同類型晶體的熔點。Na＋的半徑比Mg2＋半徑大，Na＋所帶電荷數(shù)小于Mg2＋，所以MgF2的離子鍵比NaF的離子鍵強度大，MgF2熔點高于NaF熔點。
(2)SiCl4和CCl4組成、結(jié)構(gòu)相似，SiCl4的相對分子質(zhì)量大于CCl4的相對分子質(zhì)量，SiCl4的分子間作用力大于CCl4的分子間作用力，故SiCl4的熔點高于CCl4的熔點。
[答案]　(1)a．NaF與MgF2為離子晶體，SiF4為分子晶體，所以NaF與MgF2的熔點遠比SiF4的熔點要高　b．因為Mg2＋的半徑小于Na＋的半徑且Mg2＋所帶電荷數(shù)較大，所以MgF2的離子鍵強度大于NaF的離子鍵強度，故MgF2的熔點高于NaF　(2)高　SiCl4和CCl4組成、結(jié)構(gòu)相似，SiCl4的相對分子質(zhì)量比CCl4的大，范德華力大，因此沸點高

晶胞結(jié)構(gòu)的有關(guān)計算

晶體結(jié)構(gòu)的考查主要依據(jù)晶胞的計算模式——均攤法來確定晶胞中原子、離子或者分子等粒子的數(shù)目，進而依據(jù)數(shù)學(xué)中的幾何知識來解決關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)以及與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識，如晶胞體積、晶體密度以及晶體結(jié)構(gòu)中微粒數(shù)目等等。
1．用均攤法確定晶胞中微粒數(shù)目，進而確定物質(zhì)的化學(xué)式
均攤法是指每個晶胞平均擁有的粒子數(shù)目。如某個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子有屬于這個晶胞。
(1)長方體(正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算。
①處于頂角的粒子，同時為8個晶胞所共有，每個粒子有屬于該晶胞；
②處于棱上的粒子，同時為4個晶胞所共有，每個粒子有屬于該晶胞；
③處于面上的粒子，同時為2個晶胞所共有，每個粒子有屬于該晶胞；
④處于晶胞內(nèi)部的粒子，則完全屬于該晶胞。
(2)非長方體(正方體)晶胞中粒子視具體情況而定，如石墨晶胞每一層內(nèi)碳原子排成六邊形，其頂角(1個碳原子)被3個六邊形所共有，每個六邊形占有1個碳原子的。
2．晶體密度
晶體的密度可由公式ρ＝求解，其中m指一個晶胞中微粒的質(zhì)量，V指晶胞的體積。
3．空間利用率
×100%
例如(1)簡單立方(見圖1)：a＝2r(a為晶胞邊長，r為微粒半徑)
空間利用率＝×100%＝52%

圖1　　　　　　　　圖2
(2)體心立方(見圖2)：
a2＋2a2＝(4r)2　a＝
空間利用率×100%＝68%

【例2】　(1)甲醛與新制Cu(OH)2懸濁液加熱可得磚紅色沉淀Cu2O，已知Cu2O晶胞的結(jié)構(gòu)如圖所示：

①在該晶胞中，Cu＋的配位數(shù)是__________。
②若該晶胞的邊長為a pm，則Cu2O的密度為________________g·cm－3(只要求列算式，不必計算出數(shù)值，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA)。
(2)砷化鎵為第三代半導(dǎo)體材料，晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，砷化鎵晶體中最近的砷和鎵原子核間距為a cm，砷化鎵的摩爾質(zhì)量為b g·mol－1，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則砷化鎵晶體的密度表達式是__________g·cm－3。

(3)晶胞有兩個基本要素：①原子坐標參數(shù)，表示晶胞內(nèi)部各原子的相對位置，LiZnAs基稀磁半導(dǎo)體的晶胞如圖所示，其中A處Li的原子坐標參數(shù)為；B處As的原子坐標參數(shù)為；C處Li的原子坐標參數(shù)為__________。
②晶胞參數(shù)，描述晶胞的大小和形狀，已知LiZnAs單晶的晶胞參數(shù)a＝594 pm，NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值，則其密度為__________ g·cm－3(列出計算式即可)。

(4)元素銅的單質(zhì)晶體中原子的堆積方式如圖甲所示，其晶胞特征如圖乙所示，原子之間相互位置關(guān)系的平面圖如圖丙所示。

甲　　　　乙　　　　　丙
若已知銅元素的原子半徑為d cm，相對原子質(zhì)量為M，NA代表阿伏加德羅常數(shù)的值，則該晶體的密度為______________g·cm－3(用含M、d、NA的代數(shù)式表示)。
(5)金屬鎳與鑭(La)形成的合金是一種良好的儲氫材料，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖。

①儲氫原理：鑭鎳合金吸附H2，H2解離為原子，H原子儲存在其中形成化合物。若儲氫后，氫原子占據(jù)晶胞中上下底面的棱心和面心，則形成的儲氫化合物的化學(xué)式為__________。
②測知鑭鎳合金晶胞體積為9.0×10－23 cm3，則鑭鎳合金的晶體密度為___________________________________ (列出計算式即可)。
[解析]　(1)①根據(jù)氧化亞銅的化學(xué)式和晶胞結(jié)構(gòu)分析，在該晶胞中，每個O2－和4個Cu＋相連，每個Cu＋和2個O2－相連，故Cu＋的配位數(shù)是2。②根據(jù)氧化亞銅的晶胞結(jié)構(gòu)可知，晶胞的質(zhì)量為 g，若該晶胞的邊長為a pm＝a×10－10 cm，則晶胞的體積為a3×10－30 cm3，則Cu2O的密度為 g·cm－3。
(2)砷化鎵晶體中最近的砷和鎵原子的核間距為晶胞體對角線長的，則晶胞的棱長為 cm，每個晶胞中含有4個砷原子和4個鎵原子，所以密度表達式為ρ＝＝ g·cm－3＝ g·cm－3。
(3)①根據(jù)晶胞結(jié)構(gòu)可知，C處Li的原子坐標參數(shù)為。
②該晶胞中Li、As、Zn原子的個數(shù)都為4，根據(jù)化學(xué)式可知該晶體的密度ρ＝＝ g·cm－3。
(4)由題圖可知銅晶胞中含有的銅原子數(shù)目為8×＋6×＝4。若已知銅元素的原子半徑為d cm，則由圖丙知，其晶胞的面對角線長是4d cm，所以晶胞的邊長是2d cm，則該晶體的密度ρ＝＝ g·cm－3＝ g·cm－3。
(5)①根據(jù)均攤法，儲氫后晶胞中La的個數(shù)為8×＝1，Ni的個數(shù)為8×＋1＝5，H的個數(shù)為8×＋2×＝3，因此該儲氫化合物的化學(xué)式為LaNi5H3。②根據(jù)密度的定義，晶胞的質(zhì)量為 g，體積為9.0×10－23 cm3，密度為 g·cm－3。
[答案]　(1)①2?、凇?2)
(3)①?、?br /> (4)
(5)①LaNi5H3?、?g·cm－3

3．最近科學(xué)家成功制成了一種新型的碳氧化合物，該化合物晶體中每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結(jié)合為一種三維骨架結(jié)構(gòu)，下列對該晶體敘述錯誤的是(　　)
A．該晶體類型是共價晶體
B．晶體的空間最小環(huán)共由6個原子構(gòu)成
C．晶體中碳原子數(shù)與C—O化學(xué)鍵數(shù)目之比為1∶4
D．該晶體中碳原子和氧原子的個數(shù)之比為1∶2
B　[根據(jù)題干，該化合物晶體中每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結(jié)合為一種三維骨架結(jié)構(gòu)，不存在單個分子，屬于共價晶體，A正確；該晶體的空間最小環(huán)由6個碳原子和6個氧原子構(gòu)成，因此晶體的空間最小環(huán)共由12個原子構(gòu)成，B錯誤；該晶體中，每個碳原子形成4個C—O共價鍵且沒有共用，所以C原子數(shù)與C—O化學(xué)鍵數(shù)目之比為1∶4，C正確；晶體中每個碳原子均以四個共價單鍵與氧原子結(jié)合，每個氧原子和2個碳原子以共價單鍵相結(jié)合，所以碳、氧原子個數(shù)之比為1∶2，D正確。]
4．(1)如圖1所示為二維平面晶體結(jié)構(gòu)示意圖，化學(xué)式為AX3的晶體是__________(填序號)。

圖1　　　　　　　　圖2
(2)圖2為金屬銅的晶胞，請完成下列各題。
①該晶胞“實際”擁有的銅原子數(shù)是__________。
②設(shè)該晶胞立方體的邊長為a cm，Cu的相對原子質(zhì)量為64，金屬銅的密度為ρ g·cm－3，NA為阿伏加德羅常數(shù)的值，則NA＝__________(用a、ρ表示)。
[解析]　(1)①中6個X原子構(gòu)成一個正六邊形，每個X原子被3個這樣的正六邊形共有，正六邊形的中心有1個A原子，所以每個正六邊形中X原子的實際個數(shù)是6×＝2，則表示的化學(xué)式是AX2；②中6個X原子構(gòu)成一個正六邊形，每個X原子被2個這樣的正六邊形共有，正六邊形的中心有1個A原子，所以每個正六邊形中X原子的實際個數(shù)是6×＝3，則表示的化學(xué)式是AX3。(2)①用“均攤法”求解，該晶胞“實際”擁有的銅原子數(shù)為8×＋6×＝4；②·64＝ρ·a3，NA＝。
[答案]　(1)②　(2)①4?、?br />
對于晶體結(jié)構(gòu)的計算，要善于用宏觀的立體幾何結(jié)構(gòu)分析晶胞的微觀結(jié)構(gòu)。分清各原子、離子、分子在空間的相對位置，利用立體幾何的知識，把抽象的化學(xué)概念轉(zhuǎn)變成具體的數(shù)學(xué)問題。


1．下列物質(zhì)所屬晶體類型分類正確的是(　　)

A
B
C
D
共價晶體
石墨
生石灰
碳化硅
金剛石
分子晶體
冰
固態(tài)氨
氯化銫
干冰
離子晶體
氮化鋁
食鹽
明礬
芒硝
金屬晶體
銅
汞
鋁
鐵
D　[石墨為混合型晶體，生石灰、氯化銫為離子晶體，氮化鋁為共價晶體。]
2．下表給出幾種化合物的熔點和沸點：
物質(zhì)
NaCl
MgCl2
AlCl3
CCl4
熔點/℃
801
714
190
－22.9
沸點/℃
1 465
1 412
178
76.8
關(guān)于表中4種化合物有下列說法，其中正確的是(　　)
①AlCl3在加熱時可升華　②CCl4屬于分子晶體?、? 500 ℃時NaCl可形成氣體分子　 ④AlCl3是典型的離子晶體
A．①②④　　B．③④　　C．①②③　　D．①②③④
C　[根據(jù)各物質(zhì)的熔、沸點判斷，AlCl3和CCl4為分子晶體；AlCl3的沸點低于熔點，所以可升華；NaCl為離子晶體，但1 500 ℃高于其沸點，故1 500 ℃時以分子形式存在。]
3．(2021·山東濰坊高二期中)高溫下超氧化鉀晶體呈立方體結(jié)構(gòu)，晶體中氧的化合價部分為0價，部分為－2價。如圖所示為超氧化鉀晶體的一個晶胞，則下列說法中正確的是(　　)

A．超氧化鉀的化學(xué)式為KO2，每個晶胞含有4個K＋和4個O
B．晶體中每個K＋周圍有8個O，每個O周圍有8個K＋
C．晶體中與每個K＋距離最近且相等的K＋有8個
D．晶體中，0價氧與－2價氧的數(shù)目之比為2∶1
A　[該晶胞中鉀離子個數(shù)為8×＋6×＝4，超氧根離子個數(shù)為1＋12×＝4，所以鉀離子和超氧根離子個數(shù)之比為4∶4＝1∶1，超氧化鉀的化學(xué)式為KO2，每個晶胞含有4個K＋和4個O，A正確；根據(jù)題圖可知，晶體中每個K＋周圍有6個O，每個O周圍有6個K＋，B錯誤；晶體中與每個K＋距離最近且相等的K＋個數(shù)為3×8×＝12，C錯誤；晶胞中K＋與O個數(shù)分別為4、4，所以1個晶胞中有8個氧原子，根據(jù)電荷守恒可得，－2價氧原子數(shù)目為2，所以0價氧原子數(shù)目為8－2＝6，所以晶體中，0價氧原子與－2價氧原子的數(shù)目之比為3∶1，D錯誤。]
4．金屬鈉晶體的晶胞為體心立方堆積，實驗測得鈉的密度為ρ g·cm－3。已知鈉的相對原子質(zhì)量為a，設(shè)阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，假定金屬鈉原子為等徑的剛性小球且處于體對角線上的三個球相切。則鈉原子的半徑r為(　　)

A． cm B． cm
C． cm D． cm
C　[因為金屬鈉晶體的晶胞為體心立方堆積，所以每個晶胞中含有鈉原子數(shù)為1＋8×＝2，設(shè)晶胞邊長為x cm，根據(jù)ρ＝得，ρ＝，所以x＝，晶胞的體對角線長為棱長的倍，則體對角線長為 cm，所以鈉原子半徑r＝ cm。]
5．(2021·福建泉港一中高二月考)如圖甲、乙、丙分別為CaF2、H3BO3(層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)的H3BO3分子間通過氫鍵結(jié)合)、金屬銅三種晶體的結(jié)構(gòu)示意圖，請回答下列問題：

甲　CaF2晶胞　　　　乙　H3BO3層狀結(jié)構(gòu)

丙　銅晶體中銅原子堆積模型
(1)圖甲所示的CaF2晶體中與Ca2＋最近且等距離的F－數(shù)為__________，圖丙中未標號的銅原子形成晶體后周圍最緊鄰的銅原子數(shù)為__________。
(2)三種晶體中熔點最低的是__________，該晶體受熱熔化時，克服的微粒之間的相互作用為__________。
(3)結(jié)合CaF2晶體的晶胞示意圖，已知兩個距離最近的Ca2＋核間距為a×10－8 cm，計算CaF2晶體的密度為__________g·cm－3(精確到小數(shù)點后一位，NA用具體數(shù)值代入計算)。
[解析]　(1)由圖甲可知F－的配位數(shù)為4，Ca2＋與F－的數(shù)目之比為1∶2，則離Ca2＋最近且等距離的F－數(shù)目為4×2＝8；圖丙中未標號的銅原子與所在密置層的4、5、6、7、8、9號銅原子緊密相鄰，與上一密置層的1、2、3號銅原子和下一密置層的10、11、12號銅原子緊密相鄰，故未標號的銅原子形成晶體后周圍最緊鄰的銅原子數(shù)為12。
(2)CaF2屬于離子晶體，Cu屬于金屬晶體，H3BO3屬于分子晶體，三種晶體中熔點最低的是H3BO3，H3BO3分子之間存在氫鍵、范德華力，H3BO3晶體受熱熔化時，需要克服氫鍵、范德華力。
(3)由圖甲可知，兩個距離最近的Ca2＋核間距為面對角線長的一半，則晶胞棱長為×a×10－8 cm，一個晶胞中實際擁有Ca2＋的數(shù)目為8×＋6×＝4，F(xiàn)－數(shù)目為8，則CaF2晶體的密度為≈ g·cm－3。
[答案]　(1)8　12
(2)H3BO3　范德華力和氫鍵
(3)

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高中化學(xué)人教版 (2019)選擇性必修2電子課本

第三節(jié) 金屬晶體與離子晶體

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修2

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