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1、第三节晶体结构与性质 考纲定位 1.理解离子键的形成，能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。 2了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的 关系。 3理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质；了解金属晶 体常见的堆积方式。 4了解晶体类型，了解不同类型晶体中结构微粒及微粒间作用力的区别。 5了解晶胞概念，能根据晶胞确定晶体组成并进行相关的计算。 6了解晶格能的概念及其对离子晶体性质的影响。 7了解分子晶体结构与性质关系。 考点 1| 晶体与晶胞 基础知识整合 1晶体与非晶体 (1)晶体与非晶体比较 晶体非晶体 结构特征结构微粒在三维空间里呈 周期性有序
2、排列 结构微粒 无序排列 性质 特征 自范性有无 熔点固定不固定 异同表现各向异性无各向异性 二者区 别方法 间接方法看是否有固定的熔点 科学方法对固体进行 X-射线衍射实验 (2)获得晶体的途径 熔融态物质凝固。 气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。 溶质从溶液中析出。 2晶胞 (1)概念：描述晶体结构的基本单元。 (2)晶体中晶胞的排列 无隙并置。 无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙； 并置：所有晶胞平行排列、取向相同。 (3)一般形状为平行六面体。 (4)晶胞中粒子数目的计算均摊法 晶胞任意位置上的一个原子如果是被n 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 n。 长方
3、体 (包括立方体 )晶胞中不同位置的粒子数的计算 非长方体：如三棱柱 应用体验 下列是几种常见的晶胞结构，填写晶胞中含有的粒子数。 ANaCl(含_个 Na，_个 Cl) B干冰 (含_个 CO2) CCaF2(含_个 Ca2，_个 F) D金刚石 (含_个 C) E体心立方 (含_个原子 ) F面心立方 (含_个原子 ) 提示A44B4C48D8E2F4 考点多维探究 角度 1晶体的概念及其性质 1如图是某固体的微观结构示意图，请认真观察两图，判断下列说法正确 的是() A两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体 B形成的固体物理性质有各向异性 C形成的固体一定有固定的熔、沸点
4、D二者的 X射线图谱是相同的 B会自动形成规则几何外形的晶体，具有各向异性，X射线图谱有明 锐的谱线。 不会形成晶体。 2(2014 全国卷 节选)准晶体是一种无平移周期序，但有严格准周期位置 序的独特晶体，可通过 _ 方法区分晶体、准晶体和非晶体。 解析晶体是内部质点 (原子、分子或离子 )在三维空间周期性地重复排列 构成的固体物质，而非晶体内部质点在三维空间无规律地排列，因此可以通过 X-射线衍射的方法进行区分，晶体能使X-射线发生衍射，而非晶体、准晶体则 不能。 答案X-射线衍射 角度 2晶胞中粒子数及其晶体化学式的判断 3如图为甲、乙、丙三种晶体的晶胞： 试写出： (1)甲晶体化学式
5、(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 _。 (4)乙晶体中每个 A 周围结合 B 的个数为 _。 答案(1)X2Y(2)131(3)8(4)12 4右图是由 Q、R、G 三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R 为2 价，G 为2 价，则 Q 的化合价为 _。 解析R：81 812 G：81 48 1 44 1 228 Q：81 424 R、G、Q 的个数之比为 142，则其化学式为 RQ2G4。 由于 R 为2 价，G 为2 价，所以 Q 为3 价。 答案3 5 某晶体的一部分如图所示， 这种晶体
6、中 A、 B、 C 三种粒子数之比是 () A394B142 C294 D384 BA 粒子数为 6 1 12 1 2；B 粒子数为 6 1 43 1 62；C 粒子数为 1；故 A、B、C 粒子数之比为 142。 6Cu 元素与 H 元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。 则该化合物的化学式为 _。 解析Cu 个数： 121 62 1 236，H 个数： 6 1 346。 答案CuH 7石墨晶体为层状结构，每层内每个六边形含有_个碳原子， _个 CC 键。 解析C 个数： 61 32，CC 键数： 6 1 23。 答案23 1晶胞是从晶体中 “截取”出来具有代表性的 “平行六面
7、体 ”，但不一定 是最小的 “平行六面体 ”。 2在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时，要注意晶胞的形状，不同形状的 晶胞，应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有，如六棱柱晶胞中， 顶 点、侧棱、底面上的棱、面心依次被6、3、4、2 个晶胞所共有。 角度 3利用晶胞结构进行晶体密度的有关计算 8(2016 全国丙卷节选 )GaAs 的熔点为 1 238 ，密度为 g cm 3，其晶胞 结构如图所示。该晶体的类型为_，Ga 与 As 以_键键合。 Ga 和 As 的摩尔质量分别为MGag mol 1 和 MAs g mol 1，原子半径分别为 rGa pm 和 rAs pm，阿伏加德罗常数值为
8、NA，则 GaAs 晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率 为_。 解析GaAs的熔点为 1 238 ， 其熔点较高，据此推知 GaAs为原子晶体， Ga 与 As 原子之间以共价键键合。分析GaAs 的晶胞结构， 4 个 Ga 原子处于晶 胞体内， 8 个 As 原子处于晶胞的顶点、 6 个 As 原子处于晶胞的面心，结合“均 摊法”计算可知，每个晶胞中含有4 个 Ga 原子，含有 As 原子个数为 81/8 61/24(个)，Ga 和 As 的原子半径分别为rGapmrGa1010cm，rAspm rAs1010cm，则原子的总体积为V原子44 3 (r Ga1010cm)3(rAs10 10
9、cm)316 3 1030(r3Gar 3 As)cm3。又知 Ga 和 As 的摩尔质量分别为MGa g mol 1 和 MAsg mol1，晶胞的密度为g cm3，则晶胞的体积为V晶胞4(MGa MAs)/N A cm3，故 GaAs 晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为 V原子 V晶胞 100% 16 3 1030r 3 Gar3As cm3 4 MGaMAs NA cm3 100% 410 30NAr3 Gar 3 As 3 MGaMAs 100%。 答案原子晶体共价 410 30N Ar3Gar3As 3 MGaMAs 100% 9(2016 全国甲卷节选 )某镍白铜合金的立方晶胞结
10、构如图所示。 (1)晶胞中铜原子与镍原子的数量比为_。 (2)若合金的密度为d g cm 3，晶胞参数 a_nm 。 解析(1)由晶胞结构图可知， Ni 原子处于立方晶胞的顶点，Cu 原子处于 立方晶胞的面心，根据均摊法，每个晶胞中含有Cu 原子的个数为 61 23，含 有 Ni 原子的个数为 8 1 81，故晶胞中 Cu 原子与 Ni 原子的数量比为 31。 (2)根据 mV可得，1 mol 晶胞的质量为 (64359)ga3d g cm3NA， 则 a 251 6.021023d 1 3cm 251 6.021023d 1 310 7 nm。 答案(1)31(2) 251 6.021023
11、d 1 310 7 或 3 251 NAd10 7 10(2014 海南高考节选 )金刚石晶胞含有 _个碳原子。若碳原子半径 为 r，金刚石晶胞的边长为a，根据硬球接触模型，则r_a，列式表示 碳原子在晶胞中的空间占有率_( 不要求计算结果 )。 解析金刚石晶胞中各个顶点、面上和体内的原子数目依次为8、6、4， 然后依据晶胞计算确定在晶体中碳原子数目，碳原子数目为n81/861/2 48；根据硬球接触模型可以确定， 体对角线四分之一处的原子与顶点上的原 子紧贴，因此有 1 4 ( 3a)2r，则 r 3 8 a；然后可以确定原子的占有率为(8 4 3 r3)/a3 3 16 。 答案8 3 8
12、 8 4 3 r 3 a3 3 16 11 (2015 全国卷 节选)A 和 B 能够形成化合物 F， 其晶胞结构如下图所示， 晶胞参数 a0.566 nm，F 的化学式为 _ ；晶胞中A 原子的配位数为 _ ；列式计算晶体 F 的密度 (g cm 3 )_。(已知 A 为 O 元素， B 为 Na 元素) 解析O2半径大于 Na半径，由 F 的晶胞结构可知，大球代表O2，小 球代表 Na，每个晶胞中含有O2个数为 81/861/24，含有 Na个数为 8，故 O2、Na离子个数之比为 4812，从而推知 F 的化学式为 Na2O。由 晶胞结构可知，每个O 原子周围有 8 个 Na 原子，故
13、O 原子的配位数为 8。晶胞 参数 a0.566 nm0.566107cm，则晶胞的体积为 (0.566107cm)3，从而可 知晶体 F 的密度为 462 g mol 1 0.566107cm 36.021023mol12.27 g cm3。 答案Na2O8 462 g mol 1 0.56610 7cm 36.021023mol12.27 g cm 3 晶体结构的相关计算 (1)晶胞计算公式 (立方晶胞 ) a3NAnM(a：棱长， ：密度， NA：阿伏加德罗常数的数值，n：1 mol 晶 胞所含基本粒子或特定组合的物质的量，M：组成的摩尔质量 )。 (2)金属晶体中体心立方堆积、面心立方
14、堆积中的几组公式(设棱长为 a) 面对角线长2a。 体对角线长3a。 体心立方堆积 4r3a(r 为原子半径 )。 面心立方堆积 4r2a(r 为原子半径 )。 (3)空间利用率 晶胞中微粒体积 晶胞体积 。 考点 2| 常见晶体模型的微观结构分析 基础知识整合 1原子晶体 金刚石与 SiO2 (1)金刚石晶体中，每个C 与另外 4 个 C 形成共价键，碳原子采取sp 3 杂化， CC 键之间的夹角是 109 28，最小的环是 6 元环。含有 1 mol C 的金刚石中， 形成的共价键有2 mol。每个晶胞含有8 个 C 原子。 (2)SiO2晶体中，每个 Si 原子与 4 个 O 成键， 每
15、个 O 原子与 2 个硅原子成键， 最小的环是 12 元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是硅原子。1 mol SiO2 晶体中含 SiO 键数目为 4NA，在 SiO2晶体中 Si、O 原子均采取 sp 3 杂化。 2分子晶体 干冰和冰 (1)干冰晶体中， 每个 CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有 12 个，属于分 子密堆积。晶胞中含有4 个 CO2分子。同类晶体还有晶体I2、晶体 O2等。 (2)冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4 个水分子以氢键相连接， 含 1 mol H2O 的冰中，最多可形成2 mol 氢键。晶胞结构与金刚石相似，含有8 个 H2O。 3金属晶体 (1)“电子气理论”要点 该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的 “电子气”，被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。 (2)金属键的实质是金属阳离子与电子气间的静电作用。 (3)金属晶体的常见堆积 结构型式常见金属配位数晶胞 面心立方 最密堆积 (铜型) Cu、Ag、Au 12 体心立方 堆积 Na、K、Fe 8 六方最密 堆积 (镁型) Mg
