2021學(xué)年第三章 晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第三節(jié) 金屬晶體與離子晶體第2課時(shí)學(xué)案

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一、離子晶體
1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1)構(gòu)成粒子：陽(yáng)離子和陰離子。
(2)作用力：離子鍵。
(3)配位數(shù)：一個(gè)離子周圍最鄰近的異電性離子的數(shù)目。
微點(diǎn)撥：大量離子晶體的陰離子或陽(yáng)離子不是單原子離子，有的還存在電中性分子。離子晶體中不僅有離子鍵還存在共價(jià)鍵、氫鍵等。
2．常見(jiàn)的離子晶體
3．物理性質(zhì)
(1)硬度較大，難于壓縮。
(2)熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高。
(3)固體不導(dǎo)電，但在熔融狀態(tài)或水溶液時(shí)能導(dǎo)電。
離子晶體是否全由金屬元素與非金屬元素組成？
提示：不一定，如NH4Cl固體是離子晶體但它不含金屬元素。
離子晶體一般不具有的特征是( )
A．熔點(diǎn)較高，硬度較大
B．易溶于水而難溶于有機(jī)溶劑
C．固體時(shí)不能導(dǎo)電
D．離子間距離較大，其密度較大
D [離子晶體的結(jié)構(gòu)決定著離子晶體具有一系列特性，這些特性包括A、B、C項(xiàng)所述。]
二、過(guò)渡晶體與混合型晶體
1．過(guò)渡晶體
(1)四類典型的晶體是指分子晶體、共價(jià)晶體、金屬晶體和離子晶體。
(2)過(guò)渡晶體：介于典型晶體之間的晶體。
①幾種氧化物的化學(xué)鍵中離子鍵成分的百分?jǐn)?shù)
從上表可知，表中的4種氧化物晶體中的化學(xué)鍵既不是純粹的離子鍵，也不是純粹的共價(jià)鍵，這些晶體既不是純粹的離子晶體也不是純粹的共價(jià)晶體，只是離子晶體與共價(jià)晶體之間的過(guò)渡晶體。
②偏向離子晶體的過(guò)渡晶體在許多性質(zhì)上與純粹的離子晶體接近，因而通常當(dāng)作離子晶體來(lái)處理，如Na2O等。同樣，偏向共價(jià)晶體的過(guò)渡晶體則當(dāng)作共價(jià)晶體來(lái)處理，如Al2O3、SiO2等。
微點(diǎn)撥：四類典型晶體都有過(guò)渡晶體存在。
2．混合型晶體
(1)晶體模型
石墨結(jié)構(gòu)中未參與雜化的p軌道
(2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——層狀結(jié)構(gòu)
①同層內(nèi)碳原子采取sp2雜化，以共價(jià)鍵(σ鍵)結(jié)合，形成平面六元并環(huán)結(jié)構(gòu)。
②層與層之間靠范德華力維系。
③石墨的二維結(jié)構(gòu)內(nèi)，每個(gè)碳原子的配位數(shù)為3，有一個(gè)未參與雜化的2p電子，它的原子軌道垂直于碳原子平面。
(3)晶體類型：石墨晶體中，既有共價(jià)鍵，又有金屬鍵和范德華力，屬于混合晶體。
(4)性質(zhì)：熔點(diǎn)很高、質(zhì)軟、易導(dǎo)電等。
石墨為什么具有良好的導(dǎo)電性？
提示：由于碳原子的p軌道相互平行且相互重疊，p軌道中的電子可在整個(gè)碳原子平面中運(yùn)動(dòng)，所以石墨具有導(dǎo)電性。
超氧化鉀又稱為“化學(xué)氧自救器”，主要用于煤礦井下救急。它能夠和人呼出的二氧化碳接觸產(chǎn)生氧氣，此反應(yīng)的化學(xué)方程式為4KO2＋2CO2===2K2CO3＋3O2。
高溫下，超氧化鉀晶體呈立方體結(jié)構(gòu)。晶體中氧的化合價(jià)可看作部分為0價(jià)，部分為－2價(jià)。如圖為超氧化鉀晶體的一個(gè)晶胞(晶體中基本的重復(fù)單元)。
[問(wèn)題1] 判斷超氧化鉀的晶體類型是什么？
提示：離子晶體。
[問(wèn)題2] 在該晶體的晶胞中含有K＋和Oeq \\al(－,2)的個(gè)數(shù)是多少？晶胞中與每個(gè)K＋距離最近的Oeq \\al(－,2)有幾個(gè)？
提示：作為面心立方晶胞，每個(gè)晶胞中含有4(即8×eq \f(1,8)＋eq \f(1,2)×6)個(gè)K＋，4(即1＋eq \f(1,4)×12)個(gè)Oeq \\al(－,2)，晶胞中與每個(gè)K＋距離最近的Oeq \\al(－,2)有6個(gè)。
[問(wèn)題3] 超氧化鉀晶體中含有的化學(xué)鍵類型有哪些？
提示：超氧化鉀晶體(KO2)是離子化合物，陰、陽(yáng)離子分別為Oeq \\al(－,2)、K＋，晶體中K＋與Oeq \\al(－,2)以離子鍵相結(jié)合，Oeq \\al(－,2)中O—O為共價(jià)鍵。
1．離子鍵沒(méi)有方向性和飽和性的原因
(1)由于離子鍵的實(shí)質(zhì)是靜電作用，而且離子的電荷分布通常被看成是球形對(duì)稱的，因此一種離子對(duì)帶異性電荷離子的吸引作用與其所處的方向無(wú)關(guān)。故相對(duì)共價(jià)鍵而言，離子鍵沒(méi)有方向性(相對(duì)的)。
(2)在離子化合物中，每個(gè)離子周圍最鄰近的帶異性電荷離子數(shù)目的多少，取決于陰、陽(yáng)離子的相對(duì)大小。只要空間條件允許，陽(yáng)離子將吸引盡可能多的陰離子排列在其周圍，陰離子也將吸引盡可能多的陽(yáng)離子排列在其周圍，以達(dá)到降低體系能量的目的，所以在這個(gè)意義上，離子鍵是沒(méi)有飽和性的。
2．離子晶體的易錯(cuò)知識(shí)小結(jié)
(1)離子晶體中無(wú)分子。如NaCl、CsCl只表示晶體中陰、陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比，為化學(xué)式，不是分子式。
(2)離子晶體中一定有離子鍵，可能有共價(jià)鍵和氫鍵等，如KNO3等晶體中既有離子鍵又有共價(jià)鍵；CuSO4·5H2O中除離子鍵外，還含有共價(jià)鍵和氫鍵。
(3)離子晶體中，每一個(gè)陰(陽(yáng))離子周圍排列的帶相反電荷離子的數(shù)目是固定的，不是任意的。
3．離子晶體的性質(zhì)
4．離子晶體的判斷
判斷一種物質(zhì)是不是離子晶體，我們可以根據(jù)物質(zhì)的分類、組成和性質(zhì)等方面進(jìn)行判斷。
(1)利用物質(zhì)的分類
金屬離子和酸根離子、OH－形成的大多數(shù)鹽、強(qiáng)堿，活潑金屬的氧化物和過(guò)氧化物(如Na2O和Na2O2)，活潑金屬的氫化物(如NaH)，活潑金屬的硫化物等都是離子晶體。
(2)利用元素的性質(zhì)和種類
如成鍵元素的電負(fù)性差值大于1.7的物質(zhì)，金屬元素(特別是活潑的金屬元素，ⅠA、ⅡA族元素)與非金屬元素(特別是活潑的非金屬元素，ⅥA、ⅦA族元素)組成的化合物。
(3)利用物質(zhì)的性質(zhì)
離子晶體一般具有較高的熔、沸點(diǎn)，難揮發(fā)，硬而脆；固體不導(dǎo)電，但熔融或溶于水時(shí)能導(dǎo)電，大多數(shù)離子晶體易溶于極性溶劑而難溶于非極性溶劑。
1．下列敘述正確的是( )
A．Na2SO4晶體中含有離子鍵和極性共價(jià)鍵
B．離子晶體中一定存在離子鍵，同時(shí)存在其他化學(xué)鍵
C．Na2O2、NaHSO4晶體中的陰、陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比均為1∶2
D．晶體熔點(diǎn)：金剛石>食鹽>干冰>冰
A [Na2SO4晶體中含有Na＋和SOeq \\al(2－,4)，它們之間形成離子鍵，SOeq \\al(2－,4)中存在極性鍵，A項(xiàng)正確；離子晶體中一定存在離子鍵，可能存在共價(jià)鍵，如NaCl中僅有離子鍵，B項(xiàng)錯(cuò)誤；Na2O2中的陰離子是Oeq \\al(2－,2)，陰、陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比為1∶2，NaHSO4中的陰離子是HSOeq \\al(－,4)，陰、陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比為1∶1，C項(xiàng)錯(cuò)誤；冰中含有氫鍵，冰的熔點(diǎn)高于干冰，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]
2．下列性質(zhì)適合于離子晶體的是( )
①熔點(diǎn)1 070 ℃，易溶于水，水溶液能導(dǎo)電
②熔點(diǎn)10.31 ℃，液態(tài)不導(dǎo)電，水溶液能導(dǎo)電
③能溶于CS2，熔點(diǎn)112.8 ℃，沸點(diǎn)444.6 ℃
④熔點(diǎn)97.81 ℃，質(zhì)軟，導(dǎo)電，密度0.97 g/cm3
⑤熔點(diǎn)－218 ℃，難溶于水
⑥熔點(diǎn)3 900 ℃，硬度很大，不導(dǎo)電
⑦難溶于水，固體時(shí)導(dǎo)電，升溫時(shí)導(dǎo)電能力減弱
⑧熔點(diǎn)高，固體不導(dǎo)電，熔化時(shí)導(dǎo)電
A．①⑧B．②③⑥
C．①④⑦D．②⑤
A [離子晶體液態(tài)時(shí)能導(dǎo)電，難溶于非極性溶劑，熔點(diǎn)較高、質(zhì)硬而脆，固體不導(dǎo)電，故②③④⑤⑦均不符合離子晶體的特點(diǎn)；⑥中熔點(diǎn)達(dá)3 900 ℃，硬度很大，應(yīng)是共價(jià)晶體。故只有①⑧符合題意。]
3．(2021·山東青島期中)MgO、Rb2O、CaO、BaO四種離子晶體的熔點(diǎn)由高到低的順序是( )
A．MgO>Rb2O>BaO>CaO
B．MgO>CaO>BaO>Rb2O
C．CaO>BaO>MgO>Rb2O
D．CaO>BaO>Rb2O>MgO
B [四種離子晶體所含陰離子相同，所含陽(yáng)離子不同。對(duì)Mg2＋、Rb＋、Ca2＋、Ba2＋進(jìn)行比較，Rb＋所帶電荷數(shù)最少，半徑最大，其與O2－形成的離子鍵最弱，故Rb2O的熔點(diǎn)最低。對(duì)Mg2＋、Ca2＋、Ba2＋進(jìn)行比較，它們所帶電荷數(shù)一樣多，半徑Mg2＋BaO，相應(yīng)離子晶體的熔點(diǎn)由高到低的順序?yàn)镸gO>CaO>BaO。綜上所述，四種離子晶體的熔點(diǎn)由高到低的順序是MgO>CaO>BaO>Rb2O。]
4．NaCl晶體模型如下圖所示：
(1)在NaCl晶體中，每個(gè)Na＋周圍同時(shí)吸引________個(gè)Cl－，每個(gè)Cl－周圍也同時(shí)吸引著________個(gè)Na＋，在NaCl晶胞中含有________個(gè)Na＋、________個(gè)Cl－，晶體中每個(gè)Na＋周圍與它距離最近且相等的Na＋共有________個(gè)。
(2)對(duì)于氯化鈉晶體，下列描述正確的是________。
A．相鄰的正、負(fù)離子核間距等于正、負(fù)離子半徑之和
B．與氯化銫晶體結(jié)構(gòu)相同
C．每個(gè)Na＋與6個(gè)Cl－作為近鄰
[解析] (1)在氯化鈉晶體中，一個(gè)Na＋位于晶胞的中心，12個(gè)Na＋分別位于晶胞的12條棱上，則屬于該晶胞的Na＋相當(dāng)于3個(gè)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,4)×12＝3))，因此一個(gè)晶胞中共含有4個(gè)Na＋，8個(gè)Cl－分別位于晶胞的8個(gè)頂角上，則屬于該晶胞的Cl－相當(dāng)于1個(gè)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,8)×8＝1))，6個(gè)Cl－分別位于晶胞的6個(gè)面心上，則屬于該晶胞的Cl－相當(dāng)于3個(gè)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)×6＝3))，所以一個(gè)晶胞中共含有4個(gè)Cl－?？梢?jiàn)NaCl晶體中Na＋、Cl－的個(gè)數(shù)比為1∶1。
圖中位于晶胞中心的Na＋實(shí)際上共有3個(gè)平面通過(guò)它，通過(guò)中心Na＋的每個(gè)平面都有4個(gè)Na＋位于平面的四角，這4個(gè)Na＋與中心Na＋距離最近且距離相等。所以在NaCl晶體中，每個(gè)Na＋周圍與它距離最近且距離相等的Na＋共有12個(gè)，按相似的方法可推出每個(gè)Cl－周圍與它最近且距離相等的Cl－也共有12個(gè)。
(2)氯化銫晶體結(jié)構(gòu)呈體心立方堆積，B錯(cuò)誤，氯化鈉晶體中以Na＋為中心向三維方向伸展，有6個(gè)Cl－近鄰，C正確，相鄰的正、負(fù)離子核間距不等于正、負(fù)離子半徑之和，A錯(cuò)誤。
[答案] (1)6 6 4 4 12 (2)C
判斷物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖是否表示晶胞的方法
整塊晶體是由“完全相同”的晶胞“無(wú)隙并置”地堆積而成的?！巴耆嗤卑ā盎瘜W(xué)上等同”——晶胞里原子的數(shù)目和種類完全等同；還包括“幾何上等同”——晶胞的形狀、取向、大小等同，而且原子的排列完全等同。“無(wú)隙并置”即一個(gè)晶胞與它的相鄰晶胞完全共頂角、共面、共棱。晶胞的這種本質(zhì)屬性可歸納為晶胞具有平移性。因此可根據(jù)結(jié)構(gòu)圖在晶體中是否具有平移性來(lái)判斷是否表示晶胞。
1．(2021·福建寧德期中)下列說(shuō)法正確的是( )
A．形成離子鍵的陰、陽(yáng)離子間只存在靜電吸引力
B．第ⅠA族元素與第ⅦA族元素形成的化合物一定是離子化合物
C．離子化合物的熔點(diǎn)一定比共價(jià)化合物的熔點(diǎn)高
D．金屬元素與非金屬元素化合時(shí)，不一定形成離子鍵
D [形成離子鍵的陰、陽(yáng)離子之間不但存在陰、陽(yáng)離子之間的相互吸引，也存在著電子之間和原子核之間的相互排斥，A項(xiàng)錯(cuò)誤；氫是第ⅠA族元素，與第ⅦA族元素形成的化合物HX都是共價(jià)化合物，B項(xiàng)錯(cuò)誤；NaCl是離子化合物，SiO2是共價(jià)化合物，但NaCl的熔點(diǎn)低于SiO2的熔點(diǎn)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；金屬元素與非金屬元素的電負(fù)性之差小于1.7時(shí)往往形成共價(jià)鍵，如Al與Cl、Be與Cl(AlCl3、BeCl2均是共價(jià)化合物)等，D項(xiàng)正確。]
2．自然界中的CaF2又稱螢石，是一種難溶于水的固體，屬于典型的離子晶體。下列一定能說(shuō)明CaF2是離子晶體的實(shí)驗(yàn)是( )
A．CaF2難溶于水，其水溶液的導(dǎo)電性極弱
B．CaF2的熔、沸點(diǎn)較高，硬度較大
C．CaF2固體不導(dǎo)電，但在熔融狀態(tài)下可以導(dǎo)電
D．CaF2在有機(jī)溶劑(如苯)中的溶解度極小
C [離子晶體中含有離子鍵，離子鍵在熔融狀態(tài)下被破壞，電離出自由移動(dòng)的陰、陽(yáng)離子，所以離子晶體在熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ?，這是判斷某晶體是否為離子晶體的依據(jù)。]
3．石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)(如圖)。以下有關(guān)石墨晶體的說(shuō)法正確的一組是( )
①石墨中存在兩種作用力；②石墨是混合晶體；③石墨中的C為sp2雜化；④石墨熔點(diǎn)、沸點(diǎn)都比金剛石低；⑤石墨中碳原子數(shù)和C—C數(shù)之比為1∶2；⑥石墨和金剛石的硬度相同；⑦石墨層內(nèi)導(dǎo)電性和層間導(dǎo)電性不同；⑧每個(gè)六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是2
A．全對(duì)B．除⑤外
C．除①④⑤⑥外D．除⑥⑦⑧外
C [①不正確，石墨中存在三種作用力，一種是范德華力，一種是共價(jià)鍵，還有一種是金屬鍵；②正確；③正確，石墨中的C為sp2雜化；④不正確，石墨熔點(diǎn)比金剛石高；⑤不正確，石墨中碳原子數(shù)和C—C數(shù)之比為2∶3；⑥不正確，石墨質(zhì)軟，金剛石的硬度大；⑦正確；⑧正確，每個(gè)六元環(huán)完全占有的碳原子數(shù)是6×1/3＝2。]
4．(2021·黑龍江哈爾濱三中高二期末)如圖所示，在氯化鈉晶胞中，與每個(gè)Na＋等距離且最近的幾個(gè)Cl－所圍成的空間結(jié)構(gòu)為( )
A．正八面體B．十二面體
C．正六面體D．正四面體
A [取晶胞體心的鈉離子為參考，由題圖可知與該鈉離子等距離且最近的氯離子分別位于立方體晶胞的6個(gè)面心，所以鈉離子的配位數(shù)是6，將6個(gè)氯離子連接后所圍成的空間結(jié)構(gòu)是正八面體，A正確。]
5．如圖所示，直線交點(diǎn)處的圓圈為NaCl晶體中Na＋或Cl－所處的位置。這兩種離子在空間三個(gè)互相垂直的方向上都是等距離排列的。
(1)請(qǐng)將其中代表Na＋的圓圈涂黑(不必考慮離子體積大小)，以完成NaCl晶體的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖。
(2)晶體中，在每個(gè)Na＋的周圍與它最近且距離相等的Na＋共有__________個(gè)。
(3)在NaCl晶胞的頂角上、面上、棱上的Na＋或Cl－為該晶胞和與其相鄰的晶胞所共有，一個(gè)晶胞中Cl－的個(gè)數(shù)等于__________，即____________________________________________(填計(jì)算式)；Na＋的個(gè)數(shù)等于___________________________________________________________________，即__________________________________________________(填計(jì)算式)。
(4)設(shè)NaCl的摩爾質(zhì)量為M g·ml－1，食鹽晶體的密度為ρ g·cm－3，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA。則食鹽晶體中兩個(gè)距離最近的鈉離子中心間的距離為_(kāi)___________________________________________________________cm。
[解析] (2)從NaCl晶胞結(jié)構(gòu)可以看出，與頂角Na＋最近且距離相等的Na＋在面心，每個(gè)晶胞中有3個(gè)面心Na＋與頂角Na＋最近且等距，而每個(gè)頂角Na＋為8個(gè)晶胞共有，每個(gè)面心Na＋為2個(gè)晶胞共有，則與頂角Na＋最近且等距的面心Na＋共有8×3×eq \f(1,2)＝12個(gè)。
(3)根據(jù)離子晶體的晶胞，求陰、陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比的方法是均攤法。如(1)中所得NaCl晶胞中，含Na＋個(gè)數(shù)為8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，含Cl－個(gè)數(shù)為12×eq \f(1,4)＋1＝4。
(4)設(shè)Cl－與Na＋的最近距離為a cm，則兩個(gè)最近的Na＋間的距離為eq \r(2)a cm，eq \f(?a cm＋a cm?3×ρ g·cm－3×NA ml－1,4)＝M g·ml－1，即a＝eq \r(3,\f(M,2ρNA))，所以兩個(gè)Na＋間的最近距離為eq \r(2)·eq \r(3,\f(M,2ρNA)) cm。
[答案] (1)如圖所示(答案不唯一，合理即可)
(2)12
(3)4 12×eq \f(1,4)＋1＝4 4 8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4[答案不唯一，只要與第(1)問(wèn)對(duì)應(yīng)即可]
(4)eq \r(2)·eq \r(3,\f(M,2ρNA))
學(xué) 習(xí) 任 務(wù)
1．借助離子晶體模型認(rèn)識(shí)離子晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
2．能利用離子鍵的有關(guān)理論解釋離子晶體的物理性質(zhì)。
3．知道介于典型晶體之間的過(guò)渡晶體及混合型晶體是普遍存在的。
晶體類型
NaCl
CsCl
晶胞
陽(yáng)離子的配位數(shù)
6
8
陰離子的配位數(shù)
6
8
晶胞中所含離子個(gè)數(shù)
Cl－(4個(gè))
Na＋(4個(gè))
Cs＋(1個(gè))
Cl－(1個(gè))
氧化物
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
離子鍵的百分?jǐn)?shù)/%
62
50
41
33
離子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
性質(zhì)
原因
熔、
沸點(diǎn)
離子晶體中有較強(qiáng)的離子鍵，熔化或汽化時(shí)需消耗較多的能量。所以離子晶體有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和難揮發(fā)性。通常情況下，同種類型的離子晶體，離子半徑越小，離子鍵越強(qiáng)，熔、沸點(diǎn)越高
硬度
硬而脆。離子晶體表現(xiàn)出較高的硬度。當(dāng)晶體受到?jīng)_擊力作用時(shí)，部分離子鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致晶體破碎
導(dǎo)電性
不導(dǎo)電，但熔融或溶于水后能導(dǎo)電。離子晶體中，離子鍵較強(qiáng)，陰、陽(yáng)離子不能自由移動(dòng)，即晶體中無(wú)自由移動(dòng)的離子，因此離子晶體不導(dǎo)電。當(dāng)升高溫度時(shí)，陰、陽(yáng)離子獲得足夠的能量克服了離子間的相互作用力，成為自由移動(dòng)的離子，在外加電場(chǎng)的作用下，離子定向移動(dòng)而導(dǎo)電。離子晶體溶于水時(shí)，陰、陽(yáng)離子受到水分子的作用成了自由移動(dòng)的離子(或水合離子)，在外加電場(chǎng)的作用下，陰、陽(yáng)離子定向移動(dòng)而導(dǎo)電
溶解性
大多數(shù)離子晶體易溶于極性溶劑(如水)中，難溶于非極性溶劑(如汽油、苯、CCl4)中。當(dāng)把離子晶體放入水中時(shí)，水分子對(duì)離子晶體中的離子產(chǎn)生吸引，使離子晶體中的離子克服離子間的相互作用力而離開(kāi)晶體，變成在水中自由移動(dòng)的離子
延展性
離子晶體中陰、陽(yáng)離子交替出現(xiàn)，層與層之間如果滑動(dòng)，同性離子相鄰而使斥力增大導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以離子晶體無(wú)延展性