第32讲　晶体结构与性质

这是一份第32讲　晶体结构与性质，共60页。PPT课件主要包含了考点一，考点二，必备知识·梳理夯实，考点一晶体常识，周期性有序，不固定，各向异性，无各向异性，X－射线衍射，熔融态等内容，欢迎下载使用。

第32讲　晶体结构与性质
1．晶体(1)晶体与非晶体的比较
(2)获得晶体的三种途径。①________物质凝固。②______物质冷却不经液态直接______________。③溶质从溶液中______。[微点拨]　①具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如玻璃。②晶体与非晶体的本质区别是晶体有自范性，非晶体无自范性。
2．晶胞(1)定义：晶胞是描述晶体结构的__________。(2)晶体与晶胞的关系：数量巨大的晶胞“__________”构成晶体。①无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。②并置：所有晶胞都是__________、取向相同。
②非长方体晶胞中粒子视具体情况而定A．正三棱柱晶胞中：
[微点拨]　在使用均摊法计算晶胞中的微粒个数时，要注意晶胞的形状，不同形状的晶胞，应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有，如六棱柱晶胞中，顶点、侧棱、底面上的棱、面心的微粒依次被6、3、4、2个晶胞所共有。
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)晶胞是晶体中的最小的“平行六面体”。(　　)(2)晶体与非晶体的本质区别：是否有自范性(　　)(3)晶体的熔点一定比非晶体的熔点高。(　　)[提示]　非晶体没有固定的熔点，不能比较熔点的高低。
(4)具有规则几何外形的固体一定是晶体。(　　)[提示]　晶体具有以下特点：有整齐规则的几何外形，有固定的熔点、有各向异性，只有同时具备这三个条件的才是晶体，非晶体也可以有规则几何外形。(5)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体块。(　　)[提示]　溶质从溶液中析出，可形成晶体。(6)通过X－射线衍射实验的方法可以区分晶体和非晶体。(　　)[提示]　X－射线衍射实验是区分晶体和非晶体最可靠的科学方法。
(7)粉末状的物质不是晶体，具有各向异性的固体一定是晶体。(　　)[提示]　晶体与非晶体的根本区别在于内部粒子排列是否有序，具有各向异性的固体一定是晶体。(8)晶体和非晶体的本质区别是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列。(　　)(9)晶体内部的微粒按一定规律进行周期性排列。(　　)(10)立方晶胞中，顶点上的原子被4个晶胞共用。(　　)
2．深度思考：某离子晶体的晶胞结构如图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心。(1)晶体中每个Y同时吸引着___个X，每个X同时吸引着___个Y，该晶体的化学式为__________。(2)晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有____个。(3)晶体中距离最近的两个X与一个Y形成的夹角∠XYX为___________(填角的度数)。
微考点1　晶体的性质 (1)关于晶体的下列说法中正确的是(　　)A．溶质从溶液中析出是得到晶体的三条途径之一B．区别晶体和非晶体最好的方法是观察是否有规则的几何外形C．水晶在不同方向上的硬度、导热性、导电性相同D．只有无色透明的固体才是晶体
[解析]　获得晶体的方法有熔融态物质凝固、气态物质凝华、溶质从溶液中结晶析出，因此溶质从溶液中析出是得到晶体的三条途径之一，故A项正确；区别晶体和非晶体最好的方法是对固体进行X－射线衍射实验，而不是通过观察是否有规则的几何外形，故B项错误；水晶是晶体SiO2，其性质的各向异性表现在物理性质如在不同方向上的硬度、导热性、导电性不相同，故C项错误；晶体不一定是无色透明的，如石墨是黑色的、不透明；无色透明的也不一定是晶体，如玻璃属于玻璃态物质，故D项错误。
(2)如图是物质的微观结构示意图，请认真观察两图，判断下列说法正确的是(　　)A．两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体B．Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性C．Ⅱ形成的固体一定有固定的熔点D．二者的X－射线衍射图谱是相同的
[解析]　由微观结构示意图可知Ⅰ为晶体，Ⅱ为非晶体，晶体具有规则的几何外形、各向异性和固定的熔点，用X－射线衍射实验测定时，晶体内部的微粒在空间呈现有规则的重复排列，非晶体则没有这些性质。
〔对点集训1〕　(1)下列关于晶体与非晶体的说法正确的是(　　)A．晶体一定比非晶体的熔点高B．晶体有自范性但排列无序C．固体SiO2一定是晶体D．非晶体无自范性而且排列无序[解析]　晶体有固定的熔点，非晶体没有固定熔点，A错误；晶体有自范性，且其结构排列有序，B错误；SiO2其存在形态有结晶形和无定形两大类，即SiO2也有非晶体，C错误；非晶体无自范性，而且其结构排列无序，D正确。
(2)下列说法不正确的是(　　)A．液晶态介于晶体状态和液态之间，液晶具有一定程度的晶体的有序性和液体的流动性B．常压下，0 ℃时冰的密度比水的密度小，水在4 ℃时密度最大，这些都与分子间的氢键有关C．金属易导电、易导热、有延展性、易锈蚀均能用金属的电子气理论解释D．石墨晶体中既有共价键，又有金属键还有范德华力，是一种混合晶体
[解析]　液晶态是指介于晶体和液体之间的物质状态，像液体具有流动性，像固体具有晶体的有序性，A正确；冰中存在氢键，具有方向性和饱和性，其体积变大，则相同质量时冰的密度比液态水的密度小，B正确；金属易锈蚀与金属晶体结构无关、与化学性质有关，金属的化学性质比较活泼，容易被空气中的氧气所氧化，故金属易腐蚀不能用金属的电子气理论解释，故C错误；石墨的结构中，碳原子与碳原子以共价键相连接，形成平面网状结构，层与层之间存在范德华力，而在空间中，相邻两层网状结构的间隙中有少量自由移动的电子，连接的化学键性质介于金属键和共价键之间，所以石墨具有金属的部分性质，所以石墨晶体中既有共价键，又有金属键还有范德华力，是一种混合晶体，D正确。
晶体与非晶体的几点理解 同一物质可以是晶体，也可以是非晶体，如晶体SiO2和非晶体SiO2。 有着规则几何外形或者美观、对称外形的固体，不一定是晶体。例如，玻璃制品可以塑造出规则的几何外形，也可以具有美观对称的外观。 具有固定组成的物质也不一定是晶体，如某些无定形体也有固定的组成。 晶体不一定都有规则的几何外形，如玛瑙。
微考点2　晶胞中粒子数及其晶体化学式的判断 (1)如图为5种晶体的晶胞，回答下列问题。
①甲晶体化学式(X为阳离子)为_____。②乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是_________。③丙晶体中每个D周围结合E的个数是___。④丁晶体中M原子的外围电子排布式为3s23p5，该晶体的化学式为______。⑤戊晶体的化学式为______。
(2)(2022·浙江衢州模拟)F、K和Ni三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。
①该化合物的化学式为________；Ni的配位数为___。②列式计算该晶体的密度：_________________________________________。
〔对点集训2〕　材料是人类赖以生存和发展的物质基础，材料创新已成为人类文明进步的重要标志之一。试回答以下问题：
(1)(2019·江苏卷)Cu2O广泛应用于太阳能电池领域。一个Cu2O晶胞(见图1)中，Cu原子的数目为___。(2)(2020·全国Ⅰ卷)磷酸铁锂常用作锂离子电池的正极材料，LiFePO4的晶胞结构示意图如图2(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有___个。
(3)(2017·江苏卷)铁氮化合物(FexNy)在磁记录材料领域有着广泛的应用前景。某FexNy的晶胞如图3所示，Cu可以完全替代该晶体中a位置Fe或者b位置Fe，形成Cu替代型产物Fe(x－n)CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如图4所示，其中更稳定的Cu替代型产物的化学式为________。(4)图5是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为_______。
晶体结构的相关计算 晶胞计算公式(立方晶胞)。a3ρNA＝nM(a为棱长；ρ为密度；NA为阿伏加德罗常数的数值；n为1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量；M为该粒子或特定组合的摩尔质量)。
1．四种晶体类型的比较
考点二　晶体的类型、组成和性质
2．常见典型晶体结构模型
3.混合型晶体——石墨晶体是一种典型的混合晶体。(1)石墨不同于金刚石，它的碳原子采取_____杂化，形成______________结构。(2)石墨晶体是______结构，层与层间没有化学键相连，是靠__________维系的。4．晶体熔、沸点的比较(1)不同类型晶体熔、沸点的比较：①不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：__________>__________>__________。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)同种晶体类型熔、沸点的比较：①原子晶体。原子半径越____→键长越____→键能越____→熔、沸点越____。如熔点：金刚石____碳化硅____硅。②离子晶体。A．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____，其离子晶体的熔、沸点就越____，如熔点：MgO____NaCl____CsCl。B．衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。晶格能越大，形成的离子晶体越______，熔沸点越____，硬度越____。
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____，如H2O____H2Te____H2Se____H2S。B．组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越____，熔、沸点越高，如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CO>N2。D．同分异构体支链越多，熔、沸点越低。如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
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(1)原子晶体中一定含有共价键，而分子晶体中不一定有共价键，如稀有气体的晶体中无共价键。(2)原子晶体熔化时破坏共价键，分子晶体熔化时破坏的是分子间作用力，分子内的共价键不被破坏。(3)原子晶体的熔点不一定比离子晶体高，如石英的熔点为1 710 ℃，MgO的熔点为2 852 ℃。
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)某晶体的熔点为112.8 ℃，溶于CS2、CCl4等溶剂，可推出该晶体可能为分子晶体。(　　)[提示]　根据所给性质：熔点低、相似相溶判断为分子晶体。(2)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。(　　)[提示]　晶体中有阳离子不一定有阴离子，比如金属晶体，只要有阴离子一定有阳离子。
(3)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高。(　　)[提示]　有些金属晶体熔点很高，如钨，熔点达到几千度。(4)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。(　　)[提示]　分子晶体硫、碘等的熔点比金属晶体汞的熔点高。(5)碳有三种同素异形体：金刚石、石墨和C60，其熔点由高到低的顺序为C60>金刚石>石墨。(　　)[提示]　石墨的熔点高于金刚石，金刚石的熔点又比C60的熔点高很多。
(6)金属钠形成的晶体中，每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有8个。(　　)[提示]　钠原子为体心立方堆积，配位数为8。(7)金属镁形成的晶体中，每个镁原子周围与其距离最近的原子有6个。(　　)[提示]　金属镁为六方最密堆积，配位数为12。(8)在NaCl晶体中，每个Na＋周围与其距离最近的Na＋有12个，Na＋周围最近的Cl－构成一个正八面体。(　　)[提示]　Na＋周围最近的6个Cl－构成正八面体。
2．深度思考：(1)下面有关晶体的叙述中，不正确的是(　　)A．金刚石网状结构中，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子B．氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等且紧邻的Na＋共有6个C．氯化铯晶体中，每个Cs＋周围等距离且紧邻8个Cl－D．干冰晶体中，每个CO2分子周围等距离且紧邻12个CO2分子
(2)下列是几种常见的晶胞结构，填写晶胞中含有的粒子数。
A．NaCl(含___个Na＋，___个Cl－)B．干冰(含___个CO2)C．CaF2(含___个Ca2＋，___个F－)D．金刚石(含___个C)E．体心立方(含___个原子)F．面心立方(含___个原子)
(3)在下列物质中：NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、(NH4)2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石。①其中只含有离子键的离子晶体是____________。②其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是_________________。③其中既含有离子键又含有极性共价键和配位键的离子晶体是___________。④其中既含有离子键又含有非极性共价键的离子晶体是_______。⑤其中含有极性共价键的原子晶体是___________。⑥其中属于分子晶体的是_______________________。
NaOH、(NH4)2S　
H2O2、CO2、CCl4、C2H2　
[提示]　SiO2晶体可看作硅晶体中Si—Si之间插入O原子形成的，共插入六个O原子，则二氧化硅晶体中最小环上有6个硅原子和6个氧原子，共12个原子；并形成以硅原子为中心、氧原子(或硅原子)为顶点的正四面体结构；共价晶体中只存在共价键，且Si—O键为极性键。
(5)CO2和SiO2在物理性质上有较大差异，而在化学性质上却有较多相似，你知道原因吗？[提示]　物理性质有较大差异是因为晶体类型不同，SiO2是原子晶体，CO2(固态)是分子晶体；化学性质相似是因为SiO2和CO2均是酸性氧化物。
微考点1　晶体类型的判断 X和Y两种元素的核电荷数之和为22，X原子的核外电子数比Y的少6个。下列说法中不正确的是(　　)A．X的单质固态时为分子晶体B．Y的单质为原子晶体C．X与Y形成的化合物固态时为分子晶体D．X与碳形成的化合物固态时为分子晶体
[解析]　由题意可知，X是O，Y是Si。固态O2及O与碳形成的化合物(CO、CO2)均为分子晶体，Si的单质为原子晶体，A、B、D正确；SiO2为原子晶体，C错误。
(2)分析下列物质的物理性质，判断其晶体类型。①碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电：__________。②溴化铝，无色晶体，熔点98 ℃，熔融态不导电：__________。③五氟化矾，无色晶体，熔点19.5 ℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮等：__________。④溴化钾，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导电：__________。⑤SiI4：熔点120.5 ℃，沸点287.4 ℃，易水解：__________。⑥硼：熔点2 300 ℃，沸点2 550 ℃，硬度大：__________。⑦硒：熔点217 ℃，沸点685 ℃，溶于氯仿：__________。⑧锑：熔点630.74 ℃，沸点1 750 ℃，固体可导电：__________。
[解析]　晶体的熔点高低、熔融态能否导电及溶解性等性质相结合是判断晶体类型的重要依据。原子晶体和离子晶体的熔点都很高或较高，两者最大的差异是熔融态的导电性不同。原子晶体熔融态一般不导电，离子晶体熔融时或其水溶液都能导电。原子晶体和分子晶体的区别则主要在于熔、沸点有很大差异。一般原子晶体和分子晶体熔融态时都不能导电。另外易溶于一些有机溶剂往往也是分子晶体的特征之一。金属晶体能导电。
判断晶体类型的方法 主要是根据各类晶体的特征性质判断。熔、沸点低的物质为分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的物质为离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质为原子晶体；能导电、传热，具有延展性的晶体为金属晶体。
根据物质的类别判断。活泼金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)、气态氢化物、大多数非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体。常见的原子晶体中，单质有金刚石、晶体硅、晶体硼、锗(Ge)和灰锡(Sn)等，化合物有碳化硅、二氧化硅等。大多数金属单质与合金是金属晶体。
[解析]　A项，同属于原子晶体，熔、沸点高低主要看共价键的强弱，显然熔沸点晶体硅<碳化硅<二氧化硅，错误；B项，形成分子间氢键的物质的熔、沸点要大于形成分子内氢键的物质的熔、沸点，正确；C选项，对于不同类型晶体，其熔、沸点高低一般为原子晶体>离子晶体>分子晶体，MgO>H2O>Br2>O2，错误；D项，生铁为铁合金，熔点要低于纯铁，错误。
〔对点集训2〕　 (2022·河南六市第一次联考)第ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题：
(1)碳的一种单质的结构如图(a)所示。该单质的晶体类型为____________，依据电子云的重叠方式，原子间存在的共价键类型有__________，碳原子的杂化轨道类型为_____。
(2)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单质碳原子组成的二维晶体。将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。下列判断错误的是___(填字母)。A．石墨烯是一种强度很高的材料B．石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体C．石墨烯与石墨烷均为高分子化合物D．石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应
(3)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次______(填“升高”或“降低”)，其原因是_____________________________________________ _______________________________________。(4)SiO2比CO2熔点高的原因是__________________________ _____。
三种物质均为分子晶体，结构与组成相似，相对分子　
质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高　
SiO2为原子晶体而CO2为分子　
(5)四卤化硅(SiX4)的沸点和二卤化铅(PbX2)的熔点如图(b)所示。
①SiX4的沸点按照F、Cl、Br、I次序升高的原因是_________________ _______________________________。②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律可推断，按照F、Cl、Br、I次序，PbX2中化学键的离子性______(填“增强”“不变”或“减弱”，下同)，共价性______。
范德华力随相对分子质量增大而增大　
[解析]　(2)石墨烯单层原子间以共价键相结合，强度很高，A正确；石墨烯层与层之间有自由移动的电子，是电的良导体，而石墨烷中没有自由移动的电子，为绝缘体，B正确；石墨烯只含碳一种元素，为碳的单质，C错误；石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应，D正确。(5)①四卤化硅为分子晶体，沸点与相对分子质量有关，相对分子质量越大，沸点越高。F、Cl、Br、I的相对分子质量逐渐增大，则SiX4的沸点按照F、Cl、Br、I次序升高。②按F、Cl、Br、I的顺序，PbX2的熔点先降低后升高，其中PbF2为离子晶体，PbBr2、PbI2为分子晶体，所以按照F、Cl、Br、I次序，PbX2中化学键的离子性减弱、共价性增强。
微考点3　常见的晶体结构 (2022·山东宁津模拟)有关晶体的结构如图所示，下列说法中不正确的是(　　)A．在NaCl晶体中，距Na＋最近的Cl－有6个B．在CaF2晶体中，每个晶胞平均占有4个Ca2＋C．在金刚石晶体中，最小的环上有6个C原子D．该气态团簇分子的分子式为EF或FE
〔对点集训3〕　(2022·宁夏利通模拟)下列各图为几种晶体或晶胞的构型示意图。
请回答下列问题：(本题前两空用示意图下的序号填空)(1)这些晶体中，粒子之间以共价键结合形成的晶体是____。(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)NaCl晶胞与MgO晶胞相同，NaCl晶体的晶格能______(填“大于”或“小于”)MgO晶体的晶格能，原因是______________________ _____________________________________________________________________________________________________。
在MgO、NaCl晶体中，　
离子半径：r(Mg2＋)数大于NaCl晶体中离子电荷数　
(4)每个Cu晶胞中实际占有___个Cu原子，CaCl2晶体中Ca2＋的配位数为___。(5)冰的熔点远高于干冰的重要原因是_____________________。[解析]　(1)冰、干冰晶体属于分子晶体，构成微粒属于分子，分子之间以分子间作用力结合，不符合题意；金刚石属于原子晶体，原子之间以共价键结合，符合题意；Cu属于金属晶体，金属阳离子与自由电子之间以金属键结合，不符合题意；MgO、CaCl2属于离子晶体，离子之间以离子键结合，不符合题意；故这些晶体中，粒子之间以共价键结合形成的晶体是②金刚石晶体。
H2O分子之间存在氢键　
(2)一般情况下，微粒的作用力：原子晶体>离子晶体>分子晶体。在上述物质中，金刚石属于原子晶体，熔沸点最高；MgO、CaCl2属于离子晶体，熔沸点比金刚石的低，由于离子半径Mg2＋比Ca2＋的小，O2－比Cl－的小，离子半径越小，离子键越强，断键消耗的能量就越大，物质的熔点就越高，所以熔点：MgO>CaCl2；冰、干冰都属于分子晶体，分子之间以分子间作用力结合，由于H2O分子之间存在氢键，CO2分子之间只存在分子间作用力，所以熔点冰>干冰，故上述五种物质中熔点由高到低的顺序为金刚石>MgO>CaCl2>冰>干冰，即②>④>⑤>①>⑥。
(2)构成原子晶体的微粒是原子，其相互作用力是共价键。原子晶体中不存在单个分子，化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比的关系，不是分子式。(3)金属键无方向性和饱和性，通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体，叫做金属晶体。(4)离子晶体是阴、阳离子通过离子键结合而形成的晶体。4．判断熔点高低的一般规律原子晶体>离子晶体>分子晶体
6．晶体计算的四种方式(1)计算晶胞中所含有的微粒个数。(2)能写出晶胞中某些粒子的坐标点。(3)计算出晶胞中某些特殊点之间的距离。(4)计算出晶胞的密度。