高中化学教学论文 几种常见晶体结构分析

几种常见晶体结构分析一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下：离子数目的计算：在每一个结构单元（晶 胞）中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该单元中所占的份额为 ，棱上的微粒属于该单元中所占的18份额为 ，面上的微粒属于该单元中所占的份额14为 ，中心位置上（嚷里边）的微粒才完全属于该单元，即所占的份额为 1。121.氯化钠晶体中每个 Na+周围有 6 个 Cl－ ，每个 Cl－ 周围有 6 个 Na+，与一个 Na+距离最近且相等的 Cl－ 围成的空间构型为正八面体。每个 Na+周围与其最近且距离相等的 Na+有12 个。见图 1。晶胞中平均 Cl－ 个数：8× + 6× ＝ 4；晶胞中平均 Na+个数：1 + 12× ＝ 4 18 12 14因此 NaCl 的一个晶胞中含有 4 个 NaCl（4 个 Na+和 4 个 Cl－ ） 。2.氯化铯晶体中每个 Cs+周围有 8 个 Cl－ ，每个 Cl－ 周围有 8 个Cs+，与一个 Cs+距离最近且相等的 Cs+有 6 个。晶胞中平均 Cs+个数：1；晶胞中平均 Cl－ 个数：8× ＝ 1。18因此 CsCl 的一个晶胞中含有 1 个 CsCl（1 个 Cs+和 1 个 Cl－ ） 。二、金刚石、二氧化硅——原子晶体1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个 C 原子以共价键与 4 个 C 原子紧邻，因而整个晶体中无单个分子存在。由共价键构成的最小环结构中有 6 个碳原子，不在同一个平面上，每个 C 原子被12 个六元环共用，每 C—C 键共 6 个环，因此六元环中的平均 C 原子数为 6× ＝ ，平均 C—C 键数为 6× ＝ 1。112 12 16C 原子数: C—C 键键数 ＝ 1:2； C 原子数: 六元环数 ＝ 1:2。 2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似，C 被 Si 代替，C 与 C 之间插氧，即为 SiO2晶体，则 SiO2晶体中最小环为 12 环（6 个 Si，6 个 O） ，最小环的平均 Si 原子个数：6× ＝ ；平均 O 原子个数：6× ＝ 1。112 12 16即 Si : O＝ 1 : 2，用 SiO2表示。在 SiO2晶体中每个 Si 原子周围有 4 个氧原子，同时每个氧原子结合 2 个硅原子。一个 Si 原子可形成 4 个 Si—O 键，1mol Si 原子可形成 4mol Si—O 键。但是由此有许多学生认为二氧化硅晶体结构中一个最小的环是由 8 个原子构成的。实际上，在二氧化硅晶体中每个硅原子与周围的四个氧原子的成键情图 1 图 2 NaCl 晶体图 3 CsCl 晶体图 4 金刚石晶体2况与金刚石晶体中的碳原子与周围的其它碳原子连接的情况是相同的。即每个硅原子与周围的四个氧原子构成一个正四面体。只是每个氧原子又处在由另一个硅原子为中心的一个正四面体上。即每个氧原子为两个硅氧四面体共用。如上图所示。从此图中可以明确看出，构成二氧化硅晶体结构的最小环是由 12 个原子构成的椅式环，注意图中∠O－Si－O=109°28′。三、干冰——分子晶体干冰晶体是一种立方面心结构，立方体的八个顶点及六个面的中心各排布一个 CO2分子，晶胞是一个面心立方。一个晶胞实际拥有的 CO2分子数为四个（均摊法） ，每个 CO2分子周围距离相等且最近的 CO2分子共有 12 个。分子间由分子间作用力形成晶体。每个 CO2分内存在共价键，因此晶体中既有分子间作用力，又有化学键，但熔、沸点的高低由分子间的作用力决定，重要因素是相对分子质量，因此当晶体熔化时，分子内的化学键不发生变化。每个结构单元中含 CO2分子数目为：8× + 6× ＝ 418 12四、石墨——混合型晶体石墨晶体是层状结构，在每一层内有无数个正六边形，同层碳原子间以共价键结合，晶体中 C—C 的夹角为 120℃,层与层之间的作用力为范德瓦尔斯力，每个 C 原子被六个棱柱共用，每六个棱柱实际占有的 C 原子数为 2 个。每个正六边形拥有的 C 原子数为：6× ＝2 ；每个 C 原13子平均形成 个共价键， C 原子数与 C—C 键数之比为 2 : 323。石墨的独特结构决定了它的独特性质，该晶体实际介于原子晶体、分子晶体、金属晶体之间，因此具有各种晶体的部分性质特点，是一种混合型晶体。如熔点高、硬度小、能导电等。五、固态金属单质——金属晶体金属（除金属汞外）在常温下都是晶体，在金属中，金属原子好像许多硬球一样一层一层紧密地堆积着。每个金属原子周围都有许多相同的金属原子围绕着。其实由于金属原子的最外层电子都较少，故金属原子容易失去电子变成金属离子。金属原子释放电子后形成的离子按一定规律堆积，释放的电子则在这个晶体里自由运动，这就是自由电子。在金属晶体的内部，金属离子和自由电子之间存在较强的相互作用力，这个作用力便是金属键。因此有人形象地将金属键比喻为金属阳离子沉浸在自由电子的海洋里。例题分析：【例题 1】现有四种晶体，其离子排列方式如下图所示，其中化学式正确的是图 7 CO2 晶体图 8 石墨的结构ABAB2FEEF2XZYXY3Z ABAB用心 爱心 专心 3A B C D解析：A 选项中处于顶点的 B 原子 8 个，处于体心的 A 原子 1 个，故 A 的化学式为AB。B 选项中 E 和 F 均为 4× ＝ ，故 B 的化学式为 EF。C 选项中位于体心的 X 原子 1 个，18 12位于面心的 Y 原子为 6× ＝3，位于顶点的 Z 原子 8× ＝1，故 C 的化学式为 XY3Z。D12 18选项与 NaCl 的结构相同，故 D 的化学式为 AB。答案：C、D点拨：均摊法确定某些晶体的化学式的方法：均摊法是指每个晶体中平均拥有的离子数目。例如立方晶体中粒子个数比的求法：①处于顶点的粒子，同时为 8 个晶胞共有，每个粒子有 属于该晶胞；18②处于棱上的粒子，同时为 4 个晶胞共有，每个粒子有 属于该晶胞；14③处于面上的粒子，同时为 2 个晶胞共有，每个粒子有 属于该晶胞；12④处于晶胞内的粒子，则完全属于该晶胞。对于非长方体或正方体晶胞中粒子对晶胞的贡献看具体情况而定。如石墨晶体，晶胞每一层内碳原子排列成正六边形，其顶点对六边形的贡献为 。13【例题 2】NaCl 的晶胞如图，每个 NaCl 晶胞中含有的 Na＋ 离子和 Cl－ 离子的数目分别是A. 14，13 B. 1，1 C. 4，4 D. 6，6【解析】Na ＋ 离子的数目：8× + 6× ＝ 4 个；Cl － 离子的18 12数目：1+12× ＝ 4 个14答案：C【例题 3】（2010 年全国卷）下面关于 SiO2晶体网状结构的叙述正确的是A．最小的环上，有 3 个 Si 原子和 3 个 O 原子B．最小的环上，Si 和 O 原子数之比为 1 : 2C．最小的环上，有 6 个 Si 原子和 6 个 O 原子D．存在四面体结构单元，O 处于中心，Si 处于 4 个顶角解析：二氧化硅是原子晶体，结构为空间网状，存在硅氧四面体结构，硅处于中心，氧处于 4 个顶角，在 SiO2晶体中，每 6 个 Si 和 6 个 O 形成一个 12 元环（最小环） ，所以C 选项正确，A、B、D 选项均错误。答案：C点拨：该题考查的是考生的空间想象能力和信息迁移能力，实际上第三册课本第一单元里面有 SiO2晶体网状结构结构示意图。再次说明了化学学习要重视课课本，以本为本。Na＋Cl－4【例题 4】（2010 江苏高考）乙炔是有机合成工业的一种原料。工业上曾用 CaC2与水反应生成乙炔。(1) CaC2中 C22-与 O22+互为等电子体，O 22+的电子式可表示为 ；1mol O22+中含有的 π 键数目为 。(2)将乙炔通入[Cu(NH 3)2]Cl 溶液生成 Cu2C2红棕色沉淀。Cu +基态核外电子排布式为 。(3)乙炔与氢氰酸反应可得丙烯腈（H 2C＝CH－C≡N） 。丙烯腈分子中碳原子轨道杂化类型是 ；分子中处于同一直线上的原子数目最多为 。(4) CaC2晶体的晶胞结构与 NaCl 晶体的相似（如右图所示） ，但 CaC2晶体中含有的中哑铃形 C22-的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC 2晶体中 1 个 Ca2+周围距离最近的 C22-数目为 。解析：（1）根据等电子体原理可知，O 22+的电子式 ，在 1mol 三键含有 2mol的 π 键和 1mol 的 δ 键，故 1mol O22+中，含有 2NA个 π 键（2）Cu 为 29 号元素，要注意 3d 轨道写在 4s 轨道的前面同时还有就是它的 3d 结构，Cu+ 的基本电子排布式为 1s22s22p63s23p63d10（3）—通过丙烯氰的结构可以知道碳原子的杂化轨道类型为 sp 和 sp2杂化，同一直线上有 3 个原子。（4）依据晶胞示意图可以看出，从晶胞结构图中可以看出，1 个 Ca2+ 周围距离最近的C22-有 4 个，而不是 6 个，要特别主要题给的信息。答案：（1） 2NA （2）1s 22s22p63s23p63d10 （3）sp 杂化 sp2杂化 3 （4）4【例题 5】石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料（结构示意图如下） ，可由石墨剥离而成，具有极好的应用前景。下列说法正确的是A.石墨烯与石墨互为同位素B.0.12g 石墨烯中含有 6.02*1022个碳原子C 石墨烯是一种有机物D.石墨烯中的碳原子间以共价键结合【解析】同位素的研究对象是原子，A 选项错误；0.12g 石墨烯的物质的量为 0.01mol，所含碳原子个数为 0.01NA，B 选项错误；有机物一般含有碳、氢元素，C 选项错误；由图示可知，石墨烯中碳原子间均为共价键结合，D 选项正确。 答案：D【例题 6】 （2010 江苏高考）乙炔是有机合成工业的一种原料。工业上曾用 CaC2与水反应生成乙炔。(1) CaC2中 C22-与 O22+互为等电子体，O 22+的电子式可表示为 ；1mol O22+中含有的 π 键数目为 。(2)将乙炔通入[Cu(NH 3)2]Cl 溶液生成 Cu2C2红棕色沉淀。Cu +基态核外电子排布式为 。(3)乙炔与氢氰酸反应可得丙烯腈（H 2C＝CH－C≡N） 。丙烯腈分子中碳原子轨道杂化类型是 ；分子中处于同一直线上的原子数目最多为 。(4) CaC2晶体的晶胞结构与 NaCl 晶体的相似（如右图所示） ，但 CaC2晶体中含有的中O O2+用心 爱心 专心 5哑铃形 C22-的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC 2晶体中 1 个 Ca2+周围距离最近的 C22-数目为 。解析：（1）根据等电子体原理可知，O 22+的电子式 ，在 1mol 三键含有2mol 的 π 键和 1mol 的 δ 键，故 1mol O22+中，含有 2NA个 π 键（2）Cu 为 29