高中化學(xué) 晶體的常識 分子晶體與原子晶體（提高）知識講解學(xué)案 新人教版選修3.doc

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晶體的常識 分子晶體與原子晶體 【學(xué)習(xí)目標】 1、初步了解晶體的知識，知道晶體與非晶體的本質(zhì)差異，學(xué)會識別晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)示意圖； 2、知道晶胞的概念，了解晶胞與晶體的關(guān)系，學(xué)會通過分析晶胞得出晶體的組成； 3、了解分子晶體和原子晶體的特征，能以典型的物質(zhì)為例描述分子晶體和原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系； 4、知道分子晶體與原子晶體的結(jié)構(gòu)粒子、粒子間作用力的區(qū)別。 【要點梳理】 要點一、晶體與非晶體【高清課堂：分子晶體與原子晶體#晶體與非晶體】 1、概念： ①晶體：質(zhì)點（分子、離子、原子）在空間有規(guī)則地排列成的、具有整齊外型、以多面體出現(xiàn)的固體物質(zhì)。晶體具有的規(guī)則的幾何外形源于組成晶體的微粒按一定規(guī)律周期性的重復(fù)排列。 ②非晶體：非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性特點，而是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明膠等。非晶體不具有晶體物質(zhì)的共性，某些非晶態(tài)物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì) 要點詮釋：晶體與非晶體的區(qū)分： 晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。許多固體的粉末用肉眼是看不見晶體的，但我們可以借助于顯微鏡觀察，這也證明固體粉末仍是晶體，只不過晶粒太小了。 晶體的熔點較固定，而非晶體則沒有固定的熔點。區(qū)分晶體和非晶體最可靠的科學(xué)方法是對固體，進行X—射線衍射實驗，X射線透過晶體時發(fā)生衍射現(xiàn)象。 特別注意：一種物質(zhì)是否晶體，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，而非由外觀判斷。 2、分類： 　 3、晶體與非晶體的本質(zhì)差異： 　 自范性 微觀結(jié)構(gòu) 晶體 有（能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形） 原子在三維空間里呈周期性有序排列 非晶體 沒有（不能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形） 原子排列相對無序 說明： ①自范性：晶體能自發(fā)性地呈現(xiàn)多面體外形的性質(zhì)。所謂自范性即“自發(fā)”進行，但這里要注意，“自發(fā)”過程的實現(xiàn)仍需一定的條件。例如：水能自發(fā)地從高處流向低處，但若不打開攔截水流的閘門，水庫里的水不能下瀉； ②晶體自范性的條件之一：生長速率適當； ③晶體自范性的本質(zhì):是晶體中粒子微觀空間里呈現(xiàn)周期性的有序排列的宏觀表象。 4、晶體形成的途徑： ①熔融態(tài)物質(zhì)凝固，例：熔融態(tài)的二氧化硅，快速冷卻得到瑪瑙，而緩慢冷卻得到水晶。 ②氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華)； ③溶質(zhì)從溶液中析出。 5、晶體的特性： ①有規(guī)則的幾何外形； ②有固定的熔沸點； ③各向異性（強度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等）； 　說明：因研究角度不同而產(chǎn)生差異，即為各向異性。 　例如：藍晶石（Al2O3SiO2）在不同方向上的硬度不同； 　　　　石墨在與層垂直的方向上的導(dǎo)電率是層平行的方向上的導(dǎo)電率1/104。 ④自發(fā)的形成多面體外形； ⑤有特定的對稱性； ⑥使X射線產(chǎn)生衍射。 要點二、晶胞【高清課堂：分子晶體與原子晶體#晶胞】 1、定義：晶體中重復(fù)出現(xiàn)的最基本的結(jié)構(gòu)單元。 晶體可看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成，所謂“無隙”是指相鄰晶胞之間沒有任何間隙，所謂“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。 說明：劃分晶胞要遵循2個原則：一是盡可能反應(yīng)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對稱性，二是盡可能小。 2、三種典型的立方晶體結(jié)構(gòu)： 　　　　　　　 說明：晶胞的頂角原子是8個晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4個晶胞共用的，晶胞面上的原子是2個晶胞共用的。 3、晶胞中原子個數(shù)的計算： 位于晶胞頂點的微粒，實際提供給晶胞的只有1/8； 位于晶胞棱邊的微粒，實際提供給晶胞的只有1/4； 位于晶胞面心的微粒，實際提供給晶胞的只有1/2； 位于晶胞中心的微粒，實際提供給晶胞的只有1。 要點三、晶胞中原子個數(shù)的計算： 在一個晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的多個原子，這些原子并不是只為這個晶胞所獨立占有，而是為多個晶胞所共有，那么，在一個晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的每個原子，這個晶體能分攤到多少比例，這就是分攤法。分攤法的根本目的是算出一個晶胞單獨占有的各類原子的個數(shù)。 分攤法的根本原則是：晶胞任意位置上的一個原子如果是被x個晶胞所共有，那么，每個晶胞對這個原子分得的份額就是1/x。在立體晶胞中，原子可以位于它的頂點，也可以位于它的棱上，還可以在它的面上（不含棱），當然，它的體內(nèi)也可以有原子。每個頂點被8個晶胞共有，所以晶胞對自己頂點上的每個原子只占1/8份額；每條棱被4個晶胞共有，所以晶胞對自己棱上的每個原子只占1/4份額；每個面被2個晶胞共有，所以晶胞對自己面上（不含棱）的每個原子只占1/2份額；晶胞體內(nèi)的原子不與其他晶胞分享，完全屬于該晶胞。 ①每個晶胞涉及A原子數(shù)目m個，每個A原子為n個晶胞共有，則每個晶胞占有A原子：m1/n。 ②計算方法 位置 頂點 棱邊 面心 體心 貢獻 1/8 1/4 1/2 1 要點四、判斷晶體類型的依據(jù)： (1)看構(gòu)成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用 對于分子晶體,構(gòu)成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力； 對于原子晶體，構(gòu)成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價鍵。 (2)看物質(zhì)的物理性質(zhì)(如：熔、沸點或硬度等) 一般情況下，不同類晶體熔點高低順序是：原子晶體>分子晶體。原子晶體比分子晶體的熔沸點高得多。 (3)依據(jù)物質(zhì)的分類判斷 金屬氧化物（如K2O、Na2O2等）、強堿（如NaCl、KOH等）和絕大多數(shù)的鹽類是離子晶體。大多數(shù)非金屬單質(zhì)（除金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼外）、氣態(tài)氫化物、非金屬氧化物（除SiO2外）、酸、絕大多數(shù)有機物（除有機鹽外）是分子晶體。常見的原子晶體單質(zhì)有金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼等；常見的原子晶體化合物有碳化硅、二氧化硅等。金屬單質(zhì)（除汞外）與合金都是金屬晶體。 要點五、晶體熔、沸點比較規(guī)律： （1）不同晶體類型的物質(zhì)：原子晶體>分子晶體； （2）同一晶體類型的物質(zhì)，需比較晶體內(nèi)部粒子間的作用力，作用力越大，熔沸點越高。 原子晶體：要比較共價鍵的強弱，一般地說，原子半徑越小，形成共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，其晶體熔沸點越高，如熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅。 分子晶體：分子組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對分子質(zhì)量越大，熔沸點越高， 　　　如熔沸點：O2>N2、HI>HBr>HCl。 　　　組成結(jié)構(gòu)不相似的物質(zhì)，分子的極性越大，其熔沸點就越高， 如熔沸點：CO>N2。 由上述可知，同類晶體熔沸點比較思路為：原子晶體→共價鍵鍵能→鍵長→原子半徑、分子晶體→分子間作用力→相對分子質(zhì)量。 要點六、分子晶體【高清課堂：分子晶體與原子晶體#分子晶體】 1、定義： 含分子的晶體稱為分子晶體，也就是說，分子間以分子間作用力相結(jié)合的晶體叫做分子晶體。 例：干冰晶體中只含有CO2分子，碘晶體中只含有I2分子。 2、構(gòu)成微粒：分子。 3、微粒間的作用力：分子間作用力——范德華力和氫鍵 一般來說，對于組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，物質(zhì)的熔沸點就越高。但是有些氫化物的熔點和沸點的遞變不完全符合此規(guī)律。例如： H2O的沸點就出現(xiàn)反常。因為H2O分子之間的主要作用力是氫鍵（當然也存在范德華力）。 氫鍵形成的過程： ①氫鍵形成的條件：半徑小，吸引電子能力強的原子（N、O、F）與H原子； ②氫鍵的定義：半徑小、吸引電子能力強的原子與H原子之間的靜電吸引作用。氫鍵可看作是一種比較強的分子間作用力； ③氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響：氫鍵使物質(zhì)的熔沸點升高。如H2O、HF、NH3的沸點出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。 4、較典型的分子晶體： ①所有非金屬氫化物，如水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等； ②部分非金屬單質(zhì)，如鹵素X2、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)等； ③部分非金屬氧化物，如CO2、P4O6、P4O10、SO2等； ④幾乎所有的酸； ⑤絕大多數(shù)有機物的晶體。 5、分子晶體的物理特性： 熔沸點較低、易升華、硬度小。一般都是絕緣體，固態(tài)和熔融狀態(tài)都不導(dǎo)電。 6、分子晶體的結(jié)構(gòu)特點： ①對于大多數(shù)分子晶體結(jié)構(gòu)，如果分子間作用力只是范德華力。以一個分子為中心，其周圍通?？梢杂袔讉€緊鄰的分子。如O2、C60，把這一特征叫做分子緊密堆積。 　　　　　　 實例：干冰的晶體結(jié)構(gòu)晶胞模型。 干冰晶體中CO2分子之間只存在分子間作用力不存在氫鍵，因此干冰中CO2分子緊密堆積。每個CO2分子周圍，最近且等距離的CO2分子數(shù)目有12個。 一個CO2分子處于三個相互垂直的面的中心，在每個面上，處于四個對角線上各有一個CO2分子，所以每個CO2分子周圍最近且等距離的CO2分子數(shù)目是12個。 ②分子間除范德華力外還有其他作用力（如氫鍵），如果分子間存在著氫鍵，分子就不會采取緊密堆積的方式。 實例：冰的晶體結(jié)構(gòu)。 在冰的晶體中，每個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子，形成正四面體。氫鍵不是化學(xué)鍵，比共價鍵弱得多卻跟共價鍵一樣具有方向性，而氫鍵的存在迫使四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子的相互吸引，這一排列使冰晶體中空間利用率不高，皆有相當大的空隙，使得冰的密度減小。 說明：分子的密度取決于晶體的體積，取決于緊密堆積程度，分子晶體的緊密堆積由兩個因素決定：范德華力和分子間氫鍵。 要點七、原子晶體：【高清課堂：分子晶體與原子晶體#原子晶體】 1、定義：相鄰原子間以共價鍵相結(jié)合而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。 2、構(gòu)成微粒：原子。 3、微粒間的作用力：共價鍵。 4、原子晶體的物理性質(zhì)： 熔、沸點很高，硬度很大；難溶于一般的溶劑；不導(dǎo)電。 5、常見的原子晶體： ①某些非金屬單質(zhì)，如硼(B)、硅(Si)、鍺(Ge)等； ②某些非金屬化合物，如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等； ③某些氧化物，如氧化鋁(Al2O3)等。 小結(jié)： ①原子晶體可以為單質(zhì)，也可是化合物； ②原子晶體中微粒間的作用力為較強的共價鍵； ③由于原子晶體中，原子間用較強的共價鍵相結(jié)合，因而熔、沸點很高、硬度很大，并難溶于溶劑； ④原子晶體中，原子按一定規(guī)律在空間排列（見課本金剛石晶體結(jié)構(gòu)示意圖）； ⑤原子晶體熔點的比較，其實質(zhì)為鍵能的比較，可視為成鍵的兩原子核間距離的比較，即鍵長的比較； ⑥原子晶體中不存在單個分子，原子晶體的化學(xué)式不代表其分子式。 6、典型的原子晶體——金剛石 ①金剛石中每個C原子以sp3雜化，每個碳原子被相鄰的4個碳原子包圍，以σ鍵跟4個碳原子相連，形成四面體。這些四面體向空間發(fā)展，構(gòu)成一個堅實的、彼此聯(lián)結(jié)的空間網(wǎng)狀晶體。每個 C-C鍵長相等，鍵角均為10928′ ②晶體中最小環(huán)由6個C組成且不共平面。1個環(huán)中平均含有61/12=1/2個C原子，含C-C鍵數(shù)為61/6=1； 注意：石墨雖和金剛石都是由碳原子形成的單質(zhì),但石墨是一種混合型晶體。層內(nèi)存在共價鍵,層間以分子間作用力結(jié)合,兼具有原子晶體、分子晶體的特征。層內(nèi)，每個碳原子與其他3個碳原子形成C-C鍵，構(gòu)成正六邊形，鍵角為120，形成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，石墨的熔點很高；但在層與層之間以分子間作用力結(jié)合，容易滑動，因此石墨的硬度很小。 要點詮釋：各類晶體主要特征 分子晶體 原子晶體 構(gòu)成晶體微粒 分子 原子 形成晶體的作用力 分子間作用力 共價鍵 物理性質(zhì) 熔沸點 較低 很高 硬度 較小 較大 導(dǎo)電性 固態(tài)和熔融狀態(tài)都不導(dǎo)電 不導(dǎo)電 溶解性 相似相溶 難溶于常見溶劑 典型實例 P4、干冰、硫 金剛石、二氧化硅 【典型例題】 類型一：晶體與非晶體的區(qū)分 例題1 關(guān)于晶體和非晶體的說法不正確的是（ ） A、晶體和非晶體的最大區(qū)別在于物質(zhì)內(nèi)部的微粒能否有序地規(guī)則排列 B、晶體在合適條件下可以自發(fā)生成規(guī)則的幾何外形，非晶體從液態(tài)冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形體 C、晶體在不同方向上表現(xiàn)不同的物性質(zhì)，非晶體物理性質(zhì)一般不隨方向的變化而改變。 D、晶體內(nèi)部微粒長程有序且重復(fù)排列，非晶體內(nèi)部長程無序、短程無序。 【思路點撥】本題考查晶體與非晶體的區(qū)別，注意對基本概念的理解。 【答案】D 【解析】非晶體內(nèi)部微粒長程無序，短程有序，D說法不正確。 【總結(jié)升華】晶體粒子在微觀空間里的排列與結(jié)構(gòu)的有序性，使晶體表現(xiàn)出許多與非晶體不同的性質(zhì)。如熔點、強度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等。 舉一反三： 【變式1】下列物質(zhì)有固定熔、沸點的是　 （　 ） A、CuSO4溶液　　　 B、石蠟　　　　 C、玻璃　　　　 D、白磷 【答案】D 【解析】BC是非晶體，A是混合物。 【變式2】晶體與非晶體的嚴格判別可采用 (　) A、有否自范性　　B、有否各向同性　　C、有否固定熔點 　　D、有否周期性結(jié)構(gòu) 【答案】D 【解析】晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別是組成物質(zhì)的粒子在微觀空間是否有序排列。 類型二：判斷晶體類型的依據(jù) 例題2 下列晶體由原子直接構(gòu)成，且屬于分子晶體的是(　 ) A、固態(tài)氫　　　B、固態(tài)氖　 　　C、磷　 　　　D、三氧化硫 【思路點撥】考查分子晶體的判斷方法。 【答案】B 【解析】四種物質(zhì)都是分子晶體，構(gòu)成分子晶體的微粒是分子，其中氖稱為單原子分子。 【總結(jié)升華】判斷晶體類型的方法有很多，可根據(jù)物質(zhì)的分類判斷，可根據(jù)構(gòu)成晶體的微粒判斷等，另外要記憶常見物質(zhì)的晶體類型。 舉一反三： 【變式1】氮化硼很難熔化，加熱至3000℃方可熔化，下列對氮化硼的敘述，不正確的是（?。? A、氮化硼是分子晶體　　　　　　 B、氮化硼是原子晶體 C、氮化硼是離子晶體　　　　　　 D、化學(xué)式為BN 【答案】AC 類型三：晶胞與晶體的關(guān)系 例題3 如下圖表示一些晶體中的某些結(jié)構(gòu)，它們分別是NaCl、CsCl、干冰、金剛石、石墨結(jié)構(gòu)中的某一種的某一部分： (1)代表金剛石的是__________（填字母，下同），其中每個碳原子與__________個碳原子最接近且距離相等。金剛石屬于__________晶體。 （2）代表石墨的是__________，每個正六邊形占有的碳原子數(shù)平均為__________個。 （3）代表NaCl的是__________，每個Na+周圍與它最接近且距離相等的Na+有__________個。 （4）代表CsCl的是__________，它屬于__________晶體，每個Cs+與__________個Cl-緊鄰。 （5）代表干冰的是__________,它屬于__________晶體，每個CO2分子與__________個CO2分子緊鄰。 【思路點撥】 解答這類習(xí)題，通常采用分攤法。 【答案】（1）D　4　原子?。?）E　2　（3）A　12?。?）C　離子　8　（5）B　分子　12 【解析】根據(jù)不同物質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)特點來辨別圖形所代表的物質(zhì)。NaCl晶胞是簡單的立方單元，每個Na+與6個Cl-緊鄰，每個Cl-又與6個Na+緊鄰，但觀察Na+與最近且等距離的Na+數(shù)時要拋開Cl-，從間結(jié)構(gòu)上看是12個Na+，即x軸面上、y軸面上、z軸面上各4個。CsCl晶體由Cs+、Cl-構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu)。干冰也是立方體結(jié)構(gòu)，但在立方體每個正方形面的中央都有一個CO2分子，稱為“面心立方”。所以每個CO2分子在三維空間里x、y、z三個面各緊鄰4個CO2，共12個CO2分子，金剛石的基本單元是正四面體，每個碳原子緊鄰4個其他碳原子。石墨的片層由正六邊形結(jié)構(gòu)組成，每個碳原子緊鄰3個碳原子，即每個六邊形占有1個碳原子的1/3，所以大的結(jié)構(gòu)中每個六邊形占有的碳原子數(shù)是61/3=2個。 【總結(jié)升華】晶體結(jié)構(gòu)、晶胞對質(zhì)點的占有率類習(xí)題，最常見的題型就是已知晶胞的結(jié)構(gòu)而求晶體的化學(xué)式。解答這類習(xí)題首先要明確一個概念：由晶胞構(gòu)成的晶體，其化學(xué)式不一定是表示一個分子中含有多少個原子，而是表示每個晶胞中平均含有各類原子的個數(shù)，即各類原子的最簡個數(shù)比。 舉一反三： 【變式1】如右圖，石墨晶體結(jié)構(gòu)的每一層里平均每個最小的正六邊形占有碳原子數(shù)目為（　 ） A、2　 B、3 C、4 D、6 【答案】A 【解析】每個C原子被3個正六邊形所共用，所以每個正六邊形占有6個1/3的C原子。 【變式2】某物質(zhì)的晶體中含A、B、C三種元素，其排列方式如圖所示(其中前后兩面心上的B原子未能畫出)，晶體中A、B、C的原子個數(shù)之比依次為(　) A、1:3:1　 　B、2:3:1　　　C、2:2:1　 　　D、1:3:3 【答案】A 【解析】A原子是8個1/8，B原子是6個1/2，C原子是1. 類型四：晶體熔、沸點的比較規(guī)律 例題4據(jù)報道，科研人員應(yīng)用電子計算機模擬出類似C60的物質(zhì)N60，試推測下列有關(guān)N60的說法正確的是（　　） A、N60易溶于水 B、N60是一種原子晶體，有較高熔點和硬度 C、N60的熔點高于N2 D、N60的穩(wěn)定性低于N2 【思路點撥】不同晶體類型的熔沸點取決因素不同，熔沸點的高低有一定差異。 【答案】CD 【解析】本題是綜合考查晶體的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及化學(xué)鍵知識的綜合信息題。 N60是一種單質(zhì)，無極性，不易溶于極性溶劑水中，所以A錯誤。根據(jù)N60這種寫法，即表明60個N原子形成N60分子，它應(yīng)是分子晶體，分子晶體相對分子質(zhì)量越大，熔沸點越高。所以B錯誤，C正確。N2以“N≡N”結(jié)合，N60只存在“N—N”，“N≡N”比“N—N”牢固得多，所以D正確。 【總結(jié)升華】本節(jié)所學(xué)兩種晶體：分子晶體和原子晶體，熔沸點高低差異很大。分子晶體熔沸點高低取決于分子間作用力，絕大多數(shù)分子晶體中的分子間作用力只是范德華力，少數(shù)分子晶體中還存在氫鍵。分子間作用力較小，分子晶體熔沸點較低。而原子晶體中微粒間的作用力是較強的共價鍵，因此熔沸點很高；成鍵原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，原子晶體的熔沸點越高。 舉一反三： 【變式1】碳化硅的一種晶體（SiC）具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。下列三種晶體：① 金剛石 ②晶體硅 ③ 碳化硅中，它們的熔點由高到低的順序是 A、① ③ ②　　　B、② ③ ① 　　C、③ ① ②　 　D、② ① ③　 【答案】A 【解析】在原子晶體中，原子半徑越小、鍵長越短、鍵能越大，熔、沸點越高。題目中所給的信息是有關(guān)SiC的結(jié)構(gòu)知識，比較碳原子和硅原子的半徑，應(yīng)得出Si－Si鍵的鍵長比Si－C鍵的鍵長長，Si－C鍵比C－C鍵的鍵長長，所以鍵能由高到低的順序應(yīng)該是：C－C鍵>C－Si鍵>Si－Si鍵，由此可推出熔點由高到低的順序是：① ③ ② 【變式2】已知BBr3的熔點是－46℃，KBr的熔點是734℃，試估計它們各屬于哪一類晶體。 【答案】BBr3是分子晶體，KBr是離子晶體。 【解析】BBr3是由非金屬元素組成的，屬于共價化合物，由于BBr3的熔點為－46℃，熔點很低，所以BBr3在固態(tài)時是以分子間作用力形成的晶體。KBr是由活潑金屬和活潑非金屬元素組成的化合物，熔點相對較高，所以KBr屬于離子晶體。