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第2课时 过渡晶体与混合型晶体
一、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:
从上表可知,表中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,所以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,通常当作离子晶体来处理,如 Na2O 等。偏向共价晶体的过渡晶体当作共价晶体来处理,如 Al2O3 、 SiO2 等。
微解读离子键的百分数是依据电负性的差值计算的结果,差值越大,离子键的百分数越大,晶体越接近离子晶体;离子键的百分数越小,晶体越接近共价晶体。
微训练1下列关于第三周期主族元素的氧化物形成的晶体的说法正确的是( )。
A.氧元素与钠元素电负性相差很大,所以Na2O是纯粹的离子晶体
B.MgO不具有共价晶体的性质
C.SiO2是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体,但常看作共价晶体
D.P2O5、SO3是纯粹的分子晶体,晶体中没有离子键成分
答案:C
解析:Na2O、MgO中离子键成分的百分数分别为62%、50%,Na2O、MgO均是过渡晶体;P2O5、SO3均是分子晶体,但并不是晶体中没有离子键成分,只是离子键成分更小。
二、混合型晶体
1.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。
2.晶体类型:属于 混合型晶体 。
3.性质:熔点 很高 、质软、 易 导电等。
微思考石墨晶体能导电,其导电原理类似金属晶体,是碳原子未参与杂化的2p电子在外电场作用下定向移动的结果。试说明石墨的导电性与金属晶体的导电性有何不同。
提示:石墨晶体中由于相邻碳原子平面之间距离较大,2p电子不能从一个平面跃到另一个平面,使得石墨的导电性只能沿石墨平面的方向,而金属晶体的导电性无此限制。
微判断1
(1)自然界中的大多数晶体都能被归为四类典型晶体的某一类。( )
(2)分子晶体可看作共价晶体过渡而来。( )
(3)Al2O3含有金属元素,属于离子晶体。( )
(4)石墨为混合型晶体,因层间存在分子间作用力,故石墨的熔点低于金刚石的熔点。( )
×
√
×
×
微训练2
1.下列有关石墨晶体的说法正确的是( )。
①石墨层内作用力为共价键,层间为范德华力
②石墨是混合型晶体
③石墨中的C为sp2杂化
④石墨的熔、沸点都比金刚石的低
⑤石墨中碳原子个数和C—C个数之比为1∶2
⑥石墨和金刚石的硬度相同
⑦石墨的导电性只能沿石墨平面的方向
A.②④⑤⑥ B.①②③⑦ C.②③⑦ D.①④⑥
答案:B
2.石墨晶体是层状结构,在每一层内,每个碳原子都跟其他3个碳原子相结合,如图是其晶体结构的俯视图,则图中7个六元环完全占有的碳原子数是( )。
A.10 B.18
C.24 D.14
答案:D
解析:每个六元环平均占有的碳原子数为 ,7个六元环完全占有的碳原子数为2×7=14。
三、纳米晶体
1.含义。
晶体颗粒尺寸在 纳米 (10-9 m)量级的晶体。
2.特性。
(1)纳米晶体在声、 光 、 电 、磁、热等性能上常会呈现新的特性,有广阔的应用前景。
(2)当晶体颗粒小至纳米量级,熔点会 下降 。
微判断2
(1)纳米材料可提高材料的磁性。( )
(2)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。( )
√
×
微训练3在纳米级的空间中,水的结冰温度是怎样的呢 为此,科学家对不同直径碳纳米管中水的结冰温度进行分析。下图是四种不同直径碳纳米管中的冰柱结构及结冰温度,冰柱的大小取决于碳纳米管的直径。水在碳纳米管中结冰的规律是
。
答案:纳米管直径越小,结冰温度越高
问题探究
金属键、离子键和共价键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。基于此,你对晶体类型有何新的认识
提示:由于微粒间的作用存在键型过渡,晶体类型也必然存在居于金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体之间的过渡状态,形成过渡晶体。
归纳总结
1.典型晶体与过渡晶体的关系。
纯粹的典型晶体是不多的,大多数晶体是它们之间的过渡晶体。如离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体,离子键占主要地位时,其性质偏向离子晶体,我们通常当作离子晶体来处理;当离子键成分的百分数很小,共价键占主要地位时,其性质偏向共价晶体(或分子晶体),我们通常当作共价晶体(或分子晶体)来处理。
2.从电负性差值判断共价键与离子键成分的百分数。
(1)当电负性差值较大时,原子之间形成的化学键中离子键成分的百分数较大,共价键成分的百分数较小,形成的晶体通常当作离子晶体来处理。
(2)当电负性差值较小时,原子之间形成的化学键中离子键成分的百分数较小,共价键成分的百分数较大,形成的晶体通常当作共价晶体(或分子晶体)来处理。
典例剖析
【例1】 泽维尔研究发现,当用激光脉冲照射NaI,使Na+和I-两核间距为1.0~1.5 nm时,呈离子键;当两核靠近约距0.28 nm时,呈共价键。根据泽维尔的研究成果能得出的结论是( )。
A.NaI晶体是过渡晶体
B.NaI晶体是离子晶体和分子晶体的混合物
C.NaI晶体中既有离子键又有共价键
D.共价键和离子键有明显的界线
答案:A
解析:化学键既不是纯粹的离子键也不是纯粹的共价键,共价键和离子键没有明显的界线。如改变离子的核间距,可使NaI晶体由离子化合物变为共价化合物,但仍为纯净物,不是混合物。
学以致用
1.据报道,某大学科研人员合成了C70Cl10富勒烯足球状分子,如下图所示。它是由C70分子与Cl2发生加成反应得到的。在C70分子中每个碳原子均与周围相邻的其他3个碳原子相连, 70个碳原子组成若干个正六边形和正五边形,碳均为4价结构。下列有关说法中不正确的是( )。
A.C70Cl10富勒烯属于过渡晶体
B.C70Cl10富勒烯的熔点比石墨的熔点低
C.C70Cl10富勒烯性质更接近于共价晶体
D.C70Cl10富勒烯性质更接近于分子晶体
C70Cl10分子结构示意图
C
解析:C70Cl10富勒烯存在小分子,分子间以分子间作用力结合成晶体,性质更接近于分子晶体。
问题探究
晶体X射线衍射实验表明,石墨晶体具有平面层状结构。在同一层中,碳原子之间以共价键结合形成平面六元并环结构,每个碳原子未参与杂化的2p轨道中的单电子形成遍及整个平面的大π键而具有金属键的性质。层与层之间距离较大,以范德华力结合。
(1)石墨是不是过渡晶体 为什么
提示:石墨晶体中层内碳原子间以共价键形成平面六元并环结构,类似共价晶体;同一层面的大π键具有金属键的性质,类似金属晶体;层间以分子间作用力结合,类似分子晶体;所以石墨不是单一的过渡晶体,而是混合型晶体。
(2)为什么石墨具有导电性
提示:石墨晶体的同一层中存在遍及整个平面的大π键,具有金属键的性质,因此石墨具有导电性。
(3)石墨为什么很软
提示:石墨为平面层状结构,各层之间以范德华力结合,容易滑动,所以石墨很软。
(4)石墨的熔点、沸点为什么很高
提示:石墨各层均为平面六元并环结构,碳原子之间以共价键结合,键长小,键能大,并且每层还有大π键,故石墨的熔点、沸点很高。
归纳总结
1.石墨的晶体类型:石墨晶体中,既有共价键,又有范德华力,还有类似金属晶体的导电性,属于混合型晶体。
石墨晶体中碳原子数与共价键数的关系:
2.石墨晶体的特性。
(1)导电性、导热性:石墨晶体中,未参与杂化的2p轨道相互平行且相互重叠,使2p轨道中的电子可以在整个碳原子平面中运动,比较自由,相当于金属中的自由电子,类似金属键的性质,所以石墨能导电、导热,但石墨的导电性只能沿层的平行方向,这也是晶体各向异性的表现。
(2)润滑性:石墨层间作用力为范德华力,结合力弱,层与层间可以相对滑动,使之具有润滑性,因而可以用于制造润滑剂、铅笔芯等。
典例剖析
【例2】 (2023北京卷改编)我国科学家首次成功制得大面积单晶石墨炔,是碳材料科学的一大进步。
下列关于金刚石、石墨、石墨炔的说法正确的是( )。
A.三种物质中均有碳碳原子间的σ键
B.三种物质中的碳原子都是sp3杂化
C.三种物质的晶体类型相同
D.三种物质均能导电
答案:A
解析:三种物质都是由碳原子构成的单质,物质内部含有碳碳键,其中必含σ键,A项正确;金刚石中所有碳原子均采用sp3杂化,石墨中所有碳原子均采用sp2杂化,石墨炔中苯环上的碳原子采用sp2杂化,碳碳三键上的碳原子采用sp杂化,B项错误;金刚石为共价晶体,石墨炔为分子晶体,石墨为混合晶体,三种物质的晶体类型不相同,C项错误;金刚石中没有自由移动的电子,不能导电,D项错误。
学以致用
2.(1)石墨烯是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料,如图所示。1 mol石墨烯中含有的六元环个数为 (设NA为阿伏加德罗常数的值)。
石墨烯
(2)碳元素形成的单质所属晶体类型可能是 (填序号)。
①分子晶体 ②共价晶体 ③金属晶体 ④离子晶体
⑤混合型晶体
答案:(1)0.5NA
(2)①②⑤
解析:(1)由题图可知,石墨烯中六个碳原子组成一个环,每个碳原子被三个环共用,相当于只有两个碳原子完全属于一个环,1 mol碳原子组成的环的个数为0.5NA。
(2)碳元素形成的单质可能为共价晶体,如金刚石;可能为分子晶体,如富勒烯;可能为混合型晶体,如石墨。
1.下列晶体最能体现过渡晶体结构与性质的是( )。
A.金刚石 B.CsCl
C.Al2O3 D.KF
答案:C
解析:金刚石为典型的共价晶体,氯化铯、氟化钾为典型的离子晶体,而氧化铝中离子键的百分数为41%,最能体现过渡晶体的结构与性质。
2.下列物质形成晶体时可以看作纯粹的分子晶体的是( )。
A.冰 B.三氧化硫
C.稀有气体 D.氧气
答案:C
解析:稀有气体形成的晶体中只存在分子间作用力,可以看作纯粹的分子晶体。
3.下列有关过渡晶体的说法错误的是( )。
A.过渡晶体的存在说明晶体并没有严格的划分界限
B.没有纯粹的离子键也没有纯粹的共价键
C.Na2O的晶体性质与离子晶体类似,通常可当作离子晶体处理
D.SiO2是典型的共价晶体,不是过渡晶体
答案:D
解析:SiO2是偏向共价晶体的过渡晶体。
4.金刚石、石墨、C60和石墨烯的结构示意图分别如图所示,下列说法不正确的是( )。
A.金刚石和石墨烯中碳原子的杂化方式不同
B.金刚石、石墨、C60和石墨烯互为同素异形体
C.这四种物质完全燃烧后的产物都是CO2
D.石墨与C60的晶体类型相同
答案:D
解析:金刚石中碳原子采取sp3杂化,石墨烯中碳原子采取sp2杂化,A项正确。金刚石、石墨、C60和石墨烯都是碳元素形成的不同单质,它们互为同素异形体,B项正确。碳元素的同素异形体完全燃烧的产物都是CO2,C项正确。C60是分子晶体,石墨是混合型晶体,D项错误。
5. 黑磷晶体的结构特点有:(1)正交晶型黑磷晶体是层状结构,在每一层内,每个P原子与其他3个P原子相连,形成二维褶皱蜂巢型结构。(2)层间依靠范德华力结合,二维的单层黑磷又称磷烯。请回答下列问题:
黑磷晶体的结构示意图
(1)黑磷属于 (填晶体类型),判断的理由是
。
(2)比较黑磷晶体与白磷晶体(P4)的熔点和导电性:
。
答案(1)混合型晶体 黑磷中既含有共价键,又含有范德华力,同时还有金属晶体的特性
(2)黑磷熔点较高、能导电(半导体);白磷熔点低,不导电第2课时 过渡晶体与混合型晶体
课后·训练提升
1.下列物质形成的晶体最接近纯粹离子晶体的是( )。
A.NaCl B.KBr
C.CsF D.LiI
答案C
解析F和Cs的电负性相差最大,形成的化学键的离子键的百分数最高,形成的晶体最接近纯粹离子晶体。
2.下列事实能说明刚玉(Al2O3)偏向共价晶体的是( )。
①Al2O3是两性氧化物 ②硬度很大 ③它的熔点为2 054 ℃ ④几乎不溶于水 ⑤自然界中的刚玉有红宝石和蓝宝石
A.①②③ B.②③④
C.④⑤ D.②⑤
答案B
解析共价晶体一般熔点高、硬度大、难溶于水等。
3.氧化铝是一种高硬度的化合物,熔点为2 054 ℃,沸点为2 980 ℃,常用于制造耐火材料。氧化铝中化学键的离子键百分数为41%。下列有关氧化铝的说法错误的是 ( )。
A.氧化铝是介于离子晶体与共价晶体间的过渡晶体
B.在高温下可电解氧化铝制取金属铝,说明氧化铝具有离子晶体的性质
C.氧化铝中的化学键更偏向共价键,氧化铝晶体可当作共价晶体处理
D.氧化铝也可作为分子晶体存在
答案D
解析氧化铝熔点高、硬度大,没有小分子存在,不能作为分子晶体处理。
4.石墨晶体是层状结构(如图所示)。以下有关石墨晶体的说法中正确的有( )。
①石墨中存在两种作用力 ②石墨是混合型晶体 ③石墨中的C采用sp2杂化 ④石墨的熔点、沸点都比金刚石的低 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.3项 B.4项
C.5项 D.6项
答案B
解析①不正确,石墨中存在三种作用力,分别是范德华力、共价键和金属键;④不正确,石墨的熔点比金刚石的高;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。
5.黑磷晶体是一种比石墨烯更优秀的新型导电材料,其晶体结构是与石墨类似的层状结构,如图所示。下列有关黑磷晶体的说法正确的是( )。
A.黑磷晶体中层与层之间的作用力是氢键
B.黑磷晶体中磷原子均采用sp2杂化
C.黑磷与红磷、白磷互为同素异形体
D.黑磷晶体是分子晶体
答案C
解析黑磷晶体中层与层之间只存在分子间的作用力,是范德华力,故A项错误;由图可知,黑磷晶体中磷原子杂化方式为sp3杂化,故B项错误;黑磷、白磷、红磷都是磷元素组成的不同单质,互为同素异形体,故C项正确;黑磷晶体类似石墨,故是混合晶体,故D项错误。
6.硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体,受热易分解,层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图所示)。下列说法中不正确的是( )。
A.硼酸晶体属于分子晶体
B.硼酸分子的稳定性与氢键无关
C.1 mol H3BO3晶体中含有3 mol氢键
D.B原子的杂化轨道的类型为sp2,层间的H3BO3分子通过共价键相连
答案D
解析A项,硼酸为层状结构,层内的H3BO3分子通过氢键相连,受热易分解,所以硼酸晶体属于分子晶体。B项,分子的稳定性与分子内的B—O、H—O共价键有关,熔、沸点与氢键有关。C项,1个硼酸分子平均形成6×=3个氢键,则含有1 mol H3BO3的晶体中有3 mol氢键。D项,B只形成了3个单键,没有孤电子对,B上的价层电子对数为3,所以B采取sp2杂化,层间的H3BO3分子间的主要作用力是范德华力,若通过共价键相连,则形成共价键三维骨架结构,与层状结构不符。
7.氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相,与石墨相似,具有层状结构,可作高温润滑剂。立方相氮化硼是超硬材料,有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示。
下列关于这两种晶体的说法中正确的是( )。
A.立方相氮化硼含有σ键和π键,所以硬度大
B.六方相氮化硼层间作用力小,所以质地软
C.两种晶体中都既有极性键又有非极性键
D.两种晶体均为共价晶体
答案B
解析由晶体结构可知,立方相氮化硼具有共价键三维骨架结构,与金刚石类似;立方相氮化硼中只含有共价单键,所以该化合物中含有σ键,不存在π键,A项错误。六方相氮化硼具有层状结构,可作高温润滑剂,则熔点很高,能作润滑剂,则质地软,B项正确。两种晶体中均只有极性键,C项错误。六方相氮化硼中存在共价键和分子间作用力,与石墨类似,属于混合型晶体,D项错误。
8.碳元素的单质有多种形式,如图所示依次是C60、石墨和金刚石的结构模型。
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)C60属于 晶体,石墨属于 晶体。
(4)石墨晶体中,层内C—C的键长为142 pm,而金刚石中C—C的键长为154 pm。其原因是金刚石中只存在C—C间的 (填“σ”或“π”,下同)键,而石墨层内的C—C间存在 键。
答案(1)同素异形体
(2)sp3 sp2
(3)分子 混合型
(4)σ σ、π(或大π或p-p π)
解析(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管都是由同种元素形成的不同单质,它们互为同素异形体。(2)在金刚石中,每个碳原子都形成四个共价单键,碳原子的杂化方式为sp3;石墨烯中碳原子采用sp2杂化。(3)C60属于分子晶体;石墨层与层之间是范德华力,而同一层中碳原子之间是共价键,故形成的晶体为混合型晶体。(4)在金刚石晶体中,碳原子之间只形成共价单键,全部为σ键;在石墨层内的碳原子之间既有σ键又有π键。
