第3章晶体结构与性质（知识清单）高二化学必备单元知识清单与测试（沪科版2020选择性必修2）

第三章晶体结构与性质【单元知识框架】【单元知识清单】考点1晶体简介物质的聚集状态1.物质三态间的相互转化【注】①物质的三态变化是物理变化，变化时，克服分子间作用力或者破坏化学键，但不会有新的化学键形成。②凝固、凝华和液化的过程均放出热量，融化、升华和汽化的过程均吸收热量，但它们都不属于反应热。2．物质的聚集状态物质的聚集状态除了气态、液态、固态外，还有更多的聚集状态如晶态、非晶态以及介乎二者之间的塑晶态、液晶态等。【拓展】①概念：由电子、正离子和电中性粒子（分子或原子）组成的整体上电中性的气态物质。②是一种特殊的气体，存在于我们周围。③存在：日光灯和霓虹灯的灯管里、蜡烛火焰里、极光和雷电里。2.液晶：介于液态和晶态之间的物质状态。晶体与非晶体把内部微粒（原子、离子或分子）在三维空间里呈周期性有序排列的固体物质称为晶体。常见晶体有食盐、冰、铁、铜等。根据构成晶体的粒子和粒子间作用力的不同，晶体可分为离子晶体、共价晶体、分子晶体和金属晶体。把内部微粒（原子、离子或分子）排列呈相对无序状态的固体物质呈非晶体。常见到的非晶体有玻璃、橡胶、炭黑等。自范性微观结构晶体有原子在三维空间里呈周期性有序排列非晶体没有原子排列相对无序【注】宏观上区别晶体和非晶体的依据是固体有无规则的几何外形，而规则的集合外形是微粒结晶时自发形成的，并非人为加工雕琢。(1)自范性①定义：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。②形成条件：晶体生长的速率适当。③本质原因：晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列。(2)各向异性：晶体的某些物理性质在不同方向上的差异。(3)晶体有固定的熔点。(4)外形和内部质点排列的高度有序性。(5)X射线衍射：晶体能使X射线衍射，而非晶体对X射线只能产生散射。【注】非晶体排列相对无序，无自范性、无各向异性、无固定熔点。5.获得晶体的途径(1)熔融态物质凝固。①凝固速率适当，可得到规则晶体。②凝固速率过快，得到没有规则外形的块状固体或看不到多面体外形粉末。(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。晶胞 1．概念：晶胞是描述晶体结构的基本单元。晶胞是晶体中最小的重复结构单元。2．结构：常规的晶胞都是平行六面体，晶体可以看作是数量巨大的晶胞无隙并置而成。(1)“无隙”：相邻晶胞之间没有任何间隙。(2)“并置”：所有晶胞都是平行排列的，取向相同。(3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。3．晶胞中粒子数目的计算(1)平行六面体(立方体形)晶胞中粒子数目的计算。①晶胞的顶角原子是8个晶胞共用；②晶胞棱上的原子是4个晶胞共用；③晶胞面上的原子是2个晶胞共用。如金属铜的一个晶胞(如图所示)均摊到的原子数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4。(2)几种晶胞中原子数目的确定。结合下图，钠、锌、碘、金刚石晶胞中含有原子的数目分别为2、2、8、8。钠、锌、碘、金刚石晶胞示意图【拓展】常见晶胞结构体心立方体心立方简单立方面心立方【注】①不是所有晶胞都是平行六面体，有的晶胞呈六棱柱形。②由晶胞构成的晶体，其化学式不表示一个分子中原子的数目，只表示每个晶胞中各类原子的最简整数比。晶胞计算1、面心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。微粒数为：2、体心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。微粒数为：四、晶体结构的测定1．测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪。在X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，会在记录仪上产生分立的斑点或明锐的衍射峰。2．由衍射图形获得晶体结构的信息包括晶胞形状和大小、分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等。【总结】 晶体与非晶体的比较晶体非晶体微观结构特征粒子周期性有序排列粒子排列相对无序性质特征自范性有无熔点固定不固定各向异性有无鉴别方法间接方法看是否具有固定的熔点或根据某些物理性质的各向异性科学方法对固体进行X－射线衍射实验举例NaCl、I2、SiO2、Na晶体等玻璃、橡胶等【注】关于晶体与非晶体的认识误区1同一物质可以是晶体，也可以是非晶体，如晶体SiO2和非晶体SiO2。2有着规则几何外形或者美观、对称外形的固体，不一定是晶体。例如，玻璃制品可以塑造出规则的几何外形，也可以具有美观对称的外观。3具有固定组成的物质也不一定是晶体，如某些无定形体也有固定的组成。4晶体不一定都有规则的几何外形，如玛瑙。考点2金属晶体金属键1．定义：在金属单质晶体中原子之间以金属正离子与自由电子之间强烈的相互作用。2．成键粒子：金属正离子和自由电子。3．成键条件：金属单质或合金。4．成键本质电子气理论：金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所有金属原子维系在一起，形成像共价晶体一样的“巨分子”。5.特征：自由电子不属于某个特定的金属正离子，即每个金属正离子均可享有所有的自由电子，但都不可能独占某个或某几个自由电子在整块金属中自由移动。金属键既没有方向性，也没有饱和性。6.金属键的强弱比较一般来说，金属键的强弱主要取决于金属元素原子的半径和价电子数。原子半径越大，价电子数越少，金属键越弱；原子半径越小，价电子数越多，金属键越强。7.金属键对物质性质的影响①金属键越强，晶体的熔、沸点越高。②金属键越强，晶体的硬度越大。金属晶体1．通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的单质晶体，叫做金属晶体。【注】①在金属晶体中有正离子，但没有负离子，所以，晶体中有正离子不一定有负离子，若有负离子，则一定有正离子。②金属单质或合金的晶体（晶体锗、灰锡除外）属于金属晶体。③金属晶体与共价晶体一样。是一种“巨分子”。2．用电子气理论解释金属的物理性质3．金属晶体的性质(1)金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性。(2)熔、沸点：金属键越强，熔、沸点越高。①同周期金属单质，从左到右(如Na、Mg、Al)熔、沸点升高。②同主族金属单质，从上到下(如碱金属)熔、沸点降低。③合金的熔、沸点一般比其各成分金属的熔、沸点低。④金属晶体熔点差别很大，如汞常温下为液体，熔点很低；而铁常温下为固体，熔点很高。考点3分子晶体分子晶体1．概念：只含分子的晶体。2．粒子间的作用分子晶体中相邻的分子间以分子间作用力相互吸引。3．常见分子晶体及物质类别物质种类实例所有非金属氢化物H2O、NH3、CH4等部分非金属单质卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等部分非金属氧化物CO2、P4O10、SO2、SO3等几乎所有的酸HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等绝大多数有机物苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等【注】稀有气体为的分子为单原子分子，因此，有稀有气体单质形成的晶体也是分子晶体。4．物理特性(1)分子晶体的熔、沸点较低，密度较小，硬度较小，较易熔化和挥发，部分分子晶体易升华，（如干冰、碘、红磷等）。(2)一般是绝缘体。分子晶体在固态和熔融状态下均不存在自由移动的离子或自由电子，因而分子晶体在固态和熔融状态下都不能导电。有些分子晶体的水溶液能导电，如HI、乙酸等。(3)溶解性符合“相似相溶规律”。【注】分子晶体熔、沸点高低的比较规律①分子晶体中分子间作用力越大，物质熔、沸点越高，反之越低。②具有氢键的分子晶体，熔、沸点反常高。5.分子晶体的常见堆积方式分子间作用力堆积方式实例范德华力分子采用密堆积，每个分子周围有12个紧邻的分子如C60、干冰、I2、O2范德华力、氢键分子不采用密堆积，每个分子周围紧邻的分子少于12个如HF、NH3、冰6.常见分子晶体的结构分析(1)冰①水分子之间的主要作用力是氢键，当然也存在范德华力。②氢键有方向性，它的存在迫使在四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子互相吸引。(2)干冰①干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键。②每个晶胞中有4个CO2分子，12个原子。每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为12个。【注】冰晶体中，每个水分子与其他4个水分子形成氢键，每个水分子平均形成2个氢键（每个氢键由2个水分子均摊，故4×=2）考点4离子晶体离子晶体1．离子键(1)构成粒子：正离子和负离子。(2)作用力：离子键。(3)特征：没有饱和性和方向性。(4)形成条件：一般应满足两种元素的电负性之差大于，即活泼的金属元素和活泼的非金属元素。(5)配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。2.离子晶体(1)常见离子晶体 一般来说，含金属或NH4+的晶体，但AlCl3为分子晶体。【注】①离子晶体中一定含有离子键，可能含有共价键和氢键等，如CuSO4·H2O。②离子晶体中，每个阴（阳）离子周围排列的带相反电荷的离子的数目是固定的，不是任意的。(2)离子晶体的性质性质原因熔、沸点离子晶体中有较强的离子键，熔化或汽化时需消耗较多的能量。所以离子晶体有较高的熔点、沸点和难挥发性。通常情况下，同种类型的离子晶体，离子半径越小，离子键越强，熔、沸点越高硬度硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎导电性不导电，但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中，离子键较强，阴、正离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、正离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外加电场的作用下，离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时，阴、正离子受到水分子的作用成了自由移动的离子(或水合离子)，在外加电场的作用下，阴、正离子定向移动而导电溶解性大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)中，难溶于非极性溶剂(如汽油、苯、CCl4)中。当把离子晶体放入水中时，水分子对离子晶体中的离子产生吸引，使离子晶体中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体，变成在水中自由移动的离子延展性离子晶体中阴、正离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离子晶体无延展性【注】①离子晶体的熔、沸点和硬度与离子键的强弱有关，离子键越强，离子晶体的熔沸点越高，硬度越大。②离子键的强弱与离子半径和离子所带电荷数有关，离子半径越小，离子所带的电荷数越多，离子键越强。【拓展】常见的离子晶体晶体类型NaClCsCl晶胞正离子的配位数68负离子的配位数68晶胞中所含离子数Cl－4Na＋4Cs＋1Cl－1过度晶体和混合型晶体1．过渡晶体(1)四类典型的晶体是指分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体。(2)过渡晶体：介于典型晶体之间的晶体。①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数氧化物Na2OMgOAl2O3SiO2离子键的百分数/%62504133从上表可知，表中4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、SiO2等。【注】四类典型晶体都有过渡晶体存在。2．混合型晶体(1)晶体模型石墨结构中未参与杂化的p轨道(2)结构特点——层状结构①同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结构。②石墨是层状结构的，层与层之间不存在化学键，是靠范德华力维系。③石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。(3)晶体类型：石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。(4)性质：熔点很高、质软、易导电等。【拓展】①由于碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动，所以石墨具有良好的导电性。②石墨晶体中碳原子数与共价键数的关系：每个六元环中含有C—C键数为=3每个六元环中含有C原子数为=2(5)混合型晶体的概念向石墨这样的晶体，既有共价键，又有范德华力，同时存在类似金属键的作用力，兼具有共价晶体、分子晶体、金属晶体特征的晶体叫混合型晶体。考点5共价晶体共价晶体1.定义：所有原子都以共价键相互结合形成共价键三维骨架结构的晶体叫共价晶体。2.构成微粒及微粒间的作用力 共价晶体eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(构成粒子：原子,粒子间作用力：共价键)) 【注】①共价晶体中不存在单个分子，因此，共价晶体的化学式不代表其实际组成，只表示其组成的原子个数比。②共价晶体融化时被破坏的作用力是共价键。③共价晶体中只有共价键，但含有共价键的晶体不一定是共价晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。3.常见的共价晶体物质种类实例某些非金属单质晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等某些非金属化合物碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)等某些氧化物二氧化硅(SiO2)等4.共价晶体的物理性质 (1)熔点很高。共价晶体中，原子间以较强的共价键结合，融化时破坏共价键，需要很高的能量。(2)硬度很大。共价键三维骨架结构决定了共价晶体的硬度，如金刚石是天然存在的最硬的物质。(3)一般不导电，但晶体硅、锗是半导体。(4)难溶于一般的溶剂。【注】结构相似的共价晶体，其原子半径越小，键长越短，键能越大，键越稳定，共价晶体的熔点越高，硬度越大。5.典型的共价晶体 (1)金刚石①碳原子采取sp3杂化，C—C—C夹角为109°28′。②每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构。③最小碳环由6个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。④晶体中每个碳原子都参与了4条C—C的形成，在每条键中的贡献只有一半，故晶体中碳原子数目之比为1：2。(2)二氧化硅晶体①二氧化硅的结构二氧化硅是自然界含量最高的固态二元氧化物，有多种结构，最常见的是低温石英(α­SiO2)。低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，没有封闭的环状结构，这一结构决定了它具有手性。石英晶体中的硅氧四面体石英的左、右型晶体相连构成的螺旋链①Si原