晶体结构与性质复习

1、晶体结构与性质复习一、分子晶体(1)分子紧密堆积：分子间作用力只是范德华力，以一个分子为中心，其周围通常可以有12个紧邻的分子。如O2、CO2、C60；(2)分子非紧密堆积：分子间除范德华力外还有其它作用力（如氢键），分子晶体堆积要少于12个。如在冰的晶体中，每个水分子与四面体顶角方向的4个紧邻的水分子相互吸引构成冰的晶体，其空间利用率不高，使得冰的密度减小。干冰晶体干冰晶体中每8个CO2构成立方体且再在6个面的中心又各占据1个CO2。在每个CO2周围等距离（a/2，a为立方体棱长）最近的CO2有12个（同层4个、上层4个、下层4）。CO2分子晶体的晶胞中，其中平均含有 4 个分子；在晶体中截

2、取一个最小的正方形；使正方形的四个顶点都落到CO2分子的中心，则在这个正方形的平面上有_ 4 个CO2分子；干冰晶体每个CO2分子周围距离相等且最近的CO2分子数目为 12 ；干冰是CO2晶体，分之间存在范德华力；性质特点：熔点低，易升华，工业上用作制冷剂。冰晶体冰晶体中每个水分子周围只有 4 个紧邻的水分子，呈正四面体形；构成冰晶体的主要作用力是氢键(也存在范德华力)，是分子晶体；特点：40C密度最大，水的分解温度远高于其沸点；1molH2O分子中含有的共价键数目为_2 NA _；1molH2O分子中含有的氢键数目为_2 NA _；冰晶体中，一个H2O分子周围有的4个氢键；从结构的角度分析“

3、固态水(冰)水水蒸气氢气和氧气”的变化，在变化的各阶段被破坏的粒子间的主要相互作用依次是氢键、氢键、极性共价键。为什么水在40C时的密度最大？当冰刚刚融化成液态水时，热运动使冰的结构部分解体，水分子的空隙减小，密度增大。超过40C时，由于热运动加剧，分子间距离加大，密度逐渐减小，所以40C时水的密度最大。为什么冰的密度小于干冰？干冰晶体内只存在范德华力,一个分子周围有12个紧邻分子,形成分子密堆积。在冰晶体中分子间作用力主要是氢键,一个水分子周围只有4个紧邻的水分子,形成分子非密堆积。所以干冰的密度大于冰的密度。白磷分子的结构白磷（P4）分子的结构是一个正四面体，其中每个P原子均以三个共价键与

4、另外三个P原子相结合，P-P键之间的夹角为600。白磷缓慢氧化或在不充分的空气中燃烧时，P-P键断开而嵌入一个氧原子，就生成了分子式为P4O6的磷的低价氧化物。在这种氧化物分子中每个磷原子还有一对孤对电子，可以在继续氧化中结合4个氧原子而生成分子式为P4O10的磷的高价氧化物。Cn的结构(1)中有五边形和六边形，每个五边形占有的碳原子数应为5/3个,而每个六边形占有的碳原子数为2个。(2)关于棱数，由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键）。而每个键却又是两个碳原子所共有，因此棱数n×3×(1/2)(3)单、双键数的求法： 单键数+双键数总棱边数 单键数2

5、15;双键数（即单键数为双键数的2倍）(4)五边形及六边形数目的求法：设五边形为a个，六边形为b个，则有：5a/3+2×bn，n+ (a + b)3n/22(欧拉定理：顶点数+面数棱边数2)a、 b由两式联立方程组求解可得。注意：分子晶体与化学键：分子晶体中一定存在范德华力，不一定存在化学键；除稀有气体构成的晶体外，一般分子晶体中分子间存在的作用力是范德华力，部分有氢键。二、原子晶体常见的原子晶体：某些非金属单质：金刚石（C）、晶体硅(Si)、晶体硼（B）、晶体锗(Ge)等；某些非金属化合物：碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体；某些氧化物：二氧化硅（SiO2）晶体。金刚石金刚石

6、晶体是一种空间网状结构每个C与另4个C以共价键结合，前者位于正四面体顶点。晶体中所有C-C键长相等、键角相等（均为109028）；晶体中最小碳环由6个C组成且六者不在同一平面内；晶体中每个C参与了4个C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子个数与C-C键数之比为(4×1/2)412。在金刚石晶体中，每个碳与 4 个碳成键，形成空间结构是正四面体形；晶体中最小碳环由 6 个C原子组成，它们不在同一平面内上；在金刚石晶体中，碳原子个数与CC键数之比为 12 ；晶体中每个碳原子参与了 4 条CC键的形成；12g金刚石中CC键数为_2 NA _；每个碳原子上任意两个CC键间的夹角

7、是 109028；12g金刚石含最小六元环的数目为_0.5 NA _；二氧化硅SiO2中每个Si与4个O结合，前者在正四面体的中心，后者在正四面体的顶点；同时每个O被两个正四面体所共用。每个正四面体占有一个完整的Si、四个“半O原子”，故晶体中Si原子与O原子个数比为1(4×1/2)12。在SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合4个O原子；同时，每个O原子跟2个Si原子相结合。实际上，SiO2晶体是由Si原子和O原子按12的比例所组成的立体网状的晶体。附：混合型-石墨的片层结构石墨晶体是一种混合晶体层内存在共价键，层间以范德华力结合，兼具有原子晶

8、体、分子晶体和金属晶体的特征和特性。在层内，每个C与3个C形成C-C键，构成正六边形，键长相等，键角相等（均为1200）；在晶体中，每个C参与3条C-C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故每个正六边形平均只占有6×1/32个C，C原子个数与C-C键数之比为23×(2/2)2：3。片层中平均每个六元环含碳原子数为6×1/32个；12g石墨中正六边形的数目为0.5 NA ；在片层结构中，碳原子数、CC键数、六元环数之比为231。三、离子晶体NaCl晶体NaCl晶体中Na+和Cl交替占据立方体的顶点而向空间延伸。(1)在每个Na+周围最近的等距离（设为a）的Cl有6

9、个（上、下、左、右、前、后），在每个Cl周围最近的等距离的Na+ 亦有6个；在每个Na+周围最近的等距离（必为a）的Na+有12个（同层4个、上层4个、下层4个），在每个Cl周围最近的等距离的Cl亦有12个。(2)在晶体结构中，每个晶胞由 8 个小立方体构成，每个小立方体的8个顶点分别由 4 个Na+、 4 个Cl相邻占据，每个小立方体含Na+ 0.5 个、含Cl0.5 个。故每个晶胞有NaCl微粒 4 个；(3)在晶体中，经过立方体的中心Na+的平面有三个，每个平面的四个顶点上的Na+都同晶体中与中心Na+最接近且距离相等。所以，在晶体中，每个Na+周围与它最接近的距离相等的Na+的个数共有

10、 12 个。同理，每个Cl周围与它最接近且距离相等的Cl的个数也有 12 个。CsCl晶体CsCl晶体是一种立方体结构每8个Cs+、8个Cl各自构成立方体，在每个立方体的中心有一个异种离子（Cl或Cs+）。在每个Cs+周围最近的等距离（设为a/2）的Cl有8个，在每个Cl周围最近的等距离的Cs+亦有8个；在每个Cs+周围最近的等距离（必为a）的Cs+有6个（上、下、左、右、前、后），在每个Cl周围最近的等距离的Cl亦有6个。(1)在晶体中，每个Cl吸引 8 个Cs+，每个Cs+吸引 8 个Cl，Cs+与Cl的个数比为 11；(2)每个基本结构单元中（小立方体）含Cl 1 个，含Cs+ 1 个；

11、(3)在晶体中，每Cs+周围与它最接近且距离相等的Cs+的个数共有 6 个。同理，每个Cl周围与它最接近的且距离相等的Cl共有 6 个。CaF2晶体(1)距离Ca2+最近且距离相等的F离子有 8 个； (2)距离F最近且距离相等的Ca2+离子有 4 个；(3)距离Ca2+最近且相等的Ca2+离子有 12 个； (4)每个晶胞含有离子数为Ca2+： 4 F： 8 ；(5)配位数为Ca2+： 8 F： 4 简单立方体心立方六方堆积面心立方四、金属晶体类 型 晶 胞代表金属PoNa、K、FeCu、Ag、AuMg、Zn、Ti配位数681212晶胞占有的原子数1242原子半径(r)与立方体边长为(a)的

12、关系相邻的球彼此接触r(原子)a/2体心对角线上的球彼此接触立方体面上对角线上的球彼接触不做计算要求。空间利用率52687474五、离子键与共价键、金属键的比较化学键比较离子键共价键金属键非极性键 极性键 配位键本 质阴、阳离子通过静电作用相邻原子间通过共用电子对与原子核间的静电作用金属阳离子与自由电子间的作用成键条件成键原子的得、失电子能力差别很大成键原子的得、失电子能力相同成键原子的得、失电子能力差别很小成键原子一方有孤电子对，另一方有空轨道同种金属或不同种金属(合金)特 征无方向性、无饱和性有方向性、有饱和性无方向性存 在离子化合物（离子晶体）离子化合物、共价化合物、单质离子化合物、共价

13、化合物离子化合物、配位化合物金属单质(金属晶体、合金)六、晶体熔、沸点比较规律1不同晶体类型的物质：原子晶体>离子晶体>分子晶体；金属晶体的熔、沸点有的很高，如钨、铂等，有的则很低，如汞、铯等。2同一晶体类型的物质，需比较晶体内部结构粒子间作用力，作用力越大，熔沸点越高。思路为：(1)原子晶体共价键键能键长原子半径；(2)分子晶体分子间作用力相对分子质量；(3)离子晶体离子键强弱离子电荷、离子半径。3常温常压下状态：(1)熔点：固体物质>液态物质；(2)沸点：液态物质>气态物质CaF2晶体金刚石晶体 石墨晶体 NaCl晶体 干冰晶体冰晶体 CsCl晶体 例1 C60是碳

14、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。请根据碳的成键方式计算C60分子中存在_条CC单键；_条C=C双键？例2 某离子晶体晶胞如图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心，试分析：（1）晶体中每个Y同时吸引着多少个X？每个X同时吸引着多少个Y？该晶体的化学式为_？（2）晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有多少个？（3）晶体中距离最近的2个X与1个Y形成的夹角XYX角度为多少？（4）该晶体的摩尔质量为Mg·mol-1，晶体密度为g·cm-3，阿伏加德罗常数为NA，则晶体中两个距离最近的X中心间的距离为多少？例3 （1）将NaCl的晶胞向三维空间

15、延伸就可得到完美晶体。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晶体中就存在如右图所示的缺陷：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。某氧化镍样品组成为Ni0.97O，试计算该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。【练习】1根据下表给出的几种物质的熔点、沸点数据判断说法中错误的是 ASiCl4是分子晶体BMgCl2

16、中键的强度比NaCl中键的强度小C单质R是原子晶体DAlCl3为离子晶体2经研究发现，有一种磷分子具有链状结构。结构如图所示。下列说法正确的是 A它是一种高分子化合物B它是一种极性分子，易溶于水C分子量是白磷的8倍D与白磷互为同素异形体二、非选择题3现有甲、乙、丙、丁四种晶胞（如图2-8所示），可推知：甲晶体中A与B的离子个数比为；乙晶体的化学式为；丙晶体的化学式为_；丁晶体的化学式为_。4钙-钛矿晶胞结构如图2-9所示。观察钙-钛矿晶胞结构，求该晶体中，钙、钛、氧的微粒个数比为多少？5晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体，其中含有20个等边三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角各有

17、一个硼原子，如图2-10所示，回答：（1）键角_；（2）晶体硼中的硼原子数_个；BB键_条？6在碳单质的成员中还有一种混合型晶体石墨，如图2-11所示。它是层状结构，层与层之间依靠作用力相结合。每层内部碳原子与碳原子之间靠作用力相结合，其键角。分析图中每个六边形含有个碳原子。7C70分子是形如椭球状的多面体，该结构的建立基于以下考虑：（1）C70分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键；（2）C70分子中只含有五边形和六边形；（3）多面体的顶点数、面数和棱边数的关系遵循欧拉定理：顶点数+面数-棱边数=2。根据以上所述确定：（1）C70分子中所含的单键数和双键数；（2）C70分子中的五边形

18、和六边形各有多少？8晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为晶胞。NaCl晶胞结构如图2-12所示。已知FexO晶体的晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，x的值小于1。测知FexO晶体密度为5.719·cm-3，晶胞边长为4.28×10-10m（铁原子量为55.9，氧原子量为16）。求：（1）FexO中x的值（精确至 0.01）。（2）晶体中的 Fe分别为Fe2+和Fe3+，在Fe2+和Fe3+的总数中，Fe2+所占分数为多少？（精确至0.001）。（3）写出此晶体的化学式。（4）描述Fe在此晶体中占据空隙的几何形状（即与O2-距离最近且等距离的铁离子围成的空间形状）。（5）在晶体中，铁元素的离子间最短距离为多少？ 答 案 一、选择题1D提示：一般来说晶体的熔沸点有如下规律：原子晶体离子晶体分子晶体，金属晶体有的高有的低。对于同种类型晶体的熔沸点则取决于微粒间的作用力。2D、E二、非选择题311 C2