(共46张PPT)
第3章 不同聚集状态的物质与性质
第2节 第1课时 金属晶体与离子晶体
素 养 目 标
1.通过掌握金属键和离子键的理论解释金属晶体和离子晶体的物理性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过了解金属晶体的三种原子堆积模型和几种典型离子晶体的晶胞结构,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
一、金属晶体
1.金属晶体的定义及结构特点
(1)金属晶体的定义:金属原子通过 形成的晶体称为金属晶体。
(2)金属键:金属 和“ ”之间的强的相互作用。
(3)金属键的特点:由于“自由电子”为整个金属 ,所以金属键没有 和 。金属晶体可以看作等径圆球的堆积。
金属键
阳离子
自由电子
所共有
饱和性
方向性
2.常见金属晶体的结构
3.金属的延展性
当金属受到外力作用时,晶体中密堆积层的金属原子之间比较容易产生
,但密堆积的 不变,而且在滑动过程中“自由电子”能够维系整个 的存在,即各层之间始终保持着金属键的作用,因此金属晶体虽然发生了 但不致断裂,所以金属通常有良好的延性、展性和可塑性。
滑动
排列方式
金属键
形变
【微思考1】金属在通常状况下都是晶体吗
【微思考2】为什么组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时,在空间的排列大都服从紧密堆积原理
提示 不都是晶体,如汞。
提示 因为在金属晶体中,金属键没有方向性和饱和性,因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围,并以密堆积方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。
二、离子晶体
离子间存在较强的离子键,使得晶体的硬度较大,难以压缩,具有较高熔点和沸点
1.定义及结构特点
(1)定义:阴、阳离子在空间呈现 重复排列形成的晶体。
(2)结构特点:
①构成微粒: 和 ,离子晶体中不存在单个分子。
②微粒间的作用力: 。
周期性
阴离子
阳离子
离子键
2.常见的离子晶体
晶胞
晶胞中 微粒数 Na+、Cl-都 为 Cs+、Cl-都 为 Zn2+、S2-都 为 F-为8,Ca2+为4
阴、阳 离子个数比
化学式
符合 类型 Li、Na、K、Rb的卤化物, AgF、MgO等 CsBr、CsI、 NH4Cl等 BeO、BeS等 BaF2、PbF2、CeO2等
4
1
4
1∶1
1∶1
1∶1
2∶1
NaCl
CsCl
ZnS
CaF2
3.晶格能
(1)定义:将 mol离子晶体完全 为气态阴、阳离子所吸收的能量。
(2)意义:吸收的能量越多,晶格能越 ,表示离子间作用力越 ,离子晶体越 。晶格能通常取正值,单位: 。
1
气化
大
强
稳定
kJ·mol-1
(3)影响因素:
分析下面表格中有关数据,总结规律。
晶体 离子间距/pm 晶格能/(kJ·mol-1) 熔点/℃
NaCl 276 787 801
NaBr 290 736 750
NaI 311 686 662
MgO 205 3 890 2 800
规律:离子半径越小,离子所带电荷越多,晶格能越 ;反之,越 。除此之外,晶格能的大小还与离子晶体的结构类型有关。
大
小
事实上,离子晶体远比我们想象的要复杂,构成晶体的离子未必都是单原子
着离子体积的增大,阴、阳离子间的距离 ,离子之间的作用力
,晶体的熔点也随之 。在许多离子化合物的晶体中,微粒之间的相互作用不再是典型的 ,而存在 、
等作用力。这些晶体的熔点远比NaCl等晶体低得多,有些离子构成的物质在常温下甚至以液态形式存在。
增大
减弱
降低
离子键
氢键
范德华力
【微思考3】晶格能与晶体的熔点、硬度有怎样的关系
提示 结构相似的离子晶体,晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,晶体的熔点越高,硬度越大。
自我检测
正误判断:
(1)金属能导电,所以金属晶体是电解质。( )
(2)金属晶体和电解质溶液在导电时均发生化学变化。( )
(3)离子晶体全部为离子化合物。( )
(4)离子晶体的晶格能越大,熔、沸点越高。( )
(5)NaCl晶体中含阴、阳离子,能导电。( )
×
×
√
√
×
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 金属键与金属晶体物理性质的关系
材料:科学家利用增材制造(俗称3D打印),成功开发了一种超强、高延展性、超轻的钛基合金。通过在3D打印过程中控制激光功率和扫描速度等参数,成功地以可控的方式创造了新合金中元素的不均匀成分。
3D打印钛合金中的熔岩状微观结构
(1)合金属于什么晶体 构成粒子是什么
(2)合金的延展性比纯金属差,硬度比纯金属大,原因是什么
提示 金属晶体;构成粒子为金属阳离子和自由电子。
提示 合金与纯金属相比,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。
(3)试用“自由电子”解释为什么金属具有良好的延展性、导电性和导热性
(4)合金的熔点与相应的成分金属的熔点有何关系
提示 ①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,但原来的排列方式不变,而且弥漫在金属原子间的“自由电子”可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用,并且“自由电子”没有被破坏,所以金属有良好的延展性;②金属晶体中的“自由电子”在电场中定向移动而形成电流,呈现良好的导电性;③“自由电子”在热的作用下运动时频繁与金属原子碰撞,从而引起能量传递,呈现良好的导热性。
提示 合金的熔点一般低于任何一种成分金属的熔点。
(5)根据规律判断下列金属的熔点高低。
①Li、Na、K、Rb、Cs;②Na、Mg、Al
提示 Li>Na>K>Rb>Cs,Na
归纳拓展
1.金属物理通性的解释
2.金属晶体熔、沸点的规律
(1)同类型的金属晶体的熔点由金属阳离子半径、离子所带的电荷数决定,阳离子半径越小,所带电荷越多,金属键就越强,晶体熔点就越高。一般来说,同一周期主族金属单质的熔点由左到右逐渐升高,同一主族金属单质的熔点自上而下逐渐降低。例如熔点:Li>Na>K>Rb>Cs,Na(2)金属晶体的熔点差别较大,如Hg熔点很低,碱金属熔点较低,铁等金属熔点很高。这是由金属晶体密堆积方式、金属阳离子和“自由电子”的作用力不同造成的。
(3)合金的熔点一般低于其任意一种成分金属的熔点。
【微点拨】金属的导电性、导热性与“自由电子”的运动有关,金属具有金属光泽与“自由电子”有关;金属的延展性与金属键有关,金属的熔点和硬度与金属键的强弱有关。
应用体验
视角1 金属键的理解
1.下列关于金属键的叙述不正确的是( )
A.金属键是金属阳离子和自由电子间的强烈相互作用,也是一种电性作用
B.金属键可以看作许多原子共用许多电子所形成的强烈的相互作用,所以与共价键类似,也有方向性和饱和性
C.金属键是金属阳离子和自由电子间的相互作用,故金属键无方向性和饱和性
D.构成金属键的自由电子可在整个金属内部的三维空间中运动
B
解析 从构成基本粒子的性质来看,金属键也是一种电性作用,其特征是无方向性和饱和性。自由电子是由金属原子提供的,并且在整个金属内部的三维空间内运动,为整个金属的所有原子所共用,从这个角度看,金属键与共价键有类似之处,但二者又有明显的区别,如金属键无方向性和饱和性等。
视角2 金属晶体的结构
2.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
解析 金属晶体的构成微粒为金属阳离子和自由电子,故有阳离子的晶体中不一定有阴离子,也不一定是化合物(铁、铜等金属晶体是单质),A、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;金属晶体能导电,但能导电的晶体不一定是金属晶体,如晶体硅(属于共价晶体)能导电,D项正确。
视角3 金属晶体的性质
3.金属晶体的熔点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱,而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小相关。由此判断下列说法正确的是( )
A.金属镁的硬度大于金属铝
B.碱金属单质的熔点从Li到Cs逐渐升高
C.金属镁的熔点高于金属钠
D.金属镁的硬度小于金属钙
C
解析 镁离子比铝离子的半径大,且所带电荷少,所以金属镁比金属铝的金属键弱,金属镁的硬度小于铝;从Li到Cs,离子的半径逐渐增大,金属键逐渐减弱,熔点逐渐降低;Mg2+比Na+的半径小且所带电荷多,金属键强,所以金属镁比金属钠的熔点高;镁离子比钙离子的半径小,金属键强,所以金属镁比金属钙的硬度大。
4.金属晶体堆积密度大,能充分利用空间的原因是( )
A.金属原子价电子数少
B.金属晶体中有“自由电子”
C.金属原子的半径大
D.金属键没有饱和性和方向性
D
解析 由于金属键无饱和性和方向性,从而使金属晶体堆积密度大,空间利用率高。
5.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作用,在一定外力作用下,不因形变而消失
C.钙的熔、沸点低于钾
D.温度越高,金属的导电性越好
B
解析 A项,Hg在常温下为液态;C项,r(Ca2+)K,故熔、沸点Ca>K;D项,金属的导电性随温度升高而降低。
问题探究
探究2 离子晶体的结构与性质
材料一:已知MgO、NaCl、CsCl、CaCO3、(NH4)2SO4、CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O等均为离子晶体。
材料二:以下是八种物质的熔点
序号 ① ② ③ ④
物质 NaF NaCl NaBr NaI
熔点/℃ 993 801 750 662
序号 ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
物质 MgO CaO SrO BaO
熔点/℃ 2 800 2 614 2 430 1 918
材料三:观察CaF2晶体的晶胞示意图
根据材料回答下列问题:
(1)离子晶体中一定含有金属元素吗 由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体吗
提示 不一定。离子晶体中不一定含金属元素,如NH4Cl、NH4NO3等铵盐。由金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体,如AlCl3是分子晶体。
(2)离子晶体中可以有分子存在吗 离子晶体中除含有离子键外,是否还可能含有共价键、氢键、分子间作用力
提示 可以。离子晶体是由阴、阳离子通过离子键按一定的方式排列组合而成,阴、阳离子是其构成基本微粒,但是对于一些带结晶水的离子晶体如CuSO4·5H2O、Cu(NH3)4SO4·H2O等同时还存在小分子。因此离子晶体中除一定有离子键外,还有可能含有共价键、氢键、分子间作用力等作用。
(3)材料二①~④、⑤~⑧中物质的熔点为什么会逐渐降低
提示 ①~④均为离子晶体且离子所带电荷数相同,从F-→I-随着离子半径的增大,离子键减弱,熔点逐渐降低。⑤~⑧均为离子晶体且离子所带电荷数相同,从Mg2+→Ba2+随着离子半径的增大,离子键减弱,熔点逐渐降低。
(4)材料二⑤~⑧中物质的熔点远高于①~④中物质的原因是什么
提示 ①~⑧中的物质均为离子晶体,但⑤~⑧中物质的离子所带电荷数多于①~④中物质的离子所带电荷数,离子所带电荷数越多,离子键越强,熔点越高。
(5)材料三晶胞中含有的Ca2+数目、F-数目分别是多少
(6)在熔融状态导电的化合物形成的晶体一定属于离子晶体吗
提示 4、8。
提示 一定属于离子晶体。
归纳拓展
1.离子晶体的结构
(1)构成离子晶体的微粒是阴、阳离子,微粒间的相互作用是离子键。
(2)由于离子键无方向性和饱和性,只要条件允许,每个离子周围尽可能多地吸引带相反电荷的离子。
2.常见的离子晶体结构
(1)NaCl晶体结构
①在NaCl晶体中,每个Na+周围同时吸引着6个Cl-,
每个Cl-周围也同时吸引着6个Na+。
②每个Na+周围与它最近且等距离的Na+有12个,
每个Na+周围与它最近且等距离的Cl-有6个。
NaCl晶体结构
(2)CsCl晶体结构
①在CsCl晶体中,每个Cs+周围同时吸引着8个Cl-,每个Cl-周围也同时吸引着8个Cs+。
②每个Cs+与6个Cs+等距离相邻,每个Cs+与8个Cl-等距离相邻。
3.离子晶体的物理性质
(1)离子晶体的物理性质
离子晶体一般具有较高的熔点,硬而脆,晶体不导电,熔融状态或溶于水发生电离,形成自由移动的离子,能够导电。一般易溶于水,难溶于非极性溶剂。
(2)离子晶体熔点的比较
【微点拨】(1)离子晶体中不存在分子,化学式仅表示晶体中阴、阳离子最简整数比。
(2)离子晶体区别于其他晶体的突出特点是晶体固态时不导电但熔融状态下能导电。而金属晶体无论在固态还是熔融状态都可以导电。
应用体验
视角1 离子晶体的结构与特征
1.下列说法正确的是( )
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
D
解析 石墨晶体不是金属晶体,但固态时也能导电,A错误;金属晶体,无论是固态还是熔融态都能导电,B错误;CH3COOH的水溶液也能导电,C错误;离子晶体是由阴、阳离子构成的,固态时阴、阳离子不能自由移动,不导电,而熔融状态时,离子化合物发生电离产生自由移动的离子,能够导电,D正确。
2.NaF、NaI、MgO均为离子化合物,这三种化合物的熔点高低顺序是
( )
①NaF ②NaI ③MgO
A.①>②>③ B.③>①>②
C.③>②>① D.②>①>③
B
解析 离子化合物的熔点与离子键强弱有关,离子所带电荷越多,离子半径越小,离子键越强,该离子化合物的熔点越高。已知离子半径:Na+>Mg2+,I->O2->F-,可知NaI中离子键最弱,因MgO中的离子各带两个单位电荷,故离子键比NaF中的强。
3.高温下,超氧化钾晶体(KO2)呈立方体结构。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞。下列有关说法不正确的是( )
A.晶体中与每个K+距离最近的 有6个
B.超氧化钾的化学式为KO2,每个晶胞含有1个K+和1个
C.KO2中阴、阳离子个数比为1∶1
D.晶体中存在离子键和共价键
B
错误;由B项分析可知,KO2中超氧根离子和钾离子个数比为4∶4=1∶1,故C正确;超氧化钾晶体是离子化合物,阴、阳离子分别为超氧根离子和钾离子,晶体中钾离子和超氧根离子间形成离子键,超氧根离子中氧氧键为非极性键,故D正确。
视角2 离子晶体的性质
4.根据表格数据回答下列有关问题:
(1)已知NaBr、NaCl、MgO等离子晶体的核间距离和晶格能如下表所示:
类型 NaBr NaCl MgO
离子的核间距/pm 290 276 205
晶格能/(kJ·mol-1) 787 3 890
①NaBr晶体比NaCl晶体晶格能 (填“大”或“小”),主要原因是 。
②MgO晶体比NaCl晶体晶格能大,主要原因是 。
③NaBr、NaCl和MgO晶体中,熔点最高的是 。
(2)Cu2O的熔点比Cu2S的 (填“高”或“低”),请解释原因: 。
答案 (1)①小 NaBr的离子核间距比NaCl的大 ②氧化镁晶体中的阴、阳离子所带电荷数更多,并且离子的核间距更小
③MgO
(2)高 O2-半径小于S2-半径,Cu2O的离子键强于Cu2S的离子键,所以Cu2O的熔点比Cu2S的高
(3)> 两者均为离子化合物,且阴、阳离子所带电荷数均为1,但后者离子半径大,离子键较弱,因此熔点较低(共18张PPT)
第3章 不同聚集状态的物质与性质
第3节 液晶、纳米材料与超分子
素 养 目 标
1.通过了解物质除有三种基本的聚集状态外,还有液晶、纳米材料、超分子等其他聚集状态。通过认识不同状态物质的重要应用,认识化学技术与社会之间的相互关系,感知科学态度与社会责任的化学核心素养。
2.通过掌握液晶、纳米材料和超分子的结构与性质的关系。探析物质结构对性质的影响,形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
一、液晶
定义 在一定的温度范围内既具有液体的 性,在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面又表示出类似晶体的 的物质
结构 特点 液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出 ,由此在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质
可流动
各向异性
有序的排列
【微思考】为什么液晶具有显示功能
提示 液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。在施加电压时,液晶分子能够沿电场方向排列;而在移去电场后,液晶分子又恢复到原来的状态。由此,在存在或撤去电场的两种不同条件下,材料的旋光性能发生变化,所以液晶具有显示功能。
二、纳米材料
纳米材料由直径为几或几十纳米的 和颗粒间的 两部分组成。通常,纳米颗粒内部具有 结构,原子排列 ;而界面则为
结构。因此,纳米材料具有既不同于 又不同于
的独特性质。正是由于纳米材料的颗粒很小和处于界面的原子所占比例较高,使得纳米材料在光学、声学、电学、磁学、热学、力学、化学反应等方面完全不同于由微米量级或毫米量级的结构颗粒构成的材料。
(C60等球碳)、 (单层石墨片)和 是纳米材料中的“明星”,因其独特性能而具有广阔的应用前景,而且它们的发现与制备过程也妙趣横生。
颗粒
界面
晶状
有序
无序
微观粒子
宏观物体
富勒烯
石墨烯
碳纳米管
三、超分子
超分子是广义的,包括离子
1.定义
若两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体,能表现出不同于 的性质,可以把这种聚集体看成是分子层次之上的分子,称为超分子。
2.结构特点
超分子内部分子之间通过非共价键相结合,包括 、 作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱 等。
单个分子
氢键
静电
配位键
自我检测
1.正误判断:
(1)纳米是一种非晶体。( )
(2)纳米材料具有丁达尔效应。( )
(3)纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分,两部分中原子都排列有序。( )
×
×
×
2.关于液晶,下列说法正确的有( )
A.液晶是一种晶体
B.液晶分子的空间排列是稳定的,具有各向异性
C.液晶的性质与温度变化无关
D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
D
解析 本题考查液晶的结构和性质。液晶的微观结构介于晶体和液体之间,虽然液晶分子在特定方向的排列比较整齐,且具有各向异性,但分子的排列是不稳定的,选项A、B错误;外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化,从而改变液晶的某些性质。温度、压力、外加电压等因素变化时,都会改变液晶的光学性质,选项C错误,选项D正确。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究 物质的其他聚集状态比较
为什么冠醚是有机反应中很好的催化剂
提示 由于冠醚能与阳离子(尤其是碱金属阳离子)作用,并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用,将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂,因而成为有机反应中很好的催化剂。
归纳拓展
物质的其他聚集状态比较
聚集状态 液晶 纳米材料 超分子
重要应用 计算机显示器、电子手表、计算器、数字仪表、电视显示屏 化妆品、涂料、食品、化纤布料、隐形飞机、微型机器 通过对超分子化学的研究,人们可以模拟生物系统,在分子水平上进行分子设计,有序组装甚至复制出一些新型的分子材料,如具有分子识别能力的高效专业的新型催化剂,有效的新型药物,集成度高、体积小、功能强的分子器件(分子导线、分子开关、分子信息存储元件等),生物传感器以及很多具有光、电、磁、声、热等特性的功能材料等
应用体验
视角1 液晶的性质
1.有关液晶的叙述,不正确的是( )
A.液晶具有液体的流动性
B.液晶最重要的用途是制造液晶显示器
C.液晶不是物质的一种聚集状态
D.液晶分子聚集在一起时,其分子间相互作用很容易受温度、压力和电场的影响
C
解析 液晶是物质的一种聚集状态,故C选项错误。
2.下列关于物质特殊聚集状态结构的叙述中,错误的是( )
A.同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体具有完全等同的性质
B.超分子内部分子可以通过非共价键结合
C.液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列,使液晶具有各向异性
D.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分
A
解析 同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体在性质上具有很大差别,如金的熔点为1 064 ℃,但2 nm尺寸金的熔点仅为327 ℃左右,A项错误;超分子内部分子可以通过非共价键结合,如氢键、静电作用等,B项正确;液晶内部分子沿分子长轴方向呈现出有序排列,使液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现出类似晶体的各向异性,C项正确;由纳米材料的定义知,D项正确。
视角2 纳米材料的判断与性质
3.纳米材料是最有前途的新型材料之一,世界各国对这一新材料给予了极大的关注。纳米粒子是指直径为1~100 nm的超细粒子(1 nm=10-9 m)。由于表面效应和体积效应,使其常有奇特的光、电、磁、热等性质,可开发为新型功能材料,下列有关纳米粒子的叙述不正确的是( )
A.因纳米粒子半径太小,故不能将其制成胶体
B.一定条件下纳米粒子可催化水的分解
C.一定条件下,纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲,可塑性好
D.纳米粒子半径小,表面活性高
A
4.纳米是长度单位,1 nm=1×10-9 m,物质的颗粒达到纳米级时,具有特殊的性质。如将单质铜制成“纳米铜”时,“纳米铜”具有非常强的化学活性,在空气中可以燃烧。下列对“纳米铜”的有关叙述正确的是( )
A.常温下,“纳米铜”比铜片的金属性强
B.常温下,“纳米铜”比铜片更易失去电子
C.常温下,“纳米铜”与铜片的还原性相同
D.常温下,“纳米铜”比铜片的氧化性强
C
解析 “纳米铜”因其表面积大,所以化学反应速率大,但基本化学性质没有改变。
5.我国科学家制得了SiO2超分子纳米管,微观结构如图所示。下列叙述正确的是( )
A.SiO2与干冰的晶体结构相似
B.SiO2耐腐蚀,不与任何酸反应
C.工业上用SiO2制备粗硅
D.光纤主要成分是SiO2,具有导电性
C
解析 SiO2晶体是共价晶体,而干冰是分子晶体,二者结构不相似,故A错误;SiO2耐腐蚀,但可与氢氟酸反应,故B错误;工业上用SiO2与焦炭反应生成一氧化碳和粗硅,故C正确;光纤主要成分是SiO2,晶体硅具有导电性,而二氧化硅不导电,故D错误。(共21张PPT)
微专题3 晶体密度及晶胞参数的有关计算
专题阐释
1.计算类型
(1)计算晶胞中微粒的数目,进而得到晶体的化学式。
(2)计算晶胞的质量,进而计算晶体的密度。
(3)计算晶胞中微粒间的距离或晶胞参数。
2.计算原理
(1)求化学式。根据“切割法”计算出一个晶胞中所含微粒的数目,求出晶胞所含微粒个数的最简整数比,从而写出晶体的化学式。
(2)计算密度
晶体的密度可按如下思维模型进行计算:
其中M为晶体的摩尔质量,NA为阿伏加德罗常数,V为晶胞的体积,其单位为cm3,可由晶胞参数计算得出,ρ为晶体的密度,其单位为g·cm-3。
(3)计算晶胞参数或微粒间距离
晶胞参数:
晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示,包括晶胞的3组棱长a、b、c和3组棱相互间的夹角α、β、γ,即晶格特征参数,简称晶胞参数。
①立方晶胞的棱长a与面对角线、体对角线的关系:
3.晶胞结构示例
晶体中配位数为4、6、8时,配位原子在空间的相对位置关系如下图所示(●为阴离子, 为阳离子)。
例题 如图所示是氯化铯晶体的晶胞,已知晶胞中两个最近的Cs+核间距为a cm,氯化铯的摩尔质量为M g·mol-1,NA为阿伏加德罗常数的值,则氯化铯晶体的密度是( )
C
解析 1个氯化铯晶胞中有1个Cs+和1个Cl-,1 mol氯化铯晶体的体积为NAa3 cm3、质量为M g,故氯化铯晶体的密度
【变式设问1】
若已知晶胞中两个最近的Cs+核间距为a cm,氯化铯的摩尔质量为M g·mol-1,氯化铯晶体的密度为ρ g·cm-3,则阿伏加德罗常数的值可表示为( )
B
【变式设问2】
若已知氯化铯晶体的密度为ρ g·cm-3,晶胞中两个最近的Cs+核间距为a cm, NA为阿伏加德罗常数的值,则氯化铯的摩尔质量为 g·mol-1。
答案 ρNAa3
【变式设问3】
若已知氯化铯晶体的密度为ρ g·cm-3,氯化铯的摩尔质量为M g·mol-1,NA为阿伏加德罗常数的值,则氯化铯晶胞中最近的Cs+和Cl-的核间距为 cm。
专题精练
1.根据离子晶体的晶胞结构(如图),判断化学式不正确的是( )
A.AB2 B.C2D
C.EF D.XY3Z
A
2.食盐晶体的晶胞结构如图所示。已知食盐的密度为ρ g·cm-3,其摩尔质量为M g·mol-1,阿伏加德罗常数的值为NA,则在食盐晶体中Na+和Cl-的核间距大约是( )
D
解析 根据题给晶胞的结构图可知,在食盐晶体中Na+和Cl-的核间距是NaCl晶胞边长的一半。在氯化钠晶胞中,Cl-位于顶点和面心,则含有Cl-的个数
3.金属钠晶体(如图)为体心立方晶胞,晶胞的棱长为a,假定金属钠原子为等径的刚性球,且晶胞中处于体对角线上的三个球相切,则钠原子的半径r为
( )
B
4.Mg2Si具有反萤石结构,晶胞结构如图所示,其晶胞参数为0.635 nm。下列叙述错误的是( )
A.Si的配位数为8
D
5.(1)一种立方钙钛矿结构的金属卤化物光电材料的组成为Pb2+、I-和有机碱离子CH3 ,其晶胞如图(b)所示。其中Pb2+与图(a)中 的空间位置相同,若晶胞参数为a nm,则晶体密度为 g·cm-3(列出计算式)。
(2)CoO的晶胞如图所示。设阿伏加德罗常数的值为NA,则CoO晶体的密度为 g·cm-3。 (共54张PPT)
章 末 整 合
章末·知识网络
考点·专项突破
目 录 索 引
章末·知识网络
考点·专项突破
考点一 四种晶体类型的比较
例1 (1)下列三种晶体的状态变化,克服的微粒间的作用力分别是氯化钾熔化: ;二氧化硅熔化: ;碘的升华: ;三种晶体的熔点由高到低的顺序是 。
(2)A、B、C、D为四种晶体,性质如下:
A.固态时能导电,能溶于盐酸
B.能溶于CS2,不溶于水
C.固态时不导电,液态时能导电,可溶于水
D.固态、液态时均不导电,熔点为3 500 ℃
试判断它们的晶体类型:
A. ;B. ;C. ;D. 。
答案 (1)离子键 共价键 分子间作用力 二氧化硅>氯化钾>碘
(2)金属晶体 分子晶体 离子晶体 共价晶体
解析 晶体熔化时破坏的是微粒间的作用力,而微粒间作用力的强弱顺序一般为共价晶体>离子晶体>分子晶体,金属晶体微粒间作用力差别很大。
规律方法 四种晶体类型的比较
项目 类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成晶体 的微粒 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子和“自由电子”
微粒间 作用力 离子键 共价键 分子间作用力(范德华力,有的还存在氢键) 金属键
作用力强弱 (一般地) 较强 很强 弱 一般较强,有的较弱
项目 类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
确定作用 力强弱的 一般方法 离子所带电荷、离子半径 键长(原子半径) 相对分子质量(组成结构相似时) 离子半径、
自由电子数
熔点 较高 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 大 较小 差别较大
项目 类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
导热和 导电性 不良导体(熔化后或溶于水导电) 一般是不良导体(晶体硅是半导体) 不良导体(部分溶于水发生电离后导电) 良导体
溶解性 (水) 多数易溶 一般不溶 “相似相溶” 一般不溶于水,少数与水反应
构成微粒堆积 方式 紧密堆积 不遵循紧密堆积原理 一般是紧密堆积(分子形状、分子极性以及分子之间是否存在氢键等都会影响分子堆积方式) 紧密堆积
【针对训练1】
如图所示表示一些晶体中的某些结构,它们分别是NaCl、CsCl、干冰、金刚石、石墨结构中的某一种的某一部分:
(1)代表金刚石的是 (填编号字母,下同),其中每个碳原子与周围
个碳原子最接近且距离相等。金刚石属于 晶体。
(2)代表石墨的是 ,每个正六边形占有的碳原子数平均为 个。
(3)代表NaCl的是 ,每个Na+周围与它最接近且距离相等的Na+有
个。
(4)代表CsCl的是 ,它属于 晶体,每个Cs+与 个Cl-紧邻。
(5)代表干冰的是 ,它属于 晶体,每个CO2分子与 个CO2分子紧邻。
答案 (1)D 4 共价 (2)E 2 (3)A 12 (4)C 离子 8 (5)B 分子 12
解析 根据不同物质晶体的结构特点来辨别图示结构所代表的物质。NaCl晶胞是简单的立方结构,每个Na+与6个Cl-紧邻,每个Cl-又与6个Na+紧邻,与Na+距离最近且等距离的Na+数是12。CsCl晶体中Cs+、Cl-分别构成立方结构,且由Cs+组成的立方体中心有1个Cl-,由Cl-组成的立方体中心有一个Cs+,可称为“体心立方”结构,Cl-紧邻8个Cs+,Cs+紧邻8个Cl-。干冰的晶胞也是立方结构,但在立方体每个面的面心都有一个CO2分子,称为“面心立方”。金刚石的基本结构单元是正四面体,每个碳原子紧邻4个其他碳原子。石墨的片层由碳原子构成的正六边形结构组成,每个碳原子紧邻另外3个碳原子,故每个六边形占有的碳原子数是6× =2。
考点二 晶体类型的判断方法
例2 (1)[2021全国甲卷,35节选]单晶硅的晶体类型为 。
(2)Sn为ⅣA族元素,单质Sn与干燥Cl2反应生成SnCl4。常温常压下SnCl4为无色液体,SnCl4空间结构为 ,其固体的晶体类型为 。
(3)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物的熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于 晶体。
答案 (1)共价晶体
(2)正四面体形 分子晶体
(3)分子
解析 (1)单晶硅是硅原子间以共价键相互结合形成的具有共价键三维骨架结构的共价晶体。(2)Sn为ⅣA族元素,最外层有4个电子,SnCl4的中心原子Sn的价层电子对数为4+ =4,其中成键电子对数为4,无孤电子对,故SnCl4的空间结构为正四面体形。由常温常压下SnCl4为液体可知SnCl4符合分子晶体的特点,故其固体为分子晶体。(3)Fe(CO)5的熔、沸点较低,符合分子晶体的特点,故其固体为分子晶体。
规律方法 “三看”法——确定晶体类型
(1)看构成微粒或微粒间作用力类型
四类晶体的构成微粒和微粒间作用力列表如下:
晶体类型 离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成微粒 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子、自由电子
微粒间作用力 离子键 共价键 分子间作用力 金属键
(2)看物质类别
①单质:a.金属单质属于金属晶体(晶体锗除外);b.大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)属于分子晶体。
②化合物:a.离子化合物一定为离子晶体;b.共价化合物绝大多数为分子晶体,但SiO2、SiC等为共价晶体。
(3)看物理性质
四类晶体的物理性质对比如下:
晶体类型 金属晶体 离子晶体 分子晶体 共价晶体
熔点 一般较高、 但差异大 较高 较低 高
硬度 一般较大, 但差异大 较大 较小 大
导电性 导电 固态不导电,熔融态或溶于水时能导电 固态不导电,某些溶于水后能导电 一般不导电,个别为半导体
【针对训练2】
下列晶体分类正确的一组是( )
选项 离子晶体 共价晶体 分子晶体
A NaOH Ar SO2
B H2SO4 石墨 S
C CH3COONa 水晶
D Ba(OH)2 金刚石 玻璃
C
解析 从构成晶体的粒子和微粒间的相互作用力判断晶体的类型。NaOH、CH3COONa、Ba(OH)2都是由阴、阳离子通过离子键相互结合而成的离子晶体,H2SO4是分子晶体。Ar分子间以范德华力相互结合为分子晶体,石墨是混合型晶体,水晶(SiO2)与金刚石是典型的共价晶体。硫是分子晶体。玻璃没有固定的熔点,加热时逐渐软化,为非晶体。
考点三 晶体熔、沸点高低的比较方法
例3 (1)[2022浙江6月选考]金属氢化物是应用广泛的还原剂。KH的还原性比NaH的强,原因是 。
(2)[2022浙江1月选考]四种晶体的熔点数据如下表:
物质 CF4 SiF4 BF3 AlF3
熔点/℃ -183 -90 -127 >1 000
CF4和SiF4熔点相差较小,BF3和AlF3熔点相差较大,原因是 。
(3)ZnF2具有较高的熔点(872 ℃),其化学键类型是 ;ZnF2不溶于有机溶剂而ZnCl2、ZnBr2、ZnI2能够溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,原因是
。
答案 (1)Na+半径小于K+,Na+与H-的离子键作用强,H-更难失电子,还原性更弱
(2)CF4和SiF4都是分子晶体,结构相似,分子间作用力相差较小,所以熔点相差较小;BF3通过分子间作用力形成分子晶体,AlF3通过离子键形成离子晶体,破坏离子键需要能量更多,所以熔点相差较大
(3)离子键 ZnF2为离子化合物,ZnCl2、ZnBr2、ZnI2的化学键以共价键为主,极性较小
规律方法 晶体熔、沸点高低的比较方法
(1)不同类型晶体的熔、沸点高低规律
一般为:共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点有的很高(如钨),有的很低(如汞)。
(2)同种晶体类型的熔、沸点高低规律
①共价晶体
共价晶体中,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的熔、沸点越高。例如:金刚石>碳化硅>晶体硅。
②离子晶体
离子所带电荷越多,离子半径越小,则晶格能越大,晶体熔、沸点越高。例如:MgO>NaCl>CsCl。
③金属晶体
金属原子的价电子数越多,金属阳离子半径越小,金属键越强,晶体熔、沸点越高。例如:Al>Mg>Na。
④分子晶体
分子间作用力越强,晶体熔、沸点越高。
【针对训练3-1】
下列晶体中,它们的熔点由低到高的顺序排列正确的是( )
①金刚石 ②氯化钠 ③干冰 ④汞
A.④②③① B.③①②④
C.④②①③ D.③④②①
D
解析 金刚石为共价晶体,氯化钠为离子晶体,二者通常状况下均为固体,熔点:金刚石>氯化钠;通常状况下CO2为气体,汞为液体,故熔点:汞>干冰。
【针对训练3-2】
下列物质的熔点高低顺序正确的是( )
A.金刚石>晶体硅>碳化硅
B.K>Na>Li
C.NaBr>NaCl>NaF
D.CI4>CBr4>CCl4>CH4
D
解析 A项,由于碳原子半径小于硅原子,键长:C—C键碳化硅>晶体硅。B项,金属键:Li>Na>K,故熔点:Li>Na>K。C项,晶格能:NaF>NaCl>NaBr,故熔点:NaF>NaCl>NaBr。D项,相对分子质量:CI4>CBr4>CCl4>CH4,故熔点:CI4>CBr4>CCl4>CH4。
考点四 关于晶胞结构的分析与计算
例4 (1)[2022广东卷,20节选]我国科学家发展了一种理论计算方法,可利用材料的晶体结构数据预测其热电性能,该方法有助于加速新型热电材料的研发进程。化合物X是通过该方法筛选出的潜在热电材料之一,其晶胞结构如图甲,沿x、y、z轴方向的投影均为图乙。
图甲
图乙
①X的化学式为 。
②设X的最简式的式量为Mr,晶体密度为ρ g·cm-3,则X中相邻K之间的最短距离为 nm(列出计算式,NA为阿伏加德罗常数的值)。
(2)[2022湖南卷,18节选]钾、铁、硒可以形成一种超导材料,其晶胞在xz、yz和xy平面投影分别如图所示:
①该超导材料的最简化学式为 ;
②Fe原子的配位数为 ;
③该晶胞参数a=b=0.4 nm、c=1.4 nm。阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶体的密度为 g·cm-3(列出计算式)。
解析 (1)①由图甲可知,8个K原子处于晶胞内部,SeBr6位于晶胞的8个顶点和6个面心,则每个晶胞中含有8个K,含有SeBr6的个数为8× +6× =4,K与SeBr6的个数之比为8∶4=2∶1,故X的化学式为K2SeBr6。
规律方法 1.晶胞计算的类型
(1)根据晶胞的结构,计算其构成微粒间的距离。
(2)根据晶胞的质量和构成微粒的摩尔质量间的关系,计算微粒个数、微粒间距、ρ等。
(3)计算晶体(晶胞)中原子的空间利用率。
2.晶胞计算的原理与步骤
(1)首先确定晶胞的构成
利用切割法计算一个晶胞所含微粒的数目。
(2)计算晶体的密度或体积
①关系式:ρ= (ρ表示晶体的密度,V表示晶胞体积,NA表示阿伏加德罗常数,N表示一个晶胞实际含有的微粒数,M表示微粒的摩尔质量)。
②计算模式:
【针对训练4-1】
金属钨晶体中晶胞的结构模型如图所示。它是一种体心立方结构。实际测得金属钨的密度为ρ g·cm-3,钨的相对原子质量为M,阿伏加德罗常数的值为NA,假定钨原子为等直径的刚性球,请回答下列问题:
(1)每一个晶胞分摊到 个钨原子。
(2)晶胞的边长为 cm。
(3)钨的原子半径为 cm (只有体对角线上的各个球才是彼此接触的)。
解析 (1)晶胞中每个顶点的钨原子为8个晶胞所共有,体心的钨原子完全为该晶胞所有,故每一个晶胞分摊到2个钨原子。
【针对训练4-2】
(1)Cu的一种氯化物晶胞结构如图所示(黑球表示铜原子,白球表示氯原子),若该晶体的密度为ρ g·cm-3,以NA表示阿伏加德罗常数的值,则该晶胞的边长a= nm。
(2)用晶体的X射线衍射法对Cu的测定得到以下结果:Cu的晶胞为面心立方最密堆积(如图),已知该晶体的密度为9.00 g·cm-3,Cu的原子半径为
cm(设阿伏加德罗常数的值为NA,只要求列式表示)。
(3)一种铜金合金晶胞如图所示(Au原子位于顶点,Cu原子位于面心),则该合金中Au原子与Cu原子个数之比为 ,若该晶胞的边长为c pm,则合金的密度为 g·cm-3(只要求列算式,不必计算出数值,设阿伏加德罗常数的值为NA)。
例5 已知金属Fe中原子堆积方式如图:
设铁原子半径为r,则该晶体的空间利用率计算式为:
≈ %。
规律方法 关于晶胞结构的分析与计算
(1)空间利用率:指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。
(3)金属晶胞空间利用率的计算:
①简单立方堆积
立方体的棱长为2r,用小球表示的微粒半径为r。过程:
一个晶胞中平均含有1个微粒
V晶胞=(2r)3=8r3
②体心立方堆积
③六方最密堆积
④面心立方最密堆积
【针对训练5-1】
已知CaF2晶体晶胞的结构如图所示,Ca2+和F-的半径分别为a、b。
请回答下列各题:
(1)一个CaF2晶胞中含 个F-, 个Ca2+。
(2)CaF2的空间利用率为 (用a、b表示)。
【针对训练5-2】
离子液体具有很高的应用价值,其中EMIM+
离子由H、C、N三种元素组成,结构如图所
示。回答下列问题:
(1)碳原子的价电子轨道表示式为 。
(2)根据价电子对互斥理论,NH3、 中,中心原子价电子对数不同于其他两种粒子的是 。NH3比PH3的沸点高,原因是 。
(3)氮元素的第一电离能比同周期相邻元素都大的原因是 。
(4)EMIM+中,碳原子的杂化轨道类型为 。分子中的大π键可用符号 表示,其中m代表参与形成的大π键的原子数,n代表参与形成的大π键的电子数(如苯分子中的大π键可表示为 ),则EMIM+离子中的大π键应表示为 。
(5)立方相氮化硼属于共价晶体,其晶胞结构如图所示。其中硼原子的配位数为 。已知立方相氮化硼的密度为d g·cm-3,B原子半径为x pm,N原子半径为y pm,阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶胞中原子的空间利用率为
(列出化简后的计算式)。
解析 (1)碳原子价电子数为4,价电子排布式为2s22p2,
所以中心原子价电子对数不同于其他两种粒子的是NH3;NH3比PH3的沸点高是因为氨分子间存在氢键。
(3)ⅤA族元素第一电离能比同周期相邻元素都大,是因为其原子最外层p轨道上电子为特殊的半充满状态,能量低、较稳定。
(4)根据图示可知,环外三个碳原子都是形成4个σ键,为sp3杂化,环内三个碳原子都是形成3个σ键,为sp2杂化;形成大π键的电子数=(4-3)×3+(5-3)×2-1=6,则该大π键可表示 。(共55张PPT)
第3章 不同聚集状态的物质与性质
第2节 第2课时 共价晶体与分子晶体
素 养 目 标
1.了解空间向量的概念.
2.理解由平面向量的运算及其法则推广到空间向量的过程.
3.掌握空间向量线性运算的法则和运算律.
4.掌握共线向量和共面向量的定义,会证明空间三点共线、四点共面.
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
一、共价晶体1.共价晶体
定义 相邻原子间以 结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体
结构 特点 (1)由于共价键的饱和性与方向性,使每个碳原子周围排列的碳原子只能有 个与金属晶体和离子晶体中紧密堆积的排列有很大不同
(2)由于所有原子间均以 相结合,所以晶体中不存在单个分子
物理 性质 (1)由于共价晶体中原子以强的共价键相结合,因此一般熔点 ,硬度
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,共价键键长越短,键能越大,晶体的熔点越高
共价键
四
共价键
较高
较大
2.典型共价晶体的结构分析
金刚石晶体结构
二氧化硅晶体结构
(1)金刚石
①碳原子采取 杂化,C—C键键角为 。
②每个碳原子与周围紧邻的 个碳原子以 结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构。
③最小碳环由 个碳原子组成,且最小环上所有碳原子不在同一平面内。
(2)晶体硅
若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子,便可得到晶体硅的结构,不同的是Si—Si键键长 C—C键键长。
sp3
109°28'
四
共价键
六
>
(3)二氧化硅晶体
①若向晶体硅结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子,便可得到以
为骨架的二氧化硅晶体的结构。
②一个Si原子与 个O原子形成 个共价键, 原子位于正四面体的中心, 原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被 个硅氧正四面体共用;每个O原子和 个Si原子形成 个共价键,二氧化硅晶体中Si原子与O原子个数比为 。
③最小环上有 个原子,包括 个O原子和 个Si原子。
硅氧四面体
四
四
Si
O
两
两
两
1∶2
十二
六
六
【微思考1】常见的共价晶体有哪些类别
【微思考2】二氧化硅的分子式是SiO2吗
提示 (1)某些单质,如晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等;
(2)某些非金属化合物,如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。
提示 不是。二氧化硅属于共价晶体,没有分子式,SiO2只表示硅原子与氧原子在晶体中的个数比。
二、分子晶体
1.分子晶体的定义与物理性质
定义 分子之间通过 结合形成的晶体
构成微粒
微粒间的作用力
分子间作用力
分子
分子间作用力
2.典型的分子晶体
(1)碘晶体
碘晶体结构
①碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点和面上各有1个I2分子,每个晶胞中有 个I2分子。
②I2分子之间以 结合。
四
范德华力
(2)干冰晶体
①干冰的晶胞为立方体,在它的每个顶点和面上各有1个CO2分子,每个晶胞中有 个CO2分子。
干冰晶体结构 面心立方结构
②每个CO2分子周围距离最近且相等的CO2分子有 个。
③干冰晶体中分子之间通过 相结合,熔化时分子内的化学键不断裂。
四
十二
范德华力
(3)冰晶体
冰晶体结构
①水分子之间的主要作用力是 ,当然也存在 。
② 具有一定的 性,它的存在迫使每个水分子与周围 个水分子结合。
氢键
范德华力
氢键
方向
四
(4)苯甲酸晶体
典型的分子晶体是指有限数目的原子以 结合为分子后,这些分子再通过 结合形成晶体。一般来说,分子在无 的分子间作用力的作用下堆积时,尽可能利用空间
地堆积在一起,这一点与金属晶体相似。但是,分子的形状、分子的极性以及分子之间是否存在 等都会影响分子的堆积方式。如苯甲酸晶体中,苯甲酸分子排列形成层状结构,同一平面内分子之间通过
相互作用连接,平面之间的分子依靠 维系。
苯甲酸晶体微观结构
共价键
分子间作用力
方向性
紧密
氢键
氢键
范德华力
【微思考3】所有分子晶体中是否均存在化学键
【微思考4】哪些常见类别的物质属于分子晶体
提示 不是。绝大多数分子晶体的微粒内部都存在化学键,如N2、H2O、SO2等分子内部都有共价键,而稀有气体分子为单原子分子,分子内部无化学键,分子之间以范德华力结合,所以并非所有分子晶体中都存在化学键。
提示 (1)所有非金属氢化物:H2O、H2S、NH3、CH4、HX(X代表卤素原子);
(2)部分非金属单质:X2、O2、H2、S8、P4、C60;
(3)部分非金属氧化物:CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10;
(4)几乎所有的酸:H2SO4、HNO3、H3PO4;
(5)绝大多数有机化合物的晶体:乙醇、冰醋酸、蔗糖。
三、晶体结构的复杂性
1.石墨晶体
晶体 模型
石墨的微观结构
结构 特点 (1)石墨的晶体具有 结构,同一层中的每个碳原子与邻近的三个碳原子以共价键相结合,形成无限的 形平面网状结构。每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有一个未成对电子,能形成遍及整个平面的 键
(2)碳原子采取 杂化,C—C键之间的夹角为
(3)层与层之间以 结合,易发生滑动
层状
六边
大π
sp2
120°
范德华力
晶体 类型 石墨晶体既含有 ,又有 ,同时还存在类似 的作用力,这类晶体称为 晶体
物理 性质 熔点 、质软、 导电
共价键
范德华力
金属键
混合型
高
能
2.晶体的复杂性
(1)一方面,物质组成的 导致晶体中存在多种 微粒以及不同的微粒间 。例如,BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子,
Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子。
(2)另一方面,金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。即使组成简单的晶体,也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态,形成过渡晶体。
(3)金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等模型都是 的晶体结构模型,大多数实际晶体结构要复杂得多。
复杂性
不同
作用
典型
自我检测
1.正误判断:
(1)硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体。( )
(2)SiC熔化时断裂非极性共价键。( )
(3)分子晶体内只有分子间作用力。( )
(4)分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。( )
(5)分子晶体中一定存在范德华力,可能有共价键。( )
√
×
×
×
√
2.下列晶体熔化时不需要破坏化学键的是( )
A.二氧化硅晶体 B.食盐
C.干冰 D.金属镁
C
解析 熔化时,SiO2破坏共价键,食盐破坏离子键,干冰破坏范德华力,金属镁破坏金属键。
3.在常温常压下呈气态的化合物,降温使其固化得到的晶体属于( )
A.分子晶体 B.原子晶体
C.离子晶体 D.何种晶体无法判断
A
解析 该化合物在常温常压下呈气态,即熔、沸点很低,故固化得到分子晶体。
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 共价晶体的结构与性质
【观图助学】
1.观察金刚石和二氧化硅的结构模型讨论:1 mol C组成的金刚石中含有多少摩尔C—C键 金刚石晶体中C原子数目与C—C键数目之比为多少 1 mol SiO2晶体中含有多少摩尔Si—O键
提示 在金刚石晶体中,1个碳原子与周围4个碳原子形成4个C—C键,而每2个碳原子之间形成一个共价键,所以1 mol C形成的C—C键的物质的量为4× mol=2 mol。金刚石晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2。SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都换为Si原子,同时在Si—Si键中间插入一个O原子,所以1 mol SiO2晶体中含有4 mol Si—O键。
2.为什么共价晶体的结构比金属晶体和离子晶体结构松散,但却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性
提示 共价键具有方向性和饱和性,使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的,因此比较松散。由于整个晶体中各原子都以强作用力共价键相互结合,且构成了空间网状结构,所以共价晶体更稳定。
归纳拓展
1.共价晶体的结构特征
(1)在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。
(2)共价晶体的构成微粒是原子,不存在单个分子,其化学式仅表示晶体中所含原子的个数比。
(3)空间结构:空间网状结构。
2.共价晶体熔点和硬度的比较
对于结构相似的共价晶体来说,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的稳定性越强,熔点越高,硬度越大。
【微点拨】(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于离子晶体和金属晶体。如MgO(2 800 ℃)>SiO2(1 713 ℃)、钨(3 410 ℃)>SiO2(1 713 ℃)。
(2)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。
(3)稀有气体分子是单原子分子,其构成的晶体不是共价晶体。
3.共价晶体的判断依据
(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。
(2)根据共价晶体的物理性质判断。
由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合,故共价晶体:①熔点很高;②硬度大;③一般不导电;④难溶于溶剂。
(3)记住常见的共价晶体。
物质 金刚石 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子杂化类型 sp3 sp3 sp3
键角 109°28' 109°28' 109°28'
晶胞中微粒数目 8个C C:4个 Si:4个 Si:8个
O:16个
1 mol物质中化学键物质的量 2 mol C—C键 2 mol C—Si键 4 mol
Si—O键
【微点拨】碳化硅晶体与金刚石结构相似,其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
应用体验
视角1 共价晶体的特点
1.下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
共价晶体 金刚石 氮化硼 碳化硅 石英 硅 锗
熔点/℃ 大于3 500 3 000 2 830 1 710 1 412 1 211
硬度 10 9.5 9.5 7 6.5 6.0
分析表中的数据,判断下列叙述正确的是( )
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越低
C.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
D.构成共价晶体的原子的半径越小,晶体的硬度越大
D
解析 共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关,而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。即原子半径越小,键能越大,熔点越高、硬度越大。
视角2 共价晶体的结构
2.碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
请回答下列问题:
(1)碳化硅晶体中,硅原子杂化类型为 ,
每个碳原子周围与其距离最近的硅原子
有 个;设晶胞边长为a cm,密度为
b g·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为
(用含a、b的式子表示)。
(2)立方氮化硼晶胞中有 个硼原子, 个氮原子,硼原子的杂化类型为 ;若晶胞的边长为a cm,则立方氮化硼的密度表达式为
g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
解析 (1)SiC晶体中,每个Si原子与4个C原子形成4个σ键,故Si采取sp3杂化,每个碳原子周围距离最近的硅原子有4个。SiC晶胞中,硅原子数为
解题反思 共价晶体氮化硼的晶胞与金刚石、晶体硅、碳化硅晶体相似。如晶胞中原子数目、原子杂化类型、键角都相同,但BN晶体中存在配位键B←N。
3.已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是( )
A.氮化碳属于共价晶体,比金刚石的硬度更大
B.该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连,每个氮原子与3个碳原子相连
C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成空间网状结构
D
解析 氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成的,因此该晶体应为共价晶体。又因为C—C键键长大于C—N键键长,故C—N键的键能大于C—C键,硬度更大的是氮化碳,A项正确;每个C原子与4个N原子形成共价单键,每个N原子与3个C原子形成共价单键,C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构,B、C项均正确;氮化碳晶体中,原子间以C—N极性键形成空间网状结构,D不正确。
4.碳元素的单质有多种形式,下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图:
回答下列问题:
(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式,它们互为
。
(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为 、
。
(3)石墨晶体中,层内C—C键的键长为142 pm,而金刚石中C—C键的键长为154 pm。其原因是金刚石中碳原子间只存在C—C 共价键,而石墨层内的碳原子间不仅存在C—C 共价键,还有 键。
(4)C60的晶体结构类似于干冰,则每个C60晶胞的质量为 g (用含NA的式子表示,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(5)一个金刚石晶胞含有 个碳原子。若碳原子半径为r cm,金刚石晶胞的边长为a cm,则r= a,列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率 (不要求计算结果)。
(6)硅晶体的结构跟金刚石相似,1 mol硅晶体中含有Si—Si键的数目约是
NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
答案 (1)同素异形体 (2)sp3 sp2 (3)σ σ π
解析 (1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素形成的单质,它们的组成元素相同,结构不同,互为同素异形体。
(2)金刚石中,一个碳原子与四个碳原子形成四个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式),构成正四面体;石墨烯中的碳原子采取sp2杂化方式,形成平面六元环结构。
(3)在金刚石中只存在C—C σ键;石墨层内不仅存在C—C σ键,还存在π键。
(4)由题意知,C60晶体的晶胞为面心立方结构,所以每个C60晶胞有4个C60分
(5)由金刚石的晶胞结构可知,晶胞内部有4个碳原子,6个面上各有1个碳原子,8个顶点各有1个碳原子,所以一个金刚石晶胞中所含碳原子数为
问题探究
探究2 分子晶体的结构与性质
1.CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示,通过比较试回答下列问题。
物质 物理性质 熔点/℃ 沸点/℃ 状态(室温)
CO2 -56.2 -78.4 气态
SiO2 1 723 2 230 固态
碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族,为什么CO2晶体的熔、沸点很低,而SiO2晶体的熔、沸点很高
提示 晶体的类型不同造成的。二氧化硅是共价晶体,这类晶体熔、沸点高;而二氧化碳属于分子晶体,这类晶体熔、沸点低。
2.干冰和碘易升华的原因是什么 乙醇与甲醚的相对分子质量相等,为什么乙醇的沸点高于甲醚
3.为什么液态水变为冰时,体积膨胀,密度减小
提示 碘和干冰的分子间均以较弱的范德华力结合;乙醇分子间存在氢键,分子间作用力强,甲醚分子间不存在氢键,分子间作用力弱,所以乙醇的沸点高于甲醚。
提示 冰晶体主要是水分子依靠氢键结合形成的,因氢键具有一定的方向性,使水分子间的间距比较大,有很多空隙,比较松散。所以水凝固成冰后,体积膨胀,密度减小。
归纳拓展
1.分子晶体熔、沸点高低的比较
(1)组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高。如O2>N2,HI>HBr>HCl。
(2)相对分子质量相等或相近的分子晶体,极性分子间的范德华力大,相应晶体的熔、沸点高。如CO>N2。
(3)分子间含有氢键的分子晶体,熔、沸点较高。
如H2O>H2Te>H2Se>H2S,HF>HCl,NH3>PH3。
(4)在烷烃的同分异构体中,一般来说,支链数越多,熔、沸点越低。如沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
2.分子晶体的结构特征
(1)分子间只有范德华力(大多数分子晶体)。
若分子间只有范德华力,不存在氢键。由于范德华力没有方向性和饱和性,因此分子采用密堆积——每个分子周围有12个紧邻的分子。
(2)分子间除了范德华力外,还存在氢键。
氢键具有方向性,使晶体中原子的空间利用率不高,留有相当大的空隙。这种晶体不具有分子密堆积特征,如HF、冰、NH3等。
应用体验
视角1 分子晶体的判断
1.下列说法正确的是( )
A.由原子构成的晶体不一定是共价晶体
B.分子晶体中的分子间可能存在共价键
C.分子晶体中一定含有共价键
D.含有阳离子的晶体一定是离子晶体,在熔融状态下能导电
A
解析 由原子构成的晶体可能是分子晶体,例如稀有气体是由原子构成的分子晶体,故A正确;分子晶体中的分子间只存在分子间作用力,不可能存在共价键,故B错误;单原子分子晶体中不含共价键,如稀有气体分子,故C错误;含有阳离子的晶体不一定是离子晶体,也可能是金属晶体,故D错误。
2.下列有关分子晶体的说法一定正确的是( )
A.分子内均存在共价键
B.分子间一定存在范德华力
C.分子间一定存在氢键
D.分子晶体一定采取分子密堆积方式
B
解析 分子晶体构成微粒若为单原子分子,则不含共价键,如稀有气体,故A错误;分子晶体中分子之间的作用力为范德华力,故B正确;若不是N、O、F元素对应的氢化物,则不含有氢键,故C错误;分子晶体不一定采用分子密堆积,有些分子如冰的晶体,由于氢键的作用,每个水分子周围只有四个紧邻的水分子形成非密堆积,故D错误。
3.下列物质在室温下均是分子晶体的是( )
A.H2O、CH4、HF
B.红磷、硫、碘
C.CO2、SO2、NO2
D.H2SO4、CH3CH2OH、HCHO
B
解析 题目的核心是“室温”,在该条件下H2O、H2SO4、CH3CH2OH均为液体,CH4、HF、CO2、NO2、SO2、HCHO均为气体,故B项正确。
视角2 分子晶体的性质
4.某化学兴趣小组,在学习了分子晶体后,查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 712 190 -68 782
沸点/℃ 1 465 1 418 178 57 1 600
根据表中数据分析,属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2 B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2 D.全部
B
解析 分子晶体中,分子与分子之间以分子间作用力相结合,而分子间作用力较弱,克服分子间作用力所需能量较低,故分子晶体的熔、沸点较低。表中NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点较高,不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低,应为分子晶体,所以B项正确,A、C、D项错误。
5.下表列举了几种物质的性质,据此判断属于分子晶体的是 。
物质 性质
X 熔点为10.31 ℃,液态不导电,水溶液导电
Y 易溶于CCl4,熔点为11.2 ℃,沸点为44.8 ℃
Z 常温下为气态,极易溶于水,溶液pH>7
W 常温下为固体,加热变为紫红色蒸气,遇冷变为紫黑色固体
M 熔点为1 170 ℃,易溶于水,水溶液导电
N 熔点为97.8 ℃,质软,导电,密度为0.97 g·cm-3
答案 X、Y、Z、W
解析 分子晶体熔、沸点一般比较低,硬度较小,固态不导电。在常温下呈气态或液态的物质(除汞外)、易升华的固体物质一般都属于分子晶体。M的熔点高,肯定不是分子晶体;N是金属钠,属于金属晶体;其余X、Y、Z、W均为分子晶体。
6.(1)比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
①CO2 SO2;②NH3 PH3;③O3 O2;
④Ne Ar;⑤CO N2。
(2)已知AlCl3的熔点为190 ℃(2.202×105 Pa),但它在180 ℃即开始升华。请回答:
①AlCl3固体是 晶体;
②设计一个可靠的实验,判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是 。
答案 (1)①< ②> ③> ④< ⑤>
(2)①分子 ②在熔融状态下,检测AlCl3是否导电,若不导电则AlCl3是共价化合物
解析 (1)各组物质均为分子晶体,根据分子晶体熔、沸点的判断规律,较容易比较五组物质熔、沸点的高低。
(2)①由AlCl3的熔点低以及在180 ℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。②验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物,可测其在熔融状态下是否导电,若不导电则是共价化合物,导电则是离子化合物。(共34张PPT)
第3章 不同聚集状态的物质与性质
第1节 认识晶体
素 养 目 标
1.通过了解晶体的重要特征,能说出晶体与非晶体的区别,形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过了解晶胞的概念,以及晶胞与晶体的关系,会用“切割法”确定晶胞中的微粒数目(或微粒数目比)和晶体的化学式。培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目 录 索 引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
一、晶体的特性
1.定义
人们把内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做 重复排列构成的固体物质称为晶体。
周期性
2.晶体的特性
(1)在适宜条件下,晶体能够自发地呈现封闭的、规则的 外形。
(2)晶体的外形往往还表现出一定的 。例如,规则的食盐晶体具有立方体外形,它既有对称轴也有对称面。
(3)晶体在不同的方向上表现出 的物理性质,这称为晶体的
。
(4)能使X射线产生衍射。利用这种性质,人们建立了测定晶体的重要实验方法。
多面体
对称性
不同
各向异性
3.晶体的分类
(1)分类标准:根据晶体内部 的种类和微粒间 的不同,将它们分为离子晶体、金属晶体、共价晶体和分子晶体。
(2)分类
晶体类型 构成微粒 实例
离子晶体 NaCl
金属晶体 、 铜
共价晶体 金刚石
分子晶体 冰
微粒
相互作用
阴、阳离子
金属阳离子
自由电子
原子
分子
4.非晶体
人们把内部微粒 的固体物质称为非晶体。如橡胶、玻璃、石蜡等。
【微思考1】晶体的各向异性及对称性是由哪些因素引起的
无周期性重复排列
提示 晶体内部的微粒在空间按照一定规律做周期性重复排列,且微粒的空间排布具有特定的对称性,只有这样才能使晶体在生长过程中依据内部微粒的规则排列,形成规则的多面体几何外形;内部微粒在不同方向上排列的规律不同,从而使晶体具有各向异性。
二、晶体结构的基本重复单元——晶胞
基本的重复单元
如图所示,铜晶胞中含有的铜原子数为 。
铜晶胞中的原子及其切割示意图
【微思考2】晶体的化学式表达的意义是什么
提示 晶体的化学式表示的是晶体(或晶胞)中各类原子或离子的最简整数比,由晶胞构成的晶体,其化学式并不是表示一个分子中含有多少个原子。
自我检测
1.正误判断:
(1)熔融态的晶体冷却凝固,得到的固体不一定呈规则的几何外形。( )
(2)晶胞都是平行六面体。( )
(3)不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同。( )
(4)已知晶胞的组成无法推知晶体的组成。( )
2.下列物质属于晶体的是( )
A.塑料 B.石英
C.玻璃 D.石蜡
√
×
×
×
B
重难探究·能力素养全提升
问题探究
探究1 晶体与非晶体的区别
【观图助学】
图1 食盐晶体
图2 X射线衍射测定晶体
结构的实验原理示意图
1.有固定组成的物质一定是晶体吗
2.图2实验有什么作用
提示 具有固定组成的物质不一定是晶体,如某些无定形体也有固定的组成,如无定形SiO2。
提示 晶体能使X射线产生衍射,利用这种性质,人们建立了区分晶体和非晶体最可靠的科学方法。
归纳拓展
1.晶体与非晶体的区别
类型 微观结构 能否自发地 呈现规则的 多面体外形 各向性 熔点
晶体 微粒在三维空间呈周期性重复排列 能 各向异性 固定
非晶体 微粒无周期性重复排列 不能 各向同性 不固定
本质区别 内部微粒在空间是否呈现周期性重复排列 2.晶体与非晶体的区别方法
间接方法 看是否有固定的熔点
科学方法 对固体进行X射线衍射实验
【微点拨】晶体有固定的熔点。加热晶体,温度达到熔点时即开始熔化,在没有全部熔化之前,继续加热,温度不再升高,完全熔化后,温度才继续升高。
应用体验
视角1 晶体的性质
1.下列关于晶体性质的叙述中,不正确的是( )
A.在适宜条件下,晶体能够自发地呈现封闭、规则的多面体几何外形
B.晶体的各向异性和对称性是矛盾的
C.晶体的对称性是微观粒子按一定规律做周期性重复排列的必然结果
D.晶体的各向异性直接取决于微观粒子的排列具有特定的方向性
B
解析 晶体的各向异性取决于微观粒子的排列具有特定的方向性,而对称性是微观粒子按一定规律做周期性重复排列的必然结果,B项的说法错误。
2.下列叙述不属于晶体特性的是( )
A.有规则的几何外形
B.具有各向异性
C.有对称性
D.没有固定熔点
D
解析 晶体具有规则的几何外形、各向异性、对称性三大特性,而且晶体有固定的熔点。
视角2 晶体与非晶体的对比
3.下列叙述中正确的是( )
A.具有规则几何外形的固体一定是晶体
B.具有特定对称性的固体一定是晶体
C.具有各向异性的固体一定是晶体
D.依据构成粒子的堆积方式可将晶体分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体
C
解析 有些人工加工而成的非晶体也具有规则几何外形和特定对称性,故A、B两项错误;具有各向异性的固体一定是晶体,C项正确;晶体可分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体,依据的是构成晶体的微粒的种类和微粒间相互作用的不同,故D项错误。
易错警示 晶体具有规则的几何外形,但具有规则几何外形的固体不一定是晶体。非晶体也可以打磨成规则的几何外形,但仍不是晶体。
4.如图是a、b两种不同物质的熔化曲线,下列说法正确的是( )
A.a是晶体 B.a是非晶体
C.b是晶体 D.a、b都是非晶体
A
解析 晶体有固定的熔点,由图a分析知,中间有一段温度不变,但一直在吸收能量,此时所对应的温度即为此晶体的熔点;b曲线温度一直在升高,表示b物质没有固定的熔点,为非晶体。
视角3 晶体结构的测定
5.下列有关说法正确的是( )
A.测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪
B.石英玻璃和水晶的衍射图谱相同
C.通过乙酸晶体的X射线衍射实验,只能测定晶胞中含有的乙酸分子数,不能推出乙酸分子的空间结构
D.晶体的X射线衍射实验不能判断晶体中存在哪些化学键,也不能确定键长和键角
A
6.“嫦娥五号”带回的首批月球土壤主要用于科学研究,所得结论错误的是
( )
A.利用原子光谱可以确定月壤的元素组成
B.月壤所含的铁、金、银、铅、锌、铜、锑、铼等元素均属于过渡元素
C.月壤所含辉钼矿晶体具有对称性、各向异性等特征
D.构成月壤中玻璃颗粒的原子、离子、分子等呈无序排列
B
解析 每一种元素的原子光谱不相同,因此利用原子光谱可以确定月壤的元素组成,故A正确;铅、锑不属于过渡元素,故B错误;晶体都有对称性和各向异性,因此辉钼矿晶体具有对称性、各向异性等特征,故C正确;玻璃不是晶体,因此微粒是无序排列的,故D正确。
问题探究
探究2 晶胞中微粒的求法——切割法
1.晶胞的常见类型有哪些
提示 晶胞的结构有很多种,常见的有如下几类:
(1)简单立方:仅在平行六面体的8个顶点上有微粒。
(2)体心立方:除8个顶点上有微粒外,平行六面体的体心还有一个微粒。
(3)面心立方:除8个顶点和体心有微粒外,平行六面体的6个面的面心上都各有一个微粒。
3.晶体与晶胞的关系是怎么样的呢
2.计算晶胞中的微粒数目为什么采用切割法
提示 整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞堆积而成。位于晶胞顶点、棱上、面上的微粒并不为一个晶胞所独占,因此,需采用切割法。
提示 将一个个晶胞及其包含的微粒上、下、前、后、左、右并置,就构成了整个晶体结构。因此,知道了晶胞的大小和形状以及晶胞中包含的微粒的种类、数目和空间位置,就可以了解整个晶体的结构。晶体与晶胞的关系好比蜂巢与蜂室的关系。
归纳拓展
1.切割法的知识要点
晶胞任意位置上的一个原子若被X个晶胞共用,那么每个晶胞对这个原子分得的份额就是 。
2.长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的微粒数的计算
3.六棱柱晶胞中不同位置的微粒数的计算
【微点拨】进行非长方体形晶胞中微粒数目计算时,视具体情况而定,如石墨晶胞每一层内碳原子排成一个个六边形,每个碳原子被三个六边形共用,每个碳原子对一个六边形的贡献为 。
应用体验
视角1 晶体与晶胞的关系
1.下列有关晶胞的叙述错误的是( )
A.晶胞是描述晶体结构的基本单元
B.整块晶体中,相邻晶胞之间没有间隙
C.晶胞一般都是平行六面体
D.晶胞都是正八面体
D
解析 晶胞是描述晶体结构的基本单元,A正确;整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成,“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙,B正确;常规的晶胞一般都是平行六面体,C正确、D错误。
视角2 晶胞中粒子数目和化学式的确定
2.已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体,其晶胞结构如图所示,则下列表示该化合物的化学式正确的是( )
A.ZXY3 B.ZX3Y6
C.ZX4Y8 D.ZX8Y12
A
规律方法 (1)晶胞中微粒个数的计算
关键是正确分析晶胞中任意位置上的一个微粒被几个晶胞所共用。不同形状的晶胞情况不同。如六棱柱晶胞中,顶点、侧棱、底面、侧面的微粒,依次被6、3、2、2个晶胞共用。
(2)确定晶体化学式的方法
观察微粒种类→确定微粒在晶胞中的位置→用切割法求各微粒的数目→求各微粒的最简个数比→确定化学式。
3.现有甲、乙、丙(如下图)三种晶体的晶胞(甲中x处于晶胞的中心,乙中a处于晶胞的中心),可推知:甲晶胞中x与y的个数比是 ,乙晶胞中a与b的个数比是 ,1个丙晶胞中有 个c离子,有 个d离子。
答案 4∶3 1∶1 4 4
解析 处于晶胞中心的微粒为该晶胞单独占有,位于立方体顶点的微粒为8个立方体共有,位于立方体棱边的微粒为4个立方体共有,位于立方体面上的微粒为2个立方体共有,