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第1课时　金 属 晶 体
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金属晶体
1．概念
金属原子通过金属键形成的晶体称为金属晶体。
2．常见金属晶体的堆积特点及方式
(1)特点：金属键可看作金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用，而且“自由电子”为整个金属所共有，导致金属键没有饱和性和方向性，因此金属晶体可看作等径圆球的堆积。
(2)堆积方式：如图为两种球堆积的两种方式
如果将层与层之间再相互叠放在一起，变成了晶体的堆积模型，下图为两种通过密置层叠放而得到的最密堆积方式。
3．常见金属晶体的结构
常见金属 Ca、Cu、Au、Al、Pd、Pt、Ag Li、Na、K、Ba、W、Fe Mg、Zn、Ti
结构示意图
配位数 12 8 12
晶胞特点 立方体，顶点处各有一个微粒，每个面心有一个微粒 立方体，顶点处各有一个微粒，晶胞中心有一个微粒 非立方体或长方体，底面中棱的夹角不是直角
4．物理通性
(1)通性：金属晶体具有金属光泽，有良好的延性、展性和可塑性。
(2)原因：金属键在整个晶体的范围内起作用。在锻压或锤打时，密堆积层的金属原子之间比较容易产生滑动，这种滑动不会破坏密堆积的排列方式，而且在滑动过程中“自由电子”能够维系整个金属键的存在，因此金属晶体虽然发生了形变但不致断裂。
INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)晶体中含有阳离子就一定含有阴离子吗？
提示：不一定。金属晶体由金属阳离子和自由电子构成，不含阴离子。
(2)金属在通常状况下都是晶体吗？金属晶体的性质与哪些因素有关？
提示：不是，如汞。金属键和金属原子的堆积方式决定金属的性质。
(3)判断下列说法是否正确
①同主族金属元素自上而下，金属单质的熔点逐渐降低，体现金属键逐渐减弱。(　√　)
提示：一般来说金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，因而晶体熔点越高、硬度越大。所以以上说法正确。
②金属能导电，所以金属晶体是电解质。(　×　)
提示：电解质必须是化合物，所以错误。
③金属晶体和电解质溶液在导电时均发生化学变化。(　×　)
提示：金属导电并不产生新物质，不发生化学变化。
(4)(情境思考)飞机制造中使用大量合金。
①金属为什么具有较好的延展性？
提示：金属晶体中由于金属阳离子与自由电子间的相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而在外力作用下，发生形变也不易断裂。金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质，具有最密堆积结构的金属延展性往往比其他结构的金属的延展性好。
②合金为何比纯金属的性质优越？
提示：合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此，在一般情况下，合金比纯金属硬度高、强度大、耐磨性高。
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知识点　金属晶体
1．金属物理通性的解释
2．金属熔点和硬度大小的影响因素
(1)金属的熔点、硬度等取决于金属晶体内部作用力的强弱。一般来说金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属晶体内部作用力越强，因而晶体熔点越高、硬度越大。金属晶体的熔点变化差别较大。
(2)同类型金属晶体，金属晶体的熔点由金属阳离子半径、离子所带的电荷决定，阳离子半径越小，所带电荷越多，相互作用力就越大，熔点就越高。如熔点：Li>Na>K>Rb>Cs，Na3．金属晶体的结构
常见金属晶体的四种结构如下表所示：
结构示意图
晶胞
配位数 6 8 12 12
空间利用率及a与r的关系(a为晶胞棱长，r为金属原子半径) 52%a＝2r(位于边上的两个原子相切) 68%a＝4r(位于体对角线上的三个原子相切) 74%a＝4r(位于面对角线上的三个原子相切) 74%设底边棱长为a，晶胞高为h，则a＝2r(底边上的两个原子相切)，h＝a
INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" \* MERGEFORMAT
(情境应用)已知金属钠晶体的晶胞如下，晶胞的棱长为
a假定金属钠原子为等径的刚性球，且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为多少？
提示：。如果沿着某一面的对角线对晶胞作横切面，可得如图所示的结构，其中AB为晶胞的棱长，BC为晶胞的面对角线，AC为晶胞的体对角线。根据立方体的特点可知：BC＝a，结合AB2＋BC2＝AC2得r＝。
INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" \* MERGEFORMAT
【典例】Al的晶体中原子的堆积方式如图甲所示，其晶胞特征如图乙所示，原子之间相互位置关系的平面图如图丙所示。
若已知Al的原子半径为d，NA代表阿伏加德罗常数，Al的相对原子质量为M，请回答：
(1)一个晶胞中Al原子的数目为__________。
(2)该晶体的密度为__________(用字母表示)。
【解题指南】(1)解决本题需要特别注意观察题目中各个图示，发挥空间想象力，从而明确配位数及晶胞中原子个数。
(2)计算密度时关键要充分结合密度的计算公式，还要结合前面的空，明确晶胞中原子个数。
【解析】(1)一个晶胞中Al原子的数目为8×＋6×＝4。(2)把数据代入公式ρV＝M得ρ×(2d)3＝M，解得ρ＝。利用公式求金属晶体的密度，关键是找出晶胞正方体的棱长。本题中面对角线的长度为4d，然后根据棱长的倍等于面对角线的长度可求得晶胞正方体的棱长。
答案：(1)4　(2)
【母题追问】(1)最近的Al原子之间的距离a是多少？
提示：根据图乙可知，最近的两个Al原子之间的距离为面对角线的一半，即a＝2d。
(2)Al与Ga都属于第ⅢA主族，那么金属Al与金属Ga的硬度如何？
提示：Al与Ga都属于同主族元素，价电子数相同，离子所带电荷数相同，Al3＋半径小于Ga3＋，所以Al的硬度更大。
INCLUDEPICTURE "规律方法JS.TIF" INCLUDEPICTURE "规律方法JS.TIF" \* MERGEFORMAT 晶胞密度的计算方法
(1)以晶胞为研究对象，运用切割法分析每个晶胞中含有的微粒数，计算一个晶胞的质量m＝(NA为阿伏加德罗常数，n为晶胞中所含微粒个数，M为所含微粒的摩尔质量)。
(2)结合晶胞中的几何关系，计算一个晶胞的体积，用m＝ρ·V的关系计算。
INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" \* MERGEFORMAT
已知，1 183 K以下纯铁晶体的基本结构单元如图1所示，1 183 K以上转变为图2所示的基本结构单元，在两种晶体中最邻近的铁原子间距离相同。
在1 183 K以下的纯铁晶体中，与体心铁原子等距离且最近的铁原子数是多少？在1 183 K以上的纯铁晶体中，与面心铁原子等距离且最近的铁原子数是多少？
提示：8；12。在1 183 K以下的纯铁晶体中，与体心铁原子等距离且最近的铁原子是8个顶点的铁原子；在1 183 K以上的纯铁晶体中，与面心铁原子等距离且最近的铁原子有12个。
【补偿训练】
(2021·武汉高二检测)下列有关金属的说法正确的是(　　)
A．金属原子的核外电子在金属中都是自由电子
B．金属不透明且具有金属光泽与自由电子有关
C．金属原子在化学变化中失去的电子数越多，其还原性越强
D．金属导电的实质是金属阳离子在外电场作用下的定向移动
【解析】选B。A中金属原子脱落下来的电子是自由电子， 其导电的实质是自由电子的定向移动， 故 A、 D错。C中金属原子失电子越容易， 还原性越强， 其还原性的强弱与失去电子的数目多少无关，故C错。金属中自由电子能够吸收波长范围极广的光并很快放出， 使得金属不透明且具有金属光泽， 故B正确。
INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" \* MERGEFORMAT
INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" \* MERGEFORMAT 三言两语话重点 INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" \* MERGEFORMAT
1．金属晶体是指金属阳离子和“自由电子”通过金属键形成的晶体。
2．金属晶体的物理通性包括金属光泽、导电性、导热性、延展性。
3．金属键的影响因素：离子半径和离子所带电荷数。
课堂检测·素养达标
1．下列金属晶体中，自由电子与金属阳离子间作用最弱的是(　　)
A．K　　　　 B．Na C．Mg D．Al
【解析】选A。四种金属中钾的原子半径最大，相同体积内自由电子数较少，所以金属键最弱，即金属阳离子和自由电子间的作用最弱。
2．(双选)下列关于金属晶体的叙述正确的是(　　)
A．温度越高，金属的导电性越弱
B．常温下，金属单质都以金属晶体形式存在
C．金属晶体中金属原子紧密堆积，能充分利用空间的原因是金属键没有饱和性和方向性
D．金属阳离子与自由电子之间的强烈作用，在外力作用下会发生断裂，故金属无延展性
【解析】选A、C。温度升高，金属离子的热运动加快，对自由电子的移动造成阻碍，导电性减弱，A项正确；常温下，Hg为液态，不属于晶体形态，B项错误；金属键无方向性和饱和性，在外力作用下，一般不会断裂，即金属具有延展性，D项错误；正是因为金属键无方向性和饱和性，所以金属晶体中的金属原子一般采用最密堆积，尽量充分利用空间，C项正确。
3．如图是金属晶体内部结构的简单示意图，仔细观察该结构，以下有关金属能导电的理由中正确的是(　　)
A.金属能导电是因为含有金属阳离子
B．金属能导电是因为含有的自由电子在外加电场作用下做定向运动
C．金属能导电是因为含有电子且无规则运动
D．金属能导电是因为金属阳离子和自由电子的相互作用
【解析】选B。金属中含有金属阳离子和自由电子，自由电子属于整块金属，能够自由移动，在外加电场的作用下，自由电子定向移动，从而能够导电。
【补偿训练】
金属的下列性质中和金属晶体的结构无关的是(　　)
A．良好的导电性 B．反应中易失电子
C．良好的延展性 D．良好的导热性
【解析】选B。金属的物理性质是由金属晶体结构所决定的，A、C、D三项都是金属共有的物理性质，这些性质都是由金属晶体结构所决定的。B项，金属易失电子是由金属原子的结构决定的，和晶体结构无关。
4．(双选)要使金属晶体熔化必须破坏其中的金属键。金属晶体熔、沸点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱，而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小有关。由此判断下列说法正确的是(　　)
A．金属镁的硬度大于金属铝
B．碱金属单质的熔、沸点从Li到Cs是逐渐降低的
C．金属镁的熔点大于金属钠
D．金属镁的硬度小于金属钙
【解析】选B、C。钠、镁、铝所对应的阳离子半径依次减小，且Na＋、
Mg2＋、Al3＋的电荷数依次增加，所以熔、沸点和硬度Na5．在金属晶体中，如果金属原子的价电子数越多，金属阳离子的半径越小，自由电子与金属阳离子间的作用力越大，金属的熔点越高。由此判断下列各组金属熔点的高低顺序，其中正确的是(　　)
A．Mg＞Al＞Ca B．Al＞Na＞Li
C．Al＞Mg＞Ca D．Mg＞Ba＞Al
【解析】选C。Al的价电子比Mg多，半径比Mg小，所以Al 的熔点比Mg高，Ca的价电子与Mg相等，半径比Mg大，所以Ca 的熔点比Mg低，故A、D错误，C正确。因Li、Na的电荷相同，钠原子半径＞锂原子半径，则熔点为Na＜Li，故B错误。
INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" \* MERGEFORMAT 素养新思维 INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" \* MERGEFORMAT
6．2020年12月17日嫦娥5号返回器带回月球土壤样品。研究发现，月球土壤样品中存在铁、铜、金、银、铅、锌等矿物颗粒。回答下列问题：
(1)铁原子的电子排布式为____________________；铁晶体中铁原子以__________键相互结合。
(2)铜的晶胞示意图为________________(填字母)。晶胞中所含的铜原子数为__________个。金属铜晶胞的棱长为a cm。又知铜的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数为__________。
【解析】(1)根据构造原理，铁原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，因为铁是金属，所以铁晶体中铁原子以金属键相互结合。(2)铜的1个晶胞能分摊到4个Cu原子；1个晶胞的体积为a3 cm3；一个晶胞的质量为a3ρ g；由＝a3ρ g，得NA＝ mol－1。
答案：(1)1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2)　金属
(2)d　4　 mol－1
- 1 -第2课时　离 子 晶 体
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离子晶体
1．概念
离子晶体是阴、阳离子在空间呈现周期性重复排列所形成的晶体。
2．常见的离子晶体
晶体类型 NaCl型 CsCl型 ZnS型 CaF2型
晶胞
晶胞中微粒数 Na＋　4Cl－　4 Cs＋　1Cl－　1 Zn2＋　4S2－　4 Ca2＋　4F－　8
配位数 6 8 4 Ca2＋配位数为8F－配位数为4
符号类型 Li、Na、K、Rb的卤化物、AgF、MgO等 CsBr、CsI、NH4Cl等 BeO、BeS等 BaF2、PbF2、CeO2等
3.晶格能
(1)概念
将1 mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量。
(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
分析下面表格中有关数据，总结规律。
晶体 离子间距/pm 晶格能/kJ·mol－1 熔点/℃
NaCl 276 787 801
NaBr 290 736 750
NaI 311 686 662
MgO 205 3 890 2 800
规律：离子半径越小，离子带电荷越多，晶格能越大；反之越小。另外晶格能的大小还与离子晶体的结构类型有关。
(4)应用
①判断离子晶体熔沸点的高低：晶格能越大，熔沸点越高。
②判断离子晶体稳定性：晶格能越大，离子晶体越稳定。
4．离子晶体的特性
性质 规律
熔点 较高，且晶格能越大，熔点越高
溶解性 一般易溶于水，难溶于非极性溶剂
导电性 固态时不导电，熔融状态或在水溶液中导电
INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)离子晶体的化学式是表示真正的分子构成吗？
提示：不是。离子晶体的化学式仅代表晶体中阴、阳离子个数比，并不代表分子构成，所以离子晶体中不存在分子。
(2)为什么说离子晶体有较高的熔、沸点？
提示：离子晶体的构成微粒为阴、阳离子，阴、阳离子间以较强的离子键结合。
(3)(情境思考)火山喷出的岩浆中含有多种硫化物，冷却时ZnS比HgS先析出？
提示：二者均为离子晶体， ZnS晶格能大于HgS，因此ZnS先析出。
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知识点　离子晶体的结构与性质
1．离子晶体的简单结构类型
晶体类型 晶胞示意图 结构特点
NaCl型(Li、Na、K和Rb的卤化物，AgF，MgO等) ①Na＋、Cl－的配位数均为6②每个Na＋(Cl－)周围紧邻(距离最近且相等)的Cl－(Na＋)构成正八面体③每个Na＋(Cl－)周围紧邻的Na＋(Cl－)有12个④每个晶胞中含4个Na＋、4个Cl－
CsCl型(CsBr、CsI、NH4Cl等) ①Cs＋、Cl－的配位数均为8②每个Cs＋(Cl－)周围紧邻的Cl－(Cs＋)构成正六面体③每个Cs＋(Cl－)周围紧邻的Cs＋(Cl－)有6个④每个晶胞中含1个Cs＋、1个Cl－
ZnS型(BeO、BeS等) ①Zn2＋、S2－的配位数均为4②每个Zn2＋(S2－)周围紧邻的S2－(Zn2＋)构成正四面体③每个晶胞中有4个S2－、4个Zn2＋④Zn2＋与S2－之间的最短距离为晶胞体对角线长的①Ca2＋的配位数为8，F－的配位数为4，二者的配位数之比等于二者电荷(绝对值)之比②每个F－周围紧邻的4个Ca2＋构成正四面体，每个Ca2＋周围紧邻的8个F－构成立方体③每个晶胞中有4个Ca2＋、8个F－④Ca2＋与F－之间的最短距离为晶胞体对角线长的
CaF2型(BaF2、PbF2、CeO2等)
2.对离子晶体特性的理解
(1)离子晶体熔、沸点的比较：一般来说，阴、阳离子所带的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔、沸点越高，如Al2O3＞MgO；NaCl＞CsCl等。
(2)对于离子晶体的熔、沸点，要注意“一般来说”和“较高”等字词。“一般来说”说明离子晶体的熔、沸点还有些特例；“较高”是与其他晶体类型比较的结果。
(3)离子晶体的一些特殊物理性质可用于确定晶体类型。如在固态时不导电，在水溶液中和熔融状态下能导电的晶体一定是离子晶体。
(4)离子晶体导电的前提是先电离出自由移动的阴、阳离子。难溶于水的强电解质如BaSO4、CaCO3等溶于水时，由于浓度极小，故导电性极弱。通常情况下，它们的水溶液不导电。
3．离子晶体的判断
判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。
(1)利用物质的分类
金属离子和酸根离子、OH－形成的大多数盐、强碱，活泼金属的氧化物和过氧化物(如Na2O和Na2O2)，活泼金属的氢化物(如NaH)，活泼金属的硫化物等都是离子晶体。
(2)利用元素的性质和种类
如成键元素的电负性差值大于1.7的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，ⅠA、ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，ⅥA、ⅦA族元素)组成的化合物。
(3)利用物质的性质
离子晶体一般具有较高的熔、沸点，难挥发，硬而脆；固体不导电，但熔融或溶于水时能导电，大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。
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(1)(思维升华)为什么离子晶体不导电，而溶于水或在熔融状态下能导电？
提示：晶体中阴、阳离子以离子键结合，离子不能自由移动，故不导电，离子晶体溶于水或在熔融状态，离子键被破坏，产生了自由移动的离子，故能导电。
(2)(情境应用)有一种蓝色晶体，化学式可表示为Mx[Fey(CN)6]，经X射线研究发现，它的结构特征是Fe3＋和Fe2＋分别占据立方体互不相邻的顶点，而CN－位于立方体的棱上。其晶体中阴离子的最小结构单元如图所示。
①该晶体的化学式为多少？
提示：由题图可得出，晶体中阴离子的最小结构单元中Fe2＋的个数为4×＝，Fe3＋的个数也为，CN－的个数为12×＝3，因此阴离子的化学式为
[Fe2(CN)6]－，则该晶体的化学式为M[Fe2(CN)6]。
②晶体中与每个Fe3＋距离最近且相等的CN－有几个？
提示：6。由题图可看出与每个Fe3＋距离最近且相等的CN－有6个。
INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" \* MERGEFORMAT
【典例】下列有关离子晶体的叙述不正确的是(　　)
A．1 mol氯化钠中有NA个NaCl分子
B．氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离最近且相等的Cl－共有6个
C．氯化铯晶体中，每个Cs＋周围紧邻8个Cl－
D．平均每个NaCl晶胞中有4个Na＋、4个Cl－
【解题指南】(1)熟练掌握NaCl与CsCl的晶胞。
(2)熟练掌握不同晶胞中各原子的配位数。
【解析】选A。氯化钠属于离子晶体，不存在NaCl分子，故A项错误；由NaCl晶胞结构知B、D两项正确；由CsCl晶胞结构知C项正确。
【母题追问】(1)NaCl和CsCl哪种晶体的熔点高？解释原因。
提示：NaCl。原因：Cs＋半径大于Na＋半径，晶格能：NaCl>CsCl，故熔点：NaCl>CsCl。
(2)一个NaCl晶胞的质量为__________。
提示： g
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超氧化钾又称为“化学氧自救器”，主要用于煤矿井下救急。它能够和人呼出的二氧化碳接触产生氧气，此反应的化学方程式为4KO2＋2CO2===2K2CO3＋3O2。
高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构。晶体中氧的化合价可看作部分为0价，部分为－2价。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中基本的重复单元)。
据此回答：
(1)该晶胞的晶胞类型是什么？
提示：根据题给信息，该晶胞是面心立方晶胞。
(2)在该超氧化钾的晶胞中含有的K＋和O的个数是多少？晶胞中与每个K＋距离最近的O有几个？
提示：作为面心立方晶胞，每个晶胞中含有4(即8×＋×6)个K＋，4(即1＋×12)个O，晶胞中与每个K＋距离最近的O有6个。
(3)超氧化钾晶体中含有的化学键类型有哪些？
提示：离子键和共价键。超氧化钾晶体(KO2)是离子化合物，阴、阳离子分别为O、K＋，晶体中K＋与O以离子键相结合，O中O—O键为共价键。
【补偿训练】
Al2O3的下列性质能用晶格能解释的是(　　)
A．Al2O3可用作耐火材料
B．固态时不导电，熔融时能导电
C．Al2O3是两性氧化物
D．晶体Al2O3可以作宝石
【解析】选A。Al2O3中Al3＋和O2－所带电荷都比较多，半径又都很小，因此Al2O3的晶格能很大，熔点很高，故Al2O3可作耐火材料。
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INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" \* MERGEFORMAT 三言两语话重点 INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" \* MERGEFORMAT
1．离子晶体是指阴、阳离子通过离子键形成的晶体。
2．典型离子晶体结构类型：NaCl型、CsCl型、ZnS型和CaF2型。
3．晶格能是指将1 mol离子晶体完全气化为气态、阴阳离子所吸收的能量。
4．金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高；晶格能越大，离子晶体的熔、沸点越高。
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1．(2021·宝鸡高二检测)下列说法不正确的是(　　)
A．离子晶体的晶格能越大离子键越强
B．阳离子的半径越大则可同时吸引的阴离子越多
C．通常阴、阳离子的半径越小、电荷越大，该阴阳离子组成离子化合物的晶格能越大
D．拆开1 mol离子键所需的能量叫该离子晶体的晶格能
【解析】选D。离子键与电荷成正比，与离子半径成反比，晶格能与电荷成正比，与离子半径成反比，所以离子晶体的晶格能越大离子键越强，故A正确；阳离子半径越大，其表面积越大，与阴离子接触面积越大，吸引阴离子越多，故B正确；离子晶体的晶格能与离子半径成反比，与电荷成正比，故C正确；晶格能是1 mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量，不是拆开
1 mol离子键所需的能量，故D错误。
2．下列物质形成的晶体中，属于含有极性共价键的离子晶体的是(　　)
A．AlCl3　　　 B．KOH C．NaCl D．Na2O2
【解析】选B。AlCl3为共价化合物；KOH、NaCl、Na2O2均为离子化合物，形成的晶体均为离子晶体，KOH中含有离子键和极性共价键，NaCl中含有离子键，Na2O2中含有离子键和非极性共价键。综上，KOH形成的晶体为含有极性共价键的离子晶体。
3．(双选)(2021·衡水高二检测)下列物质中晶格能大小比较正确的是(　　)
A．BaO＞CaO＞MgO B．NaF＞NaCl＞NaBr
C．NaI＞MgO＞BaO D．PbS【解析】选B、D。A.三种化合物所带离子电荷相同，由于离子半径：Ba2＋＞
Ca2＋＞Mg2＋，因此晶格能：BaO＜CaO＜MgO，故A错误；B.三种化合物所带离子电荷相同，由于离子半径：Br－＞Cl－＞F－，因此晶格能：NaF＞NaCl＞NaBr，故B正确；C.由于MgO、BaO中离子带两个电荷，NaI中离子带一个电荷，因此NaI的晶格能最小，由于离子半径：Ba2＋＞Mg2＋，因此晶格能：BaO＜MgO，故C错误；D.三种化合物所带离子电荷相同，由于离子半径：Pb2＋＞Zn2＋＞
Mg2＋，S2－＞O2－，所以晶格能：PbS＜ZnS＜MgO，故D正确。
4．(2021·哈尔滨高二检测)在NaCl晶体中，与每个Na＋距离相等且距离最近的Cl－所围成的空间构型为(　　)
A.正四面体　　　　 B．正六面体
C．正八面体 D．正十二面体
【解析】选C。沿x、y、z三轴切割的方法知，x轴上有2个氯离子，y轴上有2个氯离子，z轴上有2个氯离子，所以钠离子的配位数是6，将6个氯离子连接后所围成的空间几何构型为正八面体。
5．自然界中的CaF2又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离子晶体。下列一定能说明CaF2是离子晶体的实验是(　　)
A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱
B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大
C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电
D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
【解析】选C。离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自由移动的阴、阳离子，所以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。
INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" \* MERGEFORMAT 素养新思维 INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" \* MERGEFORMAT
6．镁、铜等金属的离子是人体内多种酶的辅因子。工业上从海水中提取镁时，先制备无水氯化镁，然后将其熔融电解，得到金属镁。
(1)以MgCl2为原料用熔融盐电解法制备镁时，常加入NaCl、KCl或CaCl2等金属氯化物，其主要作用除降低熔点之外还有____________________。
(2)已知MgO的晶胞结构属于NaCl型。某同学画出的MgO晶胞结构示意图如图所示，请改正图中的错误：___________________________________________________________。
(3)用镁粉、碱金属盐及碱土金属盐等可以做成烟花。燃放时，烟花发出五颜六色的光，请用原子结构的知识解释发光的原因：____________________________________________________________。
(4)Mg是第3周期元素，该周期部分元素氟化物的熔点如下表所示：
氟化物 NaF MgF2 SiF4
熔点/K 1 266 1 534 183
解释表中氟化物熔点差异的原因：_______________________________。
【解析】(2)因为氧化镁与氯化钠的晶胞结构相似，所以在晶体中每个Mg2＋周围应该有6个最邻近的O2－，每个O2－周围应该有6个最邻近的Mg2＋，根据此规律可得⑧应该改为表示O2－的黑色球。(4)在离子晶体中，离子半径越小，所带电荷数越多，则离子晶体的晶格能越大，熔、沸点越高。
答案：(1)增大熔融盐中的离子浓度，从而增强熔融盐的导电能力
(2)⑧应为表示O2－的黑色球
(3)基态原子中的电子获得能量后，向高能级跃迁，跃迁到高能级的电子处于一种不稳定的状态，会回到较低能级，并向外界释放能量(光能)
(4)NaF与MgF2均为离子晶体，常温下为固体，SiF4常温下为气体，所以NaF与MgF2的熔点远比SiF4的高，又Mg2＋的半径小于Na＋的半径，Mg2＋所带电荷数大于Na＋所带电荷数，所以MgF2的晶格能大于NaF，MgF2的熔点高于NaF
- 1 -第3课时　共 价 晶 体
必备知识·自主学习
共价晶体
1．概念及物理性质
概念 相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体
构成微粒 原子
微粒间的作用力 共价键
结构特点 (1)由于共价键具有饱和性与方向性，所以每个中心原子周围排列的原子数目是有限的。(2)由于所有原子间均以共价键相结合成网状结构，所以晶体中不存在单个分子
常见共价晶体 (1)单质：晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等(2)化合物：碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等
2．典型共价晶体的结构分析
(1)金刚石
①碳原子采取sp3杂化，C—C键的键长为0.154 nm，C—C键键角为109°28′，键能为347 kJ·mol－1。
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，且最小环上碳原子不在同一平面内，形成立体的六元环状结构。每个碳原子参与的六元环数为12。
(2)碳化硅
碳化硅晶体结构
①晶体结构特点
把金刚石中的C原子换成Si与C原子相互交替，就得到碳化硅的结构。晶体中Si与C原子个数比为1∶1。
②物理性质
碳化硅硬度大，具有耐热性、耐氧化性和耐腐蚀性。
③用途
可用作磨料、耐火材料、电热元件等，还可用来制造机械工程中的结构件和化学工程中的密封件等。
(3)晶体硅
把金刚石中的C原子换成Si原子，分别得到晶体硅的结构模型和晶胞模型，不同的是Si—Si键长>C—C键长。
(4)二氧化硅晶体
①Si原子采取sp3杂化，正四面体内O—Si—O键角为109°28′。
②每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用；每个O原子和2个Si原子形成2个共价键，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。
③最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子。
3．共价晶体的物理性质
根据表中有关数据分析，并填写表下面的空白。
晶体 键能/kJ·mol－1 熔点/℃ 硬度
金刚石 (C—C)347 大于3 500 10
碳化硅 (C—Si)301 2 830 9
晶体硅 (Si—Si)226 1 412 7
(1)键能：C—C＞C—Si＞Si—Si；熔点：金刚石＞碳化硅＞晶体硅；硬度：金刚石＞碳化硅＞晶体硅(用“＞”或“＜”填空)。
(2)规律：共价晶体具有很高的熔点，很大的硬度；对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。
INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)含有共价键的晶体都是共价晶体吗？
提示：不是。共价晶体中都有共价键，但含有共价键的不一定是共价晶体。如CO2、H2O中也含有共价键，但是分子晶体。
(2)(知识前后串连)为什么共价晶体结构比金属晶体和离子晶体结构松散，但却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性？
提示：共价键具有方向性和饱和性，使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。但由于整个晶体中各原子都以强作用力的共价键相互结合，且构成了空间网状结构，所以共价晶体更稳定。
(3)(情境思考)第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与单晶硅相似。
①在GaN晶体中，每个Ga原子与几个N原子相连？
提示：4。GaN与单晶硅结构相似，所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键，每个N原子与4个Ga原子形成共价键。
②与同一个Ga原子相连的N原子构成的是什么空间构型？
提示：正四面体。类比晶体硅的空间构型即可得出答案。
关键能力·合作学习
知识点　共价晶体的结构与性质
1．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。
2．共价晶体熔点和硬度的比较
共价晶体具有不同的结构类型，对于结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的稳定性越高，熔、沸点越高，硬度越大。
【易错提醒】(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如钨
(3 410 ℃)＞MgO(2 800 ℃)＞SiO2(1 713 ℃)。
(2)平面网状结构的晶体不属于共价晶体。
(3)共价晶体中只存在共价键，不存在离子键和范德华力。
(4)稀有气体原子组成的晶体不是共价晶体。
3．判断晶体是否是共价晶体的思路
(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。
(2)根据共价晶体的物理性质判断。
(3)记住常见的共价晶体。
金刚石(晶体硅) 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子杂化类型 sp3 sp3 sp3
键角 109°28′ 109°28′ 109°28′
晶胞中微粒数目 8个C C：4个Si：4个 Si：8个O：16个
1 mol物质中化学键数目 2 mol C—C 2 mol C—Si 4 mol Si—O
INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)(思维升华)根据金刚石的结构特点，你能分析其硬度大的原因是什么吗？
提示：在金刚石晶体内部，每个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构，破坏这种三维结构中的C—C共价键需要很高的能量，所以金刚石的硬度很大。
(2)(情境应用)立方氮化硼的结构与金刚石类似，立方氮化硼硬度与金刚石相当，其晶胞结构如图所示。
思考：①立方氮化硼晶胞中有几个硼原子，几个氮原子？
提示：4　4。立方氮化硼晶胞中，含有N原子数为6×＋8×＝4个，B原子位于晶胞内，立方氮化硼晶胞中含硼原子4个。
②若晶胞的棱长为a cm，则立方氮化硼的密度表达式为__________g·cm－3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
提示：。每个立方氮化硼晶胞的质量为g，体积为a3 cm3，故密度为 g·cm－3。
INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" \* MERGEFORMAT
【典例】(双选)下列有关共价晶体的叙述不正确的是(　　)
A．金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体
B．含1 mol C的金刚石中C—C键数目是4NA，1 mol SiO2晶体中Si—O键数目是4NA
C．水晶和干冰在熔化时，晶体中的共价键都会断裂
D．SiO2晶体是共价晶体，所以晶体中不存在分子，SiO2不是它的分子式
【解题指南】解题时需注意：
(1)熟记不同共价晶体的晶胞模型。
(2)明白共价晶体的成键方式。
【解析】选B、C。金刚石是1个中心碳原子连接4个碳原子，二氧化硅是1个中心硅原子连接4个氧原子，均为正四面体，A项正确；金刚石中，1个C原子与另外4个C原子形成4个C—C键，这个C原子对每个单键的贡献只有，所以1 mol C原子形成的C—C键为4 mol×＝2 mol，而二氧化硅晶体中1个Si原子分别与4个O原子形成4个Si—O键，则1 mol SiO2晶体中Si—O键为4 mol，B项错误；干冰熔化时只破坏分子间作用力，共价键不会断裂，C项错误；共价晶体的构成微粒是原子不是分子，D项正确。
【母题追问】将C改为“共价晶体的熔点一定比金属晶体的高”对吗？
提示：不对。金属晶体的熔点差别很大，有些金属晶体(如W)熔点可能高于某些共价晶体的熔点。
INCLUDEPICTURE "规律方法JS.TIF" INCLUDEPICTURE "规律方法JS.TIF" \* MERGEFORMAT (1)晶体硅的结构与金刚石相似，即将金刚石中的碳原子换成硅原子。不同的是，硅晶体中的Si—Si键的键长比金刚石中的C—C键的键长长。
(2)SiO2晶体结构相当于晶体硅结构中每个Si—Si键中间插入一个O原子。
(3)碳化硅晶体与金刚石结构相似，其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" \* MERGEFORMAT
一种世界上最硬的新材料——β 氮化碳(β C3N4)问世，迅速引起全世界科学界和工程技术界的强烈反响和巨大震动。
氮化碳结构如图所示，其中β 氮化碳硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。
据此思考以下几个问题：
(1)氮化碳所属的晶体类型是什么？
提示：根据β 氮化碳硬度超过金刚石晶体判断，氮化碳属于共价晶体。
(2)氮化碳中碳和氮的价态是什么？其结构是什么样的？
提示：氮的非金属性大于碳的非金属性，氮化碳中碳显＋4价，氮显－3价，分析晶胞结构可知氮化碳的结构是每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连。
【补偿训练】
根据下列物质的性质，判断其属于共价晶体的是(　　)
A．熔点2 700 ℃，导电性强，延展性强
B．无色晶体，熔点3 550 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．无色晶体，能溶于水，质硬而脆，熔点为800 ℃，熔化时能导电
D．熔点－56.6 ℃，微溶于水，硬度小，固态或液态时不导电
【解析】选B。共价晶体一般不导电，没有延展性，A项错误；共价晶体难溶于水，C项错误；共价晶体一般熔点很高，硬度很大，D项错误。
INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" \* MERGEFORMAT
INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" \* MERGEFORMAT 三言两语话重点 INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" \* MERGEFORMAT
1．常见的共价晶体有金刚石、晶体硅、二氧化硅、碳化硅。
2．共价晶体具有熔点高、硬度大，不溶于溶剂的特性。
3．对于结构相似的共价晶体，其原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点越高。
课堂检测·素养达标
1．BN(氮化硼)和CO2中的化学键均为共价键，BN的晶体熔点高且硬度大，而CO2的晶体(干冰)却松软而且极易升华，由此判断，BN的晶体类型是(　　)
A．分子晶体　　　　　 B．共价晶体
C．离子晶体 D．金属晶体
【解析】选B。根据分析可知，BN的晶体类型是共价晶体，故B正确。
2.金刚石晶胞如图，属于一个金刚石晶胞的碳原子数为(　　)
A．18 B．16 C．10 D．8
【解析】选D。从晶胞上看8个顶点各有1个C原子，属于该晶胞的部分相当于只有1个，6个面上相当于有3个，晶胞内部还有4个，故属于该晶胞的碳原子数为8个。
3．氮化硼是一种新合成的结构材料，它是超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组物质熔化时所克服的粒子间的作用力与氮化硼熔化时所克服的粒子间作用力相同的是(　　)
A．C60和金刚石 B．晶体硅和水晶
C．冰和干冰 D．碘和金刚砂
【解析】选B。氮化硼是由两种非金属元素形成的化合物，根据该化合物的性质可知其为共价晶体，粒子间作用力为共价键。C60和金刚石熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，A项错误；冰和干冰熔化时均克服的是分子间作用力，C项错误；碘和金刚砂熔化时分别克服的是分子间作用力和共价键，D项错误。
4．下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是(　　)
A.存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角
B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子
C．最小的环上，Si和O原子数之比为1∶2
D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子
【解析】选D。SiO2晶体结构为“一硅四氧、一氧两硅”，即1个Si原子连接4个O原子，1个O原子连接2个Si原子。A项，在四面体结构单元中，Si处于中心，O处于4个顶角；B、D项，最小环上有6个Si原子和6个O原子；C项，最小环上，Si和O原子数之比为1∶1。
5．氮化硅是一种新合成的超硬、耐磨、耐高温的材料。下列对氮化硅的叙述中，正确的是(　　)
A．氮化硅是分子晶体 B．氮化硅是共价晶体
C．氮化硅是离子晶体 D．氮化硅化学式为Si4N3
【解析】选B。从构成元素上看，氮化硅应该是共价化合物，共价化合物形成的晶体有两种可能——分子晶体和共价晶体，再由超硬、耐磨、耐高温等特点考虑，其应该属于共价晶体。从两种元素的常见价态看，氮化硅的化学式应为Si3N4。
INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" INCLUDEPICTURE "左JS.TIF" \* MERGEFORMAT 素养新思维 INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" INCLUDEPICTURE "右JS.TIF" \* MERGEFORMAT
6．单质硼有无定形和晶体两种，参考下列数据，完成下列问题：
金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点/K 3 823 1 683 2 573
沸点/K 5 100 2 628 2 823
硬度 10 7.0 9.5
(1)晶体硼的晶体类型属于____________________晶体。
(2)已知晶体硼的基本结构单元是由硼原子构成的正二十面体，如图所示，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个硼原子，通过观察图形及推算，可知此结构单元是由________________个硼原子构成，其中B—B键间的键角是__________________(填度数)。
【解析】比较给出的金刚石、晶体硅及晶体硼的熔、沸点的数据，可得出晶体硼为共价晶体。硼原子形成了正三角形，所以B—B键间的角度为60°。由题给信息和图示可看出，要构成二十面体，在图示的另一面的中间部分，还应该有三个硼原子，即晶体硼的结构单元中有十二个硼原子。
答案：(1)共价　(2)12　60°
- 1 -第4课时　分子晶体　晶体结构的复杂性
备知识·自主学习
一、分子晶体
1．概念与物理性质
概念 分子间通过分子间作用力结合形成的晶体
构成微粒 分子
微粒间的作用力 分子间作用力
分子晶体与物质类型的关系 ①部分非金属单质：卤素(X2)、O2、N2、白磷(P4)、硫(S8)等②部分非金属氧化物：CO2、P4O10、SO2、SO3等③所有非金属氢化物：H2O、NH3、CH4等④几乎所有的酸：HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等⑤绝大多数有机物的晶体：苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
2.典型分子晶体的结构分析
碘晶体 干冰晶体 冰晶体
晶胞或结构类型
结构分析 (1)碘晶体的晶胞是一个长方体，在它的每个顶点和面心上各有1个I2分子，每个晶胞中有4个I2分子。(2)I2分子之间以范德华力结合。 (1)干冰晶胞是面心立方结构，在它的每个顶点和面心上各有1个CO2分子，每个晶胞中有4个CO2分子。(2)每个CO2分子周围距离最近且相等的CO2分子有12个。(3)干冰晶体中分子之间通过范德华力相结合，熔化时分子内的化学键不断裂。 (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。
3.分子晶体的物理性质
(1)分子晶体由于以比较弱的分子间作用力相结合，因此一般熔点较低，硬度较小。
(2)对组成和结构相似，晶体中又不含氢键的分子晶体来说，随着相对分子质量的增大，范德华力增大，熔、沸点升高。
INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)所有分子晶体中是否均存在化学键？
提示：不是。绝大多数分子晶体的微粒内部都存在化学键，如N2、H2O、SO2等分子内部都有共价键，而稀有气体为单原子分子，分子内部无化学键，分子之间以范德华力结合，所以并非所有分子晶体的分子内部都存在化学键。
(2)(情境思考)科学研究揭示，30亿年前，在地壳下200 km左右的地幔中处在高温、高压岩浆中的碳元素，逐渐形成了具有正四面体结构的金刚石。火山爆发时，金刚石夹在岩浆中上升到接近地表时冷却，形成含有少量金刚石的原生矿床。金刚石具有诸多不同凡响的优良性质：熔点高，不导电，硬度极高；干冰容易汽化，碘晶体容易升华。
①分子晶体干冰和共价晶体金刚石的构成粒子相同吗？
提示：不同。分子晶体为分子，共价晶体为原子。
②分子晶体和共价晶体受热熔化时克服粒子间作用力相同吗？
提示：不同，前者为分子间作用力，后者为共价键。
二、晶体结构的复杂性
1．石墨晶体
晶体模型
结构特点 (1)石墨晶体是层状结构，在每一层内，每个C原子与其他3个C原子以共价键结合，形成无限的六边形平面网状结构。每个C原子还有1个未参与杂化的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。(2)C原子采取sp2杂化，C—C键之间的夹角为120°。(3)层与层之间以范德华力结合
晶体类型 石墨中既含有共价键，又有范德华力，同时还有金属键的特性，因此石墨属于混合型晶体
物理性质 熔点高、质软、易导电
用途 制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等
2.晶体的复杂性
(1)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微粒间作用。例如：BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子，它是一种重要的压电材料。近年来一类与BaTiO3结构类似的有机/无机杂化材料在光电材料领域获得突破。Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子，是人体和动物骨骼的主要无机成分。
(2)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。
INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" INCLUDEPICTURE "自主探索JS.TIF" \* MERGEFORMAT
　(1)石墨为什么具有良好的导电性？
提示：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，所以石墨具有导电性。
(2)(情境思考)硅酸钠，俗称泡花碱，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂。固态Na2O·nSiO2是一种中间产品，外观大多呈现淡蓝色。硅酸钠与碳酸钠不同，在硅酸钠中不存在简单的SiO，硅酸钠其实是一种过渡晶体。据此，思考以下问题：
①在硅酸钠中存在那些化学键？
提示：存在共价键和离子键两种化学键。
②硅酸钠中硅原子和氧原子的连接方式是怎样的？
提示：在硅酸钠中，Si原子与4个O原子相连，形成硅氧四面体。
③硅酸钠内部的结构是怎么样的？
提示：硅酸钠中的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单元，然后带负电的链状硅酸盐单元与金属阳离子以离子键相互作用。
关键能力·合作学习
知识点一　四种晶体类型的比较
1．四种晶体类型的结构与性质
项目 类型
离子晶体 共价晶体 分子晶体 金属晶体
构成晶体的粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属阳离子和自由电子
粒子间的作用 离子键 共价键 分子间作用力(范德华力或氢键) 金属键
溶解性 多数易溶 一般不溶 相似相溶 一般不溶于水，少数与水反应
机械加工性 不良 不良 不良 优良
延展性 差 差 差 优良
确定作用力强弱的一般判断方法 晶格能 键长(原子半径) 组成结构相似时，比较相对分子质量 离子半径、价电子数
熔、沸点 较高 很高 较低 差别较大(汞常温下为液态，钨熔点为3 410 ℃)
硬度 略硬而脆 很大 较小 差别较大
导电性 不良导体(熔化后或溶于水导电) 不良导体(个别为半导体) 不良导体(部分溶于水发生电离后导电) 良导体
2．晶体类型的判断方法
(1)依据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用判断
共价晶体：原子―→共价键；
分子晶体：分子―→分子间作用力；
离子晶体：离子―→离子键；
金属晶体：金属阳离子和自由电子―→金属键。
(2)依据物质的分类判断
①常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的原子晶体化合物有SiC、BN、AlN、Si3N4、C3N4、SiO2等；
②分子晶体：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)；
③离子晶体：金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类；
④金属晶体：金属单质与合金。
(3)依据晶体的熔点判断
①离子晶体的熔点较高，常在数百至1 000余度；
②共价晶体熔点很高，常在1 000度至几千度；
③分子晶体熔点低，常在数百度以下至很低温度；
④金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点很低。
(4)依据导电性判断
①共价晶体：一般不导电；
③离子晶体：固态不导电，熔融或溶于水导电；
④金属晶体：固态或熔融均导电。
(5)依据硬度和机械性能判断
共价晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆；离子晶体硬度较大且较脆；金属晶体多数硬度大，但也有较小的，且具有延展性。
INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" INCLUDEPICTURE "合作探究JS.TIF" \* MERGEFORMAT
　(思维升华)为什么液态水变为冰时，体积膨胀，密度减小？
提示：冰晶体中主要是水分子依靠氢键而形成的，因氢键具有一定的方向性，使水分子间的间距比较大，有很大空隙，比较松散。所以水结成冰后，体积膨胀，密度减小。
INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" INCLUDEPICTURE "典例示范JS.TIF" \* MERGEFORMAT
【典例】(2021·武汉高二检测)已知下列晶体的部分性质，其晶体类型判断正确的是(　　)
选项 性　质 晶体类型
A 碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融状态下不导电，晶体不导电 离子晶体
B 溴化铝，无色晶体，易溶于水，熔融状态下不导电 共价晶体
C 硼：熔点2 300℃，沸点2 550℃，硬度大，不溶于常见溶剂 金属晶体
D 三氯化铁，沸点315 ℃，易溶于水，易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂 分子晶体
【解题指南】解决本题需要明白四种晶体的性质差异，以此为突破口进行判断。
【解析】选D。A.碳化铝，黄色晶体，熔点2 200 ℃，熔融态不导电，应为共价晶体，故A错误；B.溴化铝，无色晶体，易溶于水，熔融状态下不导电，具有分子晶体的性质，属于分子晶体，故B错误；C.硼：熔点2 300 ℃，沸点2 550 ℃，硬度大，不溶于常见溶剂，具有共价晶体的性质，属于共价晶体，故C错误；D.三氯化铁，沸点315 ℃，易溶于水，易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，具有分子晶体的性质，属于分子晶体，故D正确。
　【母题追问】(1)NaCl、二氧化碳、白磷、二氧化硅各属于什么晶体？
提示：NaCl、二氧化碳、白磷、二氧化硅分别属于离子晶体、分子晶体、分子晶体，共价晶体。
(2)哪种晶体在熔融状态下能导电？
提示：NaCl。
INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" \* MERGEFORMAT
已知氯化铝的熔点为190 ℃(2.02×105 Pa)，但它在180 ℃和常压下即开始升华。
(1)氯化铝是__________(填“离子”或“分子”) 晶体。
(2)在500 ℃，1.01×105 Pa时，氯化铝的蒸气密度(换算成标准状况)为11.92 g·L－1，且已知它的结构中还含有配位键，氯化铝的结构式为__________。
(3)设计一个更可靠的实验，证明氯化铝是离子晶体还是分子晶体，你的实验是___________________________________________________________________。
【解析】分子晶体的熔点较低，AlCl3的熔点也仅有190 ℃，而且它还能升华，这就充分说明AlCl3是分子晶体。AlCl3蒸气的相对分子质量＝11.92×22.4≈267，则1个氯化铝蒸气分子是由2个AlCl3构成的。
答案：(1)分子
(2)
(3)在加压条件下加热至熔融，测其导电性，若导电，则是离子晶体；若不导电，则为分子晶体
【补偿训练】
AB型化合物形成的晶体结构多种多样。下图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是(　　)
A.①③　　　B．②⑤　　　C．⑤⑥　　　D．③④⑤⑥
【解析】选B。从各图中可以看出②⑤都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。
知识点二　晶体熔、沸点的比较
1．不同类型晶体熔、沸点的比较
一般来说，共价晶体>离子晶体>分子晶体；金属晶体(除少数外)>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、镓等。
2．同种类型晶体熔、沸点的比较
(1)共价晶体
一般来说，对结构相似的共价晶体来说，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。例如：金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅。
(2)分子晶体
①组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。如I2>Br2>Cl2>F2；SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
②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，范德华力越大，熔、沸点越高。如CO>N2。
③同类别的同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如正戊烷>异戊烷>新戊烷。
④若分子间存在氢键，则分子间作用力比结构相似的同类晶体大，故熔、沸点较高。如HF>HI；NH3>PH3；H2O>H2Te。
(3)离子晶体
一般来说，离子所带的电荷数越多，离子半径越小，离子键越强，离子晶体的熔、沸点就越高。如NaCl>CsCl；MgO>MgCl2。
(4)金属晶体
金属阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，其金属键越强，金属熔、沸点越高。如Al>Mg>Na。
3．晶体熔、沸点比较的两个“首先”
(1)晶体熔、沸点比较时应先分析晶体类型。
(2)分子晶体熔、沸点比较时应先判断分子间是否存在氢键。
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　(1)(思维升华)晶体硅与SiCl4的熔点哪个更高？
提示：晶体硅熔点更高，因为晶体硅是共价晶体，而SiCl4是分子晶体。
(2)(情境应用)C60结构，又称为巴基球、足球烯，它是一个由60个碳原子结合形成的稳定分子，英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托勾画出的C60的分子结构，富勒的启示起了关键性作用，因此他们一致建议，将其命名为富勒烯。科研人员应用电子计算机模拟出来类似C60的物质N60，试据此回答下列几个问题：
①N60的溶解性是什么？晶体类型是什么？
提示：C60是一种单质，属于分子晶体，而N60类似于C60，所以N60也是单质，属于分子晶体，即具有分子晶体的一些性质，如硬度较小，熔、沸点较低。单质一般是非极性分子，难溶于水这种极性溶剂。
②N60与N2的熔点谁的更高？稳定性呢？
提示：由于分子晶体相对分子质量越大，熔、沸点越高，所以N60的熔点高于N2。N2分子以N≡N结合，N60分子中只存在N—N，而N≡N比N—N牢固得多。
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【典例】某化学兴趣小组，在学习了分子晶体后，查阅了几种氯化物的熔、沸点，记录如下：
氯化物 NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 CaCl2
熔点/℃ 801 712 190 －68 782
沸点/℃ 1 465 1 418 178 57 1 600
根据表中数据分析，属于分子晶体的是(　　)
A．NaCl、MgCl2、CaCl2　　　　　B．AlCl3、SiCl4
C．NaCl、CaCl2 D．全部
　【解题指南】解决本题的关键要明确四种晶体类型对应的熔沸点大小关系，从而进行推断。
【解析】选B。分子晶体中，分子与分子之间以分子间作用力相结合，而分子间作用力较弱，克服分子间作用力所需能量较低，故分子晶体的熔、沸点较低。表中NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点较高，不属于分子晶体，AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低，应为分子晶体，所以B项正确，A、C、D项错误。
【母题追问】为什么NaCl的熔、沸点低于MgCl2的？
提示：离子半径：Na＋>Mg2＋，离子电荷数：Mg2＋>Na＋，则晶格能：NaClINCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" INCLUDEPICTURE "素养训练JS.TIF" \* MERGEFORMAT
　(2021·湖南选择考节选)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。回答下列问题：
(1)基态硅原子最外层的电子排布图为______________，晶体硅和碳化硅熔点较高的是____________________(填化学式)；
(2)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。
0℃时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是________________(填化学式)，沸点依次升高的原因是____________________，气态SiX4分子的空间构型是____________________。
【解析】(1)硅元素的原子序数为14，价电子排布式为3s23p2，则最外层电子排布图为；原子晶体的熔点取决于共价键的强弱，晶体硅和碳化硅都是原子晶体，碳原子的原子半径小于硅原子，非金属性强于硅原子，碳硅键的键能大于硅硅键、键长小于硅硅键，则碳硅键强于硅硅键，碳化硅的熔点高于晶体硅；(2)由题给熔沸点数据可知，0 ℃时，四氟化硅为气态，四氯化硅为液态，四溴化硅、四碘化硅为固态；分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小，SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大，则SiX4的沸点依次升高；SiX4分子中硅原子的价层电子对数为4，孤电子对数为0，则分子的空间构型为正四面体形。
答案：(1)　SiC
(2)SiCl4　SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大　正四面体形
【补偿训练】
下列化合物，按其晶体的熔点由高到低排列正确的是(　　)
A．SiO2　CsCl　CBr4　CF4
B．SiO2　CsCl　CF4　CBr4
C．CsCl　SiO2　CBr4　CF4
D．CF4　CBr4　CsCl　SiO2
【解析】选A。物质的熔点的高低与晶体的类型有关，一般来说，共价晶体＞离子晶体＞分子晶体，即SiO2＞CsCl＞CBr4>CF4。当晶体的类型相同时，共价晶体与原子半径有关；离子晶体与离子的半径和离子所带的电荷数有关；分子晶体当组成和结构相似时，与相对分子质量的大小有关，一般来说，相对分子质量大的，熔点高，即CBr4＞CF4。
INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" INCLUDEPICTURE "课堂小结JS.TIF" \* MERGEFORMAT
INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头ZJS.TIF" \* MERGEFORMAT 三言两语话重点 INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" INCLUDEPICTURE "箭头JS.TIF" \* MERGEFORMAT
1．常见的分子晶体有非金属单质(除Si)、非金属氧化物(除SiO2)、酸、多数有机物。
2．分子晶体具有硬度小，熔点、沸点低的特性。
3．由组成和结构相似的分子组成的不含氢键的分子晶体，随着相对分子质量的增大，范德华力增强，晶体的熔点升高。
课堂检测·素养达标
1．在常温常压下呈气态的化合物，降温使其固化得到的晶体属于(　　)
A．分子晶体　　　　　　　B．共价晶体
C．离子晶体 D．何种晶体无法判断
【解析】选A。因该化合物在常温时为气态，说明熔、沸点很低，具有分子晶体的性质。
2．下列说法正确的是(　　)
A．二氧化硅与二氧化碳都是共价化合物，且晶体类型相同
B．氧气生成臭氧的过程中有化学键的断裂和生成
C．因为N≡N键的键能比O===O键的键能大，所以氮气的沸点比氧气的高
D．硫晶体与氖晶体均是由单原子构成的分子晶体
【解析】选B。SiO2中Si与O形成共价键，CO2中C与O形成共价键，所以二者都是共价化合物，但SiO2形成的是共价晶体，CO2形成的是分子晶体，A项错误。N2与O2形成的晶体都是分子晶体，二者沸点的高低取决于分子间作用力的相对大小，与分子中共价键的键能无关，C项错误。硫晶体不是单原子构成的分子晶体，D项错误。
3．(双选)甲烷晶体的晶胞结构如图所示，下列说法正确的是(　　)
A.甲烷晶胞中的球只代表1个C原子
B．晶体中1个CH4分子周围有12个紧邻的CH4分子
C．甲烷晶体熔化时需克服范德华力
D．1个CH4晶胞中含有8个CH4分子
【解析】选B、C。题图所示的甲烷晶胞中的球代表的是1个甲烷分子，并不是1个C原子，A错误；由甲烷的一个晶胞分析可知，与位于晶胞顶点的甲烷分子距离最近且相等的甲烷分子有3个，而这3个甲烷分子在晶胞的面心上，因此被2个晶胞所共用，故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子数目为3×8×＝12，B正确；甲烷晶体是分子晶体，熔化时需克服范德华力，C正确；甲烷晶胞属于面心立方晶胞，该晶胞中甲烷分子的数目为8×＋6×＝4，D错误。
【补偿训练】
中国获得2022年冬奥会主办权，这将促进中国冰雪运动。以下关于冰的说法正确的是(　　)
A．冰与水共存物属于混合物
B．冰的密度比水大
C．冰与二氧化硅的晶体类型相似
D．氢键在冰晶体结构中起关键作用
【解析】选D。冰水混合物属于纯净物，故A错误；冰中氢键比水多，又因为氢键具有饱和性和方向性，相同质量，冰的体积比水大，则冰的密度比水小，故B错误；冰属于分子晶体，而二氧化硅属于共价晶体，因此结构不同，故C错误；氢键具有饱和性和方向性，冰中一个水分子有4个氢键，故D正确。
4．下列物质的熔点高低顺序中，正确的是(　　)
A．金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅
B．CI4>CBr4>CCl4>CH4
C．MgO>H2O>N2>O2
D．金刚石>生铁>纯铁>钠
【解析】选B。对于A选项，同属于共价晶体，熔点、沸点高低主要看共价键的强弱，显然对键能而言，晶体硅<碳化硅，错误；B选项，同为组成结构相似的分子晶体，熔点、沸点高低要看相对分子质量大小，正确；C选项，对于不同晶型，熔点高低一般为共价晶体>离子晶体>分子晶体，MgO>(H2O、O2、N2)，又H2O>O2>N2，错误；D选项，生铁为铁合金，熔点要低于纯铁，错误。
5．(双选)一定条件下，Fe吸收CO生成配合物Fe(CO)5。常温下Fe(CO)5是一种黄色液体，易溶于汽油、苯等多数有机溶剂。下列说法一定错误的是(　　)
A．Fe(CO)5为分子晶体
B．Fe(CO)5易溶于水
C．Fe(CO)5属于含氧盐
D．Fe吸收CO生成Fe(CO)5的变化是化学变化
【解析】选B、C。A.Fe(CO)5是一种黄色液体，易溶于汽油、苯等多数有机溶剂，根据相似相溶原理，Fe(CO)5为非极性分子，故A正确；B.根据相似相溶原理，Fe(CO)5为非极性分子，水为极性分子，Fe(CO)5难溶于水中，故B错误；C.盐是由酸根阴离子和金属阳离子组成，Fe(CO)5没有金属阳离子，属于配合物，是Fe吸收CO生成配合物，故C错误；D.Fe吸收CO生成配合物Fe(CO)5，有新物质生成，所以是化学变化，故D正确。
素养新思维
6．碳及其化合物广泛存在于自然界中。回答下列问题：
(1)碳在形成化合物时，其键型以共价键为主，原因是_________________________________________________________________。
(2)碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：
①在石墨烯晶体中，每个C原子连接__________个六元环，每个六元环占有__________个C原子。
②在金刚石晶体中，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。
【解析】(1)碳原子核外最外层有4个电子，在化学反应中很难失去4个电子形成阳离子，也很难得到4个电子形成阴离子。因此，碳在形成化合物时，主要通过共用电子对形成共价键。
(2)①由石墨烯的结构可知，每个C原子连接3个六元环，每个六元环占有的C原子数为×6＝2。②由金刚石的结构可知，每个C可参与形成4条C—C键，其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环。根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组，6×2＝12。因此每个C原子连接12个六元环。六元环中C原子采取sp3杂化，为空间六边形结构，最多有4个C原子位于同一平面。
答案：(1)C有4个价电子且半径小，难以通过得或失电子达到稳定电子结构
(2)①3　2　②12　4
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