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晶体的类型和性质1


全国高中学生化学竞赛基本要求

? 10. 晶体结构。晶胞。原子坐标。晶格能。晶胞中原子 数或分子数的计算及与化学式的关系。分子晶体、原子 晶体、离子晶体和金属晶体。配位数。晶体的堆积与填 隙模型。常见的晶体结构类型,如NaCl、CsCl、闪锌 矿(ZnS)、萤石(CaF2 )、金刚石、石墨、硒、冰、 干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。

r /> 第一单元
晶 体 的 类 型 与 性 质

一、晶体
1、晶体的定义
“晶体是由原子或分子在空间按一定规律周
期性地重复排列构成的固体物质。”

注意:
(1)一种物质是否是晶体是由其内部结

构决定的,而非由外观判断;
(2)周期性是晶体结构最基本的特征。

图片

图片

BBO 晶 体

2、晶体性质
⑴均匀性(内部各个部分的宏观性质相同。

如密度)
⑵各向异性

⑶自发地形成多面体外形 F+V=E+2
其中,F-晶面,V-顶点,E-晶棱

⑷有明显确定的熔点

? 石墨在平行于层的方向上电导率高且为半金属性导电; 垂直于层的方向上电导率低且为半导体性导电.
图 中 红 、 蓝 球 均 为 C 原 子

晶体在理想生长环境中能自发地形成规则的

晶 体 的 自 范 性

凸多面体外形,满足欧拉定理: F(晶面数)+V(顶点数)=E(晶棱数)+ 2

10

晶 体 有 确 定 的 熔 点

小结
晶体的判断: ①晶体中的微粒按一定的规则排列 ②有规则的几何形状(是物质微粒内部结构 的外部反映) ③具有一定的熔沸点

二、晶体分类

离子晶体

原子晶体

按成键特点分为:

分子晶体

晶 体

金属晶体

原子晶体:金刚石

离子晶体:NaCl
分子晶体:冰

金属晶体: Cu

(一)离子晶体

1)构成NaCl晶体的微粒是什么? 这些微粒是怎样结合在一起的? 2)NaCl晶体的粒子是如何排列的? NaCl晶体 每个Cl 同时 吸引几 个Na+? 每个Cl同时吸 引6个Na+

Na+ Cl离子键

每个 Na+ 同时 吸引几 个Cl- ? 每个Na+ 同时吸 引6个Cl-

(一)离子晶体
1、概念:由阴阳离子通过离子键结合而成的晶体。 2、结构特点: (1)构成晶体的粒子:阴、阳离子 (2)粒子间的作用:离子键 (3)阴阳离子有规则的排列;在晶体中,不存在单个 分子;阴阳离子有确定的个数比

3、共同的物理性质:
1)溶沸点较高、难于压缩、硬度较大. 2)固态时不导电,熔融状态或溶于水时能导电 。 (一般离子键作用越强熔沸点越高)

4、如何判断一种晶体是否为离子晶体?哪些物质属于离 子晶体? 是否含有阴、阳离子 ;是否含离子键;熔融是能否导电 .
常见物质:强碱、金属氧化物、大多数盐。

3)NaCl晶体内无单个的分子,NaCl表示晶体 中两种离子的个数比为1:1是如何得来的?
(

晶胞是晶体结构中具有代表性的最小 重复单元,在上述NaCl晶胞中,Na+ 和Cl-的个数分别是多少?

⑴处于顶点的粒子,同时为8个晶胞 共有,每个粒子有1/8属于晶胞; ⑵处于棱上的粒子,每个粒子有 1/4属于晶胞。 ⑶处于面上的粒子,每个粒子有1/2 属于晶胞。 ⑷处于内部的粒子,完全属于晶胞。

Na+数=1 + 12×1/4 = 4 ; Cl-数=8×1/8 + 6×1/2 = 4

思考并回答下列问题

1.为什么氯化钠熔融状态或其水溶液能导电?
当离子晶体受热熔化时,由于温度升高,离子的运动加快,克 服了阴阳离子间的引力,产生了能自由移动的阴阳离子,所以, 熔化的NaCl能导电。 NaCl晶体易溶于水,当NaCl溶解于水中时,由于水分子的作用, 使Na+和Cl-之间的作用力减弱弱, NaCl电离成能自由移动的水 合钠离子和水合氯离子,所经, NaCl水溶液也能导电。

2.描述氯化钠水溶液蒸发、冷却、结晶如何变 为离子晶体? 当氯化钠水溶液蒸发时,水不断减少,离子
的密度变大,形成过饱和溶液,温度降低,离子运动变慢, 阴阳离子间产生静电作用,并按一定规则排列形成晶体。

3.NaCl熔、沸点分别为8010C、14130C,CsCl 熔、沸点为6450C、12900C,为什么NaCl高一 些?

小结
1、晶体定义、分类、晶体类型。 2、NaCl晶体的结构,一种计算 方法。

3、离子晶体定义、特点、性质。

三种典型立方晶体结构

简单立方

体心立方

面心立方

课堂练习
1.下列不存在化学键的晶体是:(

D )

A.硝酸钾 B.干冰 C.冰 D.固体氩
2、在氯化钠晶体中, 若钠离子与周围最近 的氯离子距离为a,那 么每个钠离子周围最 近且等距离的钠离子 12 有 _______ 个, 其距离为 __________ 。 2 a

3、在氯化钠 晶体中,每个 Na+周围与之 最接近且距离 相等的Cl-共 有6 个;这几 个Cl-在空间 构成的几何构 型 为 正八面体 。

CsCl晶体

4、 在氯化铯晶体中,每个Cl-(或Cs+)周围与之最 接近且距离相等的Cs+(或Cl-)共有 8个 ;这几个 Cs+(或Cl-)在空间构成的几何构型为 立方体 ;在每 个Cs+周围距离相等且最近的Cs+共有 6 个 ;这 正八面体 ; 几个Cs+(或Cl-)在空间构成的几何构型为

5、1987年2月,朱经武 (Paul Chu)教授等发现钇 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( C ) A. YBa2CuO7-X B. YBa2Cu2O7-X C. YBa2Cu3O7-X D. YBa2Cu4O7-X Cu 8×(1/8) + 8×(1/4) = 3 Ba 2 Y 1

1/8

Cu铜 Ba钡 Y钇 O氧

6、晶体中Na+和Cl-间最 小距离为a cm, 计算 NaCl晶体的密度

? ?
?

4 ? 58 . 5 g ? mol

?1

? N A ? mol
3

?1

(2a cm ) 29 . 25 a ?NA
3

g ? cm

?3

7.某离子晶体的晶胞结构如右图 所示: ●表示X离子,位于立方体 的顶点;○表示Y离子,位于立方 体的中心。试分析: (1)晶体中每个Y同时吸引着 4 个X, 每个X同时吸引着 8 个Y,该晶体的化学式 为 Y2X或Y2X 。 (2)晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的 X共有 12 个。 (3)晶体中距离最近的2个X与一个Y形成的夹角 109028′ (∠XYX)为(填角的度数) 。 (4)设该晶体的摩尔质量为M g/mol,晶体密度为 ρg/cm3,阿伏加德罗常数为NA,则晶体中两个距离 最近的X中心间的距离为 cm。

晶格能
晶格能 又称点阵能。被定义为在0K、1个标准压力下,
1mol离子晶体转化成相互无限远离的气态离子时内能的变化 值(吸收的能量),用符号L0表示。

晶格能是离子晶体中离子间结合力大小的一个量度。晶格 能越大,表示离子晶体越稳定,破坏其晶体耗能越多。我们知 道离子晶体间存在着离子间的静电引力,因此,晶格能本质上 是离子间静电引力大小的量度。 离子化合物的晶格能一般都比较大,这是由于离子间有强 烈的静电引力之故。较大的晶格能意味着离子间结合紧密,这 样的离子化合物其熔点和硬度必定很高。事实上,高熔点、高 硬度就是离子化合物的显著特征。 既然是静电引力,可以想象,正负离子的电荷越高,核间 距离越小,静电引力就越大,晶格能就越大。相应地,其熔点、 硬度就越大,这就是如MgO、CaO以及Al2O3常被用来作高温材 料和磨料的原因。 既然是静电引力,可以预料,不同类型的离子晶体,如 NaCl型,配位数为6;CsCl型,配位数为8;ZnS型,配位数为4。 这些离子晶体的一种离子周围有不同数目的异号离子在相互作 用,其间的静电作用力显然是不一样的。事实上,在后面我们 将看到,不同类型的晶体,有不同的马德隆常数值,从而有不 同的晶格能数据。


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