2025届高三化学二轮复习 第三节 晶体结构与性质 课件

晶体结构与性质 --构建微粒间相互作用与微粒空间排布的关系 学习目标： 1.初步建构原子结构与元素周期表、元素性质周期性变化规律的关系。 2.比较不同微粒间的相互作用力及对物质性质的影响的差异。 3.比较晶体与非晶体的不同，结合常见的晶胞模型，说明晶体结构与物质性质的关系。 知识点Ⅰ　晶胞、晶体结构模型 ①晶体与非晶体的本质区别？ ②具有规则外形的固体一定是晶体？举例 1．晶体与非晶体 (1)晶体与非晶体的区别 物质的存在状态 生活中的晶体与非晶体 2.获得晶体的途径 (1)熔融态物质凝固； (2)气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)； (3)溶质从溶液中析出。 要想获得较大结晶：缓慢析出 析出结晶过程中可以搅拌（类似于胶体聚沉） 密堆积 最密堆积 3.晶体结构 4．晶胞 (1)晶胞：晶胞是描述晶体结构的基本单元。 (2)晶体中晶胞的排列—无隙并置 ①无隙：相邻晶胞之间没有间隙。 ②并置：所有晶胞并列排列、取向相同。 5.晶胞结构解读---均摊法计算微粒数 下列各项是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式，图中：○—X，●—Y， ⓧ—Z。其中对应的化学式不正确的是 训练提升1 科学家发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如图所示。顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是 A.TiC B.Ti6C7 C.Ti14C13 D.Ti13C14 训练提升2 最近发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性，因这三种元素都是常见元素，从而引起广泛关注。该新型超导晶体的一个晶胞如图所示，则该晶体的化学式为 A.Mg2CNi3 B.MgCNi3 C.MgCNi2 D.MgC2Ni 训练提升3 已知某化合物的晶体是由如图所示的最小结构单元密置堆积而成，下列关于该化合物的叙述错误的是 A.1 mol该化合物中含有1 mol Y B.1 mol该化合物中含有3 mol Cu C.1 mol该化合物中含有3 mol Ba D.该化合物的化学式是YBa2Cu3O6 训练提升4 6.晶体的类型 晶体类型 金属晶体 离子晶体 共价晶体 分子晶体 晶体 铁 氯化镁 金刚石 干冰 构成晶体微粒 原子 阴、阳离子 原子 分子 晶体微粒间存在作用力 金属键 离子键 共价键 分子间作用力 一、金属晶体 “电子气理论”(自由电子理论) 金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的“电子气”,被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。 金属离子“浸泡”在“自由电子”的“海洋”之中。 知识点Ⅱ　典型晶体的晶胞模型 小结 金属晶体的结构与性质的关系 导电性 导热性 延展性 金属光泽 金属阳离子和自由电子 自由电子在外加电场的作用下发生定向移动 自由电子与金属阳离子碰撞传递热量 晶体中各原子层相对滑动仍保持相互作用 金属晶体中的自由电子能够吸收所有频率的光，并很快放出 温度高，导电能力弱 金属键一般不会因外力断裂 位错 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1.金属键 （1）定义：金属阳离子和自由电子之间的相互作用。 “有阳离子而无阴离子”是金属独有的特性。 金属单质中不存在单个分子或原子。 （3）金属晶体：通过金属键作用形成的单质晶体 （2）组成粒子：金属阳离子和自由电子 17 2.典型金属晶体的结构---补充 补充1 空间利用率： 晶胞实际拥有的微粒的总体积与晶胞的体积比，表示堆积程度 补充2 配位数： 在密堆积中，一个原子或离子周围所邻接【距离最近的】的原子或离子的数目称为配位数 2.典型结构---体心立方堆积（钠） ①体心立方堆积晶胞平均占有的原子数目：2 ②体心立方堆积晶胞的配位数：8 ③金属原子的半径r与正方体的边长a的关系： 2.典型结构---面心立方最密堆积（铜） 面心立方紧密堆积晶胞平均占有的原子数目：4 2.典型结构---面心立方最密堆积（铜） ①面心立方紧密堆积晶胞的配位数：12 ②金属原子的半径r与正方体的边长a的关系： 解读：铜原子的配位数 2.典型结构---六方最密堆积（镁） 六方最密堆积晶胞平均占有的原子数目：2 2.典型结构---六方最密堆积（镁） ①六方最密堆积晶胞的配位数：12 同层 6，上下层各 3 2.典型金属晶体的结构总结---(等径圆球的堆积) 代表物质 原子个数 配位数 原子半径和边长的关系 空间占 有率 晶体模型 简单立 方堆积 Po 1 6 a=2r 52% 体心立 方密堆积 Na K Fe 2 8 68% 六方最 密堆积 Cu Ag Au 6 12 a=2r 74% 面心立方最密堆积 Mg Zn Ti 4 12 74% 金属 Na Mg Al Cr 熔点/℃ 97.5 650 660 1900 3.金属的熔、沸点、硬度与金属键的关系 金属晶体熔点差距巨大 金属晶体内部微粒之间的作用存在差异，即金属的熔点高低与金属键的强弱有关。 合金的熔点一般低于成分金属的熔点 3.影响金属键强弱的因素 a、金属元素的原子半径 b、单位体积内价电子的数目 一般而言： 金属元素的原子半径越小，单位体积内价电子数目越多，金属键越强，金属晶体的硬度越大，熔、沸点越高。 如何堆积呢？ 二、离子晶体 成键微粒 阴阳离子 微粒间作用力 离子键 （1）钠离子和氯离子的位置： ①氯离子：面心和顶点。钠离子：体心和棱心； ②氯离子采取面心立方最密堆积，钠离子位于氯离子组成的正八面体空隙中。 （2）每个晶胞含钠离子、氯离子的个数： （3）配位数： ①每个Na＋周围与之等距且距离最近的Cl－有 6 个。 ②它们所围成的空间几何构型是正八面体。 Cl－ Na＋ Na＋：12×＋1＝4 Cl－：8×＋6×＝4 1.典型离子晶体的结构---氯化钠晶体 Na＋ Cl－ 1.典型离子晶体的结构---氯化钠晶体 补充：晶胞中的空隙问题 Ⅳ典型离子晶体的结构---氯化钠晶体 （4）每个Na＋周围与之等距且距离最近的Cl－有___个，距离是多少？，Na＋有___个，距离是多少？ 每个Cl－周围与之等距且距离最近的Na＋有____个，距离是多少？，Cl－有____个，距离是多少？。 （5）画出NaCl晶胞的三视图 Cl－ Na＋ MgO具有NaCl型结构(如图),其中阴离子采用面心立方最密堆积方式,X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a=0.420 nm,则r(O2-)为　　　nm ①每个Cs＋同时吸引几个Cl－？距离是多少？每个Cl－同时吸引几个Cs＋？ ②根据氯化铯的结构模型确定晶胞，并分析其构成。每个晶胞中有1Cs＋，有1个Cl－。 ③在每个Cs＋周围与它最近的且距离相等的Cs＋有几个？距离是多少？ 配位数为 8 2.典型离子晶体的结构---氯化铯晶体 思考：为什么NaCl晶体中Na＋的配位数为6，而CsCl晶胞中CS＋的配位数为8呢？ 【提示】阳离子和阴离子的半径比不同。离子半径比值越大，配位数越大。 晶体 NaCl CsCl 半径比 0.52 0.93 配位数 6 8 Na＋ Cs＋ Cl－ Cl－ 2.典型离子晶体的结构---氯化铯晶体 思考：若以Cs+为顶点，Cl-在什么位置？ ①一个CaF2晶胞中含：4个Ca2＋和8个F－ ②Ca2＋【面心立方】的配位数是？ 距离是多少？ ③F－ 【空隙中】的配位数是？ 3.典型离子晶体的结构——氟化钙晶胞 3.典型离子晶体的结构——氟化钙晶胞 ④探究F－与Ca2+ 的距离问题 F-与F-最短距离： 最长距离： Ca2+与Ca2+最短距离： 最长距离： F与Ca2+最短距离： 最长距离： ⑤画出CaF2晶胞的三视图 ①阳离子【面心立方】的配位数是？距离是多少？ ②阴离子【空隙中】的配位数是？ ③一个ZnS晶胞中含： 4个阳离子和4个阴离子 4.典型离子晶体的结构——硫化锌晶胞 Ⅴ离子晶体熔沸点的比较---晶格能 1.概念：“1摩尔” 离子晶体形成气态离子吸收的能量，通常取正值。 2.表示：符号为U 单位是KJ/mol ,取正值 3、影响晶格能大小因素 离子晶体中阴阳离子半径越小，所带电荷越多，离子键越强，晶格能越大，晶体的熔沸点越高。 电荷的影响＞半径的影响 晶格能高的晶体熔点较高，更容易在岩浆冷却过程中冷却下来，从而先结晶 熔融状态下NaCl是否导电？HCl呢？为什么？ MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,如图所示。前者的熔点明显高于后者,其主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 Li原子的第一电离能为________kJ·mol−1， O=O键键能为______kJ·mol−1， Li2O晶格能为______kJ·mol−1。 Ⅵ 离子晶体的特征 1.含有离子键的晶体都是离子晶体 2.离子晶体的熔沸点高且难挥发 3.硬度较大，不具有延展性 4.离子晶体固态时不导电，熔融状态和溶于水后能导电 5.溶解性，大多数离子晶体易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂 【思考】Na2O晶体的晶胞如图所示，则图中黑球代表的离子是_________（填离子符号）。 Na＋ 提升训练 三、共价晶体 探究1 共价晶体的结构特点及物理性质 （1）构成微粒及其相互作用： 共价晶体 （2）物理性质： ①共价晶体中，由于各原子均以强的共价键相结合。因此一般熔点高，硬度大。 ②结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。 共价晶体中不存在分子 “具有共价键的晶体叫做共价晶体”。这种说法对吗？为什么？ 共价晶体 探究2 常见的共价晶体及其结构： 1:2 共价晶体---金刚石 (3)原子分数坐标： 8个顶点的碳原子： 6个面中心的碳原子： 4个晶胞内部的碳原子： 每个晶胞中的4个正四面体： 再看取向1的碳原子的位置，并据此介绍坐标参数： 分别画出以下图示： 1.金刚石晶胞三视图 2.金刚石晶胞沿体对角线投影 3.沿面对角线投影 氟化钙晶胞沿体对角线/面对角线投影图是？ 二氧化硅的结构特点 (1)硅原子轨道采取_____杂化，每个Si与_____个O以共价键结合，形成正四面体结构，每个O连接_____个Si。 (2)每个正四面体占有___个Si,____个“O”， N(Si)∶N(O)＝______。SiO2并不是分子式，只表示原子个数比。 sp3 4 2 1 2 1：2 硅原子与碳原子交替排列 四、分子晶体 四、分子晶体 典型的分子晶体： （1）所有非金属氢化物：H2O，H2S，NH3，CH4，HX等 （2）部分非金属单质:X2，O2，H2， S8，P4，C60 ，稀有气体等 （3）部分非金属氧化物:CO2， SO2， NO2，P4O6， P4O10等 （4）几乎所有的酸：H2SO4，HNO3，H3PO4等 （5）绝大多数有机物的晶体：乙醇，冰醋酸，蔗糖 1．干冰晶体 (1)干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有 12 个。 (2)在干冰晶胞中：CO2分子为面心立方最密堆积。设晶胞的边长为a，与每个CO2等距紧邻的CO2有12个，它们之间的距离为 。 ①石墨是具有层状结构的混合型晶体(如图)， 层内存在金属键、共价键，层间存在范德华力； ②层内每个C原子与3个C原子连接，构成六边形， 其键长、键角相等，每个六边形平均占有 2 个C原子，C原子数与C—C键数之比为2：3。C原子采取的杂化方式是sp2。 ③石墨的C—C的键长比金刚石的C—C的键长短，熔点比金刚石的高 ④硬度不大、有滑腻感、能导电 2.晶体结构 ⑤混合晶体 石墨晶体 3.晶胞的投影： 原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体(又称共价晶体)。 2、原子晶体的构成微粒和作用力： 1、定义： (1)构成微粒是： (2)作用力： 共价晶体中不存在分子 原子 共价键 3、气化或熔化时破坏的作用力： 共价键 3.共价晶体 3.认识四类晶体及晶体的比较 比较 晶体 分子晶体 共价晶体 金属晶体 离子晶体 构成粒子 分子 原子 ___________、自由电子 阴、阳离子 粒子间的相互作用力 _________ (某些含氢键) 共价键 金属键 离子键 金属阳离子 范德华力 溶解性 相似相溶 难溶于任何溶剂 常见溶剂难溶 大多易溶于水等极性溶剂 导电、传热性 一般不导电，溶于水后有的导电 一般不具有导电性 电和热的良导体 晶体不电，水溶液或熔融态导电 熔沸点及硬度 熔沸点较低、硬度较小 熔沸点很大、硬度很大 有的很大、有的很小 熔沸点较大、硬度较大 晶体中只要有阳离子就一定有阴离子？ 由原子构成的晶体一定是共价晶体？ 归纳整合：判断晶体类型的方法 (1)根据物质的分类判断 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(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。常见的原子晶体中单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的原子晶体中化合物有碳化硅、二氧化硅等。金属单质(注：汞在常温为液体)与合金是金属晶体。 (2)主要根据各类晶体的特征性质判断 如低熔、沸点的化合物形成分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物形成离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质形成原子晶体；晶体能导电、传热、具有延展性的为金属晶体。 在下列物质中：NaCl　NaOH　Na2S　H2O2　Na2S2　(NH4)2S　CO2　CCl4　C2H2　SiO2　SiC　晶体硅　金刚石　晶体氩 (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________。 答案：(1)NaCl、Na2S　(2)NaOH、(NH4)2S (3)(NH4)2S　(4)Na2S2　 4.晶体的熔沸点比较： (1)不同类型晶体熔、沸点的比较 ①不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律： 原子晶体＞离子晶体＞分子晶体。 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。 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 ℃。 金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高，如Na的熔点为97 ℃，尿素的熔点为132.7 ℃。 4.晶体的熔沸点比较： (2)同种类型晶体熔、沸点的比较 ①共价晶体 如熔点：金刚石 ＞ 碳化硅 ＞ 硅。 ②离子晶体 一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则晶格能越大，晶体的熔、沸点越大，如熔点：MgO MgCl2，NaCl CsCl。 ③分子晶体 a．分子间范德华力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常高。如H2O ＞ H2Te ＞H2Se＞H2S。 b．组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高， 如SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。 c．相对分子质量接近，其分子的极性越大，熔、沸点越高。 d．同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。 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，金属晶体的熔、沸点越高，如熔、沸点：Na Mg Al。 sp3 6 4个共价键 相邻的4个 109°28′ $$