离子晶体、分子晶体和原子晶体

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离子晶体、分子晶体和原子晶体　　[学法指导]　　在学习中要加强对化学键中的非极性键、极性键、离子键、晶体类型及结构的认识与理解；在掌握微粒半径递变规律的基础上，分析离子晶体、原子晶体、分子晶体的熔点、沸点等物理性质的变化规律；并在认识晶体的空间结构的过程中，培养空间想象能力及思维的严密性和抽象性。　　同时，关于晶体空间结构的问题，很容易与数学等学科知识结合起来，在综合题的命题方法具有广阔的空间，因此，一定要把握基础、领会实质，建立同类题的解题策略和相应的思维模式。　　[要点分析]　　一、晶体　　固体可以分为两种存在形式：晶体和非晶体。　　晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶体在一定条件下也可转变为晶体。　　晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体。晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列，从而使晶体内部各个部分的宏观性质是相同的，而且具有固定的熔点和规则的几何外形。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　NaCl晶体结构　　 　　　　食盐晶体　　　　　　　金刚石晶体　　　金刚石晶体模型　　　　　　钻石　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　C60分子　　　　二、晶体结构　　1．几种晶体的结构、性质比较类型离子晶体原子晶体分子晶体构成微粒阴、阳离子原子分子相互作用离子键共价键分子间作用力硬度较大很大很小熔沸点较高很高很低导电性溶液或熔化导电一般不导电不导电溶解性一般易溶于水难溶水和其他溶剂相似相溶典型实例NaCl、KBr等金刚石、硅晶体、SiO2、SiC单质：H2、O2等化合物：干冰、H2SO4　　2．几种典型的晶体结构：　　（1）NaCl晶体（如图1）：每个Na+周围有6个Cl-，每个Cl-周围有6个Na+，离子个数比为1：1。　　（2）CsCl晶体（如图2）：每个Cl-周围有8个Cs+，每个Cs+周围有8个Cl-；距离Cs+最近的且距离相等的Cs+有6个，距离每个Cl-最近的且距离相等的Cl-也有6个，Cs+和Cl- 的离子个数比为1：1。　　（3）金刚石（如图3）：每个碳原子都被相邻的四个碳原子包围，以共价键结合成为正四面体结构并向空间发展，键角都是109º28'，最小的碳环上有六个碳原子。　　　　　（4）石墨（如图4、5）：层状结构，每一层内，碳原子以正六边形排列成平面的网状结构，每个正六边形平均拥有两个碳原子。片层间存在范德华力，是混合型晶体。熔点比金刚石高。　　 　　（5）干冰（如图6）：分子晶体，每个CO2分子周围紧邻其他12个CO2分子。　　　　（6）SiO2：原子晶体，空间网状结构，Si原子构成正四面体，O原子位于Si－Si键中间。（SiO2晶体中不存在SiO2分子，只是由于Si原子和O原子个数比为1∶2，才得出二氧化硅的化学式为SiO2）　　　　　　　　　紫水晶　　　　　　　　大水晶　　　　　　　　二氧化晶体模型　　3．离子晶体化学式的确定　　确定离子晶体的化学式实际上是确定晶体中粒子个数比。其方法如下：　　（1）处于顶点的粒子，同时为8个晶胞所共有，每个粒子有1/8属于该晶胞。　　（2）处于棱上的粒子同时为4个晶胞共有，每个粒子有1/4属于该晶胞。　　（3）处于面心上的粒子，同时为2个晶胞共有，每个粒子有1/2属于该晶胞。　　（4）处于晶胞体心的粒子，则完全属于该晶胞。　　4．根据物质的物理性质判断晶体的类型　　（1）在常温下呈气态或液态的物质，其晶体应属于分子晶体（Hg除外），如H2O、H2等。对于稀有气体，虽然构成物质的微粒为原子，但应看作单原子分子，因为微粒间的相互作用力是范德华力，而非共价键。　　（2）在熔融状态下能导电的晶体（化合物）是离子晶体。如：NaCl熔融后电离出Na＋和Cl－ ，能自由移动，所以能导电。　　（3）有较高的熔、沸点，硬度大，并且难溶于水的物质大多为原子晶体，如晶体硅、二氧化硅、金刚石等。　　（4）易升华的物质大多为分子晶体。　　三、分子间作用力和氢键　　1．分子间作用力　　分子间作用力又叫范德华力，是分子与分子之间微弱的相互作用，它不属于化学键范畴。分子间作用力广泛存在于分子与分子之间，由于相互作用很弱，因此只有分子与分子充分接近时，分子间才有作用力。　　2．氢键　　氢键是在分子间形成的，该分子中必须含有氢原子，且另一种原子吸引电子的能力很强（具体有F、O、N三种元素），只有这样才能形成氢键。常见的能形成氢键的分子主要有HF、H2O、NH3等。　　氢键的实质也是静电作用，氢键的强度比分子间作用力稍强，但比化学键弱的多，它仍不属于化学键范畴。　　氢键对物质熔、沸点的影响结果是使物质的熔点和沸点均升高。例如H2O和H2S的组成与结构相似，相对分子质量H2S>H2O，若仅以分子间作用力论，H2S的熔、沸点应大于H2O，可实际上H2O在常温状态下是液态，而H2S在通常状态下是气态，说明H2O的熔、沸点比H2S高，原因就是H2O分子中存在H…O键。　　四、物质的熔沸点比较及规律　　（1）不同类型的晶体，一般来讲，熔沸点按原子晶体>离子晶体>分子晶体。　　（2）由共价键形成的原子晶体中，原子半径越小的，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。如熔点：金刚石>石英>碳化硅>晶体硅。　　（3）离子晶体比较离子键的强弱。一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用就越强，其离子晶体的熔沸点就越高，如熔点：MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。　　（4）分子晶体：组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高；如Cl2N2。　　[例题分析]　　例1． 下面的叙述正确的是　　A、离子化合物中可能含有共价键　　B、分子晶体中不会有离子键　　C、分子晶体中的分子内一定有共价键　　D、原子晶体中一定有非极性共价键　　[分析与解答]　　若离子化合物中某种离子由两种或两种以上元素组成。如NH4+、OH-、SO42-等。则其离子内部有共价键。分子晶体的构成微粒是分子，分子间只有分子间作用力，分子内除稀有气体外，都只有共价键，故（A）、（B）正确。（C）未提到稀有气体分子是单原子分子，无任何化学键。由两种原子形成的原子晶体SiO2等，其原子间以极性键结合，无非极性键。故正确答案为（A）、（B）。　　例2．下列各组物质的晶体中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是　　A、SO2和SiO2　　　B、CO2和H2O　　　C、NaCl和HCl　　　D、CCl4和KCl　　　　[分析与解答]　　A、SO2和SiO2的化学键相同，都是极性共价键，但晶体类型不同，SO2是分子晶体，SiO2是原子晶体；　　B、CO2和H2O的化学键都是共价键，且都属于分子晶体；　　C中的NaCl和HCl化学键类型不同，NaCl为离子键，HCl为极性共价键，且晶体类型也不同，NaCl为离子晶体，HCl为分子晶体；　　D中CCl4和KCl的化学键不同，CCl4是极性共价键，KCl中是离子键且晶体类型也不同，CCl4为分子晶体，KCl为离子晶体。　　故正确答案为选项B。　　例3．　　（1）中学教材上图示了NaCl晶体结构，它向三维空间延伸得到完美晶体。NiO（氧化镍）晶体的结构与NaCl相同，Ni2+与最邻近O2-的核间距离为a×10-8cm，计算NiO晶体的密度（已知NiO的摩尔质量为74.7g·mol-1）。　　（2）天然的和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷。例如在某种NiO晶体中就存在如图7所示的缺陷：一个Ni2+空缺，另有两个Ni2+被两个Ni3+所取代。其结果晶体仍呈电中性，但化合物中Ni和O的比值却发生了变化。某氧化镍品组成为Ni0.97O，试计算该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。　　　　[分析与解答]　　（1）　　根据NaCl晶体结构，隔离出一个小立体（如图8），小立方体的每个顶点离子为8个小立方本共用，因此小立方体含O2-：4×=，含Ni2+：4×=，即每个小立方体含有个（Ni2+-O2-）离子对。则若含有1molNiO，需2NA个小立方体，　　所以密度r= 　　（2）　　设1molNi0.97O中含Ni3+xmol，Ni2+(0.97-x)mol　　根据晶体呈电中性3xmol+2(0.97-x)mol=2×1mol　　解之x=0.06，Ni2+为(0.97-x)mol=0.91mol　　离子数之比Ni3+：Ni2+=0.06：0.91=6：91　　另解：　　也可由题设的演变过程，用数学方法处理。设1mol晶体中存在xmol缺陷，同时有2xmolNi3+，取代了2xmolNi2+，所以Ni3+的个数2x与Ni2+的个数(1-x-2x)之和为0.97，即：2x+(1-x-2x)=0.97，x=0.03。　　∴Ni3+：Ni2+个数比=2x：(1-3x)=2×0.03：(1-3×0.03)=6：91。