高三化学总复习基本理论晶体结构(1)

1、高三化学总复习高三化学总复习晶晶 体体 结结 构构一、基础知识回顾一、基础知识回顾（一）晶体的概念及性质（一）晶体的概念及性质晶体晶体决定晶体物理性质的因素是什么决定晶体物理性质的因素是什么?通过结晶得到的具有规则几何外形的通过结晶得到的具有规则几何外形的固体叫晶体。固体叫晶体。晶体中的微粒按一定的晶体中的微粒按一定的规则规则排列排列。有固定的熔点有固定的熔点构成晶体微粒之间的结合力。构成晶体微粒之间的结合力。结合力越强，晶体的结合力越强，晶体的熔沸点熔沸点越高，晶越高，晶体的体的硬度硬度越大。越大。（二）微粒间的作用力（二）微粒间的作用力化学键：化学键：分子间作用力分子间作用力相邻原子之间强

2、烈的相互作用。相邻原子之间强烈的相互作用。（1）离子键）离子键（2）共价键）共价键（3）金属键）金属键概念？概念？ 影响因素？影响因素？如何判断离子键的存在？如何判断离子键的存在？概念？概念？ 类型？类型？如何判断共价键的强弱？如何判断共价键的强弱？影响因素？影响因素？概念？概念？ 影响因素？影响因素？如何认识分子间作用力和共价键？如何认识分子间作用力和共价键？分子间作用力（范德瓦耳斯力）分子间作用力（范德瓦耳斯力）实质不同实质不同 分子间作用力是分子间作用力是分子之间分子之间的作用力的作用力 共价键是共价键是分子内部分子内部原子之间的作用力。原子之间的作用力。 强度不同强度不同能量较小，一般

3、几个到数十个能量较小，一般几个到数十个KJ/molKJ/mol； 共价键一般共价键一般120-800120-800KJ/molKJ/mol。 对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔沸点也就越高。大，分子间作用力越大，物质的熔沸点也就越高。 分子间作用力对物质性质的影响规律分子间作用力对物质性质的影响规律氢氢 键键共价型分子中八电子稳定结构的判断共价型分子中八电子稳定结构的判断1 1、分子中若含有氢元素，则、分子中若含有氢元素，则氢原子氢原子不能满足最外不能满足最外层层8 8电子稳定结构。电子稳定结构。2 2、若某元素、若某

4、元素化合价化合价绝对值绝对值与其原子与其原子最外层电子最外层电子数数之和等于之和等于8 8，则该元素的原子满足，则该元素的原子满足8 8电子稳定结电子稳定结构；否则不满足。构；否则不满足。（三）四种晶体的比较（三）四种晶体的比较离子晶体离子晶体1、离子、离子间通过间通过离子键离子键结合而成的晶体。结合而成的晶体。2、离子晶体的特点、离子晶体的特点无单个分子存在；无单个分子存在；NaCl不表示分子式。不表示分子式。熔沸点较高，硬度较大，难压缩熔沸点较高，硬度较大，难压缩,但质地较脆但质地较脆.水溶液或者熔融状态下均导电。水溶液或者熔融状态下均导电。3、哪些物质属于离子晶体？、哪些物质属于离子晶体

5、？强碱、部分金属氧化物、大部分盐类。强碱、部分金属氧化物、大部分盐类。分子晶体分子晶体1、分子间通过、分子间通过分子间作用力分子间作用力结合成的晶体。结合成的晶体。2、分子晶体的特点、分子晶体的特点有单个分子存在；化学式就是分子式。有单个分子存在；化学式就是分子式。熔沸点较低，硬度较小，易升华。熔沸点较低，硬度较小，易升华。3、哪些物质可以形成分子晶体？、哪些物质可以形成分子晶体？ 卤素、氧气、等多数非金属单质、稀有卤素、氧气、等多数非金属单质、稀有气体、非金属氢化物、多数非金属氧化物、气体、非金属氢化物、多数非金属氧化物、酸、多数有机物等。酸、多数有机物等。原子晶体原子晶体1、原子间通过共价

6、键结合成的具有、原子间通过共价键结合成的具有空间网空间网状结构状结构的晶体。的晶体。2、原子晶体的特点、原子晶体的特点3、哪些物质属于原子晶体、哪些物质属于原子晶体金刚石、单晶硅、碳化硅、二氧化硅等。金刚石、单晶硅、碳化硅、二氧化硅等。熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。晶体类型晶体类型 离子晶体离子晶体 原子晶体原子晶体 分子晶体分子晶体 金属晶体金属晶体概念概念 离子间离子键离子间离子键 原子间共价键原子间共价键 分子间分子力分子间分子力 金属离子和金属离子和e金属键金属键晶体质点晶体质点 阴、阳离子阴、阳离子 原子原子 分子分子 金属离子原子和金属

7、离子原子和e作用力作用力 离子键离子键 共价键共价键 分子间力分子间力 金属键金属键物理性质物理性质熔沸点熔沸点 较高较高 最高最高 很低很低 一般高少数低一般高少数低硬度硬度 较硬较硬 最硬最硬 硬度小硬度小 多数硬少数软多数硬少数软溶解性溶解性 易溶于水易溶于水 难溶任何溶剂难溶任何溶剂 相似相溶相似相溶 难溶难溶导电性导电性 溶、熔可溶、熔可 硅、石墨可硅、石墨可 部分水溶液可部分水溶液可 固、熔可固、熔可实例实例 盐盐MOH MO C Si SiO2 SiC HX XOn HXOn 金属或合金金属或合金四种晶体的比较四种晶体的比较（四）晶体类型的判断（四）晶体类型的判断从物质的分类上判

8、断：从物质的分类上判断：从性质上判断：从性质上判断：固态时不导电熔融状态时能导电：固态时不导电熔融状态时能导电：离子晶体；离子晶体；固态时导电熔融状态时也导电：固态时导电熔融状态时也导电：金属晶体及石墨；金属晶体及石墨；固态时不导电熔融状态时也不导电：固态时不导电熔融状态时也不导电：分子晶体、原子晶体分子晶体、原子晶体。 高高：原子晶体；：原子晶体；中中：离子晶体；：离子晶体；低低：分子晶体：分子晶体离子晶体离子晶体：强碱、大多数盐类、活泼金属氧化物；：强碱、大多数盐类、活泼金属氧化物；分子晶体分子晶体：大多数非金属单质（金刚石、石墨、晶体硅、晶：大多数非金属单质（金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼

9、除外）及氧化物（体硼除外）及氧化物（ SiO2除外），所有的酸及非金属氢化除外），所有的酸及非金属氢化物，大多数有机物等。物，大多数有机物等。原子晶体原子晶体：金刚石、晶体硅、晶体硼、：金刚石、晶体硅、晶体硼、SiO2、SiC、BN等等金属晶体金属晶体：金属单质（液态：金属单质（液态Hg除外）及合金除外）及合金熔沸点和硬度熔沸点和硬度物质的导电性物质的导电性（五）晶体化学基础（五）晶体化学基础每个晶体是由无数个晶胞连在一起形成的，故晶胞的结每个晶体是由无数个晶胞连在一起形成的，故晶胞的结构反映了晶体的结构，所以对于某些晶体我们就可以通过研构反映了晶体的结构，所以对于某些晶体我们就可以通过研究晶

10、胞结构来研究晶体结构。究晶胞结构来研究晶体结构。 晶胞晶胞从晶体中从晶体中“截取截取”出来的具有代表性的最小部分出来的具有代表性的最小部分。 （晶体中的最小重复单元）（晶体中的最小重复单元）三种典型立方晶体结构均摊法是指每个图形平均拥有的粒子数目是指每个图形平均拥有的粒子数目如某个粒子为如某个粒子为n个图形（晶胞）所共有个图形（晶胞）所共有，则该粒子有，则该粒子有1/n属于一个图形。属于一个图形。（1）长方体（正方体）：）长方体（正方体）：位于晶胞位于晶胞顶点顶点的微粒，实际提供给晶胞的只有的微粒，实际提供给晶胞的只有1/81/8；位于晶胞位于晶胞棱上棱上的微粒，实际提供给晶胞的只有的微粒，实

11、际提供给晶胞的只有1/41/4；位于晶胞位于晶胞面心面心的微粒，实际提供给晶胞的只有的微粒，实际提供给晶胞的只有1/21/2；位于晶胞位于晶胞中心中心的微粒，实际提供给晶体的是的微粒，实际提供给晶体的是1 1。（2）非长方体（非正方体）：）非长方体（非正方体）：视具体情况分析。视具体情况分析。如：石墨石墨平均每个碳原子对六边形的贡献是平均每个碳原子对六边形的贡献是：1/31/3二、晶体常见题型二、晶体常见题型C例例1（西安市竞赛题）右图所示晶体结（西安市竞赛题）右图所示晶体结构是一种具有优良的压电、铁电、电构是一种具有优良的压电、铁电、电光等功能的晶体材料的最小结构单元光等功能的晶体材料的最小

12、结构单元（晶胞）。晶体内与每个（晶胞）。晶体内与每个“Ti”紧邻的紧邻的氧原子数和这种晶体材料的化学式分氧原子数和这种晶体材料的化学式分别是（各元素所带电荷均已略去）别是（各元素所带电荷均已略去）(A)8；BaTi8O12 (B)8；BaTi4O9(C) 6；BaTiO3 (D) 3；BaTi2O3例例2 1987年年2月，朱经武教授等发现釔钡铜氧化物月，朱经武教授等发现釔钡铜氧化物在在90K下具有超导性，若该化合物的晶胞结构如下具有超导性，若该化合物的晶胞结构如下图所示，则该化合物的化学式可能为（）下图所示，则该化合物的化学式可能为（）A.YBa2CuO7-x B. YBa2Cu2O7-x

13、C. YBa2Cu3O7-x D. YBa2Cu4O7-x 计算晶胞中各原子数：计算晶胞中各原子数：Y：1Ba：2Cu：81/8 +81/4 = 3C例：最近科学家发现一种由钛原子例：最近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，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是（子，则它的化学式是（ ）A.TiC B.Ti6C7 C.Ti14C13 D.Ti13C14此题给出的是分子簇结构而非晶体结构，故只需数出原子的此题给出的是分子簇结构而非晶体结构，故只需数出原

14、子的数目即可。数目即可。 均摊法是研究晶体结构的常用方法，但要注意以均摊法是研究晶体结构的常用方法，但要注意以下题型：下题型： 例例11右图为右图为NaCl晶胞的结构示意图。它向三晶胞的结构示意图。它向三维空间延伸得到完美晶体。试回答：维空间延伸得到完美晶体。试回答：（1）一个）一个NaCl晶胞中有晶胞中有 个个Na，有有个个Cl。（2）一定温度下，用一定温度下，用X射线衍射法测得晶胞的射线衍射法测得晶胞的边长为边长为a cm，求该温度下求该温度下NaCl晶体的密度。晶体的密度。（3）若）若NaCl晶体的密度为晶体的密度为g/cm3，则则 NaCl晶晶体中体中Na与与Na十十之间的最短距离是多

15、少？之间的最短距离是多少？81/861/24112144m/VnM/V58.5 4(NAa3) 例例22右图为右图为NaCl晶胞结构晶胞结构,已知已知FexO晶体晶胞结构晶体晶胞结构为为NaCl型，由于晶体缺陷，型，由于晶体缺陷，x值小于值小于1。测知。测知FexO晶体晶体的密度为的密度为5.71g/cm3，晶胞边长为晶胞边长为4.281010m。（1） FexO中的中的x值（精确至值（精确至0.01）为）为；（2）晶体虽的）晶体虽的Fen+分别为分别为Fe2+和和Fe3+，在在Fe2+和和Fe3+的总数中，的总数中， Fe2+所占分数所占分数（用小数表示）为（用小数表示）为；（3）此晶体的化

16、学式为）此晶体的化学式为；（4）与某个）与某个Fe2+或或Fe3+距离最近且距离相等的距离最近且距离相等的O2离离子围成的空间几何形状是子围成的空间几何形状是；（5）在晶体中铁元素的离子间最短距离为）在晶体中铁元素的离子间最短距离为 m。0.920.826正八面体正八面体3.031010Fe0.762+Fe0.163+O 例例33金晶体的最小重复单元（也称晶胞）是面心立方金晶体的最小重复单元（也称晶胞）是面心立方，即在立方体的，即在立方体的8 8个顶点上各有一个金原子，各个面的个顶点上各有一个金原子，各个面的面心上各有一个金原子（如图），每个金原子被相邻面心上各有一个金原子（如图），每个金原子

17、被相邻的晶胞共用。金原子的直径为的晶胞共用。金原子的直径为d d，用用N NA A表示阿伏加德表示阿伏加德罗常数，罗常数，MM表示金的摩尔质量。表示金的摩尔质量。(1)(1)金晶体中每个晶胞中含有金晶体中每个晶胞中含有个金原子；个金原子；(2)(2)欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球欲计算一个晶胞的体积，除假定金原子是刚性小球外，还应假定外，还应假定 。(3)(3)一个晶胞的体积是多少？一个晶胞的体积是多少？(4)(4)金晶体的密度是多少？金晶体的密度是多少？ 4在立方体各个面的对角线上在立方体各个面的对角线上3个金原子彼个金原子彼此两两相切此两两相切 例例1 1 C C6060是碳

18、单质家族中的新成员，已知每个碳是碳单质家族中的新成员，已知每个碳原子与其它三个碳原子相连。请根据碳的成键方原子与其它三个碳原子相连。请根据碳的成键方式计算式计算C C6060分子中存在分子中存在 _条条C CC C单键；单键； _条条C=CC=C双键？双键？ 分析：碳原子的成键方式：每个碳原子通过分析：碳原子的成键方式：每个碳原子通过4 4条共条共价键与其它原子成键。其成键方式图为：价键与其它原子成键。其成键方式图为： 由图可以看出：每个由图可以看出：每个C CC C单键为单键为2 2个个碳原子所拥有，故每个碳原子占有碳原子所拥有，故每个碳原子占有2 21/2=11/2=1条条C CC C单键

19、，分子中共有单键，分子中共有1 160=6060=60条条C CC C单键；每个单键；每个C=CC=C双键双键为为2 2个碳原子所拥有，故每个碳原子个碳原子所拥有，故每个碳原子占有占有1 11/2=1/21/2=1/2条条C=CC=C双键，分子中双键，分子中共有共有1/21/260=3060=30条条C=CC=C双键。双键。 6030 例例22 石墨晶体的层内结构如图所示，每一层由无数石墨晶体的层内结构如图所示，每一层由无数个正六边形构成，则个正六边形构成，则: :(1)(1)平均每一个正六边形所占的碳原子数为平均每一个正六边形所占的碳原子数为 ; ;(2)(2)石墨晶体每一层内碳原子数与碳一

20、碳化学键之比是石墨晶体每一层内碳原子数与碳一碳化学键之比是；（3 3）ngng碳原子可构成碳原子可构成个正六边形。个正六边形。 每个碳原子为三个正六边形共用，每个碳原子为三个正六边形共用， 每个正六边形的碳原子数为每个正六边形的碳原子数为61/3 = 22 又每个正六边形所占的又每个正六边形所占的CC键数为：键数为：61/2 = 3碳原子数与碳一碳化学键之比是碳原子数与碳一碳化学键之比是23232323(n/12)NA2三、常见的几种晶体类型三、常见的几种晶体类型CsClNaCl干冰干冰石墨石墨金刚石金刚石SiO2NaClNaCl的晶体结构的晶体结构（1 1）每个晶胞由）每个晶胞由 个小立方体

21、组成（见右图），个小立方体组成（见右图）， 每个小立方体的每个小立方体的 个顶点分上有个顶点分上有 个个NaNa+ +和和 个个ClCl， 它们分别位于小立方体互不相邻的四个顶点上。它们分别位于小立方体互不相邻的四个顶点上。（2 2）每个晶胞中含有）每个晶胞中含有NaNa+ +数目为：数目为： 8 81/81/86 61/21/24 4，含有，含有ClCl数目为：数目为：1 112121/41/44 4，故每，故每个晶胞中含有个晶胞中含有 4 4 个个“NaClNaCl”结构单元；结构单元；（3 3）晶胞中每个离子都被）晶胞中每个离子都被 个异号离子包围（上、下、左、右、个异号离子包围（上、下

22、、左、右、前、后），它们之间构成前、后），它们之间构成 的空间结构；的空间结构；（4 4）晶胞中每个离子周围距离最近且等距离的同种离子有）晶胞中每个离子周围距离最近且等距离的同种离子有 个个（1212条棱的棱心）条棱的棱心）（5 5）设晶胞的边长为）设晶胞的边长为dcmdcm，则晶胞中则晶胞中NaNa+ +和和ClCl的最近距离（即的最近距离（即小立方体的边长）为小立方体的边长）为 cmcm，则晶胞中同种离子的最近距离为则晶胞中同种离子的最近距离为 cm cm。8 88 84 44 4 6 6正八面体正八面体1212d/2d/2d/2d/2 连接正方体六连接正方体六个面的面心构成一个面的面心构

23、成一个正八面体。个正八面体。Na Cl Na Cl （1 1）晶胞为体心立方，每个立方体的）晶胞为体心立方，每个立方体的8 8个顶点分个顶点分 上有上有 个个CsCs+ +（或或ClCl），），体心上有体心上有 个个ClCl（或或CsCs+ +）（2 2）每个晶胞中含有每个晶胞中含有CsCs数目为：数目为： ，含有，含有ClCl数目数目为：为： ，故每个晶胞中含有，故每个晶胞中含有 个个“CsClCsCl”结构单元；结构单元；（3 3）晶胞中每个离子都被）晶胞中每个离子都被 个异号离子包围（个异号离子包围（8 8个顶点），它们之个顶点），它们之间构成间构成 的空间结构；的空间结构；（4 4）晶

24、胞中每个离子周围距离最近且等距离的同种离子有）晶胞中每个离子周围距离最近且等距离的同种离子有 个，个，（上、下、左、右、前、后）它们之间构成（上、下、左、右、前、后）它们之间构成 的空间结构；的空间结构；（5 5）设晶胞的边长为）设晶胞的边长为dcmdcm，则晶胞中同种离子的最近距离为则晶胞中同种离子的最近距离为 cmcm，CsCs+ +和和ClCl的最近距离（即立方体体对角线的一半）为的最近距离（即立方体体对角线的一半）为 cm cm；CsClCsCl的晶体结构的晶体结构8 81 18 81/8=11/8=11 11 18 8立方体立方体6 6正八面体正八面体d dd/2d/2在每个在每个C

25、O2周围等距离且相距最近周围等距离且相距最近的的CO2共有共有 个。个。在每个小立方体中平均分摊到的在每个小立方体中平均分摊到的CO2 分子数为：分子数为： 个个干冰晶体结构干冰晶体结构12(81/8 + 61/2) = 4 金刚石金刚石在金刚石晶体中，碳原子构成的最小环为非平面在金刚石晶体中，碳原子构成的最小环为非平面(与环已烷碳环相似与环已烷碳环相似键角为键角为10928，每个碳与相邻，每个碳与相邻 4 个碳构成正四面体、个碳构成正四面体、其中其中 n (C) : n(CC) = 1 : (4 1/2) = 1 : 2 每个碳原子被多少个六元环共用呢？每个碳原子被多少个六元环共用呢？相邻两

26、条相邻两条CC键可构成键可构成 2 个六元环，它共有个六元环，它共有 C24这种相邻，故共被这种相邻，故共被 2C24 = 12 个六元环共用。个六元环共用。同理，每条同理，每条CC键被键被 2C13 = 6 个六元环共用。个六元环共用。 金刚石晶胞实际上是由金刚石晶胞实际上是由 8 个相邻的小立方体并置堆砌而成，黑体碳个相邻的小立方体并置堆砌而成，黑体碳位于相互错开排列的位于相互错开排列的 4 个小立方体的重心，其余碳位于大立方体的个小立方体的重心，其余碳位于大立方体的8 个顶点和个顶点和 6 个面心。该晶体实际分摊到的碳原子数为个面心。该晶体实际分摊到的碳原子数为 (4 + 6 1/2 +

27、 8 1/8) = 8个。个。 设设CC键长为键长为 d 、晶胞边长为晶胞边长为 a ，可列：可列： 若令若令 A (0，0，0) 、，、，则则B (1/4， 1/4 ，1/4) 、C (1，1，1) ， 3a = 4d 即即 a = 4 3d / 3，AB = 3(1/4)2 = 3/4，AC = 312 = 3 ，故故AB = AC/4 若令金刚石的密度为若令金刚石的密度为 b，可列：可列： 1mol6.021023(43d /3)3b / 8 = 1mol12g/mol 将将 b = 3.51g/cm3代入，解得代入，解得 d = 1.5510-8 cm = 1.5510-10m（1）金

28、刚石由碳原子构成正四面体的单元。）金刚石由碳原子构成正四面体的单元。每个碳原子等距离紧邻其它每个碳原子等距离紧邻其它个碳原子。个碳原子。键角为键角为。金刚石中由共价键构成。金刚石中由共价键构成的最小环有的最小环有6个碳原子，但个碳原子，但6个碳原子不个碳原子不都在一个平面上。都在一个平面上。（2）每个环平均拥有：）每个环平均拥有：个个CC键，键，个个C原子。原子。（3）晶体中每个）晶体中每个C原子被原子被个六元环所共有，每个个六元环所共有，每个C原子占原子占有有个个CC键。键。小结：小结：10928 41/21122 石墨：石墨： 在石墨晶体中，碳原子构成的最小环为平面型六元环在石墨晶体中，碳

29、原子构成的最小环为平面型六元环(与苯环相似与苯环相似)键角为键角为120，每个碳原子与相邻，每个碳原子与相邻 3 个碳原子构成正三角形，个碳原子构成正三角形，其中其中 n (C) : n(CC) = 1 : (31/2) = 2 : 3，每个碳原子被每个碳原子被 3 个六元个六元环共用，每个环共用，每个CC键被键被 2 个六元环共用。个六元环共用。令石墨中令石墨中CC键长为键长为 a ，层间距离为层间距离为 h ，由于每个正六棱柱分摊由于每个正六棱柱分摊的碳原子数为的碳原子数为121/6 = 2个个，可列：，可列： 1mol 6.021023 33a2 h 2 2密度密度 = 1mol12g/mol 将将a = 1.4210-10m = 1.4210-8cm， h = 3.35 10-8cm 代入上式解得代入上式解得 密度密度 = 2.27g/cm3 3. 二氧化硅晶体二氧化硅晶体 可以这样去理解可以这样去理解SiO2的结构，即在晶体硅中的的结构，即在晶体硅中的SiSi键间插入键间插入1 个个O 晶体中存在晶体中存在SiO4 四面体及四面体及OSiO折线，折线，OSiO = 10918，晶体中最小环为十二元环，由晶体中最小环为十二