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离子晶体、分子晶体和原子晶体


离子晶体、分子晶体和原子晶体 [学法指导] 在学习中要加强对化学键中的非极性键、极性键、离子键、晶体类型及结构的认识与理解; 在掌握微粒半径递变规律的基础上,分析离子晶体、原子晶体、分子晶体的熔点、沸点等物理性 质的变化规律; 并在认识晶体的空间结构的过程中, 培养空间想象能力及思维的严密性和抽象性。 同时,关于晶体空间结构的问题,很容易与数学等学科知识结合起来,在综合题的命题方

法 具有广阔的空间, 因此, 一定要把握基础、 领会实质, 建立同类题的解题策略和相应的思维模式。 [要点分析] 一、晶体 固体可以分为两种存在形式:晶体和非晶体。 晶体的分布非常广泛,自然界的固体物质中,绝大多数是晶体。气体、液体和非晶体在一定 条件下也可转变为晶体。 晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体。 晶体中原子或分子在空间按一定 规律周期性重复的排列, 从而使晶体内部各个部分的宏观性质是相同的, 而且具有固定的熔点和 规则的几何外形。

NaCl 晶体结构

食盐晶体

金刚石晶体

金刚石晶体模型

钻石

C60 分子 二、晶体结构 1.几种晶体的结构、性质比较
类型 构成微粒 相互作用 硬度 熔沸点 导电性 溶解性 典型实例 离子晶体 阴、阳离子 离子键 较大 较高 溶液或熔化导电 一般易溶于水 NaCl、KBr 等 原子晶体 原子 共价键 很大 很高 一般不导电 难溶水和其他溶剂 金刚石、硅晶体、SiO2、SiC 分子晶体 分子 分子间作用力 很小 很低 不导电 相似相溶 单质:H2、O2 等 化合物:干冰、H2SO4

2.几种典型的晶体结构: (1)NaCl 晶体(如图 1):每个 Na+周围有 6 个 Cl-,每个 Cl-周围有 6 个 Na+,离子个数比 为 1:1。 (2)CsCl 晶体(如图 2):每个 Cl-周围有 8 个 Cs+,每个 Cs+周围有 8 个 Cl-;距离 Cs+最 近的且距离相等的 Cs+有 6 个,距离每个 Cl-最近的且距离相等的 Cl-也有 6 个,Cs+和 Cl-的离子 个数比为 1:1。

(3)金刚石(如图 3):每个碳原子都被相邻的四个碳原子包围,以共价键结合成为正四 面体结构并向空间发展,键角都是 109?28',最小的碳环上有六个碳原子。

(4)石墨(如图 4、5):层状结构,每一层内,碳原子以正六边形排列成平面的网状结构, 每个正六边形平均拥有两个碳原子。片层间存在范德华力,是混合型晶体。熔点比金刚石高。

(5)干冰(如图 6):分子晶体,每个 CO2 分子周围紧邻其他 12 个 CO2 分子。 (6)SiO2 :原子晶体,空间网状结构,Si 原子构成正四面体,O 原子位于 Si-Si 键中间。 (SiO2 晶体中不存在 SiO2 分子,只是由于 Si 原子和 O 原子个数比为 1∶2,才得出二氧化硅的 化学式为 SiO2)

紫水晶 3.离子晶体化学式的确定

大水晶

二氧化晶体模型

确定离子晶体的化学式实际上是确定晶体中粒子个数比。其方法如下: (1)处于顶点的粒子,同时为 8 个晶胞所共有,每个粒子有 1/8 属于该晶胞。 (2)处于棱上的粒子同时为 4 个晶胞共有,每个粒子有 1/4 属于该晶胞。 (3)处于面心上的粒子,同时为 2 个晶胞共有,每个粒子有 1/2 属于该晶胞。 (4)处于晶胞体心的粒子,则完全属于该晶胞。 4.根据物质的物理性质判断晶体的类型 (1)在常温下呈气态或液态的物质,其晶体应属于分子晶体(Hg 除外),如 H2O、H2 等。 对于稀有气体,虽然构成物质的微粒为原子,但应看作单原子分子,因为微粒间的相互作用力是 范德华力,而非共价键。 (2)在熔融状态下能导电的晶体(化合物)是离子晶体。如:NaCl 熔融后电离出 Na 和 Cl ,能自由移动,所以能导电。
- +

(3)有较高的熔、沸点,硬度大,并且难溶于水的物质大多为原子晶体,如晶体硅、二氧 化硅、金刚石等。 (4)易升华的物质大多为分子晶体。 三、分子间作用力和氢键 1.分子间作用力 分子间作用力又叫范德华力,是分子与分子之间微弱的相互作用,它不属于化学键范畴。分 子间作用力广泛存在于分子与分子之间,由于相互作用很弱,因此只有分子与分子充分接近时, 分子间才有作用力。 2.氢键 氢键是在分子间形成的,该分子中必须含有氢原子,且另一种原子吸引电子的能力很强(具 体有 F、O、N 三种元素),只有这样才能形成氢键。常见的能形成氢键的分子主要有 HF、H2O、 NH3 等。 氢键的实质也是静电作用,氢键的强度比分子间作用力稍强,但比化学键弱的多,它仍不属 于化学键范畴。 氢键对物质熔、沸点的影响结果是使物质的熔点和沸点均升高。例如 H2O 和 H2S 的组成与 结构相似,相对分子质量 H2S>H2O,若仅以分子间作用力论,H2S 的熔、沸点应大于 H2O,可 实际上 H2O 在常温状态下是液态, H2S 在通常状态下是气态, 而 说明 H2O 的熔、 沸点比 H2S 高, 原因就是 H2O 分子中存在 H…O 键。 四、物质的熔沸点比较及规律 (1)不同类型的晶体,一般来讲,熔沸点按原子晶体>离子晶体>分子晶体。 (2)由共价键形成的原子晶体中,原子半径越小的,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸 点越高。如熔点:金刚石>石英>碳化硅>晶体硅。 (3)离子晶体比较离子键的强弱。一般地说,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小, 则离子间的作用就越强,其离子晶体的熔沸点就越高,如熔点:MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。 (4)分子晶体:组成和结构相似的物质,相对分子质量越大,熔沸点越高;如 Cl2<Br2<I2。 组成和结构不相似的物质,分子极性越大,其熔沸点就越高,如熔、沸点:CO>N2。 [例题分析] 例 1.下面的叙述正确的是 A、离子化合物中可能含有共价键 B、分子晶体中不会有离子键 C、分子晶体中的分子内一定有共价键 D、原子晶体中一定有非极性共价键

[分析与解答] 若离子化合物中某种离子由两种或两种以上元素组成。如 NH4+、OH-、SO42-等。 则其离子内部有共价键。分子晶体的构成微粒是分子,分子间只有分子间作用力,分子内除稀有 气体外,都只有共价键,故(A)、(B)正确。(C)未提到稀有气体分子是单原子分子,无 任何化学键。由两种原子形成的原子晶体 SiO2 等,其原子间以极性键结合,无非极性键。故正 确答案为(A)、(B)。 例 2.下列各组物质的晶体中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是 A、SO2 和 SiO2 [分析与解答] A、SO2 和 SiO2 的化学键相同,都是极性共价键,但晶体类型不同,SO2 是分子晶体,SiO2 是原子晶体; B、CO2 和 H2O 的化学键都是共价键,且都属于分子晶体; C 中的 NaCl 和 HCl 化学键类型不同, NaCl 为离子键,HCl 为极性共价键,且晶体类型也 不同,NaCl 为离子晶体,HCl 为分子晶体; D 中 CCl4 和 KCl 的化学键不同,CCl4 是极性共价键,KCl 中是离子键且晶体类型也不同, CCl4 为分子晶体,KCl 为离子晶体。 故正确答案为选项 B。 例 3. (1)中学教材上图示了 NaCl 晶体结构,它向三维空间延伸得到完美晶体。NiO(氧化镍) 晶体的结构与 NaCl 相同,Ni2+与最邻近 O2-的核间距离为 a×10-8cm,计算 NiO 晶体的密度(已 知 NiO 的摩尔质量为 74.7g·mol-1)。 (2)天然的和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷。例如在某种 NiO 晶体中就存在如 图 7 所示的缺陷:一个 Ni2+空缺,另有两个 Ni2+被两个 Ni3+所取代。其结果晶体仍呈电中性,但 化合物中 Ni 和 O 的比值却发生了变化。某氧化镍品组成为 Ni0.97O,试计算该晶体中 Ni3+与 Ni2+ 的离子数之比。 [分析与解答] (1) 根据 NaCl 晶体结构,隔离出一个小立体(如图 8),小立方体的每个顶点离子为 8 个小立 B、CO2 和 H2O C、NaCl 和 HCl D、CCl4 和 KCl

方本共用,因此小立方体含 O2-:4×

=

,含 Ni2+:4×

=

,即每个小立方体含有



(Ni2+-O2-)离子对。则若含有 1mol NiO,需 2NA 个小立方体,

所以密度 r=

(2) 设 1mol Ni0.97O 中含 Ni3+ xmol,Ni2+ (0.97-x)mol 根据晶体呈电中性 3x mol +2(0.97-x)mol=2×1mol 解之 x=0.06,Ni2+为(0.97-x)mol=0.91mol 离子数之比 Ni3+:Ni2+=0.06:0.91=6:91 另解: 也可由题设的演变过程, 用数学方法处理。 1mol 晶体中存在 xmol 缺陷, 设 同时有 2xmol Ni3+, 取代了 2x mol Ni2+, 所以 Ni3+的个数 2x 与 Ni2+的个数(1-x-2x)之和为 0.97, 2x+(1-x-2x)=0.97, 即: x=0.03。 ∴Ni3+:Ni2+个数比=2x:(1-3x)=2×0.03:(1-3×0.03)=6:91。


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