高中化學 晶體的常識 分子晶體與原子晶體（基礎）知識講解學案 新人教版選修3.doc

晶體的常識 分子晶體與原子晶體【學習目標】1、初步了解晶體的知識，知道晶體與非晶體的本質差異，學會識別晶體與非晶體的結構示意圖；2、知道晶胞的概念，了解晶胞與晶體的關系，學會通過分析晶胞得出晶體的組成；3、了解分子晶體和原子晶體的特征，能以典型的物質為例描述分子晶體和原子晶體的結構與性質的關系；4、知道分子晶體與原子晶體的結構粒子、粒子間作用力的區(qū)別。【要點梳理】要點一、晶體與非晶體【高清課堂：分子晶體與原子晶體#晶體與非晶體】1、概念：晶體：質點（分子、離子、原子）在空間有規(guī)則地排列成的、具有整齊外型、以多面體出現(xiàn)的固體物質。晶體具有的規(guī)則的幾何外形源于組成晶體的微粒按一定規(guī)律周期性的重復排列。非晶體：非晶態(tài)物質內(nèi)部結構沒有周期性特點，而是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明膠等。非晶體不具有晶體物質的共性，某些非晶態(tài)物質具有優(yōu)良的性質要點詮釋：晶體與非晶體的區(qū)分：晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復排列構成的固體物質。周期性是晶體結構最基本的特征。許多固體的粉末用肉眼是看不見晶體的，但我們可以借助于顯微鏡觀察，這也證明固體粉末仍是晶體，只不過晶粒太小了。晶體的熔點較固定，而非晶體則沒有固定的熔點。區(qū)分晶體和非晶體最可靠的科學方法是對固體，進行X射線衍射實驗，X射線透過晶體時發(fā)生衍射現(xiàn)象。特別注意：一種物質是否晶體，是由其內(nèi)部結構決定的，而非由外觀判斷。2、分類：3、晶體與非晶體的本質差異： 自范性 微觀結構 晶體 有（能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形） 原子在三維空間里呈周期性有序排列 非晶體 沒有（不能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形） 原子排列相對無序 說明：自范性：晶體能自發(fā)性地呈現(xiàn)多面體外形的性質。所謂自范性即“自發(fā)”進行，但這里要注意，“自發(fā)”過程的實現(xiàn)仍需一定的條件。例如：水能自發(fā)地從高處流向低處，但若不打開攔截水流的閘門，水庫里的水不能下瀉；晶體自范性的條件之一：生長速率適當；晶體自范性的本質:是晶體中粒子微觀空間里呈現(xiàn)周期性的有序排列的宏觀表象。4、晶體形成的途徑：熔融態(tài)物質凝固，例：熔融態(tài)的二氧化硅，快速冷卻得到瑪瑙，而緩慢冷卻得到水晶。氣態(tài)物質冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華)；溶質從溶液中析出。5、晶體的特性：有規(guī)則的幾何外形；有固定的熔沸點；各向異性（強度、導熱性、光學性質等）；說明：因研究角度不同而產(chǎn)生差異，即為各向異性。例如：藍晶石（Al2O3SiO2）在不同方向上的硬度不同；石墨在與層垂直的方向上的導電率是層平行的方向上的導電率1/104。自發(fā)的形成多面體外形；有特定的對稱性；使X射線產(chǎn)生衍射。要點二、晶胞【高清課堂：分子晶體與原子晶體#晶胞】1、定義：晶體中重復出現(xiàn)的最基本的結構單元。晶體可看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成，所謂“無隙”是指相鄰晶胞之間沒有任何間隙，所謂“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。說明：劃分晶胞要遵循2個原則：一是盡可能反應晶體內(nèi)部結構的對稱性，二是盡可能小。2、三種典型的立方晶體結構：說明：晶胞的頂角原子是8個晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4個晶胞共用的，晶胞面上的原子是2個晶胞共用的。3、晶胞中原子個數(shù)的計算：位于晶胞頂點的微粒，實際提供給晶胞的只有1/8；位于晶胞棱邊的微粒，實際提供給晶胞的只有1/4；位于晶胞面心的微粒，實際提供給晶胞的只有1/2；位于晶胞中心的微粒，實際提供給晶胞的只有1。要點三、晶胞中原子個數(shù)的計算：在一個晶胞結構中出現(xiàn)的多個原子，這些原子并不是只為這個晶胞所獨立占有，而是為多個晶胞所共有，那么，在一個晶胞結構中出現(xiàn)的每個原子，這個晶體能分攤到多少比例，這就是分攤法。分攤法的根本目的是算出一個晶胞單獨占有的各類原子的個數(shù)。分攤法的根本原則是：晶胞任意位置上的一個原子如果是被x個晶胞所共有，那么，每個晶胞對這個原子分得的份額就是1/x。在立體晶胞中，原子可以位于它的頂點，也可以位于它的棱上，還可以在它的面上（不含棱），當然，它的體內(nèi)也可以有原子。每個頂點被8個晶胞共有，所以晶胞對自己頂點上的每個原子只占1/8份額；每條棱被4個晶胞共有，所以晶胞對自己棱上的每個原子只占1/4份額；每個面被2個晶胞共有，所以晶胞對自己面上（不含棱）的每個原子只占1/2份額；晶胞體內(nèi)的原子不與其他晶胞分享，完全屬于該晶胞。每個晶胞涉及A原子數(shù)目m個，每個A原子為n個晶胞共有，則每個晶胞占有A原子：m1/n。計算方法位置 頂點 棱邊 面心 體心 貢獻 1/8 1/4 1/2 1 要點四、判斷晶體類型的依據(jù)：(1)看構成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用對于分子晶體,構成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力；對于原子晶體，構成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價鍵。(2)看物質的物理性質(如：熔、沸點或硬度等)一般情況下，不同類晶體熔點高低順序是：原子晶體>分子晶體。原子晶體比分子晶體的熔沸點高得多。(3)依據(jù)物質的分類判斷金屬氧化物（如K2O、Na2O2等）、強堿（如NaCl、KOH等）和絕大多數(shù)的鹽類是離子晶體。大多數(shù)非金屬單質（除金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼外）、氣態(tài)氫化物、非金屬氧化物（除SiO2外）、酸、絕大多數(shù)有機物（除有機鹽外）是分子晶體。常見的原子晶體單質有金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼等；常見的原子晶體化合物有碳化硅、二氧化硅等。金屬單質（除汞外）與合金都是金屬晶體。要點五、晶體熔、沸點比較規(guī)律：（1）不同晶體類型的物質：原子晶體>分子晶體；（2）同一晶體類型的物質，需比較晶體內(nèi)部粒子間的作用力，作用力越大，熔沸點越高。原子晶體：要比較共價鍵的強弱，一般地說，原子半徑越小，形成共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，其晶體熔沸點越高，如熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅。分子晶體：分子組成和結構相似的物質，相對分子質量越大，熔沸點越高，如熔沸點：O2>N2、HI>HBr>HCl。組成結構不相似的物質，分子的極性越大，其熔沸點就越高， 如熔沸點：CO>N2。由上述可知，同類晶體熔沸點比較思路為：原子晶體共價鍵鍵能鍵長原子半徑、分子晶體分子間作用力相對分子質量。要點六、分子晶體【高清課堂：分子晶體與原子晶體#分子晶體】1、定義：含分子的晶體稱為分子晶體，也就是說，分子間以分子間作用力相結合的晶體叫做分子晶體。例：干冰晶體中只含有CO2分子，碘晶體中只含有I2分子。2、構成微粒：分子。3、微粒間的作用力：分子間作用力范德華力和氫鍵一般來說，對于組成和結構相似的物質，相對分子質量越大，分子間作用力越大，物質的熔沸點就越高。但是有些氫化物的熔點和沸點的遞變不完全符合此規(guī)律。例如： H2O的沸點就出現(xiàn)反常。因為H2O分子之間的主要作用力是氫鍵（當然也存在范德華力）。氫鍵形成的過程：氫鍵形成的條件：半徑小，吸引電子能力強的原子（N、O、F）與H原子；氫鍵的定義：半徑小、吸引電子能力強的原子與H原子之間的靜電吸引作用。氫鍵可看作是一種比較強的分子間作用力；氫鍵對物質性質的影響：氫鍵使物質的熔沸點升高。如H2O、HF、NH3的沸點出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。4、較典型的分子晶體：所有非金屬氫化物，如水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等；部分非金屬單質，如鹵素X2、氧(O2)、硫(S8)、氮(N2)、白磷(P4)、碳60(C60)等；部分非金屬氧化物，如CO2、P4O6、P4O10、SO2等；幾乎所有的酸；絕大多數(shù)有機物的晶體。5、分子晶體的物理特性：熔沸點較低、易升華、硬度小。一般都是絕緣體，固態(tài)和熔融狀態(tài)都不導電。6、分子晶體的結構特點：對于大多數(shù)分子晶體結構，如果分子間作用力只是范德華力。以一個分子為中心，其周圍通?？梢杂袔讉€緊鄰的分子。如O2、C60，把這一特征叫做分子緊密堆積。 實例：干冰的晶體結構晶胞模型。干冰晶體中CO2分子之間只存在分子間作用力不存在氫鍵，因此干冰中CO2分子緊密堆積。每個CO2分子周圍，最近且等距離的CO2分子數(shù)目有12個。一個CO2分子處于三個相互垂直的面的中心，在每個面上，處于四個對角線上各有一個CO2分子，所以每個CO2分子周圍最近且等距離的CO2分子數(shù)目是12個。分子間除范德華力外還有其他作用力（如氫鍵），如果分子間存在著氫鍵，分子就不會采取緊密堆積的方式。實例：冰的晶體結構。在冰的晶體中，每個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子，形成正四面體。氫鍵不是化學鍵，比共價鍵弱得多卻跟共價鍵一樣具有方向性，而氫鍵的存在迫使四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子的相互吸引，這一排列使冰晶體中空間利用率不高，皆有相當大的空隙，使得冰的密度減小。說明：分子的密度取決于晶體的體積，取決于緊密堆積程度，分子晶體的緊密堆積由兩個因素決定：范德華力和分子間氫鍵。要點七、原子晶體：【高清課堂：分子晶體與原子晶體#原子晶體】1、定義：相鄰原子間以共價鍵相結合而形成的空間網(wǎng)狀結構的晶體。2、構成微粒：原子。3、微粒間的作用力：共價鍵。4、原子晶體的物理性質：熔、沸點很高，硬度很大；難溶于一般的溶劑；不導電。5、常見的原子晶體：某些非金屬單質，如硼(B)、硅(Si)、鍺(Ge)等；某些非金屬化合物，如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等；某些氧化物，如氧化鋁(Al2O3)等。小結：原子晶體可以為單質，也可是化合物；原子晶體中微粒間的作用力為較強的共價鍵；由于原子晶體中，原子間用較強的共價鍵相結合，因而熔、沸點很高、硬度很大，并難溶于溶劑；原子晶體中，原子按一定規(guī)律在空間排列（見課本金剛石晶體結構示意圖）；原子晶體熔點的比較，其實質為鍵能的比較，可視為成鍵的兩原子核間距離的比較，即鍵長的比較；原子晶體中不存在單個分子，原子晶體的化學式不代表其分子式。6、典型的原子晶體金剛石金剛石中每個C原子以sp3雜化，每個碳原子被相鄰的4個碳原子包圍，以鍵跟4個碳原子相連，形成四面體。這些四面體向空間發(fā)展，構成一個堅實的、彼此聯(lián)結的空間網(wǎng)狀晶體。每個 C-C鍵長相等，鍵角均為10928晶體中最小環(huán)由6個C組成且不共平面。1個環(huán)中平均含有61/12=1/2個C原子，含C-C鍵數(shù)為61/6=1；注意：石墨雖和金剛石都是由碳原子形成的單質,但石墨是一種混合型晶體。層內(nèi)存在共價鍵,層間以分子間作用力結合,兼具有原子晶體、分子晶體的特征。層內(nèi)，每個碳原子與其他3個碳原子形成C-C鍵，構成正六邊形，鍵角為120，形成平面網(wǎng)狀結構，因此，石墨的熔點很高；但在層與層之間以分子間作用力結合，容易滑動，因此石墨的硬度很小。要點詮釋：各類晶體主要特征分子晶體 原子晶體 構成晶體微粒 分子 原子 形成晶體的作用力 分子間作用力 共價鍵 物理性質熔沸點 較低 很高 硬度 較小 較大 導電性 固態(tài)和熔融狀態(tài)都不導電 不導電 溶解性 相似相溶 難溶于常見溶劑 典型實例 P4、干冰、硫 金剛石、二氧化硅 【典型例題】類型一：晶體與非晶體的區(qū)分例題1 晶體與非晶體的嚴格判別可采用 ()A、有否自范性B、有否各向同性C、有否固定熔點 D、有否周期性結構【思路點撥】本題考查晶體與非晶體的區(qū)別，注意對基本概念的理解?！敬鸢浮緿【解析】晶體與非晶體最本質的區(qū)別是組成物質的粒子在微觀空間是否有序排列?！究偨Y升華】晶體粒子在微觀空間里的排列與結構的有序性，使晶體表現(xiàn)出許多與非晶體不同的性質。如熔點、強度、導熱性、光學性質等。舉一反三：【變式1】下列物質有固定熔、沸點的是 （ ）A、CuSO4溶液 B、石蠟 C、玻璃 D、白磷【答案】D【解析】BC是非晶體，A是混合物。類型二：判斷晶體類型的依據(jù)例題2 下列晶體由原子直接構成，且屬于分子晶體的是( )A、固態(tài)氫B、固態(tài)氖 C、磷 D、三氧化硫【思路點撥】考查分子晶體的判斷方法。【答案】B【解析】四種物質都是分子晶體，構成分子晶體的微粒是分子，其中氖稱為單原子分子。【總結升華】判斷晶體類型的方法有很多，可根據(jù)物質的分類判斷，可根據(jù)構成晶體的微粒判斷等，另外要記憶常見物質的晶體類型。舉一反三：【變式1】下列晶體中屬于原子晶體的是( )A.、氖 B、食鹽 C、干冰 D、金剛石【答案】D類型三：晶胞與晶體的關系例題3 某物質的晶體中含A、B、C三種元素，其排列方式如圖所示(其中前后兩面心上的B原子未能畫出)，晶體中A、B、C的原子個數(shù)之比依次為()A、1:3:1 B、2:3:1C、2:2:1 D、1:3:3【思路點撥】 解答這類習題，通常采用分攤法?！敬鸢浮緼【解析】A原子是8個1/8，B原子是6個1/2，C原子是1.【總結升華】晶體結構、晶胞對質點的占有率類習題，最常見的題型就是已知晶胞的結構而求晶體的化學式。解答這類習題首先要明確一個概念：由晶胞構成的晶體，其化學式不一定是表示一個分子中含有多少個原子，而是表示每個晶胞中平均含有各類原子的個數(shù)，即各類原子的最簡個數(shù)比。舉一反三：【變式1】如右圖，石墨晶體結構的每一層里平均每個最小的正六邊形占有碳原子數(shù)目為（ ）A、2B、3C、4D、6【答案】A【解析】每個C原子被3個正六邊形所共用，所以每個正六邊形占有6個1/3的C原子。類型四：晶體熔、沸點的比較規(guī)律例題4 已知BBr3的熔點是46，KBr的熔點是734，試估計它們各屬于哪一類晶體?！舅悸伏c撥】不同晶體類型的熔沸點取決因素不同，熔沸點的高低有一定差異?！敬鸢浮緽Br3是分子晶體，KBr是離子晶體?！窘馕觥緽Br3是由非金屬元素組成的，屬于共價化合物，由于BBr3的熔點為46，熔點很低，所以BBr3在固態(tài)時是以分子間作用力形成的晶體。KBr是由活潑金屬和活潑非金屬元素組成的化合物，熔點相對較高，所以KBr屬于離子晶體?！究偨Y升華】本節(jié)所學兩種晶體：分子晶體和原子晶體，熔沸點高低差異很大。分子晶體熔沸點高低取決于分子間作用力，絕大多數(shù)分子晶體中的分子間作用力只是范德華力，少數(shù)分子晶體中還存在氫鍵。分子間作用力較小，分子晶體熔沸點較低。而原子晶體中微粒間的作用力是較強的共價鍵，因此熔沸點很高；成鍵原子半徑越小，鍵長越短，鍵能越大，原子晶體的熔沸點越高。舉一反三：【變式1】碳化硅的一種晶體（SiC）具有類似金剛石的結構，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。下列三種晶體： 金剛石 晶體硅 碳化硅中，它們的熔點由高到低的順序是 A、 B、 C、 D、 【答案】A【解析】在原子晶體中，原子半徑越小、鍵長越短、鍵能越大，熔、沸點越高。題目中所給的信息是有關SiC的結構知識，比較碳原子和硅原子的半徑，應得出SiSi鍵的鍵長比SiC鍵的鍵長長，SiC鍵比CC鍵的鍵長長，所以鍵能由高到低的順序應該是：CC鍵>CSi鍵>SiSi鍵，由此可推出熔點由高到低的順序是：