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第2节 几种简单的晶体结构模型
【教学目标】
1、通过认识晶体的分类依据---构成粒子的种类及粒子间的相互作用，培养宏微结合的化学观；
2、从微观角度分析比较金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体的本质区别及性质上的差异；
3、通过建立模型解决金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体的相关问题。
【教学重难点】
金属晶体离子晶体、共价晶体和分子晶体性质上的差异，以及相关问题
【教学用具】
学案、PPT
【教学过程】
一、金属晶体
1. 金属晶体
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
（1）定义：金属原子通过金属键形成的晶体称为金属晶体。
（2）特征：由于“自由电子”为整个金属所共有，导致金属键没有方向性和饱和性，因此金属晶体可以看作等径圆球的堆积。
2. 常见金属晶体的结构
常见金属 Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pd、Pt Li、Na、K、Ba、W、Fe Mg、Zn、Ti
结构示意图
晶胞示意图
注意：有关晶体结构的几个重要概念
①最密堆积：微粒间较强的作用力使微粒尽可能地相互接近，使它们占有最小空间。
②配位数：在密堆积中，一个原子或离子周围距离相等且最近的原子或离子的数目称为配位数。Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pd、Pt晶体的配位数均为12, Li、Na、K、Ba、W、Fe 晶体的配位数均为8, Mg、Zn、Ti晶体的配位数均为12。
3. 金属晶体的结构与性质的内在联系
（1）金属的延展性
①金属通常具有良好的延展性，可以抽成细丝，也可以压成薄片。这是因为当金属受到外力作用时，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，即各层之间始终保持着金属键的作用，因此金属晶体虽然发生了形变，但不会导致断裂。
②金属晶体中原子的堆积方式也会影响金属的性质，如具有最密堆积结构的金属的延展性往往比具有其他结构的金属的延展性好。
（2）金属晶体的熔、沸点
①由于金属键的强度差别较大，导致金属晶体的熔、沸点差别较大。如汞在常温下是液体，熔点很低(-38.9 ℃)，而铁(1538℃)等金属熔点较高。
②金属晶体的熔、沸点与金属键的强弱有关，金属键的强弱由金属阳离子半径、离子所带的电荷数决定，金属阳离子半径越小，所带的电荷数越多，熔、沸点越高。具体规律如下：
a.同周期主族金属单质，从左到右，熔、沸点升高(如Nab.同主族金属单质，从上到下，熔、沸点降低(如碱金属Li>Na>K>Rb>Cs)。
③合金的熔、沸点比其各成分金属的低(如铝合金<铝)。
二、离子晶体
1. 离子晶体
定义 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
构成微粒 阴、阳离子
常见的离子晶体 强碱[如 NaOH、Ba(OH) 等]、活泼金属氧化物和活泼金属过氧化物(如 Na O、K O 等)、大部分盐(如 NaCl、BaSO 等)
注意：①离子晶体中无分子。如 NaCl、CsCl只表示晶体中阴、阳离子个数比，为化学式，不是分子式。②离子晶体中，每一个阴(阳)离子周围排列的带相反电荷离子的数目是固定的，不是任意的。
2. 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) （1）Na 、Cl 的配位数均为6; （2）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(CAB、 CaI、NH Cl等) （1）Cs 、Cl 的配位数均为8; （2）每个 Cs (Cl )周围紧邻的Cl (Ca )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) （1）Zn 、S (的配位数均为4； （2）每个Zn (S )周围紧邻的S (Zm )构成正四面体； （3）每个晶胞中有4 个S 、4个Zn ; （4）Zn 与S 之间的最短距离为晶胞体对角线长的-|寸|
CaF 型( BaF 、 PbF 、CeO 等) （1）Ca 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所带电荷(绝对值)之比； （2）每个 F 周围紧邻的 4 个Ca 构成正四面体，每个(Ca 周围紧邻的8个F 构成立方体； （3）每个晶胞中有4个 Ca 、8个F ; （4）Ca 与 F 之间的最短距离为晶胞体对角线长的
注意：离子晶体中离子的配位数
① 离子晶体中1个离子周围紧邻的带相反电荷离子的数目就是该离子的配位数。阳离子的配位数是指与1个阳离子周围紧邻的阴离子的数目；阴离子的配位数是指与1个阴离子周围紧邻的阳离子的数目。阴、阳离子的配位数之比为其所带电荷数的绝对值之比。以 NaCl 晶体为例，用图示法理解配位数：
② 配位数与阴、阳离子半径的关系
在离子晶体中，阴、阳离子总是尽可能紧密地排列，且一种离子周围紧邻的带相反电荷的离子越多，体系能量越低，所形成的离子晶体越稳定。离子晶体的配位数与阴、阳离子的半径大小有关。
3. 晶格能
概念 将1mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量
单位 kJ·mol
意义 吸收的能量越多，晶格能越大，表示离子间作用力越强，离子晶体越稳定
影响因素 离子半径越小，离子所带电荷数越多，晶格能越大；反之越小
注意：晶格能的大小还与离子晶体的结构类型有关
补充：晶格能的应用
① 判断离子晶体熔、沸点的高低
如MgO的晶格能大于NaCl的晶格能，这是因为Mg 的半径小于Na 的半径，且所带电荷数比Na 多，O 的半径小于Cl 的半径，且所带电荷数比Cl 多，所以 MgO的熔点(2800℃)比 NaCl的熔点(801℃)高得多。
② 判断离子晶体的稳定性：晶格能越大，表示离子间作用力：越强，离子晶体越稳定。
4离子晶体的物理性质
熔、沸点及挥发性 离子晶体中，阴、阳离子间有强烈的相互作用(离熔、沸点 子键)，要克服离子间的相互作用使离子晶体由固及挥发性 态变成液态或气态，就需要较多的能量。因此，离子晶体的熔、沸点较高且难挥发
硬度 离子晶体中，阴、阳离子间有较强的离子键，使离子晶体的硬度较大，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 离子晶体是由阳离子和阴离子构成的，固态时，阴、阳离子只能在各自的位置做轻微的振动，因此不能发生带电微粒的定向移动，所以固态的离子化合物不能导电；溶于水或在熔融状态下，离子晶体成为可以自由移动的离子，可以传递电荷，因此具有导电性
溶解性 大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)，难溶于非极性溶剂(如 CCl 、苯)
注意：影响离子晶体熔点的其他因素
构成离子晶体的离子未必都是单原子离子，还可能是NH +、SO4 等多原子离子。在由这些离子构成的离子晶体中，随着离子体积的增大，阴、阳离子间的距离增大，离子之间的作用力减弱。晶体的熔点也随之降低。在许多离子化合物的晶体中，微粒之间的相互作用不再是典型的离子键，而存在氢键、范德华力等作用力。这些晶体的熔点远比 NaCl等晶体低得多，有些离子组成的物质在常温下甚至以液态形式存在。
三、共价晶体
1. 共价晶体
定义 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
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 共价晶体体的化学式只表示各原子的个数1数比
常见共价晶体 （1）单质:金刚石(C)、晶体硅(Si)、晶体硼(B)、晶体锗(Ge); （2）化合物:二氧化硅(SiO )、碳化硅(SiC)、立方相氮化硼(BN)、氮化硅(Si N )、氮化铝(AlN)、砷化镓(GaAs)、α型氧化铝(α-Al O )
2. 典型共价晶体的结构分析
金刚石 二氧化硅
结构模型
结构特点 （1）金刚石晶体结构可以看作碳原子之间以 sp 杂化轨道形成共价键结合在一起的空间网状结构，如图甲所示。由共价键的饱和性和方向性，每个碳原子和与它紧邻的四个碳原子构成一个正四面体结构单元，碳原子数与 C—C 键数之比为1:2。 （2）晶体中的最小碳环电六个碳原子组成且这六个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 （3）如图乙所示。晶胞中含有碳原子数为8×+6×+4=8 （1）在二氧化硅晶体中，硅原子和氧原子交替排列(如图所示)，不会出现 Si—Si 键和O—O 键,只有Si—O键，即1个硅原子与4 个氧原子形成4个共价键，每个氧原子与2个硅原子形成2个共价键。 （2）每个正四面体占有1个完整的硅原子、2个氧原子。因此，二氧化硅晶体中硅原子和氧原子的个数比为1:(4×化学式为SiO 。 （3）在SiO 晶体中,最小的环为6个硅原子和6个氧原子组成的十二元环(4)n mol SiO 晶体中,Si—O键为4n mol,即1mol Si 可以形成4molSi—O键。 (5)在 SiO 晶体中,每个最小的环实际拥有的硅原子数为6×1/12=1/2，氧原子数为6×1/6=1
碳化硅 晶体硅
结构 模型
结构 特点 碳化硅晶体与金刚石晶体结构相似，其空间结构中碳原子和硅原子交替排列，所以在整个晶体中碳原子和硅原子的个数比为1:1 若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子，便可得到晶体硅的结构，晶体硅中的硅原子也采取sp 杂化，与其他4个硅原子以共价键结合。不同的是 Si—Si 键键长>C—C 键键长
3. 共价晶体的物理性质
（1）一般熔点都很高，硬度都很大。由于共价晶体熔化或被粉碎时必须破坏其中的共价键，对结构相似的共价晶体来说，原子半径越小，共价键的键长越短，键能越大，晶体的熔点越高、硬度越大。
（2）一般不导电，但晶体硅是半导体。
（3）难溶于常见的溶剂。
四、分子晶体
1. 分子晶体
稀有气体形成的分子晶体，构成微粒是单原子分子。晶体中只有分子间作用力，不存在化学键
定义 分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体
构成微粒 分子
微粒间作用力_ 分子间作用力(范德华力，部分晶体还有氢键)
典型分子晶体 （1）部分非金属单质:X (卤素单质)、O 、H 、P 、单质硫、C 、稀有气体、红磷等; （2）所有非金属氢化物:H O、H S、NH 、PH 、HX(卤化氢)等; （3）部分非金属氧化物:CO 、SO 、SO 、 NO 、P O 等; （4）几乎所有的含氧酸:H CO 、HNO 、H SO 、H SO 等; （5）绝大多数有机物分子：烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃、醇、醛、羧酸、酯、氨基酸、蛋白质、糖类等
注意：对分子晶体中作用力的理解
① 分子内的原子间以共价键结合(稀有气体除外)，作用力较强，主要影响分子晶体的化学性质；而分子间作用力较弱，主要影响分子晶体的熔点、沸点、硬度等物理性质。
② 分子晶体熔化或汽化时只破坏分子间作用力，不破坏分子内的共价键。
2. 分子晶体的物理性质
熔、沸点 分子晶体在熔化时，只需克服分子间作用力，不破坏化学键，由于分子间作用力很弱，所以分子晶体一般具有较低的熔点和沸点，较小的硬度，较强的挥发性
硬度
挥发性
导电性 由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子晶体在固态和熔融状态时都不导电
溶解性 不同的分子晶体的溶解度差别很大，并且同一分子晶体在不同的溶剂中溶解度也有很大的差别，如碘易溶于 CCl 等有机溶剂，但难溶于水。分子晶体在溶剂中的溶解情况一般符合“相似相溶”原理：非极性溶质一般易溶于非极性溶剂，极性溶质一般易溶于极性溶剂
3. 常见分子晶体的结构
（1）碘晶体和干冰晶体碘分子在空间的取向有2种
碘晶体 干冰晶体
晶胞
微粒间作用力 范德华力 范德华力
结构特点 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I 分子 ①干冰晶胞是一个立方体，在它的每个顶点和面心上各有1个CO 分子；②每个 CO 分子周围距离最近且相等的 CO 分子有12个
晶胞中微粒数 4 4
（2）冰晶体
①水分子之间的相互作用除范德华力外还有氢键，冰晶体主要是水分子依靠氢键结合形成的。
②由于氢键具有一定的方向性，每个水分子都与周围4个水分子结合，4个水分子也按照同样的规律再与其他水分子结合。这样，每个水分子中的每个氧原子周围都有4个氢原子，氧原子与其中的2 个氢原子通过共价键结合，而与属于其他水分子的另外2个氢原子靠氢键结合在一起。
③可以看出，在这种排列中，分子的间距比较大，有很多空隙，类似于蜂巢结构，如图所示。因此，液态水变成固态水，即水凝固成冰、雪、霜时密度会变小。
4. 分子晶体中分子堆积方式
有方向性，使晶体中空间利用率降低 无方向性和饱和性
分子非密堆积 分子密堆积
微粒间作用力 范德华力和氢键 范德华力
空间特点 每个分子周围紧邻的分子数小于12，空间利用率不高 通常每个分子周围有12 个紧邻的分子
举例 HF、NH 、冰 C60、干冰、I 、O
五、晶体结构的复杂性
1. 石墨晶体
晶体模型
结构特点 （1）石墨晶体具有层状结构，在每一层内，每个碳原子用sp 杂化轨道与邻近的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C 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。 （2）C 原子采取 sp 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 石墨晶体中既存在共价键又存在范德华力，同时还存在类似金属键的作用力，因此石墨晶体属于混合型晶体 石墨晶体中电子可以在整个六边形网状平面上运动，所以石墨的大π键具有金属键的性质，这就是石墨沿层的平行方向导电性强的原因
物理性质 熔点高、质软、易导电
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的微粒间作用。例如，BaTiO 含有一种阴离子和多种阳离子，Ca (PO ) OH含有一种阳离子和多种阴离子。
（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。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。
【课后练习】
1. (河北唐山第十一中学月考]列性质中，可以证明某化合物形成晶体一定是离子晶体的是
A.可溶于水
B.具有较高的熔点
C.水溶液能导电
D.熔融状态能导电
2. 下列叙述正确的是
A.有阳离子的晶体一定有阴离子
B.有阳离子的晶体一定是化合物
C.金属晶体都具有较高的熔点和银白色的金属光泽
D.由单质组成且在固态时能导电的晶体不一定是金属晶体
3. (2023 山东济南期中)下列于金属晶体的叙述正确的是
A.常温下，金属单质都以金属晶体式存在
B.金属阳离子与“自由电子”之间强烈作用，在一定外力的作用下不因形变而消失
C.钙的熔、沸点低于钾
D.温度越高，金属的导电性越好解析Hg在常温下为液态
4. 根据下列晶体的相关性质，判断可能属于金属晶体的是 ( )
选项 晶体的相关性质
A 由分子间作用力结合而成，熔点低
B 固态或熔融态时易导电，熔点在1 000 ℃左右
C 由共价键结合成空间网状结构，熔点高
D 固体不导电，但溶于水或熔融后能导电
5. (2023 浙江衢州期末)下列说法不正确的是
A.硫化氢晶体的结构和冰晶体的相似
B.冰晶体中，每个水分子均与其他4个水分子以氢键结合
C.冰晶体的空间利用率比干冰晶体的小
D.冰晶体中水分子间的氢键具有一定的方向性，则晶体中有较大的空隙，因此冰的密度比液态水的大
6. 下列有关晶体的叙述错误的是 ( )
A.离子晶体熔化时离子键被破坏，而分子晶体熔化时化学键未被破坏
B.白磷晶体中，结构粒子(P )之间通过共价键相结合
C.石英晶体是直接由硅原子和氧原子通过共价键所形成的空间网状结构的晶体
D.构成分子晶体的粒子中不一定存在共价键
7. 如图所示分别为氯化钠、氯化铯、二氧化碳和二氧化硅的晶体结构，下列关于这些晶体结构和性质的叙述不正确的是 ( )
A.同一主族的元素与另一相同元素所形成的化学式相似的物质不一定具有相同的晶体结构
B.氯化钠、氯化铯和二氧化碳的晶体都有立方晶胞结构，它们具有相似的物理性质
C.二氧化碳晶体是分子晶体，其中不仅存在分子间作用力，也存在共价键
D.二氧化硅晶体不是密堆积结构
8. (黑龙江哈尔滨三中期末)下列有关晶体的叙述正确的是 ( )
A.金属晶体中含有金属阳离子和“自由电子”
B.共价晶体一定是单质
C.分子晶体一定是化合物
D.金属晶体的硬度>共价晶体的硬度>分子晶体的硬度

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