晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)復習.doc

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晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)復習 一、分子晶體 (1)分子緊密堆積：分子間作用力只是范德華力，以一個分子為中心，其周圍通常可以有12個緊鄰的分子。如O2、CO2、C60； (2)分子非緊密堆積：分子間除范德華力外還有其它作用力（如氫鍵），分子晶體堆積要少于12個。如在冰的晶體中，每個水分子與四面體頂角方向的4個緊鄰的水分子相互吸引構(gòu)成冰的晶體，其空間利用率不高，使得冰的密度減小。 Ⅰ．干冰晶體 干冰晶體中每8個CO2構(gòu)成立方體且再在6個面的中心又各占據(jù)1個CO2。在每個CO2周圍等距離（a/2，a為立方體棱長）最近的CO2有12個（同層4個、上層4個、下層4）。 ①CO2分子晶體的晶胞中，其中平均含有 4 個分子； ②在晶體中截取一個最小的正方形；使正方形的四個頂點都落到CO2分子的中心，則在這個正方形的平面上有_ 4 個CO2分子； ③干冰晶體每個CO2分子周圍距離相等且最近的CO2分子數(shù)目為 12 ； ④干冰是CO2晶體，分之間存在范德華力； ⑤性質(zhì)特點：熔點低，易升華，工業(yè)上用作制冷劑。 Ⅱ．冰晶體 ①冰晶體中每個水分子周圍只有 4 個緊鄰的水分子，呈正四面體形； ②構(gòu)成冰晶體的主要作用力是氫鍵(也存在范德華力)，是分子晶體； ③特點：40C密度最大，水的分解溫度遠高于其沸點； ④1molH2O分子中含有的共價鍵數(shù)目為_2 NA _； 1molH2O分子中含有的氫鍵數(shù)目為_2 NA _；冰晶體中，一個H2O分子周圍有的4個氫鍵； ⑤從結(jié)構(gòu)的角度分析“固態(tài)水(冰)→水→水蒸氣→氫氣和氧氣”的變化，在變化的各階段被破壞的粒子間的主要相互作用依次是氫鍵、氫鍵、極性共價鍵。 ⑥為什么水在40C時的密度最大？ 當冰剛剛?cè)诨梢簯B(tài)水時，熱運動使冰的結(jié)構(gòu)部分解體，水分子的空隙減小，密度增大。超過40C時，由于熱運動加劇，分子間距離加大，密度逐漸減小，所以40C時水的密度最大。 ⑦為什么冰的密度小于干冰？ 干冰晶體內(nèi)只存在范德華力,一個分子周圍有12個緊鄰分子,形成分子密堆積。在冰晶體中分子間作用力主要是氫鍵,一個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子,形成分子非密堆積。所以干冰的密度大于冰的密度。 Ⅲ．白磷分子的結(jié)構(gòu) 白磷（P4）分子的結(jié)構(gòu)是一個正四面體，其中每個P原子均以三個共價鍵與另外三個P原子相結(jié)合，P-P鍵之間的夾角為600。白磷緩慢氧化或在不充分的空氣中燃燒時，P-P鍵斷開而嵌入一個氧原子，就生成了分子式為P4O6的磷的低價氧化物。在這種氧化物分子中每個磷原子還有一對孤對電子，可以在繼續(xù)氧化中結(jié)合4個氧原子而生成分子式為P4O10的磷的高價氧化物。 Ⅳ．Cn的結(jié)構(gòu) (1)中有五邊形和六邊形，每個五邊形占有的碳原子數(shù)應為5/3個,而每個六邊形占有的碳原子數(shù)為2個。 (2)關(guān)于棱數(shù)，由于每個孤立的碳原子周圍有三個鍵（一個雙鍵，兩個單鍵）。而每個鍵卻又是兩個碳原子所共有，因此棱數(shù)＝n3(1/2) (3)單、雙鍵數(shù)的求法： 單鍵數(shù)+雙鍵數(shù)＝總棱邊數(shù) 單鍵數(shù)＝2雙鍵數(shù)（即單鍵數(shù)為雙鍵數(shù)的2倍） (4)五邊形及六邊形數(shù)目的求法：設(shè)五邊形為a個，六邊形為b個，則有： 5a/3+2b＝n，n+ (a + b)－3n/2＝2(歐拉定理：頂點數(shù)+面數(shù)－棱邊數(shù)＝2) a、 b由兩式聯(lián)立方程組求解可得。 注意：分子晶體與化學鍵：分子晶體中一定存在范德華力，不一定存在化學鍵；除稀有氣體構(gòu)成的晶體外，一般分子晶體中分子間存在的作用力是范德華力，部分有氫鍵。 二、原子晶體 常見的原子晶體：某些非金屬單質(zhì)：金剛石（C）、晶體硅(Si)、晶體硼（B）、晶體鍺(Ge)等；某些非金屬化合物：碳化硅（SiC）晶體、氮化硼（BN）晶體；某些氧化物：二氧化硅（SiO2）晶體。 Ⅰ．金剛石 金剛石晶體是一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)——每個C與另4個C以共價鍵結(jié)合，前者位于正四面體頂點。晶體中所有C-C鍵長相等、鍵角相等（均為109028’）；晶體中最小碳環(huán)由6個C組成且六者不在同一平面內(nèi)；晶體中每個C參與了4個C-C鍵的形成，而在每條鍵中的貢獻只有一半，故C原子個數(shù)與C-C鍵數(shù)之比為(41/2)︰4＝1︰2。 ①在金剛石晶體中，每個碳與 4 個碳成鍵，形成空間結(jié)構(gòu)是正四面體形； ②晶體中最小碳環(huán)由 6 個C原子組成，它們不在同一平面內(nèi)上； ③在金剛石晶體中，碳原子個數(shù)與C—C鍵數(shù)之比為 1︰2 ； ④晶體中每個碳原子參與了 4 條C—C鍵的形成；⑤12g金剛石中C—C鍵數(shù)為_2 NA _； ⑥每個碳原子上任意兩個C—C鍵間的夾角是 109028′； ⑦12g金剛石含最小六元環(huán)的數(shù)目為_0.5 NA _； Ⅱ．二氧化硅 SiO2中每個Si與4個O結(jié)合，前者在正四面體的中心，后者在正四面體的頂點；同時每個O被兩個正四面體所共用。每個正四面體占有一個完整的Si、四個“半O原子”，故晶體中Si原子與O原子個數(shù)比為1︰(41/2)＝1︰2。在SiO2晶體中，1個Si原子和4個O原子形成4個共價鍵，每個Si原子周圍結(jié)合4個O原子；同時，每個O原子跟2個Si原子相結(jié)合。實際上，SiO2晶體是由Si原子和O原子按1︰2的比例所組成的立體網(wǎng)狀的晶體。 Ⅲ．附：混合型-----石墨的片層結(jié)構(gòu) 石墨晶體是一種混合晶體——層內(nèi)存在共價鍵，層間以范德華力結(jié)合，兼具有原子晶體、分子晶體和金屬晶體的特征和特性。在層內(nèi)，每個C與3個C形成C-C鍵，構(gòu)成正六邊形，鍵長相等，鍵角相等（均為1200）；在晶體中，每個C參與3條C-C鍵的形成，而在每條鍵中的貢獻只有一半，故每個正六邊形平均只占有61/3＝2個C，C原子個數(shù)與C-C鍵數(shù)之比為2︰3(2/2)＝2：3。 ①片層中平均每個六元環(huán)含碳原子數(shù)為61/3＝2個；②12g石墨中正六邊形的數(shù)目為0.5 NA ； ③在片層結(jié)構(gòu)中，碳原子數(shù)、C—C鍵數(shù)、六元環(huán)數(shù)之比為2︰3︰1。 三、離子晶體 Ⅰ．NaCl晶體 NaCl晶體中Na+和Cl－交替占據(jù)立方體的頂點而向空間延伸。 (1)在每個Na+周圍最近的等距離（設(shè)為a）的Cl－有6個（上、下、左、右、前、后），在每個Cl－周圍最近的等距離的Na+ 亦有6個；在每個Na+周圍最近的等距離（必為a）的Na+有12個（同層4個、上層4個、下層4個），在每個Cl－周圍最近的等距離的Cl－亦有12個。 (2)在晶體結(jié)構(gòu)中，每個晶胞由 8 個小立方體構(gòu)成，每個小立方體的8個頂點分別由 4 個Na+、 4 個Cl－相鄰占據(jù)，每個小立方體含Na+ 0.5 個、含Cl－0.5 個。故每個晶胞有NaCl微粒 4 個； (3)在晶體中，經(jīng)過立方體的中心Na+的平面有三個，每個平面的四個頂點上的Na+都同晶體中與中心Na+最接近且距離相等。所以，在晶體中，每個Na+周圍與它最接近的距離相等的Na+的個數(shù)共有 12 個。同理，每個Cl－周圍與它最接近且距離相等的Cl－的個數(shù)也有 12 個。 Ⅱ．CsCl晶體 CsCl晶體是一種立方體結(jié)構(gòu)——每8個Cs+、8個Cl－各自構(gòu)成立方體，在每個立方體的中心有一個異種離子（Cl－或Cs+）。在每個Cs+周圍最近的等距離（設(shè)為a/2）的Cl－有8個，在每個Cl－周圍最近的等距離的Cs+亦有8個；在每個Cs+周圍最近的等距離（必為a）的Cs+有6個（上、下、左、右、前、后），在每個Cl－周圍最近的等距離的Cl－亦有6個。 (1)在晶體中，每個Cl－吸引 8 個Cs+，每個Cs+吸引 8 個Cl－，Cs+與Cl－的個數(shù)比為 1︰1； (2)每個基本結(jié)構(gòu)單元中（小立方體）含Cl－ 1 個，含Cs+ 1 個； (3)在晶體中，每Cs+周圍與它最接近且距離相等的Cs+的個數(shù)共有 6 個。同理，每個Cl－周圍與它最接近的且距離相等的Cl－共有 6 個。 Ⅲ．CaF2晶體 (1)距離Ca2+最近且距離相等的F－離子有 8 個； (2)距離F－最近且距離相等的Ca2+離子有 4 個； (3)距離Ca2+最近且相等的Ca2+離子有 12 個； (4)每個晶胞含有離子數(shù)為Ca2+： 4 F－： 8 ； (5)配位數(shù)為Ca2+： 8 F－： 4 簡單立方 體心立方 六方堆積 面心立方 四、金屬晶體 類 型 晶 胞 代表金屬 Po Na、K、Fe Cu、Ag、Au Mg、Zn、Ti 配位數(shù) 6 8 12 12 晶胞占有的原子數(shù) 1 2 4 2 原子半徑(r)與立方體邊長為(a)的關(guān)系 相鄰的球彼此接觸r(原子)＝a/2 體心對角線上的球彼此接觸 立方體面上對角線上的球彼接觸 不做計算要求。 空間利用率 52％ 68％ 74％ 74％ 五、離子鍵與共價鍵、金屬鍵的比較 化學鍵 比較 離子鍵 共價鍵 金屬鍵 非極性鍵 極性鍵 配位鍵 本 質(zhì) 陰、陽離子通過靜電作用 相鄰原子間通過共用電子對與原子核間的 靜電作用 金屬陽離子與自由電子間的作用 成鍵條件 成鍵原子的得、失電子能力差別很大 成鍵原子的得、失電子能力相同 成鍵原子的得、失電子能力差別很小 成鍵原子一方有孤電子對，另一方有空軌道 同種金屬或不同種金屬(合金) 特 征 無方向性、無飽和性 有方向性、有飽和性 無方向性 存 在 離子化合物 （離子晶體） 離子化合物、共價化合物、單質(zhì) 離子化合物、共價化合物 離子化合物、 配位化合物 金屬單質(zhì) (金屬晶體、合金) 六、晶體熔、沸點比較規(guī)律 1．不同晶體類型的物質(zhì)：原子晶體>離子晶體>分子晶體； 金屬晶體的熔、沸點有的很高，如鎢、鉑等，有的則很低，如汞、銫等。 2．同一晶體類型的物質(zhì)，需比較晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)粒子間作用力，作用力越大，熔沸點越高。思路為： (1)原子晶體→共價鍵鍵能→鍵長→原子半徑； (2)分子晶體→分子間作用力→相對分子質(zhì)量； (3)離子晶體→離子鍵強弱→離子電荷、離子半徑。 3．常溫常壓下狀態(tài)：(1)熔點：固體物質(zhì)>液態(tài)物質(zhì)；(2)沸點：液態(tài)物質(zhì)>氣態(tài)物質(zhì) CaF2晶體 金剛石晶體 石墨晶體 NaCl晶體 干冰晶體 冰晶體 CsCl晶體 例1　 C60是碳單質(zhì)家族中的新成員，已知每個碳原子與其它三個碳原子相連。請根據(jù)碳的成鍵方式計算C60分子中存在______條C—C單鍵；______條C=C雙鍵？ 例2 　某離子晶體晶胞如圖所示， ●X位于立方體的頂點，○Y位于立方體的中心，試分析： （1）晶體中每個Y同時吸引著多少個X？每個X同時吸引著多少個Y？該晶體的化學式為____？ （2）晶體中在每個X周圍與它最接近且距離相等的X共有多少個？ （3）晶體中距離最近的2個X與1個Y形成的夾角∠XYX角度為多少？ （4）該晶體的摩爾質(zhì)量為Mgmol-1，晶體密度為ρgcm-3，阿伏加德羅常數(shù)為NA，則晶體中兩個距離最近的X中心間的距離為多少？ 例3　 （1）將NaCl的晶胞向三維空間延伸就可得到完美晶體。NiO（氧化鎳）晶體的結(jié)構(gòu)與NaCl相同，Ni2+與最鄰近O2-的核間距離為a10-8cm，計算NiO晶體的密度（已知NiO的摩爾質(zhì)量為74.7gmol-1）。 （2）天然的和絕大部分人工制備的晶體都存在各種缺陷，例如在某種NiO晶體中就存在如右圖所示的缺陷：一個Ni2+空缺，另有兩個Ni2+被兩個Ni3+所取代。其結(jié)果晶體仍呈電中性但化合物中Ni和O的比值卻發(fā)生了變化。某氧化鎳樣品組成為Ni0.97O，試計算該晶體中Ni3+與Ni2+的離子數(shù)之比。 【練習】 1．根據(jù)下表給出的幾種物質(zhì)的熔點、沸點數(shù)據(jù)判斷說法中錯誤的是 [　　　 ] A．SiCl4是分子晶體 B．MgCl2中鍵的強度比NaCl中鍵的強度小 C．單質(zhì)R是原子晶體 D．AlCl3為離子晶體 2．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，有一種磷分子具有鏈狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖所示。下列說法正確的是 [　　　 ] A．它是一種高分子化合物 B．它是一種極性分子，易溶于水 C．分子量是白磷的8倍 D．與白磷互為同素異形體 二、非選擇題 3．現(xiàn)有甲、乙、丙、丁四種晶胞（如圖2-8所示），可推知：甲晶體中A與B的離子個數(shù)比為；乙晶體的化學式為；丙晶體的化學式為______；丁晶體的化學式為______。 4．鈣-鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。觀察鈣-鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)，求該晶體中，鈣、鈦、氧的微粒個數(shù)比為多少？ 5．晶體硼的基本結(jié)構(gòu)單元都是由硼原子組成的正二十面體，其中含有20個等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂角，每個頂角各有一個硼原子，如圖2-10所示，回答： （1）鍵角____；（2）晶體硼中的硼原子數(shù)____個；B—B鍵____條？ 6．在碳單質(zhì)的成員中還有一種混合型晶體——石墨，如圖2-11所示。它是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間依靠作用力相結(jié)合。每層內(nèi)部碳原子與碳原子之間靠作用力相結(jié)合，其鍵角。分析圖中每個六邊形含有個碳原子。 7．C70分子是形如橢球狀的多面體，該結(jié)構(gòu)的建立基于以下考慮： （1）C70分子中每個碳原子只跟相鄰的3個碳原子形成化學鍵； （2）C70分子中只含有五邊形和六邊形； （3）多面體的頂點數(shù)、面數(shù)和棱邊數(shù)的關(guān)系遵循歐拉定理：頂點數(shù)+面數(shù)-棱邊數(shù)=2。 根據(jù)以上所述確定：（1）C70分子中所含的單鍵數(shù)和雙鍵數(shù)；（2）C70分子中的五邊形和六邊形各有多少？ 8．晶體具有規(guī)則的幾何外形，晶體中最基本的重復單位稱為晶胞。NaCl晶胞結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。 已知FexO晶體的晶胞結(jié)構(gòu)為NaCl型，由于晶體缺陷，x的值小于1。測知FexO晶體密度ρ為5.719cm-3，晶胞邊長為4.2810-10m（鐵原子量為55.9，氧原子量為16）。求： （1）FexO中x的值（精確至 0.01）。 （2）晶體中的 Fe分別為Fe2+和Fe3+，在Fe2+和Fe3+的總數(shù)中，F(xiàn)e2+所占分數(shù)為多少？（精確至0.001）。 （3）寫出此晶體的化學式。 （4）描述Fe在此晶體中占據(jù)空隙的幾何形狀（即與O2-距離最近且等距離的鐵離子圍成的空間形狀）。 （5）在晶體中，鐵元素的離子間最短距離為多少？ 　  答　 案 　 一、選擇題 1．D．提示：一般來說晶體的熔沸點有如下規(guī)律：原子晶體＞離子晶體＞分子晶體，金屬晶體有的高有的低。對于同種類型晶體的熔沸點則取決于微粒間的作用力。 2．D、E 二、非選擇題 3．1∶1　 C2D　 EF　 XY3Z 4．1∶1∶3 5．（1）60度（2）12（3）30 6．范德華力（或分子間作用力）；非極性共價鍵；120度；2。 7．（1）單鍵數(shù)：70；雙鍵數(shù)：35。 （2）設(shè)C70分子中五邊形數(shù)為x個，六邊形數(shù)為y個。依題意可得方程組： 1/2（5x+6y）=1/2（370）（鍵數(shù)，即棱邊數(shù)） 70+（x+y）-1/2（370）=2（歐拉定理） 解得五邊形數(shù)x=12，六邊形數(shù)y=25。 8．（1）0.92（2）0.826 （4）正八面體（5）3.0310-10m。 提示：（1）由NaCl晶胞結(jié)構(gòu)可知，1molNaCl晶胞中含有4mol NaCl，故在FexO晶體中1mol FexO晶胞中含有4mol FexO。 設(shè)FexO的摩爾質(zhì)量為Mg mol-1，晶胞的體積為V。則有： 4M=ρVN0，代入數(shù)據(jù)解得M=67.4gmol-1，則x=0.92。 （2）設(shè)Fe2+為y個，F(xiàn)e3+則為（0.92-y）個，由正負化合價代數(shù)和為零可得：2x+3（0.92-y）=2，則y=0.76。Fe2+所占的分數(shù)為：0.76/0.92=0.826。 （3）由于Fe2+為0.76，則Fe3+為（0.92-0.76）=0.16，故化學式為 （4）與O2-距離最近且等距離的鐵離子有6個，這6個鐵離子所圍成的幾何形狀如圖2-13所示，由圖可知Fe在晶體中占據(jù)空隙的幾何形狀為正八面體。