鲁科高中化学选修3课件-第3章 物质的聚集状态与物质性质

(3)原子晶体： 原子晶体中的微粒间以 共价键结合进行堆积，由于共 价键具有 方向 性和 饱和性，就决定了一个原子周围的其他 原子的 数目是有限的，堆积方向也是一定的，这时晶体中 微粒堆积的紧密程度会大大降低。
三、晶体结构的基本单元——晶胞
1．概念
晶体结构中最小的重复 单元。
2．形状
同一晶体中的每个晶胞都是大小、形状完全相同的 平行六
面体。
3．晶胞中微粒数的求算——切割法
1
某晶胞中的微粒，如果被 n 个晶胞所共有，则微粒的 n 属
于该晶胞。
1．具有规则几何外形的固体一定是晶体吗？ 分析：不一定。具有规则的几何外形是晶体的一个外部 表现，其本质是固体内部的微粒在空间按一定规律做周 期性重复排列，否则也不是晶体，如玻璃。
2．为什么在金属晶体、离子晶体、分子晶体中各微粒尽量 采取紧密堆积的排列方式？ 分析：由于在金属晶体、离子晶体和分子晶体的结构中， 金属键、离子键和范德华力均无方向性，因此都趋向于 使原子、离子或分子吸引尽可能多的其他原子、离子或 分子分布于其周围，并以密堆积的方式降低体系的能量， 使晶体变得比较稳定。
一、晶体的特征 1．晶体的概念 内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做 周期性重复排列 构成的固体物质。 2．晶体的特征 有规则的几何外形 、自范性 、 各向异性 、对称性 以 及固定的 熔点 。
4．非晶体的概念 内部原子或分子的排列呈现杂乱无章 的分布状态的固 体，称为非晶体。 二、晶体结构的堆积模型 1．等径圆球的密堆积 (1)列——等径圆球同一列上进行紧密堆积的方式只有 一种，即所有的圆球都在 一条直线 上排列。 (2)层——等径圆球在一个平面上进行最紧密堆积的方 式只有一种，即每个等径圆球与周围其他 六 个球相接触。 这样形成的层称为 密置层 。
(2)意义： 衡量离子键的强弱。晶格能越大，表示离子键 越强 ， 离子晶体越 稳定 。
(3)影响因素： 晶格能与阴、阳离子所带电荷的乘积成正比，与 阴、阳 离子间的距离 成反比，可表示为 晶格能∝qr1q2 2 。
5．离子晶体的特性 (1)熔沸点：熔、沸点 较高 ，而且随着 离子电荷 的增 加、离子间距 的缩短，晶格能 增大，熔点升高 。 (2)溶解性：一般 易溶于水，难溶于非极性溶剂。 (3)导电性：固态 时不导电，熔融 状态或在 水溶液 中 能导电。
2．结构型式 面心立方最密堆积 体心立方密堆积 六方最密堆积
A1
A2
A3
结构示 意图
配位数
12
8
12
实例 Ca、 Al 、Cu、Ag、Li 、Na 、 K 、 Mg 、Zn 、Ti
Au、Pd、Pt
Ba、W、Fe
3．物理性质 一般熔沸点 较高，硬度 较大 ，具有良好的 延展性 ， 良好的可塑 性等。 二、离子晶体 1．概念 阴、阳离子通过 离子键 结合，在空间呈现有规律的排 列所形成的晶体。 2．存在 离子化合物 在常温下均可形成离子晶体。
(1)NaCl型： NaCl 的晶胞结构示意图如图甲所示。由图甲可以看出，在 一个氯化钠晶胞中，钠离子位于晶胞的顶点和面心，而氯离子 位于晶胞的棱心和体心，根据切割法可以计算出，在该晶胞中 钠离子数为 8×18＋6×12＝4，氯离子数为 12×14＋1＝4，即该晶 胞中实际含有 4 个 Na＋和 4 个 Cl－。
3．常见AB型离子化合物的晶体类型
晶体类型 NaCl 型
CsCl 型
ZnS型
晶胞
配位数 实例
6
8
4
Li 、 Na 、 K 、
CsBr 、CsI 、
Rb的卤化物，
BeO 、BeS等
AgF、MgO等 NH4Cl等
4．晶格能 (1)概念： 将1 mol离子晶体中的阴、阳离子完全 气化 而远离所 吸收的能量。
由于在这种排列中可以画出面心立方晶胞，故 称这种堆积方式为面心立方最密堆积。
2．六方最密堆积(A3型) 将密置层按…ABAB…方式做最密堆积，这时重复周期 为两层，如图。由于在这种排列方式中可画出密排六方晶 胞，故称此排列为六方最密堆积。
由以上堆积可知，同一层上每个球与同层中周围6个球相 接触，同时又与上下两层中各3个球相接触，故每个球与周围 12个球相接触，所以它们的配位数是12。
上述两种堆积方式的堆积密度(原子的空间利用率)最大。
[例1] 关于如图不.正确的说法是 A．此种最密堆积为面心立方最密堆积 B．该种堆积方式称为镁型最密堆积 C．该种堆积方式可用符号“… ABCABC…”表示 D．该种堆积方式为A3型最密堆积
()
[解析] 从图示可看出，该堆积方式的第一层和第四层 重合，所以这种堆积方式属于A1型堆积，这种堆积方式可用 符号“…ABCABC…”表示，属面心立方最密堆积，而Mg属 于六方堆积，所以选项D不正确。
B．不同晶体中晶胞的大小和形态都相同
C．晶胞中的任何一个微粒都属于该晶胞
D．已知晶胞的组成不能推知晶体的组成
答案：A
1．面心立方最密堆积(A1型) 将第一密置层记作A，第二层记作B，B层的球心对 准A层中相邻三个球所围成的空隙的中心；第三层记作 C，C层上的小球的球心正好落在A层球所形成的另一 类空隙的中心，以后各层分别重复A，B，C等，这种排 列方式三层为一周期，记作…ABCABC…，如图。
(3)密置层间堆积方式： ①A3型最密堆积：仅有相邻两层间的球心不在同一条 垂直线上的密堆积方式，即按 ABAB……周期性叠放，如 金属 镁 的晶体属于A3型最密堆积。 ②A1型最密堆积：仅有相邻三层间的球心不在同一条 垂直线上的密堆积方式，即按ABCABC……周期性叠放， 如金属 铜 的晶体属于A1型最密堆积。 (4)配位数： 在密堆积中，一个原子或离子周围所邻接的 原子或离子 的数目。
[答案] C
(1)金属晶体中原子在二维空间模型，有非密置层和密 置层两种类型，配位数分别为4和6。
(2)在三维空间中，除A1、A2、A3三种最密堆积外， 还有简单立方堆积：相邻非密置原子核在同一直线上堆积，
该种堆积的晶胞为 为钋。
，配位数为6，代表金属
离子晶体有多种晶体结构类型，组 成比为1∶1的离子晶体是其中最简单的 一类，AB型离子晶体中最常见的结构类 型有氯化钠型、氯化铯型和硫化锌型等。
3.为什么原子晶体中各微粒不服从紧密堆积原理？ 分析：原子晶体(如金刚石)中的微粒以共价键结合，由于 共价键具有饱和性和方向性，所以原子周围的其他原子数 目有限，而且堆积方向是一定的，所以原子晶体中微粒堆 积不服从紧密堆积原理。
4．下列有关晶胞的叙述，正确的是
()
A．晶胞是晶体中最小的结构重复单元
[例1] 金属原子在二维空间里的放置有下图所示的
两种方式，下列说法中正确的是
()
A．图a为非密置层，配位数为6 B．图b为密置层，配位数为4 C．图a在三维空间里堆积可得六方最密堆积A3和面心 立方最密堆积A1 D．图b在三维空间里堆积仅得简单立方
[解析] 金属原子在二维空间里有两种排列方式，一 种是密置层排列，一种是非密置层排列。密置层排列的 空间利用率高，原子的配位数为6，非密置层的配位数较 密置层小，为4.由此可知，图a为密置层，图b为非密置层。 密置层在三维空间堆积可得到六方最密堆积A3和面心立 方最密堆积A1两种堆积模型，非密置层在三维空间堆积 可得简单立方和体心立方密堆积A2两种堆积模型。所以， 只有C选项正确。
[答案] D
(1)等径圆球和非等径圆球的密堆积的共同特点是微粒间 的结合力没有方向性，故都采用密堆积结构。
(2)分子晶体中，范德华力无方向性和饱和性，分子间尽 可能采取紧密堆积方式，但分子的形状影响分子堆积方式。
(3)有些分子间靠氢键结合形成晶体，如苯甲酸晶体、冰 等。氢键是有方向性的，因此与原子晶体类似，一个分子周 围其他分子的数目和位置是一定的，不服从紧密堆积原理。
CsCl型
6
CsI
BeS
ZnS型
8
分析：Li、Na、K、Rb的卤化物及AgF、MgO等属于 NaCl型，配位数为6；CsBr、CsI、NH4Cl等属于CsCl型， 配位数为8；BeO、BeS等属于ZnS型，配位数为4。
答案：
4．下列四种晶体中晶格能最高的是__________，最低的是
________，熔、沸点最高的是________。
3．较高的熔点，硬度大 因为金属存在着金属键，金属熔化或破碎时需破坏金 属键，故金属晶体的熔点较高，硬度大，且据研究表明， 金属原子的半径越小价电子数越多，金属键越强，金属晶 体的熔点越高，硬度越大。但也有例外，如汞常温下为液 体，熔点很低(－38.9℃)。 4．金属光泽 金属晶体可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出 来，故金属晶体不透明，且有金属光泽。
[解析] 晶胞中微粒数目：Ca 为 1，Ti 为 8×18＝1，O
为 12×14＝3；则化学式为 CaTiO3。
[答案] C
晶体是由无数个晶胞通过无隙并置构成的，晶体的 化学式表示的是晶体(也可以说是晶胞)中各类原子或离 子的最简整数比(适用于离子晶体及部分原子晶体)。
一、金属晶体 1．概念 金属原子 通过 金属键形成的晶体。
A．NaF
B．NaCl
C．NaBr
D．NaI
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分析：晶格能与阴、阳离子所带电荷的乘积成正比，与
阴、阳离子的核间距离的平方成反比。上述五种离子电
荷的乘积均相同，由于离子半径F－<Cl－<Br－<I－，所以
晶格能最大的是NaF，最小的是NaI；晶格能越大，熔点
越高。
答案：A D A
1．导电、导热性 在外加电压的作用下，自由电子可以定向移动，故有导 电性。受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的 碰撞，传递能量，故金属是热的良导体。 2．延展性 金属通常采用密堆积的型式，在受外力作用时堆积层的 金属原子之间易发生相对滑动，但滑动过程中金属键却仍 然存在，因此金属晶体虽形状变化，但不断裂。因此金属 具有良好的延展性。
[例2] 许多物质在通常条件下是以
晶体的形式存在，而一种晶体又可视做
由若干相同的基本结构单元构成，这些
基本结构单元在结构化学中被称作晶胞。
已知某化合物是钙、钛、氧三种元素组
成的晶体，其晶胞结构如图所示，则该
物质的化学式为
()
A．Ca4TiO3
B．Ca4TiO6
C．CaTiO3
D．Ca8TiO12
2．非等径圆球的密堆积 (1)离子晶体： 离子晶体可视作 不等径圆球 的密堆积，即将不同半径 的圆球的堆积看成是大球 先按一定方式做 等径圆球 的密堆 积，小球再填充在大球所形成的空隙中。例如NaCl晶体、 ZnS晶体中，阴离子均按 A1 型方式进行最密堆积，阳离子 填在阴离子所形成的空隙中。
(2)分子晶体： 在分子晶体中，原子先以 共价键 形成分子，分子间再 以分子间作用力 形成晶体。由于范德华力没有方向 性和 饱和 性，因此分子间尽可能采取紧密堆积方式，但分子的 堆积与分子的形状 有关，如干冰中，线形分子CO2在空间 是以A1 型最密堆积方式形成晶体的。
A—处于顶点的微粒：该微粒同时为 8 个晶胞共有，每 个微粒对晶胞的贡献为18。 B—处于面上的微粒：该微粒同时为 2 个晶胞共有，每个 微粒对晶胞的贡献为12。 C—处于棱上的微粒：该微粒同时为 4 个晶胞共有，每个 微粒对晶胞的贡献为14。 D—处于体内的微粒：该微粒完全属于该晶胞，对晶胞的 贡献为 1。
2．将下列金属、密堆积方式，配位数连接起来。
Ca
Al
A1
8
K
A2
Zn
A3
12
分析：Ca、Al属A1最密堆积，配位数为12；Na、K 等属于A2型密堆积，配位数为8；Mg、Zn等属于A3 型最密堆积，配位数为12。 答案：
3．将下列离子晶体与其所属晶体类型、配位数连接起来。
LiCl
NaCl型
4
KBr
1．判断正误。
①金属元素的阳离子的最外层电子数为2个或8个或18个
()
②金属元素在化合物中一般显正价
()
③主族元素中，金属性越强的元素相应的简单稳定离子
的氧化性越弱
()
④价电子数越多的金属原子的金属性越强 ( )
⑤离子化合物中一定含有金属元素
()
⑥金属元素的单质在常温下均为金属晶体 ( )
分析：Fe2＋最外层为14个电子，Fe3＋最外层为13个电子， ①不正确；金属元素一般失去电子，在化合物中显正价， ②正确；金属性越强，易形成稳定阳离子，则阳离子难得 电子，氧化性弱，③正确；价电子数Mg>Na，但金属性 Na>Mg，④不正确；NH4Cl等铵盐是离子化合物，不含金 属元素，⑤不正确；金属中汞在常温下是液态，不是晶体， ⑥不正确。 答案：①× ②√ ③√ ④× ⑤× ⑥×