【化学up】高考化学全国版+ 结构与性质 03 考点六 常见晶体类型（教师版）+讲义

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【知识清单】
一、金属晶体
1、三维堆积方式
2、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”，被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起。
3、金属通性（用电子气理论解释）
思考1：为什么合金的硬度比纯金属大？
解析：纯金属内原子排列十分规整，当向金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子，合金原子层之间相对滑动变得困难。
思考2：为什么加热后金属电阻变大？
解析：加热后金属原子热运动加快，对自由电子的移动造成阻碍，故电阻变大。
二、离子晶体
常见晶体类型
例、如图是从NaCl或CsCl晶体结构图中分割出来的部分结构图，其中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图是( )
A．图①和图③ B．图②和图③
C．图①和图④ D．只有图④
【答案】 C
三、分子晶体
1、分子常见堆积方式
2、常见分子晶体结构分析
例、C60晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是( )
A、该晶体熔化时需克服共价键 B、晶体中1个C60分子有12个紧邻的C60分子，属于分子密堆积类型
C、1个晶胞中含有8个C60分子 D、晶体中C60分子间以范德华力结合，故C60分子的热稳定性较差
【答案】 B
四、共价晶体
（1）金刚石

①碳原子采取sp3杂化，键角为109°28′。每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构，碳的配位数为4。
②金刚石晶胞的每个顶点和面心均有1个C原子，晶胞内部有4个C原子，内部的C在晶胞的体对角线的eq \f(1,4)处，每个金刚石晶胞中含有8个C原子。
③最小碳环由6个碳原子组成，每个碳原子被12个六元环共用。六元环中最多有4个碳原子在同一平面。晶体中每个碳原子数目与C-C数目之比为1:2。
（2）二氧化硅晶体。
二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见的是低温石英(α­SiO2)。低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。
①Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。
②每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2，硅的配位数4，氧的配位数2。
③最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子。
③1 ml SiO2晶体中含Si—O数目为4NA。
④SiO2晶胞中有8个Si原子位于立方晶胞的顶点，有6个Si原子位于立方晶胞的面心，还有4个Si原子与16个O原子在晶胞内构成4个硅氧四面体。每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子。
（3）碳化硅晶体
①碳、硅原子都采取sp3杂化，Si—C—Si键角为109°28′。
②每个硅(碳)原子与周围紧邻的4个碳(硅)原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。硅或碳的配位数为4。
③最小碳环由6个原子组成且不在同一平面内，其中包括3个C原子和3个Si原子。
④每个SiC晶胞中含有4个C原子和4个Si原子。
例、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。（C:12，Si:28，N:14，B:11）
请回答下列问题：
(1)碳化硅晶体中，硅原子杂化类型为________，每个硅原子周围与其距离最近的碳原子有________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为阿加德罗常数)。
【答案】（1）4 4 160a3b（2）4 sp3 100a3 NA
五、过渡晶体与混合型晶体
1、概念
①过渡晶体：纯粹的分子晶体、共价晶体、离子晶体和金属晶体四种典型晶体是不多的，大多数晶体是它们之间的过渡晶体。人们通常把偏向离子晶体的过渡晶体当作离子晶体来处理，把偏向共价晶体的过渡晶体当作共价晶体来处理。
②混合型晶体：像石墨，既有共价键又有范德华力，同时存在类似金属键的作用力，兼具有共价晶体、分子晶体、金属晶体的特征的晶体。
2、典型混合型晶体结构分析——石墨晶体
①石墨晶体是层状结构，层与层之间是以范德华力相结合，同层内碳原子之间以共价键结合成平面网状。层内碳原子核间距为142pm，层间距为335pm。
②每一层碳原子排列成正六边形，则每个碳原子采用sp2杂化，形成正六边形。
③所有p轨道相互平行且相互重叠，形成离域大π键，使p轨道中的电子可在事个碳原子平面中运动，而电子不能从一个平面跳跃到另一个平面，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向。
④石墨晶体中每个正六边形含有的C原子数为2，含有的C－C键数为3。
例、氮化硼(BN)晶体有多种结构。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。
（1）关于这两种晶体的说法，正确的是 （填序号）。
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B-N键均为共价键
D．两种晶体均为分子晶体
（2）六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为 ，其结构与石墨相似却不导电，原因是 。
（3）立方相氮化硼晶体，硼原子的杂化轨道类型为 。该晶体的天然矿物在青藏高原地下约300 km在古地壳中被发现。根据这一矿物形成事实，推断实验室由六方相氮化硼合成立方相氮化硼需要的条件应是 。
（4）NH4BF4（氟硼酸铵）是合成氮化硼纳米管的原料之一。1 mlNH4BF4含有 ml配位键。
【答案】（1）BC （2）平面三角形 层状结构中没有自由移动的电子 （3）sp3 高温高压 （4）2
【概念辨析】
1、分子晶体不导电，溶于水后也都不导电( )
2、第三周期主族元素从左到右，最高价氧化物中离子键的百分数逐渐增大( )
3、大多数晶体是过渡晶体( )
4、共价晶体的熔点一定比离子晶体的高( )
5、金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子( )
6、金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光( )
7、过渡晶体是指某些物质的晶体通过改变条件，转化为另一种晶体( )
8、Na2O是纯粹的离子晶体，SiO2纯粹的共价晶体( )
9、自由电子属于整块金属（ ）
10、金属的物理性质和金属固体的形成都与金属键有关（ ）
11、有阳离子的晶体一定有阴离子（ ）
12、金属晶体与共价晶体一样，是一种“巨分子”（ ）
13、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（ ）
14、温度越高，自由电子的运动速率越快，金属的导电性越强（ ）
15、金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是金属原子的价电子数少（ ）
16、金属一般具有金属光泽，是物理性质，与金属键无关（ ）
17、晶格能由大到小：NaF＜NaCl＜NaBr＜NaI（ ）
18、晶格能是气态离子形成1 ml离子晶体吸收的能量（ ）
19、固态和熔融时易导电，熔点在1 000 ℃左右的晶体可能是金属晶体（ ）
20、因金属性K>Na，故金属钾的熔点高于金属钠（ ）
21、金属（除汞外）在常温下都是晶体，称其为金属晶体（ ）
22、高硬度、高熔点是许多有共价键三维骨架结构的共价晶体的特性（ ）
23、具有共价键的晶体叫共价晶体（ ）
24、物质经受锤击的性质属于延展性（ ）
【答案】 1.× 2.× 3.√ 4.× 5.× 6.× 7.× 8.× 9.√ 10.√ 11.× 12.√ 13.√ 14.× 15.× 16.× 17.× 18.× 19.√ 20.× 21.√ 22.× 23.× 24.√
【跟踪练习】
1、（2023·北京卷）中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键B．三种物质中的碳原子都是杂化
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】A．原子间优先形成键，三种物质中均存在键，A项正确；
B．金刚石中所有碳原子均采用杂化，石墨中所有碳原子均采用杂化，石墨炔中苯环上的碳原子采用杂化，碳碳三键上的碳原子采用杂化，B项错误；
C．金刚石为共价晶体，石墨炔为分子晶体，石墨为混合晶体，C项错误；
D．金刚石中没有自由移动电子，不能导电，D项错误。
2、(2021·辽宁1月适应性测试，6)我国科学家合成了富集11B的非碳导热材料立方氮化硼晶体，晶胞结构如图。下列说法正确的是( )
A．11BN和10BN的性质无差异 B．该晶体具有良好的导电性
C．该晶胞中含有14个B原子，4个N原子 D．N原子周围等距且最近的N原子数为12
【答案】 D
【解析】 11B和10B互为同位素，形成的化合物在化学性质上无差异，但其物理性质不同，A错误；该晶体结构中无自由移动的电子，不具有导电性，B错误；由图可知，该晶胞含4个N原子，B原子位于晶胞的顶角和面心，故B原子的数量为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，C错误；由晶胞示意图，1个N原子与4个B原子成键，1个B原子可以和3个N原子成键，这些N原子距中心N原子等距离且最近，总数为12，D正确。
3、(2021·辽宁，7)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料，其晶胞如图。下列说法错误的是( )
A．S位于元素周期表p区 B．该物质的化学式为H3S
C．S位于H构成的八面体空隙中 D．该晶体属于分子晶体
【答案】 D
【解析】S位于H构成的八面体空隙中，如图，C正确。该晶体为新型超导材料，说明由阴阳离子构成，是离子晶体，D错误。
4、钒的某种氧化物的立方晶胞结构如图所示，晶胞参数为a pm。下列说法错误的是( ) （V:51 O:16）
A．该钒的氧化物的化学式为VO2 B．V原子在该晶体中的堆积方式为体心立方
C．V原子的配位数与O原子的配位数之比为1∶2 D．该晶胞的密度为eq \f(2×51＋16×2,a×10－103×6.02×1023) g·cm－3
【答案】 C
【解析】 晶胞中V原子位于顶角和体心，数目为1＋8×eq \f(1,8)＝2；O原子位于上下面上和体内，数目为2＋4×eq \f(1,2)＝4，二者原子数目之比为1∶2，故氧化物的化学式为VO2，故A正确；晶胞V原子位于顶角和体心，符合体心立方的堆积方式，故B正确；体心V原子的配位数为6，O原子的配位数为3，所以V原子的配位数与O原子的配位数之比为2∶1，故C错误；m＝eq \f(2×51＋4×16,NA) g，V＝a3 pm3＝(a×10－10)3cm3，ρ＝eq \f(m,V)＝eq \f(2×51＋16×2,a×10－103×6.02×1023) g·cm－3，故D正确。
5、金刚石和石墨是碳元素形成的两种单质，下列说法正确的是( )
A．金刚石和石墨晶体中最小的环均含有6个碳原子
B．在金刚石中每个C原子连接4个六元环，石墨中每个C原子连接3个六元环
C．金刚石与石墨中碳原子的杂化方式均为sp2
D．金刚石中碳原子数与C—C数之比为1∶4，而石墨中碳原子数与C—C数之比为1∶3
【答案】 A
【解析】 金刚石中每个C原子连接12个六元环，石墨中每个C原子连接3个六元环，B项错误；金刚石中碳原子采取sp3杂化，而石墨中碳原子采取sp2杂化，C项错误；金刚石中每个碳原子与周围其他4个碳原子形成共价键，而每个共价键为2个碳原子所共有，则每个碳原子平均形成的共价键数为4×eq \f(1,2)＝2，故碳原子数与C—C数之比为1∶2；石墨晶体中每个碳原子与周围其他3个碳原子形成共价键，同样可求得每个碳原子平均形成的共价键数为3×eq \f(1,2)＝1.5，故碳原子数与C—C数之比为2∶3，D项错误。
6、如图是金属晶体内部的电子气理论示意图。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，金属中各原子层间会出现相对滑动，但自由电子可以起到润滑剂的作用，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
【答案】 C
【解析】 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错误；自由电子在热的作用下与金属阳离子发生碰撞，实现热的传导，B错误；在外力的作用下，金属中各原子层间会出现相对滑动，而自由电子与金属阳离子之间的电性作用仍然存在，使得金属不会断裂，C正确；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错误。
7、碳化硅(SiC)晶体具有多种结构，其中一种晶体的晶胞(如图所示)与金刚石的类似。下列判断正确的是( )
A．该晶体属于分子晶体 B．该晶体中存在极性键和非极性键
C．该晶体中Si的化合价为－4 D．该晶体中C的杂化类型为sp3
【答案】 D
【解析】 与金刚石类似，该晶体属于共价晶体，A错误；根据该晶体的晶胞结构图可知，该晶体只存在Si—C极性共价键，B错误；Si—C中，C的电负性更强，共用电子对偏向C原子，所以Si的化合价为＋4，C错误；每个C原子与4个Si原子形成4个σ键，C原子没有孤电子对，所以C的杂化类型为sp3，D正确。
8、有关晶体的结构如图所示，下列说法不正确的是( )
A．在NaCl晶体中，距Cl－最近的Na＋形成正八面体 B．在CaF2晶体中，每个晶胞平均含有4个Ca2＋
C．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体结构 D．该气态团簇分子的分子式为EF
【答案】 D
【解析】 氟化钙晶胞中，Ca2＋位于顶点和面心，数目为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，故B正确；气态团簇分子不同于晶胞，气态团簇分子中含有4个E原子、4个F原子，则分子式为E4F4或F4E4，故D错误。
9、铁有δ、γ、α三种晶体结构，以下依次是δ、γ、α三种晶体的晶胞在不同温度下转化的示意图。下列有关说法不正确的是( )
A．每个δ-Fe晶体中有2个铁原子 B．γ-Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有12个
C．每个γ-Fe晶胞中含有14个铁原子
D．将铁加热到1 500 ℃分别急速冷却和缓慢冷却，得到的晶体类型不相同
【答案】 C
【解析】 根据切割法，一个δ-Fe晶胞中含有铁原子个数为eq \f(1,8)×8＋1＝2，A正确；γ-Fe位于顶角的Fe原子，被晶胞的三个平面共有，每个平面上有四个铁原子与顶角处铁原子距离最短，则共有3×4＝12个，B正确；根据切割法，一个γ-Fe晶胞含有铁原子个数为eq \f(1,8)×8＋eq \f(1,2)×6＝4，C错误；依据得到晶体的条件可知，在急速冷却时(立即降温到912 ℃)得到α-Fe，缓慢冷却时(缓慢冷却到1 394 ℃)得到γ-Fe，两种晶体类型不同，D正确。
10、钡在氧气中燃烧时得到一种钡的氧化物晶体，其结构如图所示，下列有关说法正确的是( )
A．该晶体属于分子晶体 B．晶体的化学式为Ba2O2
C．该晶体晶胞结构与CsCl相似 D．与Ba2＋距离相等且最近的Ba2＋共有12个
【答案】 D
【解析】 该晶胞是由金属阳离子钡离子和阴离子过氧根离子构成的，属于离子晶体，A错误；该晶胞中Ba2＋个数为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，Oeq \\al(2－,2)个数为1＋12×eq \f(1,4)＝4，则钡离子和过氧根离子个数之比为1∶1，其化学式为BaO2，B错误；该晶胞中钡离子配位数是6，过氧根离子配位数是6，氯化铯晶体中离子配位数是8，C错误。
11、石英晶体的平面示意图如图，它实际上是立体的网状结构(可以看作是晶体硅中的每个Si—Si中插入一个O)，其中硅、氧原子数比是m∶n，下列有关叙述正确的是( )
A．m∶n＝2∶1 B．6 g该晶体中含有0.1NA个分子
C．原硅酸根离子(SiOeq \\al(4－,4))的结构为，则二聚原硅酸根离子Si2Oeq \\al(6－,x)中的x＝7
D．石英晶体中由硅、氧原子构成的最小的环上含有的Si、O原子个数和为8
【答案】 C
【解析】 每个Si原子占有O原子个数为4×eq \f(1,2)＝2；该晶体是共价晶体，不存在分子；原硅酸(H4SiO4)的结构可表示为，两个原硅酸分子可发生分子间脱水生成二聚原硅酸：，二聚原硅酸电离出6个H＋后，形成带6个负电荷的二聚原硅酸根离子；在SiO2晶体中，由Si、O构成的最小单元环中共有12个原子。
12、如图是其晶胞结构模型，下列说法正确的是( )
A．基态钙原子核外有2个未成对电子 B．CaTiO3晶体中与每个Ti4＋最邻近的O2－有12个
C．分子晶体中都存在共价键 D．金属晶体的熔点都比分子晶体的熔点高
【答案】 B
【解析】 基态钙原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s2，均为成对电子，故A错误；由该晶胞可知，每个Ti4＋最邻近的O2－有12个，故B正确；分子晶体中不一定都存在共价键，如稀有气体为单原子分子，其分子晶体中只有分子间作用力，故C错误。
13、CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如图所示)，但CaC2晶体中由于哑铃形的Ceq \\al(2－,2)存在，使晶胞沿一个方向拉长。下列关于CaC2晶体的说法正确的是( )
A．1个Ca2＋周围距离最近且等距离的Ceq \\al(2－,2)数目为6 B．1个CaC2晶体的晶胞平均含有1个Ca2＋和1个Ceq \\al(2－,2)
C．6.4 g CaC2晶体中含阴离子0.1 ml D．与每个Ca2＋距离相等且最近的Ca2＋共有12个
【答案】 C
【解析】 A项，依据晶胞示意图可以看出，晶胞的一个平面的长与宽不相等，再由图中体心可知，1个Ca2＋周围距离最近且相等的Ceq \\al(2－,2)有4个，错误；C项，6.4 g CaC2为0.1 ml，则含阴离子0.1 ml，正确；D项，与每个Ca2＋距离相等且最近的Ca2＋有4个，错误。
14、将石墨置于熔融的钾或气态钾中，石墨吸收钾形成名称为钾石墨的物质，其组成可以是C8K、C12K、C24K、C36K、C48K、C60K等。下列分析正确的是( )
A．题干中所列举的6种钾石墨属于有机高分子
B．钾石墨中碳原子的杂化方式是sp3杂化
C．若某钾石墨的原子分布如图所示，则它所表示的是C12K
D．最近两个K原子之间距离为石墨中C—C键长的2eq \r(3)倍
【答案】D
【解析】题干中列举的6种物质是石墨吸收钾形成的，不属于有机物，而是无机化合物，A项错误；钾石墨是石墨吸收钾形成的化合物，其中的碳原子形成了键角约为120°的三条共价键，因此采用的是sp2杂化，B项错误；由该种钾石墨的结构可知，可选择图中虚线框选的部分作为该钾石墨的晶胞，碳原子位于晶胞的内部共有8个，钾原子位于晶胞的4个顶点上，因此均摊法计算该钾石墨的化学式为C8K，C项错误；由该种钾石墨的结构可知，钾原子排列在每个六边形单元格中心位置，并且间隔1个六边形单元格填充，因此钾原子之间的最短距离等于相邻的2个六边形单元格中心连线的长度的2倍，即C—C键长的2eq \r(3)倍，D项正确。堆积模型
简单立方堆积
体心立方堆积
六方最密堆积
面心立方最密堆积
晶胞
配位数
6
8
12
12
原子半径(r)和晶胞边长(a)的关系
2r=a
4r＝eq \r(3)a
4r＝eq \r(2)a
一个晶胞内原子数目
1
2
2
4
常见金属
P
Na、K、Fe
Mg、Zn、Ti
Cu、Ag、Au
空间利用率
52.36%
68.05%
74.05%
74.05%
通性
解释
导电性
通常情况下金属晶体内部电子的运动是自由的，但在外加电场的作用下会定向移动形成电流。
导热性
金属受热时，自由电子与金属离子（金属原子）的碰撞频率增加，自由电子把能量传给金属离子（或金属原子）从而把能量从温度高的区域传到温度低得区域。
延展性
由于金属键没有方向性，在外力作用下，金属原子之间发生相对滑动以后，各层金属原子仍可保持这种相互作用，发生形变也不易断裂。
有金属光泽
当光线投射到金属表面时，自由电子吸收可见光，然后又把各种波长的光大部分再反射出来，使绝大多数金属呈现银灰色或银白色光泽。而金属在粉末状态时，金属原子的取向杂乱，排列不规则，吸收可见光后不能再反射出来，所以金属粉末常呈暗灰色或黑色。
晶体类型
晶胞模型
考点
NaCl晶胞
①在晶体中，每个Na＋同时吸引6个Cl－，每个Cl－同时吸引6个Na＋，配位数为6。
②每个晶胞含4个Na＋和4个Cl－。
CsCl晶胞
①在晶体中，每个Cl－吸引8个Cs＋，每个Cs＋吸引8个Cl－，配位数为8。
②每个晶胞中实际拥有的Cs＋有1个，Cl－有1个。
CaF2晶胞
①在晶体中，每个Ca2＋吸引8个F－，每个F－吸引4个Ca2＋。
②每个晶胞含4个Ca2＋，8个F－。
ZnS晶胞
①每个Zn2＋周围距离最近的S2－有4个，每个S2－周围距离最近的Zn2＋有4个。
②每个晶胞中实际拥有的Zn2＋有4个，S2－有4个。
分子间作用力
堆积方式
实例
范德华力
采用密堆积，每个分子周围有12个紧邻的分子
如C60、干冰、I2、O2
范德华力、氢键
采用非密堆积，每个分子周围紧邻的分子少于12个
如HF、NH3、冰
晶体类型
晶胞模型
考点
冰的结构模型
（分子非密堆积形式）
①冰晶体中，氢键有方向性，它的存在迫使每个水分子与四面体顶角方向的 个相邻水分子相互吸引。
②1 ml H2O的冰中，最多可形成2 ml氢键。
③氢键H-O···H较长，分子间距离增大并在水分子中间留有空隙，所以固态水的密度比液态水的小。
干冰的晶胞
（分子密堆积形式）
①每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。
②干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个。