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第三章第2节
几种简单的晶体结构模型
第3、4课时
共价晶体
学习目标
1、掌握典型的几种共价晶体结构模型
2、了解共价晶体结构与性质的关系
3、掌握典型的分子晶体和石墨晶体结构模型。
4、掌握典型四种晶体结构与性质的关系，会判断晶体类型。
2.几种典型的共价晶体
⑴金刚石晶体
①金刚石的晶体结构：
②晶胞的碳原子数：
在金刚石的晶胞中，碳原子分别位于立方体的8个顶点、6个面心、4个小立方体的体心上，这4个碳原子分别和周围的4个碳原子通过C—C共价键结合。
金刚石的晶胞
8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝8
每个晶胞的碳碳共价键数：4× 4 ＝16
晶胞中的原子数：8个 配位数：4
①在金刚石晶体中，碳原子以sp3杂化轨道与和它紧邻的4个碳原子以共价键相互结合形成空间立体网状结构，即每个碳原子的配位数为4，碳碳键键角为109.5°，以每个碳原子为中心，与其直接键合的相邻的4个碳原子都形成正四面体结构。
②从金刚石结构中取出一个立方单元，即得到金刚石的晶胞，每个晶胞中实际含有8个碳原子。与立方ZnS的晶体结构相比较，可以看出它们非常相似，只不过前者是将后者中不等径的球(锌离子和硫离子)全部换成等径圆球(碳原子)而已。
思考：
金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，每个C原子连接 个六元环，六元环中最多有 个C原子在同一平面。
两个椅式
12
4
④晶体中微粒的关系：
C
Si
SiC晶胞
⑶SiO2晶体
在SiO2晶体的晶胞中每个硅原子与周围4个氧原子形成共价键形成硅氧四面体，每个氧原子与周围2个硅原子形成共价键；形成空间立体网状结构。
①SiO2的晶体结构：
SiO2晶体的晶胞
②SiO2的晶胞中的原子数：
Si原子数：8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝8 O原子数：4×4 ＝16
③二氧化硅的化学式：SiO2
每个晶胞中Si-O共价键数：16×2 ＝32
例5、二氧化硅是立体的网状结构，其晶体模型如图所示，请认真观察该晶体模型后回答以下问题：
(1)二氧化硅晶体中最小环为________元环。
(2)每个硅原子为______个最小环共有；
每个最小环中有___个硅原子，__个氧原子。
(3)每个最小环平均拥有________个硅原子，
______个氧原子。
(4)1 mol SiO2中含有________mol Si—O键。
12
12
6
6
1/2
1
4
三种常见的共价晶体
金刚石 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子 杂化类型
键角
晶胞中微粒数目
1 mol物质中化学键物质的量
sp3
sp3
sp3
109°28'
109°28'
(O-Si-O)109028'
8个C
2 mol C—C键
4 molC—Si键
C:4个 Si:4个
4 molSi—O键
Si:8个 O:16个
(1)键能由大到小的顺序： (2)熔点由高到低的顺序：
(3)硬度由大到小的顺序：
得到的规律是：对结构相似的共价晶体来说，原子半径 ，键长 ，键能 ，晶体的熔点就越高，硬度越大。
部分共价晶体的键能、熔点和硬度
交流研讨
C-C、C-Si、Si-Si
金刚石、碳化硅、晶体硅
金刚石、碳化硅、晶体硅
越大
越小
越短
四、分子晶体
⑴定义：分子间以分子间作用力(范德华力，氢键)相结合的晶体叫分子晶体。
⑵构成晶体的微粒：分子(相邻原子间以共价键结合构成分子)。
⑶晶体微粒间的作用力：分子间作用力(包含范德华力和氢键)。
1、分子晶体的概念：
分子晶体气化或熔化时破坏的作用力：分子间作用力。
2.典型的分子晶体
(1)部分非金属单质: X2，O2，H2， S8，P4， C60 等
(2)非金属氢化物：H2O，NH3，CH4，HX 某些非金属氧化物:CO2， SO2， NO2，常见的的酸：H2SO4，HNO3，H3PO4等
(3)绝大多数有机物：乙醇，冰醋酸，蔗糖等
3、几种典型的分子晶体的结构
分子间以范德华力相结合的分子晶体，由于分子间作用力没有方向性和饱和性，分子构成晶体时尽可能地采取紧密堆积的方式形成晶体。如碘晶体、干冰晶体等。
⑴碘晶体
①碘晶体的晶胞：
晶胞为长方体(是一种变形的面心立方)，8个顶点和6个面心各有一个碘分子，分子的方向有两种取向。氯单质、溴单质的晶体结构和碘非常类似，只是大小不同。
②晶胞的微粒数：
I2 8×1/8 ＋ 6×1/2 ＝4
碘分子间以范德华力相结合，晶体熔化时只破坏范德华力，不影响分子内的化学键。
⑵干冰晶体
①干冰晶体的晶胞：
干冰晶胞为面心立方，8个顶点和6个面心各有一个分子。
②晶胞的微粒数：
CO2 8×1/8 ＋ 6×1/2 ＝4
③和CO2 分子距离相等且最近的CO2 分子数是12个。
CO2 分子间以范德华力相结合，晶体熔化时只破坏范德华力，不影响分子内的化学键。
分子的密堆积
（与CO2分子距离最近的CO2分子共有12个 ）
干冰的晶体结构图
1.SiO2和CO2都是第ⅣA族元素的氧化物，化学性质有许多相似之处，但物理性质却有很大的差异，为什么？
【提示】　SiO2是共价晶体，晶体中的Si—O键键能很大，不易被破坏，所以SiO2熔点很高，硬度很大，不溶于水也不与水反应。CO2是分子晶体，熔化或气化时只破坏分子间作用力，不破坏化学键，而分子间作用力比化学键弱的多，所以CO2熔、沸点很低，固体的硬度很小。
思考感悟
和碘晶体、干冰晶体一样，甲烷、碳-60的晶体，分子间以范德华力相结合的分子晶体，分子构成晶体时尽可能地采取紧密堆积的方式形成晶体。
冰晶体中水分子间存在哪几种相互作用？对冰晶体的结构与性质产生怎样的影响？
观察 思考
⑶冰的晶体结构
冰晶体是分子间以氢键相结合的分子晶体，由于氢键有方向性和饱和性，分子构成晶体时不采取紧密堆积的方式形成晶体。
冰晶体主要是水分子依靠氢键形成的(亦有范德华力),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点方向的4个相邻水分子互相吸引。由于氢键的方向性和饱和性,分子间距比较大,有很多空隙,结构比较松散,不符合紧密堆积。每个水分子周周有4个水分子,故配位数为4。
典型的分子晶体是指有限数目的原子以共价键结合为分子后,这些分子再通过分子间作用力结合形成晶体。一般来说,分子在无方向性的分子间作用力的作用下堆积时,尽可能利用空间紧密地堆积在一起,这一点与金属晶体相似。但是,分子的形状、分子的极性以及分子之间是否存在氢键等都会影响分子的堆积方式。
归纳 总结
如苯甲酸晶体中,苯甲酸分子排列形成层状结构,同一平面内分子之间通过氢键相互作用连接,平面之间的分子依靠范德华力维系。
⑴对于组成和结构相似、晶体中又不含氢键的分子晶体，相对分子质量越大，分子间作用力越 强，熔沸点越高；
4、分子晶体的物理性质
⑵由于分子间作用力很弱，所以分子晶体一般具有：
① 较低的熔点、沸点 ② 较小的硬度
③ 一般都是绝缘体，熔融状态不导电。
⑶对于能够形成分子间氢键的分子晶体，熔沸点显著升高。
晶体结构的复杂性
1、石墨晶体
⑵碳原子采取sp2杂化,C—C键之间的夹角为120°。
⑶层与层之间以范德华力结合。
⑴石墨的晶体具有层状结构,同一层中的每个碳原子与邻近的3个碳原子以共价键相结合,形成无限的六边形平面网状结构。每个碳原子还有1个
与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有1个未成对电子,能形成遍及整个平面的大π键
⑷石墨晶体既含有共价键,又有范德华力,同时还存在类似金属键的作用力,这类晶体称为混合型晶体。石墨熔点高、质软、能导电。
像石墨晶体这样，原子之间形成的化学键往往是介于典型模型(金属键、离子键、共价键、配位键)之间的过渡状态。由于微粒间的作用存在键型过渡，即使组成简单的晶体，也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡状态，形成过渡晶体。
2、过渡晶体
石墨晶体为层状结构，同层内碳原子以共价键结合成平面网状结构，C—C键的键长比金刚石中C—C键的键长短，键能大，所以石墨的熔、沸点高。
(1)一方面,物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用。
3、晶体的复杂性
例如：BaTiO3含有一种阴离子O2-和多种阳离子Ti4+、Ba2+。
金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等模型都是典型的晶体结构模型，大多数实际晶体结构要复杂得多。
牙齿表面覆盖的牙釉质是人体中最坚硬的部分，其主要成分为羟基磷酸钙Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子Ca2+和多种阴离子PO43-、OH-。
O2-
Ba2+
Ti4+
又如：在Na2SiO3固体中并不存在单个的简单SiO32－，Si通过共价键与4个O原子相连，形成硅氧四面体。硅氧四面体通过共用顶角O原子而连成较大的链状硅酸盐{SiO32－}∞单元(如图所示)，带负电的链状硅酸盐{SiO32－}∞单元与金属阳离子以离子键相互作用。
(2)另一方面，金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型，但是原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。即使组成简单的晶体，也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡晶体。
晶体熔、沸点高低的比较
1．不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律
共价晶体＞离子晶体＞分子晶体
金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等沸点很高，而汞、镓、铯等沸点很低。
2．共价晶体
由共价键形成的共价晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高。如熔点：金刚石＞石英＞碳化硅＞硅。
3．离子晶体
一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越强，其离子晶体的熔、沸点就越高，即：晶格能越大，离子晶体的熔、沸点越高。如熔点：MgO＞MgCl2＞NaCl＞CsCl。
4．分子晶体
(1)分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常的高。如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
(2)组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高，如SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。
(3)组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔、沸点越高，如CO＞N2，CH3OH＞CH3CH3。
(4)同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
例如，
5．金属晶体
金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：Na＜Mg＜Al。
特别提醒：上述总结的规律都是一般规律，不能绝对化。在具体比较晶体的熔、沸点高低时，应先弄清晶体的类型，然后根据不同类型晶体进行判断，但应注意具体问题具体分析，如MgO为离子晶体，其熔点(2800 ℃)要高于原子晶体SiO2(1713 ℃)。
2.四种晶体的结构特征
(1)离子晶体的结构特征
①离子键无方向性和饱和性,在离子晶体中阴、阳离子与异电性离子接触尽可能采用最密堆积,可以看作是不等径圆球密堆积。
②构成微粒:阴离子和阳离子,离子晶体中不存在单个分子。
(2)金属晶体的结构特征
由于自由电子为整个金属所共有,所以金属键没有方向性和饱和性,从而导致金属晶体最常见的结构型式具有堆积密度大,原子配位数高,能充分利用空间等特点。
(3)共价晶体的结构特征
①在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。
②共价晶体的组成微粒是原子,不存在单个分子,其化学式仅代表原子的个数比。
③空间构型:空间网状结构。
(4)分子晶体的结构特征
①分子间不存在氢键的分子晶体,由于范德华力没有方向性和饱和性,所以分子尽可能采取密堆积方式。
②分子间存在氢键的分子晶体,由于氢键具有方向性和饱和性,所以分子不能采取密堆积方式。

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