第三节 金属晶体与离子晶体
基础课时13 金属键与金属晶体
学 习 任 务 1．认识金属晶体的结构和性质。2．能利用金属键、“电子气理论”解释金属的一些物理性质。
一、金属键
1．定义：在金属单质晶体中原子之间以金属阳离子与自由电子之间强烈的相互作用。
2．成键粒子：金属阳离子和自由电子。
3．成键条件：金属单质或合金。
4．成键本质
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”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起，形成像共价晶体一样的“巨分子”。
下列有关金属键的叙述错误的是( )
A．自由电子属于整块金属
B．金属的物理性质和金属固体的形成都与金属键有关
C．金属键没有饱和性和方向性
D．金属键是金属阳离子和自由电子间的强烈的静电吸引作用
D [自由电子属于整块金属，A项正确；金属的物理性质和金属固体的形成都与金属键有关，B项正确；金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有的金属原子维系在一起，所以金属键没有方向性和饱和性，C项正确；金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用，既包括金属阳离子与自由电子之间的静电吸引作用，也包括金属阳离子之间及自由电子之间的静电排斥作用，D项错误。]
二、金属晶体
1．通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫做金属晶体。
2．用电子气理论解释金属的物理性质
微点拨：①温度越高，金属的导电能力越弱。②合金的熔、沸点比其各成分金属的熔、沸点低。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)常温下，金属单质都以金属晶体的形式存在。 (×)
(2)金属阳离子与自由电子之间的强烈作用，在一定外力作用下，不因形变而消失。 (√)
(3)金属晶体的构成粒子为金属原子。 (×)
(4)同主族金属元素自上而下，金属单质的熔点逐渐降低，体现金属键逐渐减弱。 (√)
下列叙述正确的是( )
A．有阳离子的晶体一定有阴离子
B．有阳离子的晶体一定是化合物
C．金属晶体都具有较高的熔点和银白色的金属光泽
D．由单质组成且在固态时能导电的晶体不一定是金属晶体
D [金属晶体中有金属阳离子和自由电子，而无阴离子，A项错误；铁、铜、金等金属晶体内部存在金属阳离子，但它们都是单质，B项错误；有的金属晶体的熔点很高，如钨是熔点最高的金属，有的很低，如汞在常温下是液体；绝大多数金属都具有银白色金属光泽，但少数金属有特殊颜色，如Au呈金黄色，Cu呈红色，Cs略带金色等，C项错误；晶体硅能导电，但不是金属晶体，D项正确。]
金属键对金属物理性质的影响
记忆金属又叫形状记忆合金。20世纪70年代，世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状功能的合金。记忆合金是一种颇为特别的金属条，它极易被弯曲，我们把它放进盛着热水的玻璃缸内，金属条伸直；将它放入冷水里，金属条则恢复了原状。这些都是由一种有记忆力的金属做成的，它的微观结构有两种相对稳定的状态，在高温下这种合金可以被变成任何你想要的形状，在较低的温度下合金可以被拉伸，但若对它重新加热，它会记起它原来的形状，而变回去。这种材料就叫做记忆金属(memory metal)。它主要是镍钛合金材料。
一些常见的记忆金属制品
[问题1] 合金是什么？合金中存在金属键吗？
提示：合金就是由两种或两种以上的金属或者金属与非金属组成的具有金属特性的物质。合金中含有金属阳离子和自由电子，所以，含有金属键。
[问题2] 记忆合金是否具有一定的导热性？为什么？
提示：具有。因为记忆合金中也存在金属键，也存在金属阳离子和自由电子，所以二者相互碰撞可以传递热量。
[问题3] 根据图示可知，记忆金属在医学上有何应用？
提示：镍钛合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。(此答案合理即可)。
1．金属键强弱的影响因素
金属键的强弱取决于金属阳离子所带电荷及阳离子半径的大小。一般来说，金属阳离子所带电荷越多，阳离子半径越小，金属键就越强。
2．“电子气理论”对金属性质的解释
(1)金属的导电性
在金属晶体中，充满着带负电荷的“电子气”，“电子气”的运动是没有方向的，但在外加电场的作用下“电子气”会发生定向移动，从而形成电流，所以金属容易导电，如图所示：
(2)金属的导热性
金属容易导热，是由于“电子气”中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞，从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分，使整块金属达到相同的温度。
(3)金属的延展性
当金属受到外力作用时，晶体中的各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以在各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下发生形变，也不易断裂，因此，金属都有良好的延展性。如图所示：
1．关于金属性质和原因的描述不正确的是( )
A．金属一般具有银白色光泽，是物理性质，与金属键没有关系
B．金属具有良好的导电性，是因为在金属晶体中共享了金属原子的价电子，形成了“电子气”，在外加电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流，所以金属易导电
C．金属具有良好的导热性能，是因为自由电子在受热后，加快了运动速率，自由电子通过与金属离子发生碰撞，传递了能量
D．金属晶体具有良好的延展性，是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键
A [金属一般具有银白色的金属光泽，与金属键密切相关。由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光辐射到它的表面上时，自由电子可以吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，这就使得绝大多数金属呈现银灰色以至银白色光泽，故A项错误；B、C、D项均正确。]
2．结合金属晶体的结构与性质，回答下列问题：
(1)根据下列叙述，判断晶体一定为金属晶体的是__________(填标号，下同)。
A．由分子间作用力形成的晶体，熔点较低
B．由共价键结合形成共价键三维骨架结构的晶体，熔点很高
C．固体有良好的导电性、导热性和延展性
(2)下列关于金属晶体的叙述正确的是__________。
A．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在
B．金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用，在一定外力作用下，不会因形变而消失
C．温度越高，金属的导电性越好
[解析] (1)由分子间作用力形成的晶体，熔点较低，是分子晶体，A项不符合题意；由共价键结合形成共价键三维骨架结构的晶体，熔点很高，是共价晶体，B项不符合题意；固体有良好的导电性、导热性和延展性是金属晶体的性质，C项符合题意。(2)常温下，金属单质通常以金属晶体形式存在，但汞是特例，汞在常温下是液体，A项错误；金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用，在一定外力作用下，不会因形变而消失，这可以认为是电子气理论对金属具有良好延展性的解释，B项正确；温度升高，金属阳离子的振动频率和自由电子的无序运动增强，会使金属的电导性减弱，C项错误。
[答案] (1)C (2)B
金属晶体微观结构与其物理性质的关系
(1)金属晶体中有金属阳离子和自由电子，两者间的强烈相互作用形成金属键，金属键无方向性和饱和性，这些特点决定了金属晶体的物理性质，如导电性、导热性和延展性等。
(2)在不通电的情况下，金属晶体中的自由电子在整块金属中做无规则运动。在外加电场作用下，自由电子发生定向移动，形成电流。但金属阳离子只在一定范围内振动，而不会自由移动，温度升高，碰撞次数增多，电阻增大，金属导电能力变弱，这与电解质溶液导电是有区别的。
1．下列说法正确的是( )
A．金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子
B．在化学反应中金属单质都是还原剂，非金属单质都是氧化剂
C．某晶体中若含有阳离子则必含有阴离子
D．如果金属失去自由电子，金属晶体将不复存在
D [金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，在外加电场作用下自由电子发生定向移动形成电流而导电，A项错误；有些非金属单质在化学反应中也可以作还原剂，如C、H2在其燃烧中都作还原剂等，B项错误；金属晶体中有阳离子，但没有阴离子，C项错误；金属晶体是金属原子之间通过金属键结合形成的，而金属键是金属阳离子与自由电子之间的强烈的相互作用，D项正确。]
2．金属的下列性质中和金属晶体的结构无关的是( )
A．良好的导电性 B．反应中易失电子
C．良好的延展性 D．良好的导热性
B [金属的物理性质是由金属晶体结构所决定的，A、C、D三项都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体结构所决定的。B项，金属易失电子是由金属原子的结构决定的，和晶体结构无关。]
3．如图是金属晶体内部电子气理论图
电子气理论可以用来解释金属的性质，其中正确的是( )
A．金属能导电是因为金属阳离子在外加电场作用下定向移动
B．金属能导热是因为自由电子在热的作用下相互碰撞，从而发生热的传导
C．金属具有延展性是因为在外力的作用下，金属阳离子各层间会出现相对滑动，但自由电子可以起到润滑的作用，使金属不会断裂
D．合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，使电子数目增多，所以合金的延展性比纯金属强，硬度比纯金属小
C [金属能导电是因为自由电子在外加电场作用下定向移动，A项错误；金属能导热是因为自由电子在热的作用下与金属阳离子碰撞，从而发生热的传导，B项错误；合金与纯金属相比，由于增加了不同的金属或非金属，相当于填补了金属阳离子之间的空隙，所以一般情况下合金的延展性比纯金属弱，硬度比纯金属大，D项错误。]
4．在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，金属阳离子的半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。由此判断下列各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是( )
A．Mg＞Al＞Ca B．Al＞Na＞Li
C．Al＞Mg＞Ca D．Mg＞Ba＞Al
C [金属原子的价电子数：Al＞Mg＝Ca＝Ba＞Li＝Na，金属阳离子的半径：r(Ba2＋)＞r(Ca2＋)＞r(Na＋)＞r(Mg2＋)＞r(Al3＋)＞r(Li＋)，则C正确。]
5．2005年7月4日北京时间下午1点50分，美国“深度撞击”号飞船释放的探测器以大约每小时3.67万公里的高速撞击坦普尔1号彗星。“深度撞击”号探测器的总重量为372公斤，分为飞越舱和撞击舱两部分，撞击舱重113公斤，主要是一块铜合金锥体。“深度撞击”使彗星表面的细粉状碎屑腾空而起。这些细粉状碎屑中含有水、二氧化碳和简单有机物。
(1)构成撞击舱的铜合金中含有的化学键是__________。
A．共价键 B．金属键
C．离子键 D．配位键
(2)“深度撞击”号探测器的撞击舱选用铜作主要材料，与铜的性质有密切关系。你认为下列说法中一定错误的是__________。
A．铜是较活泼金属，利用铜燃烧产生巨大的能量来引爆彗星
B．铜对撞击时的观测产生的干扰小，并且也不会留下残余物而妨碍未来的观测
C．铜合金中的化学键作用强，保证了可用其制造结构上足够“硬”的撞击器
D．铜有较好的稳定性，其合金的硬度较大，这些都是铜“入选”的理由
[解析] (1)本题考查金属晶体中的化学键——金属键。铜合金中含有的化学键为金属键。(2)用铜合金撞击彗星主要是因为铜稳定性好，合金密度适中、硬度较大，且对观测的干扰小，不留残余物。
[答案] (1)B (2)A
1基础课时14 离子晶体 过渡晶体与混合型晶体
学 习 任 务 1．借助离子晶体模型认识离子晶体的结构和性质。2．能利用离子键的有关理论解释离子晶体的物理性质。3．知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
一、离子晶体
1．结构特点
(1)构成粒子：阳离子和阴离子。
(2)作用力：离子键。
(3)配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
微点拨：大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子，有的还存在电中性分子。离子晶体中不仅有离子键还存在共价键、氢键等。
2．常见的离子晶体
晶体类型 NaCl CsCl
晶胞
阳离子的配位数 6 8
阴离子的配位数 6 8
晶胞中所含离子个数 Cl－(4个)Na＋(4个) Cs＋(1个)Cl－(1个)
3．物理性质
(1)硬度较大，难于压缩。
(2)熔点和沸点较高。
(3)固体不导电，但在熔融状态或水溶液时能导电。
离子晶体是否全由金属元素与非金属元素组成？
提示：不一定，如NH4Cl固体是离子晶体但它不含金属元素。
离子晶体一般不具有的特征是( )
A．熔点较高，硬度较大
B．易溶于水而难溶于有机溶剂
C．固体时不能导电
D．离子间距离较大，其密度较大
D [离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性，这些特性包括A、B、C项所述。]
二、过渡晶体与混合型晶体
1．过渡晶体
(1)四类典型的晶体是指分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体。
(2)过渡晶体：介于典型晶体之间的晶体。
①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数
氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2
离子键的百分数/% 62 50 41 33
从上表可知，表中的4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。
②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、SiO2等。
微点拨：四类典型晶体都有过渡晶体存在。
2．混合型晶体
(1)晶体模型
石墨结构中未参与杂化的p轨道
(2)结构特点——层状结构
①同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结构。
②层与层之间靠范德华力维系。
③石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。
(3)晶体类型：石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。
(4)性质：熔点很高、质软、易导电等。
石墨为什么具有良好的导电性？
提示：由于碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动，所以石墨具有导电性。
离子晶体的结构与性质
超氧化钾又称为“化学氧自救器”，主要用于煤矿井下救急。它能够和人呼出的二氧化碳接触产生氧气，此反应的化学方程式为4KO2＋2CO2===2K2CO3＋3O2。
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(晶体中基本的重复单元)。
[问题1] 判断超氧化钾的晶体类型是什么？
提示：离子晶体。
[问题2] 在该晶体的晶胞中含有K＋和O的个数是多少？晶胞中与每个K＋距离最近的O有几个？
提示：作为面心立方晶胞，每个晶胞中含有4(即8×＋×6)个K＋，4(即1＋×12)个O，晶胞中与每个K＋距离最近的O有6个。
[问题3] 超氧化钾晶体中含有的化学键类型有哪些？
提示：超氧化钾晶体(KO2)是离子化合物，阴、阳离子分别为O、K＋，晶体中K＋与O以离子键相结合，O中O—O为共价键。
1．离子键没有方向性和饱和性的原因
(1)由于离子键的实质是静电作用，而且离子的电荷分布通常被看成是球形对称的，因此一种离子对带异性电荷离子的吸引作用与其所处的方向无关。故相对共价键而言，离子键没有方向性(相对的)。
(2)在离子化合物中，每个离子周围最邻近的带异性电荷离子数目的多少，取决于阴、阳离子的相对大小。只要空间条件允许，阳离子将吸引尽可能多的阴离子排列在其周围，阴离子也将吸引尽可能多的阳离子排列在其周围，以达到降低体系能量的目的，所以在这个意义上，离子键是没有饱和性的。
2．离子晶体的易错知识小结
(1)离子晶体中无分子。如NaCl、CsCl只表示晶体中阴、阳离子个数比，为化学式，不是分子式。
(2)离子晶体中一定有离子键，可能有共价键和氢键等，如KNO3等晶体中既有离子键又有共价键；CuSO4·5H2O中除离子键外，还含有共价键和氢键。
(3)离子晶体中，每一个阴(阳)离子周围排列的带相反电荷离子的数目是固定的，不是任意的。
3．离子晶体的性质
性质 原因
熔、沸点 离子晶体中有较强的离子键，熔化或汽化时需消耗较多的能量。所以离子晶体有较高的熔点、沸点和难挥发性。通常情况下，同种类型的离子晶体，离子半径越小，离子键越强，熔、沸点越高
硬度 硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎
导电性 不导电，但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中，离子键较强，阴、阳离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、阳离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外加电场的作用下，离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时，阴、阳离子受到水分子的作用成了自由移动的离子(或水合离子)，在外加电场的作用下，阴、阳离子定向移动而导电
溶解性 大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)中，难溶于非极性溶剂(如汽油、苯、CCl4)中。当把离子晶体放入水中时，水分子对离子晶体中的离子产生吸引，使离子晶体中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体，变成在水中自由移动的离子
延展性 离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离子晶体无延展性
4．离子晶体的判断
判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。
(1)利用物质的分类
金属离子和酸根离子、OH－形成的大多数盐、强碱，活泼金属的氧化物和过氧化物(如Na2O和Na2O2)，活泼金属的氢化物(如NaH)，活泼金属的硫化物等都是离子晶体。
(2)利用元素的性质和种类
如成键元素的电负性差值大于1.7的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，ⅠA、ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，ⅥA、ⅦA族元素)组成的化合物。
(3)利用物质的性质
离子晶体一般具有较高的熔、沸点，难挥发，硬而脆；固体不导电，但熔融或溶于水时能导电，大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。
1．下列叙述正确的是( )
A．Na2SO4晶体中含有离子键和极性共价键
B．离子晶体中一定存在离子键，同时存在其他化学键
C．Na2O2、NaHSO4晶体中的阴、阳离子个数比均为1∶2
D．晶体熔点：金刚石>食盐>干冰>冰
A [Na2SO4晶体中含有Na＋和SO，它们之间形成离子键，SO中存在极性键，A项正确；离子晶体中一定存在离子键，可能存在共价键，如NaCl中仅有离子键，B项错误；Na2O2中的阴离子是O，阴、阳离子个数比为1∶2，NaHSO4中的阴离子是HSO，阴、阳离子个数比为1∶1，C项错误；冰中含有氢键，冰的熔点高于干冰，D项错误。]
2．下列性质适合于离子晶体的是( )
①熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电
②熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电
③能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃
④熔点97.81 ℃，质软，导电，密度0.97 g/cm3
⑤熔点－218 ℃，难溶于水
⑥熔点3 900 ℃，硬度很大，不导电
⑦难溶于水，固体时导电，升温时导电能力减弱
⑧熔点高，固体不导电，熔化时导电
A．①⑧ B．②③⑥
C．①④⑦ D．②⑤
A [离子晶体液态时能导电，难溶于非极性溶剂，熔点较高、质硬而脆，固体不导电，故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点；⑥中熔点达3 900 ℃，硬度很大，应是共价晶体。故只有①⑧符合题意。]
3．(2021·山东青岛期中)MgO、Rb2O、CaO、BaO四种离子晶体的熔点由高到低的顺序是( )
A．MgO>Rb2O>BaO>CaO
B．MgO>CaO>BaO>Rb2O
C．CaO>BaO>MgO>Rb2O
D．CaO>BaO>Rb2O>MgO
B [四种离子晶体所含阴离子相同，所含阳离子不同。对Mg2＋、Rb＋、Ca2＋、Ba2＋进行比较，Rb＋所带电荷数最少，半径最大，其与O2－形成的离子键最弱，故Rb2O的熔点最低。对Mg2＋、Ca2＋、Ba2＋进行比较，它们所带电荷数一样多，半径Mg2＋CaO>BaO，相应离子晶体的熔点由高到低的顺序为MgO>CaO>BaO。综上所述，四种离子晶体的熔点由高到低的顺序是MgO>CaO>BaO>Rb2O。]
4．NaCl晶体模型如下图所示：
(1)在NaCl晶体中，每个Na＋周围同时吸引________个Cl－，每个Cl－周围也同时吸引着________个Na＋，在NaCl晶胞中含有________个Na＋、________个Cl－，晶体中每个Na＋周围与它距离最近且相等的Na＋共有________个。
(2)对于氯化钠晶体，下列描述正确的是________。
A．相邻的正、负离子核间距等于正、负离子半径之和
B．与氯化铯晶体结构相同
C．每个Na＋与6个Cl－作为近邻
[解析] (1)在氯化钠晶体中，一个Na＋位于晶胞的中心，12个Na＋分别位于晶胞的12条棱上，则属于该晶胞的Na＋相当于3个，因此一个晶胞中共含有4个Na＋，8个Cl－分别位于晶胞的8个顶角上，则属于该晶胞的Cl－相当于1个，6个Cl－分别位于晶胞的6个面心上，则属于该晶胞的Cl－相当于3个，所以一个晶胞中共含有4个Cl－。可见NaCl晶体中Na＋、Cl－的个数比为1∶1。
图中位于晶胞中心的Na＋实际上共有3个平面通过它，通过中心Na＋的每个平面都有4个Na＋位于平面的四角，这4个Na＋与中心Na＋距离最近且距离相等。所以在NaCl晶体中，每个Na＋周围与它距离最近且距离相等的Na＋共有12个，按相似的方法可推出每个Cl－周围与它最近且距离相等的Cl－也共有12个。
(2)氯化铯晶体结构呈体心立方堆积，B错误，氯化钠晶体中以Na＋为中心向三维方向伸展，有6个Cl－近邻，C正确，相邻的正、负离子核间距不等于正、负离子半径之和，A错误。
[答案] (1)6 6 4 4 12 (2)C
判断物质结构图是否表示晶胞的方法
整块晶体是由“完全相同”的晶胞“无隙并置”地堆积而成的。“完全相同”包括“化学上等同”——晶胞里原子的数目和种类完全等同；还包括“几何上等同”——晶胞的形状、取向、大小等同，而且原子的排列完全等同。“无隙并置”即一个晶胞与它的相邻晶胞完全共顶角、共面、共棱。晶胞的这种本质属性可归纳为晶胞具有平移性。因此可根据结构图在晶体中是否具有平移性来判断是否表示晶胞。
1．(2021·福建宁德期中)下列说法正确的是( )
A．形成离子键的阴、阳离子间只存在静电吸引力
B．第ⅠA族元素与第ⅦA族元素形成的化合物一定是离子化合物
C．离子化合物的熔点一定比共价化合物的熔点高
D．金属元素与非金属元素化合时，不一定形成离子键
D [形成离子键的阴、阳离子之间不但存在阴、阳离子之间的相互吸引，也存在着电子之间和原子核之间的相互排斥，A项错误；氢是第ⅠA族元素，与第ⅦA族元素形成的化合物HX都是共价化合物，B项错误；NaCl是离子化合物，SiO2是共价化合物，但NaCl的熔点低于SiO2的熔点，C项错误；金属元素与非金属元素的电负性之差小于1.7时往往形成共价键，如Al与Cl、Be与Cl(AlCl3、BeCl2均是共价化合物)等，D项正确。]
2．自然界中的CaF2又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离子晶体。下列一定能说明CaF2是离子晶体的实验是( )
A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱
B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大
C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电
D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
C [离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自由移动的阴、阳离子，所以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。]
3．石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是( )
①石墨中存在两种作用力；②石墨是混合晶体；③石墨中的C为sp2杂化；④石墨熔点、沸点都比金刚石低；⑤石墨中碳原子数和C—C数之比为1∶2；⑥石墨和金刚石的硬度相同；⑦石墨层内导电性和层间导电性不同；⑧每个六元环完全占有的碳原子数是2
A．全对 B．除⑤外
C．除①④⑤⑥外 D．除⑥⑦⑧外
C [①不正确，石墨中存在三种作用力，一种是范德华力，一种是共价键，还有一种是金属键；②正确；③正确，石墨中的C为sp2杂化；④不正确，石墨熔点比金刚石高；⑤不正确，石墨中碳原子数和C—C数之比为2∶3；⑥不正确，石墨质软，金刚石的硬度大；⑦正确；⑧正确，每个六元环完全占有的碳原子数是6×1/3＝2。]
4．(2021·黑龙江哈尔滨三中高二期末)如图所示，在氯化钠晶胞中，与每个Na＋等距离且最近的几个Cl－所围成的空间结构为( )
A．正八面体 B．十二面体
C．正六面体 D．正四面体
A [取晶胞体心的钠离子为参考，由题图可知与该钠离子等距离且最近的氯离子分别位于立方体晶胞的6个面心，所以钠离子的配位数是6，将6个氯离子连接后所围成的空间结构是正八面体，A正确。]
5．如图所示，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na＋或Cl－所处的位置。这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。
(1)请将其中代表Na＋的圆圈涂黑(不必考虑离子体积大小)，以完成NaCl晶体的晶胞结构示意图。
(2)晶体中，在每个Na＋的周围与它最近且距离相等的Na＋共有__________个。
(3)在NaCl晶胞的顶角上、面上、棱上的Na＋或Cl－为该晶胞和与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Cl－的个数等于__________，即____________________________________________(填计算式)；Na＋的个数等于___________________________________________________________________，即__________________________________________________(填计算式)。
(4)设NaCl的摩尔质量为M g·mol－1，食盐晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA。则食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为____________________________________________________________cm。
[解析] (2)从NaCl晶胞结构可以看出，与顶角Na＋最近且距离相等的Na＋在面心，每个晶胞中有3个面心Na＋与顶角Na＋最近且等距，而每个顶角Na＋为8个晶胞共有，每个面心Na＋为2个晶胞共有，则与顶角Na＋最近且等距的面心Na＋共有8×3×＝12个。
(3)根据离子晶体的晶胞，求阴、阳离子个数比的方法是均摊法。如(1)中所得NaCl晶胞中，含Na＋个数为8×＋6×＝4，含Cl－个数为12×＋1＝4。
(4)设Cl－与Na＋的最近距离为a cm，则两个最近的Na＋间的距离为a cm，＝M g·mol－1，即a＝，所以两个Na＋间的最近距离为· cm。
[答案] (1)如图所示(答案不唯一，合理即可)
(2)12
(3)4 12×＋1＝4 4 8×＋6×＝4[答案不唯一，只要与第(1)问对应即可]
(4)·
1四类典型晶体的比较与晶胞结构的有关计算
探 究 任 务 1．能借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用。2．能对指定的晶胞结构进行有关计算。
四类典型晶体的比较
1．四类典型晶体的比较
类型项目 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成晶体的粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子和自由电子
粒子间的作用 离子键 共价键 分子间作用力(范德华力或氢键) 金属键
确定作用力强弱的一般判断方法 离子电荷数、半径 键长(原子半径) 组成结构相似时，比较相对分子质量 离子半径、价电子数
熔、沸点 较高 很高 较低 差别较大(汞常温下为液态，钨熔点为3 410 ℃)
硬度 略硬而脆 很大 较小 差别较大
导电性 不良导体(熔化后或溶于水导电) 不良导体(个别为半导体) 不良导体(部分溶于水发生电离后导电) 良导体
溶解性 多数易溶 一般不溶 相似相溶 一般不溶于水，少数与水反应
机械加工性 不良 不良 不良 优良
延展性 差 差 差 优良
1 离子晶体中一定存在离子键，可能存在共价键，一定不存在分子间作用力。
2 只有分子晶体中存在单个分子。
3 某些离子晶体的熔点高于某些共价晶体的熔点。
如MgO 2 852 ℃ ＞SiO2 1 710 ℃ 。
4 某些分子晶体的熔点高于某些金属晶体的熔点。
如碱金属熔点较低。
5 个别金属的熔点高于某些共价晶体的熔点。
如钨 3 410 ℃ ＞SiO2 1 710 ℃ 。
6 合金的熔点一般低于各成分金属的熔点。
2．晶体熔、沸点高低的比较方法
(1)不同类型晶体熔、沸点的比较
①不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律：共价晶体＞离子晶体＞分子晶体。
②金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低。
(2)同种类型晶体熔、沸点的比较
①共价晶体
原子半径越小→键长越短→键能越大→熔、沸点越高。如熔点：金刚石＞硅晶体。
②离子晶体
一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越强，其离子晶体的熔、沸点就越高。如熔点：MgO＞NaCl＞CsCl。
③分子晶体
a．分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常得高。如沸点：H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
b．组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高。如熔、沸点：SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。
c．组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔、沸点越高。如熔、沸点：CO＞N2，CH3OH＞CH3CH3。
④金属晶体
金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高。如熔、沸点：Na＜Mg＜Al。
【例1】 (2021·湖北武汉部分重点中学高二期末)下列为几种晶体或晶胞的示意图：
请回答下列问题：
(1)上述晶体中，粒子之间以共价键结合形成晶体的是__________。
(2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为_______________________________________________________________。
(3)每个Cu晶胞中实际占有__________个Cu原子；CaCl2晶体中Ca2＋的配位数为__________。
(4)冰的熔点远高于干冰，除H2O是极性分子、CO2是非极性分子外，还有一个重要的原因是____________________________________。
[解析] (1)共价晶体中原子间以共价键结合，则粒子之间以共价键结合形成晶体的是金刚石晶体。
(2)熔点高低的一般规律：共价晶体>离子晶体>分子晶体，冰和干冰属于分子晶体，熔点：冰>干冰；MgO和CaCl2属于离子晶体，熔点：MgO>CaCl2；金刚石是共价晶体，熔点最高，则熔点由高到低的顺序为金刚石>MgO>CaCl2>冰>干冰。
(3)Cu原子占据晶胞的面心和顶角，则每个Cu晶胞中实际占有的Cu原子数为×8＋×6＝4；根据氯化钙的晶胞图可知，每个Ca2＋周围距离最近且相等的Cl－有8个，所以CaCl2晶体中Ca2＋的配位数为8。
(4)冰的熔点远高于干冰，除H2O是极性分子、CO2是非极性分子外，还因为水分子间存在氢键。
[答案] (1)金刚石晶体
(2)金刚石>MgO>CaCl2>冰>干冰
(3)4 8
(4)H2O分子之间能形成氢键
1．下列说法中正确的是( )
A．固态时能导电的物质一定是金属晶体
B．熔融状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．固态不导电而熔融状态导电的晶体一定是离子晶体
D [四种晶体在不同状态下的导电性区别如下：
分子晶体 共价晶体 金属晶体 离子晶体 ]
固态 不导电 不导电(晶体硅导电) 导电 不导电
熔融状态 不导电 不导电 导电 可导电
水溶液 有的可导电 － － 可导电
2．Mg是第三周期元素，该周期部分元素氟化物的熔点见下表：
氟化物 NaF MgF2 SiF4
熔点/K 1 266 1 534 183
(1)解释表中氟化物熔点差异的原因：
a．________________________________________________。
b．________________________________________________。
(2)硅在一定条件下可以与Cl2反应生成SiCl4，试判断SiCl4的沸点比CCl4的________(填“高”或“低”)，理由__________________________________
__________________________________________________________________。
[解析] (1)先比较不同类型晶体的熔点。NaF、MgF2为离子晶体，阴、阳离子以离子键结合，离子键作用力强，SiF4固态时为分子晶体，分子间以范德华力结合，范德华力较弱，故NaF和MgF2的熔点都高于SiF4的熔点。b．再比较相同类型晶体的熔点。Na＋的半径比Mg2＋半径大，Na＋所带电荷数小于Mg2＋，所以MgF2的离子键比NaF的离子键强度大，MgF2熔点高于NaF熔点。
(2)SiCl4和CCl4组成、结构相似，SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量，SiCl4的分子间作用力大于CCl4的分子间作用力，故SiCl4的熔点高于CCl4的熔点。
[答案] (1)a．NaF与MgF2为离子晶体，SiF4为分子晶体，所以NaF与MgF2的熔点远比SiF4的熔点要高 b．因为Mg2＋的半径小于Na＋的半径且Mg2＋所带电荷数较大，所以MgF2的离子键强度大于NaF的离子键强度，故MgF2的熔点高于NaF (2)高 SiCl4和CCl4组成、结构相似，SiCl4的相对分子质量比CCl4的大，范德华力大，因此沸点高
晶胞结构的有关计算
晶体结构的考查主要依据晶胞的计算模式——均摊法来确定晶胞中原子、离子或者分子等粒子的数目，进而依据数学中的几何知识来解决关于晶体结构以及与晶体结构相关的知识，如晶胞体积、晶体密度以及晶体结构中微粒数目等等。
1．用均摊法确定晶胞中微粒数目，进而确定物质的化学式
均摊法是指每个晶胞平均拥有的粒子数目。如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。
(1)长方体(正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算。
①处于顶角的粒子，同时为8个晶胞所共有，每个粒子有属于该晶胞；
②处于棱上的粒子，同时为4个晶胞所共有，每个粒子有属于该晶胞；
③处于面上的粒子，同时为2个晶胞所共有，每个粒子有属于该晶胞；
④处于晶胞内部的粒子，则完全属于该晶胞。
(2)非长方体(正方体)晶胞中粒子视具体情况而定，如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶角(1个碳原子)被3个六边形所共有，每个六边形占有1个碳原子的。
2．晶体密度
晶体的密度可由公式ρ＝求解，其中m指一个晶胞中微粒的质量，V指晶胞的体积。
3．空间利用率
×100%
例如(1)简单立方(见图1)：a＝2r(a为晶胞边长，r为微粒半径)
空间利用率＝×100%＝52%
图1 图2
(2)体心立方(见图2)：
a2＋2a2＝(4r)2 a＝
空间利用率×100%＝68%
【例2】 (1)甲醛与新制Cu(OH)2悬浊液加热可得砖红色沉淀Cu2O，已知Cu2O晶胞的结构如图所示：
①在该晶胞中，Cu＋的配位数是__________。
②若该晶胞的边长为a pm，则Cu2O的密度为________________g·cm－3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为NA)。
(2)砷化镓为第三代半导体材料，晶胞结构如图所示，砷化镓晶体中最近的砷和镓原子核间距为a cm，砷化镓的摩尔质量为b g·mol－1，阿伏加德罗常数的值为NA，则砷化镓晶体的密度表达式是__________g·cm－3。
(3)晶胞有两个基本要素：①原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置，LiZnAs基稀磁半导体的晶胞如图所示，其中A处Li的原子坐标参数为eq \b\lc\(\rc\)(0，0，)；B处As的原子坐标参数为eq \b\lc\(\rc\)(，，)；C处Li的原子坐标参数为__________。
②晶胞参数，描述晶胞的大小和形状，已知LiZnAs单晶的晶胞参数a＝594 pm，NA表示阿伏加德罗常数的值，则其密度为__________ g·cm－3(列出计算式即可)。
(4)元素铜的单质晶体中原子的堆积方式如图甲所示，其晶胞特征如图乙所示，原子之间相互位置关系的平面图如图丙所示。
甲 乙 丙
若已知铜元素的原子半径为d cm，相对原子质量为M，NA代表阿伏加德罗常数的值，则该晶体的密度为______________g·cm－3(用含M、d、NA的代数式表示)。
(5)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料，其晶胞结构如图。
①储氢原理：镧镍合金吸附H2，H2解离为原子，H原子储存在其中形成化合物。若储氢后，氢原子占据晶胞中上下底面的棱心和面心，则形成的储氢化合物的化学式为__________。
②测知镧镍合金晶胞体积为9.0×10－23 cm3，则镧镍合金的晶体密度为___________________________________ (列出计算式即可)。
[解析] (1)①根据氧化亚铜的化学式和晶胞结构分析，在该晶胞中，每个O2－和4个Cu＋相连，每个Cu＋和2个O2－相连，故Cu＋的配位数是2。②根据氧化亚铜的晶胞结构可知，晶胞的质量为 g，若该晶胞的边长为a pm＝a×10－10 cm，则晶胞的体积为a3×10－30 cm3，则Cu2O的密度为 g·cm－3。
(2)砷化镓晶体中最近的砷和镓原子的核间距为晶胞体对角线长的，则晶胞的棱长为 cm，每个晶胞中含有4个砷原子和4个镓原子，所以密度表达式为ρ＝＝eq \f(\f(4b,NA),) g·cm－3＝ g·cm－3。
(3)①根据晶胞结构可知，C处Li的原子坐标参数为eq \b\lc\(\rc\)(，，)。
②该晶胞中Li、As、Zn原子的个数都为4，根据化学式可知该晶体的密度ρ＝＝ g·cm－3。
(4)由题图可知铜晶胞中含有的铜原子数目为8×＋6×＝4。若已知铜元素的原子半径为d cm，则由图丙知，其晶胞的面对角线长是4d cm，所以晶胞的边长是2d cm，则该晶体的密度ρ＝＝ g·cm－3＝ g·cm－3。
(5)①根据均摊法，储氢后晶胞中La的个数为8×＝1，Ni的个数为8×＋1＝5，H的个数为8×＋2×＝3，因此该储氢化合物的化学式为LaNi5H3。②根据密度的定义，晶胞的质量为 g，体积为9.0×10－23 cm3，密度为 g·cm－3。
[答案] (1)①2 ② (2)
(3)①eq \b\lc\(\rc\)(，，) ②
(4)
(5)①LaNi5H3 ② g·cm－3
3．最近科学家成功制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种三维骨架结构，下列对该晶体叙述错误的是( )
A．该晶体类型是共价晶体
B．晶体的空间最小环共由6个原子构成
C．晶体中碳原子数与C—O化学键数目之比为1∶4
D．该晶体中碳原子和氧原子的个数之比为1∶2
B [根据题干，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种三维骨架结构，不存在单个分子，属于共价晶体，A正确；该晶体的空间最小环由6个碳原子和6个氧原子构成，因此晶体的空间最小环共由12个原子构成，B错误；该晶体中，每个碳原子形成4个C—O共价键且没有共用，所以C原子数与C—O化学键数目之比为1∶4，C正确；晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳、氧原子个数之比为1∶2，D正确。]
4．(1)如图1所示为二维平面晶体结构示意图，化学式为AX3的晶体是__________(填序号)。
图1 图2
(2)图2为金属铜的晶胞，请完成下列各题。
①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是__________。
②设该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ρ g·cm－3，NA为阿伏加德罗常数的值，则NA＝__________(用a、ρ表示)。
[解析] (1)①中6个X原子构成一个正六边形，每个X原子被3个这样的正六边形共有，正六边形的中心有1个A原子，所以每个正六边形中X原子的实际个数是6×＝2，则表示的化学式是AX2；②中6个X原子构成一个正六边形，每个X原子被2个这样的正六边形共有，正六边形的中心有1个A原子，所以每个正六边形中X原子的实际个数是6×＝3，则表示的化学式是AX3。(2)①用“均摊法”求解，该晶胞“实际”拥有的铜原子数为8×＋6×＝4；②·64＝ρ·a3，NA＝。
[答案] (1)② (2)①4 ②
对于晶体结构的计算，要善于用宏观的立体几何结构分析晶胞的微观结构。分清各原子、离子、分子在空间的相对位置，利用立体几何的知识，把抽象的化学概念转变成具体的数学问题。
1．下列物质所属晶体类型分类正确的是( )
A B C D
共价晶体 石墨 生石灰 碳化硅 金刚石
分子晶体 冰 固态氨 氯化铯 干冰
离子晶体 氮化铝 食盐 明矾 芒硝
金属晶体 铜 汞 铝 铁
D [石墨为混合型晶体，生石灰、氯化铯为离子晶体，氮化铝为共价晶体。]
2．下表给出几种化合物的熔点和沸点：
物质 NaCl MgCl2 AlCl3 CCl4
熔点/℃ 801 714 190 －22.9
沸点/℃ 1 465 1 412 178 76.8
关于表中4种化合物有下列说法，其中正确的是( )
①AlCl3在加热时可升华 ②CCl4属于分子晶体 ③1 500 ℃时NaCl可形成气体分子 ④AlCl3是典型的离子晶体
A．①②④ B．③④ C．①②③ D．①②③④
C [根据各物质的熔、沸点判断，AlCl3和CCl4为分子晶体；AlCl3的沸点低于熔点，所以可升华；NaCl为离子晶体，但1 500 ℃高于其沸点，故1 500 ℃时以分子形式存在。]
3．(2021·山东潍坊高二期中)高温下超氧化钾晶体呈立方体结构，晶体中氧的化合价部分为0价，部分为－2价。如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞，则下列说法中正确的是( )
A．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K＋和4个O
B．晶体中每个K＋周围有8个O，每个O周围有8个K＋
C．晶体中与每个K＋距离最近且相等的K＋有8个
D．晶体中，0价氧与－2价氧的数目之比为2∶1
A [该晶胞中钾离子个数为8×＋6×＝4，超氧根离子个数为1＋12×＝4，所以钾离子和超氧根离子个数之比为4∶4＝1∶1，超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K＋和4个O，A正确；根据题图可知，晶体中每个K＋周围有6个O，每个O周围有6个K＋，B错误；晶体中与每个K＋距离最近且相等的K＋个数为3×8×＝12，C错误；晶胞中K＋与O个数分别为4、4，所以1个晶胞中有8个氧原子，根据电荷守恒可得，－2价氧原子数目为2，所以0价氧原子数目为8－2＝6，所以晶体中，0价氧原子与－2价氧原子的数目之比为3∶1，D错误。]
4．金属钠晶体的晶胞为体心立方堆积，实验测得钠的密度为ρ g·cm－3。已知钠的相对原子质量为a，设阿伏加德罗常数的值为NA，假定金属钠原子为等径的刚性小球且处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为( )
A． cm B． cm
C． cm D． cm
C [因为金属钠晶体的晶胞为体心立方堆积，所以每个晶胞中含有钠原子数为1＋8×＝2，设晶胞边长为x cm，根据ρ＝得，ρ＝，所以x＝，晶胞的体对角线长为棱长的倍，则体对角线长为 cm，所以钠原子半径r＝ cm。]
5．(2021·福建泉港一中高二月考)如图甲、乙、丙分别为CaF2、H3BO3(层状结构，层内的H3BO3分子间通过氢键结合)、金属铜三种晶体的结构示意图，请回答下列问题：
甲 CaF2晶胞 乙 H3BO3层状结构
丙 铜晶体中铜原子堆积模型
(1)图甲所示的CaF2晶体中与Ca2＋最近且等距离的F－数为__________，图丙中未标号的铜原子形成晶体后周围最紧邻的铜原子数为__________。
(2)三种晶体中熔点最低的是__________，该晶体受热熔化时，克服的微粒之间的相互作用为__________。
(3)结合CaF2晶体的晶胞示意图，已知两个距离最近的Ca2＋核间距为a×10－8 cm，计算CaF2晶体的密度为__________g·cm－3(精确到小数点后一位，NA用具体数值代入计算)。
[解析] (1)由图甲可知F－的配位数为4，Ca2＋与F－的数目之比为1∶2，则离Ca2＋最近且等距离的F－数目为4×2＝8；图丙中未标号的铜原子与所在密置层的4、5、6、7、8、9号铜原子紧密相邻，与上一密置层的1、2、3号铜原子和下一密置层的10、11、12号铜原子紧密相邻，故未标号的铜原子形成晶体后周围最紧邻的铜原子数为12。
(2)CaF2属于离子晶体，Cu属于金属晶体，H3BO3属于分子晶体，三种晶体中熔点最低的是H3BO3，H3BO3分子之间存在氢键、范德华力，H3BO3晶体受热熔化时，需要克服氢键、范德华力。
(3)由图甲可知，两个距离最近的Ca2＋核间距为面对角线长的一半，则晶胞棱长为×a×10－8 cm，一个晶胞中实际拥有Ca2＋的数目为8×＋6×＝4，F－数目为8，则CaF2晶体的密度为≈ g·cm－3。
[答案] (1)8 12
(2)H3BO3 范德华力和氢键
(3)
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