2020高中化学 晶体的常识 分子晶体与原子晶体（提高）知识讲解学案 新人教版选修3

2020高中化学 晶体的常识 分子晶体与原子晶体（提高）知识讲解学案 新人教版选修3

晶体的常识 分子晶体与原子晶体 ‎【学习目标】‎ ‎1、初步了解晶体的知识，知道晶体与非晶体的本质差异，学会识别晶体与非晶体的结构示意图；‎ ‎2、知道晶胞的概念，了解晶胞与晶体的关系，学会通过分析晶胞得出晶体的组成；‎ ‎3、了解分子晶体和原子晶体的特征，能以典型的物质为例描述分子晶体和原子晶体的结构与性质的关系；‎ ‎4、知道分子晶体与原子晶体的结构粒子、粒子间作用力的区别。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、晶体与非晶体【高清课堂：分子晶体与原子晶体#晶体与非晶体】‎ ‎1、概念：‎ ‎①晶体：质点（分子、离子、原子）在空间有规则地排列成的、具有整齐外型、以多面体出现的固体物质。晶体具有的规则的几何外形源于组成晶体的微粒按一定规律周期性的重复排列。‎ ‎②非晶体：非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等。非晶体不具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质 要点诠释：晶体与非晶体的区分：‎ 晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。周期性是晶体结构最基本的特征。许多固体的粉末用肉眼是看不见晶体的，但我们可以借助于显微镜观察，这也证明固体粉末仍是晶体，只不过晶粒太小了。‎ 晶体的熔点较固定，而非晶体则没有固定的熔点。区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体，进行X—射线衍射实验，X射线透过晶体时发生衍射现象。‎ 特别注意：一种物质是否晶体，是由其内部结构决定的，而非由外观判断。‎ ‎2、分类：‎ ‎　‎ ‎3、晶体与非晶体的本质差异：‎ ‎　 ‎ 自范性 ‎ 微观结构 ‎ 晶体 ‎ 有（能自发呈现多面体外形） ‎ 原子在三维空间里呈周期性有序排列 ‎ 非晶体 ‎ 没有（不能自发呈现多面体外形） ‎ 原子排列相对无序 ‎ 说明：‎ ‎①自范性：晶体能自发性地呈现多面体外形的性质。所谓自范性即“自发”进行，但这里要注意，“自发”过程的实现仍需一定的条件。例如：水能自发地从高处流向低处，但若不打开拦截水流的闸门，水库里的水不能下泻；‎ ‎②晶体自范性的条件之一：生长速率适当；‎ ‎③晶体自范性的本质:是晶体中粒子微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。‎ ‎4、晶体形成的途径：‎ ‎①熔融态物质凝固，例：熔融态的二氧化硅，快速冷却得到玛瑙，而缓慢冷却得到水晶。‎ ‎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。‎ 8‎ ‎5、晶体的特性：‎ ‎①有规则的几何外形；‎ ‎②有固定的熔沸点；‎ ‎③各向异性（强度、导热性、光学性质等）；‎ ‎　说明：因研究角度不同而产生差异，即为各向异性。‎ ‎　例如：蓝晶石（Al2O3·SiO2）在不同方向上的硬度不同；‎ ‎　　　　石墨在与层垂直的方向上的导电率是层平行的方向上的导电率1/104。‎ ‎④自发的形成多面体外形；‎ ‎⑤有特定的对称性；‎ ‎⑥使X射线产生衍射。‎ 要点二、晶胞【高清课堂：分子晶体与原子晶体#晶胞】‎ ‎1、定义：晶体中重复出现的最基本的结构单元。‎ 晶体可看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成，所谓“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙，所谓“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。‎ 说明：划分晶胞要遵循2个原则：一是尽可能反应晶体内部结构的对称性，二是尽可能小。‎ ‎2、三种典型的立方晶体结构：‎ ‎　　　　　　　‎ 说明：晶胞的顶角原子是8个晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4个晶胞共用的，晶胞面上的原子是2个晶胞共用的。‎ ‎3、晶胞中原子个数的计算：‎ 位于晶胞顶点的微粒，实际提供给晶胞的只有1/8；‎ 位于晶胞棱边的微粒，实际提供给晶胞的只有1/4；‎ 位于晶胞面心的微粒，实际提供给晶胞的只有1/2；‎ 位于晶胞中心的微粒，实际提供给晶胞的只有1。‎ 要点三、晶胞中原子个数的计算：‎ 在一个晶胞结构中出现的多个原子，这些原子并不是只为这个晶胞所独立占有，而是为多个晶胞所共有，那么，在一个晶胞结构中出现的每个原子，这个晶体能分摊到多少比例，这就是分摊法。分摊法的根本目的是算出一个晶胞单独占有的各类原子的个数。‎ 8‎ 分摊法的根本原则是：晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x。在立体晶胞中，原子可以位于它的顶点，也可以位于它的棱上，还可以在它的面上（不含棱），当然，它的体内也可以有原子。每个顶点被8个晶胞共有，所以晶胞对自己顶点上的每个原子只占1/8份额；每条棱被4个晶胞共有，所以晶胞对自己棱上的每个原子只占1/4份额；每个面被2个晶胞共有，所以晶胞对自己面上（不含棱）的每个原子只占1/2份额；晶胞体内的原子不与其他晶胞分享，完全属于该晶胞。‎ ‎①每个晶胞涉及A原子数目m个，每个A原子为n个晶胞共有，则每个晶胞占有A原子：m×1/n。‎ ‎②计算方法 位置 ‎ 顶点 ‎ 棱边 ‎ 面心 ‎ 体心 ‎ 贡献 ‎ ‎1/8 ‎ ‎1/4 ‎ ‎1/2 ‎ ‎1 ‎ 要点四、判断晶体类型的依据：‎ ‎(1)看构成晶体的微粒种类及微粒间的相互作用 对于分子晶体,构成晶体的微粒是分子，微粒间的相互作用是分子间作用力；‎ 对于原子晶体，构成晶体的微粒是原子，微粒间的相互作用是共价键。‎ ‎(2)看物质的物理性质(如：熔、沸点或硬度等)‎ 一般情况下，不同类晶体熔点高低顺序是：原子晶体>分子晶体。原子晶体比分子晶体的熔沸点高得多。‎ ‎(3)依据物质的分类判断 金属氧化物（如K2O、Na2O2等）、强碱（如NaCl、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。常见的原子晶体单质有金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等；常见的原子晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等。金属单质（除汞外）与合金都是金属晶体。‎ 要点五、晶体熔、沸点比较规律：‎ ‎（1）不同晶体类型的物质：原子晶体>分子晶体；‎ ‎（2）同一晶体类型的物质，需比较晶体内部粒子间的作用力，作用力越大，熔沸点越高。‎ 原子晶体：要比较共价键的强弱，一般地说，原子半径越小，形成共价键的键长越短，键能越大，其晶体熔沸点越高，如熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。‎ 分子晶体：分子组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高，‎ ‎　　　如熔沸点：O2>N2、HI>HBr>HCl。‎ ‎　　　组成结构不相似的物质，分子的极性越大，其熔沸点就越高， 如熔沸点：CO>N2。‎ 由上述可知，同类晶体熔沸点比较思路为：原子晶体→共价键键能→键长→原子半径、分子晶体→分子间作用力→相对分子质量。‎ 要点六、分子晶体【高清课堂：分子晶体与原子晶体#分子晶体】‎ ‎1、定义：‎ 含分子的晶体称为分子晶体，也就是说，分子间以分子间作用力相结合的晶体叫做分子晶体。‎ 例：干冰晶体中只含有CO2分子，碘晶体中只含有I2分子。‎ ‎2、构成微粒：分子。‎ ‎3、微粒间的作用力：分子间作用力——范德华力和氢键 一般来说，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，物质的熔沸点就越高。但是有些氢化物的熔点和沸点的递变不完全符合此规律。例如： H2O的沸点就出现反常。因为H2O分子之间的主要作用力是氢键（当然也存在范德华力）。‎ 氢键形成的过程：‎ ‎①氢键形成的条件：半径小，吸引电子能力强的原子（N、O、F）与H原子；‎ ‎②氢键的定义：半径小、吸引电子能力强的原子与H原子之间的静电吸引作用。氢键可看作是一种比较强的分子间作用力；‎ 8‎ ‎③氢键对物质性质的影响：氢键使物质的熔沸点升高。如H2O、HF、NH3的沸点出现反常现象。‎ ‎4、较典型的分子晶体：‎ ‎①所有非金属氢化物，如水、硫化氢、氨、氯化氢、甲烷等；‎ ‎②部分非金属单质，如卤素X2、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)等；‎ ‎③部分非金属氧化物，如CO2、P4O6、P4O10、SO2等；‎ ‎④几乎所有的酸；‎ ‎⑤绝大多数有机物的晶体。‎ ‎5、分子晶体的物理特性：‎ 熔沸点较低、易升华、硬度小。一般都是绝缘体，固态和熔融状态都不导电。‎ ‎6、分子晶体的结构特点：‎ ‎①对于大多数分子晶体结构，如果分子间作用力只是范德华力。以一个分子为中心，其周围通常可以有几个紧邻的分子。如O2、C60，把这一特征叫做分子紧密堆积。‎ ‎　　　　　　 ‎ 实例：干冰的晶体结构晶胞模型。‎ 干冰晶体中CO2分子之间只存在分子间作用力不存在氢键，因此干冰中CO2分子紧密堆积。每个CO2分子周围，最近且等距离的CO2分子数目有12个。‎ 一个CO2分子处于三个相互垂直的面的中心，在每个面上，处于四个对角线上各有一个CO2分子，所以每个CO2分子周围最近且等距离的CO2分子数目是12个。‎ ‎②分子间除范德华力外还有其他作用力（如氢键），如果分子间存在着氢键，分子就不会采取紧密堆积的方式。‎ 实例：冰的晶体结构。‎ 在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，形成正四面体。氢键不是化学键，比共价键弱得多却跟共价键一样具有方向性，而氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子的相互吸引，这一排列使冰晶体中空间利用率不高，皆有相当大的空隙，使得冰的密度减小。‎ 说明：分子的密度取决于晶体的体积，取决于紧密堆积程度，分子晶体的紧密堆积由两个因素决定：范德华力和分子间氢键。‎ 要点七、原子晶体：【高清课堂：分子晶体与原子晶体#原子晶体】‎ ‎1、定义：相邻原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体。‎ ‎2、构成微粒：原子。‎ 8‎ ‎3、微粒间的作用力：共价键。‎ ‎4、原子晶体的物理性质：‎ 熔、沸点很高，硬度很大；难溶于一般的溶剂；不导电。‎ ‎5、常见的原子晶体：‎ ‎①某些非金属单质，如硼(B)、硅(Si)、锗(Ge)等；‎ ‎②某些非金属化合物，如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等；‎ ‎③某些氧化物，如氧化铝(Al2O3)等。‎ 小结：‎ ‎①原子晶体可以为单质，也可是化合物；‎ ‎②原子晶体中微粒间的作用力为较强的共价键；‎ ‎③由于原子晶体中，原子间用较强的共价键相结合，因而熔、沸点很高、硬度很大，并难溶于溶剂；‎ ‎④原子晶体中，原子按一定规律在空间排列（见课本金刚石晶体结构示意图）；‎ ‎⑤原子晶体熔点的比较，其实质为键能的比较，可视为成键的两原子核间距离的比较，即键长的比较；‎ ‎⑥原子晶体中不存在单个分子，原子晶体的化学式不代表其分子式。‎ ‎6、典型的原子晶体——金刚石 ‎①金刚石中每个C原子以sp3杂化，每个碳原子被相邻的4个碳原子包围，以σ键跟4个碳原子相连，形成四面体。这些四面体向空间发展，构成一个坚实的、彼此联结的空间网状晶体。每个 C-C键长相等，键角均为109°28′‎ ‎②晶体中最小环由6个C组成且不共平面。1个环中平均含有6×1/12=1/2个C原子，含C-C键数为6×1/6=1；‎ 注意：石墨虽和金刚石都是由碳原子形成的单质,但石墨是一种混合型晶体。层内存在共价键,层间以分子间作用力结合,兼具有原子晶体、分子晶体的特征。层内，每个碳原子与其他3个碳原子形成C-C键，构成正六边形，键角为120°，形成平面网状结构，因此，石墨的熔点很高；但在层与层之间以分子间作用力结合，容易滑动，因此石墨的硬度很小。‎ 要点诠释：各类晶体主要特征 分子晶体 ‎ 原子晶体 ‎ 构成晶体微粒 ‎ 分子 ‎ 原子 ‎ 形成晶体的作用力 ‎ 分子间作用力 ‎ 共价键 ‎ 物理性质 熔沸点 ‎ 较低 ‎ 很高 ‎ 硬度 ‎ 较小 ‎ 较大 ‎ 导电性 ‎ 固态和熔融状态都不导电 ‎ 不导电 ‎ 溶解性 ‎ 相似相溶 ‎ 难溶于常见溶剂 ‎ 典型实例 ‎ P4、干冰、硫 ‎ 金刚石、二氧化硅 ‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：晶体与非晶体的区分 例题1 关于晶体和非晶体的说法不正确的是（ ） ‎ 8‎ A、晶体和非晶体的最大区别在于物质内部的微粒能否有序地规则排列 ‎ B、晶体在合适条件下可以自发生成规则的几何外形，非晶体从液态冷却时转变为无定形体 ‎ C、晶体在不同方向上表现不同的物性质，非晶体物理性质一般不随方向的变化而改变。‎ D、晶体内部微粒长程有序且重复排列，非晶体内部长程无序、短程无序。 ‎ ‎【思路点拨】本题考查晶体与非晶体的区别，注意对基本概念的理解。‎ ‎【答案】D ‎【解析】非晶体内部微粒长程无序，短程有序，D说法不正确。‎ ‎【总结升华】晶体粒子在微观空间里的排列与结构的有序性，使晶体表现出许多与非晶体不同的性质。如熔点、强度、导热性、光学性质等。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列物质有固定熔、沸点的是　 （　 ）‎ A、CuSO4溶液　　　 B、石蜡　　　　 C、玻璃　　　　 D、白磷 ‎【答案】D ‎【解析】BC是非晶体，A是混合物。‎ ‎【变式2】晶体与非晶体的严格判别可采用 (　)‎ A、有否自范性　　B、有否各向同性　　C、有否固定熔点 　　D、有否周期性结构 ‎【答案】D ‎【解析】晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的粒子在微观空间是否有序排列。‎ 类型二：判断晶体类型的依据 例题2 下列晶体由原子直接构成，且属于分子晶体的是(　 )‎ A、固态氢　　　B、固态氖　 　　C、磷　 　　　D、三氧化硫 ‎【思路点拨】考查分子晶体的判断方法。‎ ‎【答案】B ‎【解析】四种物质都是分子晶体，构成分子晶体的微粒是分子，其中氖称为单原子分子。‎ ‎【总结升华】判断晶体类型的方法有很多，可根据物质的分类判断，可根据构成晶体的微粒判断等，另外要记忆常见物质的晶体类型。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】氮化硼很难熔化，加热至‎3000℃‎方可熔化，下列对氮化硼的叙述，不正确的是（　）‎ A、氮化硼是分子晶体　　　　　　 B、氮化硼是原子晶体 C、氮化硼是离子晶体　　　　　　 D、化学式为BN ‎【答案】AC ‎ ‎ 类型三：晶胞与晶体的关系 例题3 如下图表示一些晶体中的某些结构，它们分别是NaCl、CsCl、干冰、金刚石、石墨结构中的某一种的某一部分：‎ 8‎ ‎ (1)代表金刚石的是__________（填字母，下同），其中每个碳原子与__________个碳原子最接近且距离相等。金刚石属于__________晶体。‎ ‎（2）代表石墨的是__________，每个正六边形占有的碳原子数平均为__________个。‎ ‎（3）代表NaCl的是__________，每个Na+周围与它最接近且距离相等的Na+有__________个。‎ ‎（4）代表CsCl的是__________，它属于__________晶体，每个Cs+与__________个Cl-紧邻。‎ ‎（5）代表干冰的是__________,它属于__________晶体，每个CO2分子与__________个CO2分子紧邻。‎ ‎【思路点拨】 解答这类习题，通常采用分摊法。‎ ‎【答案】（1）D　4　原子　（2）E　2　（3）A　12　（4）C　离子　8　（5）B　分子　12 ‎【解析】根据不同物质晶体的结构特点来辨别图形所代表的物质。NaCl晶胞是简单的立方单元，每个Na+与6个Cl-紧邻，每个Cl-又与6个Na+紧邻，但观察Na+与最近且等距离的Na+数时要抛开Cl-，从间结构上看是12个Na+，即x轴面上、y轴面上、z轴面上各4个。CsCl晶体由Cs+、Cl-构成体心立方结构。干冰也是立方体结构，但在立方体每个正方形面的中央都有一个CO2分子，称为“面心立方”。所以每个CO2分子在三维空间里x、y、z三个面各紧邻4个CO2，共12个CO2分子，金刚石的基本单元是正四面体，每个碳原子紧邻4个其他碳原子。石墨的片层由正六边形结构组成，每个碳原子紧邻3个碳原子，即每个六边形占有1个碳原子的1/3，所以大的结构中每个六边形占有的碳原子数是6×1/3=2个。‎ ‎【总结升华】晶体结构、晶胞对质点的占有率类习题，最常见的题型就是已知晶胞的结构而求晶体的化学式。解答这类习题首先要明确一个概念：由晶胞构成的晶体，其化学式不一定是表示一个分子中含有多少个原子，而是表示每个晶胞中平均含有各类原子的个数，即各类原子的最简个数比。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】如右图，石墨晶体结构的每一层里平均每个最小的正六边形占有碳原子数目为（　 ）‎ A、2　‎ B、3‎ C、4‎ D、6‎ ‎【答案】A ‎【解析】每个C原子被3个正六边形所共用，所以每个正六边形占有6个1/3的C原子。‎ ‎【变式2】某物质的晶体中含A、B、C三种元素，其排列方式如图所示(其中前后两面心上的B原子未能画出)，晶体中A、B、C的原子个数之比依次为(　)‎ A、1:3:1　 　B、2:3:‎1　‎　　C、2:2:1　 　　D、1:3:3‎ ‎【答案】A 8‎ ‎【解析】A原子是8个1/8，B原子是6个1/2，C原子是1.‎ 类型四：晶体熔、沸点的比较规律 例题4据报道，科研人员应用电子计算机模拟出类似C60的物质N60，试推测下列有关N60的说法正确的是（　　）‎ A、N60易溶于水 B、N60是一种原子晶体，有较高熔点和硬度 C、N60的熔点高于N2‎ D、N60的稳定性低于N2‎ ‎【思路点拨】不同晶体类型的熔沸点取决因素不同，熔沸点的高低有一定差异。‎ ‎【答案】CD ‎【解析】本题是综合考查晶体的组成结构、性质以及化学键知识的综合信息题。‎ N60是一种单质，无极性，不易溶于极性溶剂水中，所以A错误。根据N60这种写法，即表明60个N原子形成N60分子，它应是分子晶体，分子晶体相对分子质量越大，熔沸点越高。所以B错误，C正确。N2以“N≡N”结合，N60只存在“N—N”，“N≡N”比“N—N”牢固得多，所以D正确。‎ ‎【总结升华】本节所学两种晶体：分子晶体和原子晶体，熔沸点高低差异很大。分子晶体熔沸点高低取决于分子间作用力，绝大多数分子晶体中的分子间作用力只是范德华力，少数分子晶体中还存在氢键。分子间作用力较小，分子晶体熔沸点较低。而原子晶体中微粒间的作用力是较强的共价键，因此熔沸点很高；成键原子半径越小，键长越短，键能越大，原子晶体的熔沸点越高。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】碳化硅的一种晶体（SiC）具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。下列三种晶体：① 金刚石 ②晶体硅 ③ 碳化硅中，它们的熔点由高到低的顺序是 ‎ A、① ③ ②　　　B、② ③ ① 　　C、③ ① ②　 　D、② ① ③　 ‎ ‎【答案】A ‎【解析】在原子晶体中，原子半径越小、键长越短、键能越大，熔、沸点越高。题目中所给的信息是有关SiC的结构知识，比较碳原子和硅原子的半径，应得出Si－Si键的键长比Si－C键的键长长，Si－C键比C－C键的键长长，所以键能由高到低的顺序应该是：C－C键>C－Si键>Si－Si键，由此可推出熔点由高到低的顺序是：① ③ ②‎ ‎【变式2】已知BBr3的熔点是－‎46℃‎，KBr的熔点是‎734℃‎，试估计它们各属于哪一类晶体。‎ ‎【答案】BBr3是分子晶体，KBr是离子晶体。‎ ‎【解析】BBr3是由非金属元素组成的，属于共价化合物，由于BBr3的熔点为－‎46℃‎，熔点很低，所以BBr3在固态时是以分子间作用力形成的晶体。KBr是由活泼金属和活泼非金属元素组成的化合物，熔点相对较高，所以KBr属于离子晶体。‎ 8‎