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晶体、分子晶体与原子晶体
主要知识点:
一、晶体与非晶体
1、晶体与非晶体的本质差异
晶体有固定熔点，而非晶体无固定熔点，这只是晶体与非晶体的表观现象，
晶体与非晶体的本质差异
自范性 微观结构
晶体 有 原子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体 没有 原子排列相对无序
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，但这里得注意，“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，但不打开拦截水流的闸门，水库里的水不能下泻。
注意：自范性需要一定的条件，其中最重要的条件是晶体的生长速率适当。
2、晶体形成的一般途径：
（1）熔融态物质凝固；
（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。
如：1、从熔融态结晶出来的硫晶体；2、凝华得到的碘晶体；3、从硫酸铜饱和溶液中析出的硫酸铜晶体。
从本质上来说，晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里所呈的现周期性。
3、晶体的特点：
（1）有固定的几何外形；（2）有固定的熔点；（3）有各向异性。
可以根据晶体特点区别某一固体属于晶体还是非晶体。然而，得出区别晶体与非晶体最可靠的方法是利用x-射线衍射实验。
4、晶体的定义：
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。
二、晶胞
1. 定义：晶体结构中的基本单元叫晶胞。
2.晶胞中原子个数的计算方法：
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。
晶体结构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。解答这类习题，通常采用分摊法。
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呢。这就是分摊法。分摊法的根本目的就是算出一个晶胞单独占有的各类原子的个数。
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。下面对立体晶胞进行详细分析。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。
【典题解析】
例1：如下图所示的甲、乙、丙三种晶体：
试写出：(1)甲晶体化学式（X为阳离子）为 。
(2)乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是 。
(3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是 个。
解析：明确由晶胞构成的晶体，其化学式不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。解答这类习题，通常采用分割法。分割法的根本原则是：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。只要掌握晶体立方体中微粒实际占有“份额”规律：顶点微粒在立方体中实占，立方体面上微粒实占，立方体棱边上微粒实占，立方体内部微粒按有1算1统计。
甲中X位于立方体体心，算做1，Y位于立方体顶点，实际占有：×4=个，X:Y=1: =2:1，所以甲的化学式为X2Y。
乙中A占有：×8=1，B占有×6=3，C占有1个，由此推出A:B:C=1:3:1。丙中D周围的E的个数与E周围D的个数相同，E周围有8个D，所以D周围有8个E。
答案： X2Y 1:3:1 8
例2.美国《科学》杂志评选2001年世界科技十大成就中，名列第五的日本青山学院大学教授秋光纯发现的金属间化合物硼化镁超导转变温度高达39K，该金属间化合物的晶
体结构如上图。则它的化学式为（ ）
A.MgB B.Mg2B C.MgB2 D.Mg2B3
解析：观察硼化镁的结构为六方晶胞，位于棱柱顶点的每个镁原子被6个这样的结构单元共用，一个结构单元只用这个镁原子的六分之一，位于面上的镁原子被2个这样的结构单元共用，一个结构单元只用这个镁原子的二分之一，故这个结构单元中含镁原子的个数为：12X＋2X＝3；6个硼全部位于此结构单元中，则这个结构单元中硼原子的个数为6。
晶胞中镁原子与硼原子的个数比为：3: 6=1: 2，故化学式为MgB2 。
答案：C
例3．钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。钛酸钡晶体的结构示意图为右图，它的化学式是（ ）
A.BaTi8O12 B.BaTi4O6 C.BaTi2O4 D.BaTIO3
解析：结合识图考查晶体结构知识及空间想像能力。解题关键：由一个晶胞想象出在整个晶体中，每个原子为几个晶胞共用是解题的关键。仔细观察钛酸钡晶体结构示意图可知：Ba在立方体的中心，完全属于该晶胞；Ti处于立方体的8个顶点，每个Ti为与之相连的8个立方体所共用，即只有1/8属于该晶胞；O处于立方体的12条棱的中点，每条棱为四个立方体共用，故每个O只有1/4属于该晶胞。即晶体中Ba:Ti:O=1:(8×1/8):(12×1/4)=1:1:3。如果以为钛酸钡晶体就是一个个孤立的如题图所示的结构，就会错选C。 答案：D
巩固练习：
1.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
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的中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
3.1987年2月，未经武（Paul Chu）教授等发现钛钡铜氧化合物在90K温度下即具有超导性。若该化合物的结构如右图所示，则该化合物的化学式可能是（ ）
A.YBa2CuO7－x B.YBa2Cu2O7－x C.YBa2Cu3O7－x D.YBa2Cu4O7－x
4.白磷分子如图所示：则31 g白磷分子中存在的共价键数目为（　）
　　A．4 NA B．NA　 C．1.5 NA D．0.25 NA
5．某离子化合物的晶胞如右图所示立体结构，晶胞是整个晶体中最基本的重复单位。阳离子位于此晶胞的中心，阴离子位于8个顶点，该离子化合物中，阴、阳离子个数比是（ ）
A、1∶8 B、1∶4 C、1∶2 D、1∶1
6.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
7.许多物质在通常条件下是以晶体的形式存在，而一种晶体又可视作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。已知某化合物是由钙、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
8.下列有关晶体的特征及结构的陈述中不正确的是（ ）
A 单晶一般都有各向异性 B 晶体有固定的熔点
C 所有晶体都有一定的规整外形 D 多晶一般不表现各向异性
9.晶体中最小的重复单元——晶胞，①凡处于立方体顶点的微粒，同时为 个晶胞共有；②凡处于立方体棱上的微粒，同时为 个晶胞共有；③凡处于立方体面上的微粒，同时为 个晶胞共有；④凡处于立方体体心的微粒，同时为 个晶胞共有。
10.现有甲、乙、丙(如图》三种晶体的晶胞：(甲中x处于晶胞的中心，乙中a处于晶胞的中心)，可推知：甲晶体中x与y的个数比是__________，乙中a与b的个数比是_______，丙晶胞中有_______个c离子，有____________个d离子。
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。如：碘晶体中只含有I2分子，就属于分子晶体。
2．较典型的分子晶体有非金属氢化物，部分非金属单质，部分非金属氧化物，几乎所有的酸，绝大多数有机物的晶体。
3．分子间作用力和氢键
分子间存在着一种把分子聚集在一起的作用力叫做分子间作用力，也叫范徳华力。分子间作用力对物质的性质有怎么样的影响。
一般来说，对与组成和结构相似的物质，相对分子量越大分子间作用力越大，物质的熔沸点也越高。但是有些氢化物的熔点和沸点的递变却与此不完全符合，如：NH3，H2O和HF的沸点就出现反常。
氢键形成的过程：
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核
氢键的定义：半径小、吸引电子能力强的原子与H核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。
氢键对物质性质的影响：氢键使物质的熔沸点升高。
氢键的表示 如：冰一个水分子能和周围4个水分子从氢键相结合组成一个正四面体 。
在分子晶体中，分子内的原子以共价键相结合，而相邻分子通过分子间作用力相互吸引。
4．分子晶体的物理特性：熔沸点较低、易升华、硬度小。固态和熔融状态下都不导电。教师诱导：大多数分子晶体结构有如下特征：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。O2，C60，我们把这一特征叫做分子紧密堆积。如果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
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。
还有一种晶体叫做干冰，它是固体的CO2的晶体。干冰外观像冰，干冰不是冰。其熔点比冰低的多，易升华。
干冰晶体中CO2分子之间只存在分子间力不存在氢键，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分子数目有几个？
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分子周围，所以每个CO2分子周围最近且等距离的CO2分子数目是12个。
小结：
晶体类型 分子晶体
结构 构成晶体的粒子 分子
粒子间的相互作用力 分子间作用力
性质 硬度 小
熔沸点 较低
导电性 固态熔融状态不导电
溶解性 相似相溶
原子晶体
有的晶体的微观空间里没有分子，原子晶体就是其中之一。在原子晶体里，所有原子都以共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，又称共价晶体。
1、原子晶体：原子都以共价键相结合，是三维的共价键网状结构。
金刚石是典型的原子晶体。天然金刚石的单一晶体经常呈现规则多面体的外形，在金刚石晶体中，每个碳原子以四个共价单键对称地与相邻的4个碳原子结合，C--C--C夹角为109°28′，即金刚石中的碳取sp3杂化轨道形成共价键。
2、金刚石结构：正四面体网状空间结构，C--C--C夹角为109°28′，sp3杂化。
金刚石里的C--C共价键的键长(154 pm)很短，键能(347．7kJ／mo1)很大，这一结构使金刚石在所有已知晶体中硬度最大，而且熔点(>3 550℃)也很高。高硬度、高熔点是原子晶体的特性。特点：硬度最大、熔点高。
3、SiO2原子晶体：制水泥、玻璃、宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维等。
自然界里有许多矿物和岩石，化学式都是Si02，也是典型的原子晶体。SiO2具有许多重要用途，是制造水泥、玻璃、人造宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维的原料。
4、（1）某些非金属单质，如硼(B)、硅(Si)和锗(Ge)等；（2）某些非金属化合物，如碳化硅(SiC，俗称金刚砂)、氮化硼(BN)等；（3）某些氧化物，如氧化铝(A12O3)等。
总结：晶体熔沸点的高低比较
①对于分子晶体，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，物质的熔沸点也越高。
②对于原子晶体，一般来说，原子间键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高，硬度越大。
[方法导引]
1.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。
对分子晶体,构成晶体的微粒是______________，微粒间的相互作用是___________；
对于原子晶体，构成晶体的微粒是_______，微粒间的相互作用是___________键。
(2)看物质的物理性质(如：熔、沸点或硬度)。
一般情况下，不同类晶体熔点高低顺序是 ________晶体>_______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。
2．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，需比较晶体内部结构粒子间作用力，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：组成结构相似的物质，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
典例剖析：
例1．共价键、离子键和范德华力是构成物质粒子间的不同作用方式，下列物质中，只含有上述一种作用的是 ( )
A.干冰 B.氯化钠 C.氢氧化钠 D.碘
解析：干冰是分子晶体，分于内存在共价键，分子间存在范德华力。NaCl是离子晶体只存在离子键。 NaOH是离子晶体，不仅存在离子键，还存在H—O间共价键。碘也是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在分子间作用力。
答案： B
[例2]单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据
金刚石 晶体硅 晶体硼
熔点 >3823 1683 2573
沸点 5100 2628 2823
硬度 10 7.0 9.5
①晶体硼的晶体类型属于____________晶体，理由是________________________。
已知晶体硼结构单元是由硼原子组成的正二十面体，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个项点上各有1个B原子。通过视察图形及推算，此晶体体结构单元由
____________________个硼原子构成。其中B—B键的键角为____________。
[解析]①原子，理由：晶体的熔、沸点和硬度都介于晶体Si和金刚石之间，而金刚石和晶体Si均为原予晶体，B与C相邻与Si处于对角线处，亦为原于晶体。
②每个三角形的顶点被5个三角形所共有，所以，此顶点完全属于一个三角形的只占到1/5，每个三角形中有3个这样的点，且晶体B中有20个这样的角形，因此，晶体B中这样的顶点(B原子)有3/5×20=12个。又因晶体B中的三角形面为正三角形，所以键角为60°
〔例3〕石墨的片层结构如右图1所示：试回答：
（1）片层中平均每个六元环含碳原子数为 个。
（2）在片层结构中，碳原子数、C—C键数、六元环数之比
为
【解析】在石墨的片层结构中，我们以一个六元环为研究对象，由于碳原子为三个六元环共用，即属于每个六元环的碳原子数为6×1/3＝2；另外碳碳键数为二个六元环共用，即属于每个六元环的碳碳键数为6×1/2＝3。
【答案】（1）．2 （2）．2:3:1
巩固练习：
1．下列晶体中属于原子晶体的是( )
A. 氖 B．食盐 C．干冰 D．金刚石
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
　3.下列晶体中不属于原子晶体的是 ( )
A.干冰 B.金刚砂 C.金刚石 D.水晶
4.在金刚石的网状结构中，含有共价键形成的碳原子环，其中最小的环上，碳原子数是( )
A.2个 B.3个 C.4个 D.6个
5.共价键、离子键和范德华力是构成物质粒子间的不同作用方式，下列物质中，只含有上述一种作用的是 ( )
A.干冰 B.氯化钠 C.氢氧化钠 D.碘
6.在解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与键能无关的变化规律是( )
A.HF、HCI、HBr、HI的热稳定性依次减弱
B.NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次减低
C.F2、C12、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高
D.H2S的熔沸点小于H2O的熔、沸点
7．在金刚石的晶体中，含有由共价键形成的碳原子环，其中最小的环上所需碳原子数及每个碳原子上任意两个C--C键间的夹角是( )
A．6个120° B．5个108° C．4个109°28′ D．6个109°28′
8．结合课本上干冰晶体图分析每个CO2分子周围距离相等且最近的CO2分子数目为( )
A．6 B．8 C．10 D．12
9．干冰和二氧化硅晶体同属ⅣA元素的最高价氧化物，它们的熔沸点差别很大的原因是( )
A．二氧化硅分子量大于二氧化碳分子量 B．C、O键键能比Si、O键键能小
C．干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体 D．干冰易升华，二氧化硅不能
10.最近科学家发现了一种新分子，它具有空心的类似足球的结构，分子式为C60，下列说法正确的是 ( )
A.C60是一种新型的化合物
B.C60和石墨都是碳的同素异形体
C.C60中虽然没有离子键，但固体为离子晶体
D.C60相对分子质量为720
11.支持固态氨是分子晶体的事实是( )
A.氮原子不能形成阳离子 B.铵离子不能单独存在
C.常温下，氨是气态物质 D.氨极易溶于水
参考答案 1.D 2.A 3 .C 4.C 5.D 6.A 7.C 8.D 9.8、4、2、1
10.解析：x:y＝4:3 a：b＝1：1 4个c 4个d 处于晶胞中心的x或a为该晶胞单独占有，位于立方体顶点的微粒为8个立方体共有，位于立方体棱边的微粒为四个立方体共有，位于立方体面的微粒为两个立方体共有，所以x:y＝l：6×1／8＝4：3；a:b=1:8×1／8＝1：1；丙晶胞中c离子为12×1／4+1＝4(个)；d离子为8×1／8+6×1／2＝4(个
第二节　分子晶体与原子晶体 答案
1.D 2.B 3.A 4.D 5.D 6.CD 7.D 8.D 9.C 10.BD 11.C 12.D 13.A 14.C 15.B 16.A
5.[解析]干冰是分子晶体，分于内存在共价键，分子间存在范德华力。NaCl是离子晶体只存在离子键。 NaOH是离子晶体，不仅存在离子键，还存在H—O间共价键。碘也是分子晶体，分子内存在共价键，分子间存在分子间作用力。故只有B符合题意。
6.[解析]HF、HCl、HBr、HI热稳定性依次减弱是它们的共价键键能逐渐减小的原因，与键能有关。NaF、 NaCl、NaBr、NaI的熔点依次减低是它们的离子键能随离子半径增大逐渐减小的原因。F2、C12、Br2、I2为分子晶体。熔、沸点逐渐降低由分子间作用力决定。H2S与H2O的熔沸点高低由分子间作用力及分子的极性决定。故选C、D。
7．D 根据金刚石的棱型结构特点可知最小环上碳原子数为6个，任意两个C—C键间夹角为109°28
8．D 根据干冰结构特点，干冰晶体是一种立方面心结构，每个CO2周围等距离最近的CO2有12个(同层4个，上层4个，下层4个)
15．解析：本题考查由物理性质特征推知晶体类型以及如何区别不同晶体的微粒间作用力。此题为信息迁移题，解答时先由氮化硅的性质（超硬、耐磨、耐高温），可推知是原子晶体。原子晶体熔化时，要克服共价键。然后分析比较各选项。答案B。
硅、晶体硅。[答案] A。
O
Ti
Ba

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