高中化学人教版 (2019)选择性必修2第三节 金属晶体与离子晶体第2课时学案

第2课时　离子晶体　过渡晶体与混合型晶体

必备知识·自主学习

一、离子晶体

1．概念：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

2．结构特点：

(1)构成微粒：阳离子和阴离子。

(2)微粒间的作用力：离子键。

3．常见离子晶体的结构类型

4.离子晶体的性质

(1)含金属阳离子的晶体一定是离子晶体吗？

提示：不一定，也可能是金属晶体。

(2)离子晶体中除含离子键外，是否含有共价键？离子晶体中一定含金属元素吗？由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体吗？

提示：离子晶体中含有离子键外，还可能存在共价键，如NaOH；离子晶体中不一定含金属元素，如NH4Cl等铵盐；由金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体，如AlCl3是分子晶体。

(3)在下列物质中：NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、(NH4)2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石、晶体氩。

①其中只含有离子键的离子晶体是NaCl、Na2S。

②其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是NaOH、(NH4)2S。

二、过渡晶体与混合型晶体

1．过渡晶体

(1)四种典型的晶体是指分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体。

(2)过渡晶体：介于典型晶体之间的晶体。

2．混合型晶体(石墨晶体)

(1)晶体模型

(2)结构特点

①同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成正六边形平面网状结构。所有碳原子的p轨道平行且相互重叠，p电子可在整个平面中运动。

②层与层之间以范德华力相结合。

(3)晶体类型

石墨晶体中，既有共价键，又有范德华力，属于混合型晶体。

(1)石墨晶体中所含有的作用力是什么？为什么石墨晶体能作润滑剂？

提示：石墨晶体中含有共价键(同层内)、范德华力(层与层之间)。由于范德华力较弱，层与层之间能发生相对滑动，故石墨具有润滑性，可作润滑剂。

(2)石墨晶体为什么能导电？

提示：石墨晶体中的碳原子采用sp2杂化，每个碳原子有一个未参与杂化的2p电子，该p轨道相互平行且相互重叠，使p轨道中的电子在整个碳原子平面上运动，相当于金属晶体中的自由电子，故石墨晶体能导电。

关键能力·合作学习

知识点一　离子晶体的结构

1．离子晶体的结构特点：

(1)离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

(2)离子晶体微粒之间的作用力是离子键。由于静电作用没有方向性，故离子键没有方向性。只要条件允许，阳离子周围可以尽可能多地吸引阴离子，同样，阴离子周围可以尽可能多地吸引阳离子，故离子键也没有饱和性。根据静电作用大小的影响因素可知，在离子晶体中阴、阳离子半径越小，所带电荷数越多，离子键越强。

(3)离子晶体的化学式只表示晶体中阴、阳离子的个数比，而不是表示其分子组成。

2．常见离子晶体的晶胞结构：

　 离子晶体组成的认识误区

(1)离子晶体中不一定都含有金属元素，如NH4Cl是离子晶体。

(2)离子晶体中除离子键外不一定不含其他化学键，如NaOH晶体中还含有极性共价键，Na2O2晶体中还含有非极性共价键。

(3)由金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体，如AlCl3是由金属元素Al和非金属元素Cl组成的分子晶体。

(4)含有金属离子的晶体不一定是离子晶体，如金属晶体中含有金属阳离子。

(1)设NaCl的摩尔质量为M g·mol－1，晶胞中最近的Na＋和Cl－间的距离为a pm，则NaCl晶体的密度是多少？

提示：ρ＝×4 g÷(2a×10－10cm)3＝ g·cm－3。

(2)MgO具有NaCl型结构，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a＝0.420 nm，则r(O2－)为______nm。MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′ ＝0.448 nm，则r(Mn2＋)为________nm。

提示：MgO的晶胞中O2－采用面心立方最密堆积方式，即O2－相互接触，面对角线是O2－半径的4倍，即4r＝a，解得r(O2－)＝×0.420 nm≈0.148 nm；MnO也属于NaCl型结构，2r(O2－)＋2r(Mn2＋)＝a′ ＝0.448 nm，所以，r(Mn2＋)＝0.448 nm/2－0.148 nm＝0.076 nm。

【典例】有关晶体的结构如图所示，下列说法中不正确的是(　　)

A．在NaCl晶体中，距Na＋最近的Cl－有6个

B．在CaF2晶体中，每个晶胞平均占有4个Ca2＋

C．在金刚石晶体中，碳原子与碳碳键个数的比为1∶2

D．该气态团簇分子的分子式为EF或FE

【思维建模】解答有关离子晶体的结构问题的思维流程如下：

【解析】选D。在NaCl晶体中，距Na＋最近的Cl－有6个，所以钠离子的配位数是6，故A正确；在CaF2晶体中，Ca2＋位于晶胞的顶点和面心，晶胞中含有Ca2＋的个数为8×＋6×＝4，故B正确；在金刚石晶体中，每个碳原子形成4个共价键，每两个碳原子形成一个共价键，则每个碳原子形成的共价键平均为4×＝2，所以在金刚石晶体中，碳原子与碳碳键数之比为1∶2，故C正确；气态团簇分子不同于晶胞，气态团簇分子中含有4个E原子，4个F原子，则分子式为E4F4或F4E4，故D错误。

【母题追问】(1)在CaF2晶体中，距Ca2＋最近的F－有多少个？距F－最近的Ca2＋有多少个？

提示：8　4

(2)在CaF2晶体中，距Ca2＋最近的Ca2＋有多少个？距F－最近的F－有多少个？

提示：12　6

(2021·潍坊高二检测)某离子晶体的晶体结构示意图如图，晶体中氧的化合价可看作部分为0价，部分为－2价。则下列说法错误的是(　　)

A.晶体中与每个A＋距离最近的A＋有12个

B．晶体中，阴离子与阳离子个数之比为1∶1

C.该离子晶体化学式为A2O2

D．晶体中，0价氧原子与－2价氧原子的数目比为3∶1

【解析】选C。选取一个A＋为研究对象，结合图片知，每个A＋周围距离最近的A＋有12个，故A正确；根据图片知，每个A＋周围有6个O，每个O周围有6个A＋，所以该晶体中，阴离子与阳离子个数之比为1∶1，故B正确；根据图片知，每个A＋周围有6个O，每个O周围有6个A＋，所以该晶体中，阴离子与阳离子个数之比为1∶1，该离子晶体的化学式为AO2，故C错误；该晶体中0价氧原子和－2价氧原子的个数比为，所以是3∶1，故D正确。

【补偿训练】

随着科学的发展和大型实验装置(如同步辐射和中子源)的建成，高压技术在物质研究中发挥越来越重要的作用。高压不仅会引发物质的相变，也会导致新类型化学键的形成。近年来就有多个关于超高压下新型晶体的形成与结构的研究报道。NaCl晶体在50～300 GPa的高压下和Na或Cl2反应，可以形成不同组成、不同结构的晶体。下图给出其中三种晶体的晶胞(大球为Cl－，小球为Na＋)。

(1)写出A 、B 、C 的化学式。

提示：A：NaCl3　B：Na3Cl　 C：Na2Cl

(2)A晶体中1个Na＋周围最近的Cl－有多少个？1个Cl－周围最近的Na＋有多少个？

提示：12　4

(3)C晶体中1个Na＋周围最近的Cl－有多少个？1个Cl－周围最近的Na＋有多少个？

提示：8　4

知识点二　离子晶体的性质

【方法导引】

离子晶体的判断

(1)利用物质的分类

金属离子和酸根离子、OH－形成的大多数盐、强碱，活泼金属的氧化物和过氧化物(如Na2O和Na2O2)，活泼金属的氢化物(如NaH)，活泼金属的硫化物等都是离子晶体。

(2)利用元素的性质和种类

如成键元素的电负性差值大于1.7的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，ⅠA、ⅡA族元素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，ⅥA、ⅦA族元素)组成的化合物。

(3)利用物质的性质

离子晶体一般具有较高的熔、沸点，难挥发，硬而脆；固体不导电，但熔融或溶于水时能导电，大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。

(1)根据离子晶体的形成，推测离子晶体具有怎样的特性？

提示：离子晶体是由阴、阳离子间通过较强的离子键结合而形成的，所以离子晶体具有较高的熔、沸点，难挥发，硬度较大，离子晶体不导电，熔化或溶于水后能导电。大多数离子晶体能溶于水，难溶于有机溶剂。

(2)离子晶体的熔点一定低于共价晶体吗？

提示：不一定。离子晶体的熔点不一定低于共价晶体，如MgO为离子晶体，SiO2为共价晶体，但MgO的熔点比SiO2的熔点高。

【典例】下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是(　　)

A．离子键：NaF＞NaCl＞NaBr

B．硬度：MgO＞CaO＞BaO

C．熔点：NaF＞MgF2＞AlF3

D．1个阴离子周围等距离且最近的阳离子数：CsCl＞NaCl＞CaF2

【思维建模】解答有关离子晶体性质比较问题的思维流程如下：

【解析】选C。A.离子半径Br－＞Cl－＞F－，离子半径越小，所带电荷数越大，离子键越强，故A正确；B.原子半径Ba＞Ca＞Mg，原子半径越大，键能越小，硬度越小，故B正确；C.离子半径Na＋＞Mg2＋＞Al3＋，离子半径越小，电荷越多，则熔点越高，故C错误；D.CsCl晶胞中1个Cl－周围有8个Cs＋；CaF2晶胞中1个F－周围有4个Ca2＋；NaCl晶胞中1个Cl－周围有6个Na＋，故D正确。

【母题追问】(1)怎样比较离子晶体与其他晶体的熔点？

提示：熔点由高到低顺序：共价晶体＞离子晶体＞分子晶体。

(2)离子晶体有哪些性质？

提示：①硬度较大，难于压缩；②熔沸点较高；③固体不导电；④延展性差，受到外力容易破碎；⑤部分离子化合物易溶于水。

1．(2021·天水高二检测)下列数据是对应物质的熔点，有关的判断错误的

是(　　)

A.含有金属阳离子的晶体不一定是离子晶体

B．同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体

C．活泼金属元素与活泼非金属元素一定能形成离子化合物

D．金属晶体的熔点不一定比分子晶体的高

【解析】选C。金属单质含有金属阳离子是金属晶体，不是离子晶体，所以含有金属阳离子的晶体不一定是离子晶体，故A正确；C和Si同主族，但氧化物的晶体类型不同，分别属于分子晶体和共价晶体，故B正确；活泼金属Al与活泼非金属Cl形成的AlCl3属于共价化合物，所以活泼金属元素与活泼非金属元素能形成共价化合物，故C错误；Na的熔点比AlCl3低，所以金属晶体的熔点不一定比分子晶体的高，故D正确。

2．以下是八种物质的熔点：

(1)①～④、⑤～⑧中物质的熔点为什么会逐渐降低？

提示：①～④均为离子晶体且离子所带电荷相同，从F－→I－随着离子半径的增大，离子键减弱，熔点逐渐降低。⑤～⑧均为离子晶体且离子所带电荷相同，从Mg2＋→Ba2＋随着离子半径的增大，离子键减弱，熔点逐渐降低。

(2)⑤～⑧中物质的熔点远高于①～④中物质的原因是什么？

提示：⑤～⑧中的物质均为离子晶体，但⑤～⑧中物质离子所带电荷高于①～④中的物质离子所带的电荷，离子所带电荷越高，离子键越强，熔点越高。

(3)通过上述分析，你能得出影响离子晶体熔点高低的因素有哪些？其影响规律是什么？

提示：影响离子晶体熔点高低的因素主要有离子所带电荷及离子半径的大小。其规律是离子所带电荷越高，离子半径越小，离子晶体的熔点越高。

三言两语话重点

1．离子晶体中一定存在离子键，可能含有共价键，但含共价键的晶体不一定是离子晶体，含离子键的晶体一定是离子晶体。

2．含金属元素的化合物形成的晶体不一定是离子晶体，如AlCl3，不含金属元素化合物形成的晶体也可能是离子晶体，如NH4Cl。

3．离子晶体的熔、沸点和硬度一般较大，离子所带电荷越高，离子半径越小，离子键越强，晶体的熔、沸点越高，硬度越大。

课堂检测·素养达标

1．(2021·忻州高二检测)金属晶体和离子晶体是重要的晶体类型。下列关于它们的说法中正确的是(　　)

A．金属晶体和离子晶体都能导电

B．在镁晶体中，1个Mg2＋只与2个价电子存在强烈的相互作用

C．金属晶体和离子晶体都可采取紧密堆积方式

D．金属晶体和离子晶体中分别存在金属键和离子键等强烈的相互作用，很难断裂，因而都具有延展性

【解析】选C。A.离子晶体固态时不导电，如氯化钠固体不导电，故A错误；B.金属晶体中有电子气，能导电，金属晶体中的电子气属于整个晶体，不属于哪一个离子，故B错误；C.金属晶体和离子晶体都可采取“紧密堆积”方式，原子晶体都可采取“非紧密堆积”方式，故C正确；D.离子晶体没有延展性，易断裂，故D错误。

【补偿训练】

(2021·烟台高二检测)下列关于晶体的说法中错误的是(　　)

A．固态不导电而熔融状态导电的晶体一定是离子晶体

B．具有正四面体结构的晶体，可能是共价晶体或分子晶体，其键角都是109°28′

C．熔点是10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电的晶体一定是分子晶体

D．金属晶体中一定含有金属键，金属键没有方向性和饱和性

【解析】选B。固态不导电，熔融时能导电的晶体，其构成微粒为离子，则一定为离子晶体，故A正确；有中心原子的正四面体结构分子中，键角为109°28′，如甲烷，无中心原子的正四面体结构分子中，键角为60°，如白磷，故B错误；熔点10.31 ℃，熔点低，符合分子晶体的熔点特点；液态不导电，只存在分子，水溶液能导电，溶于水后，分子被水分子离解成自由移动的离子，有自由移动的离子，就能导电，故C正确；金属中的“自由电子”与金属阳离子形成的一种强烈的相互作用是金属键，金属键没有方向性和饱和性，故D正确。

2．已知CaF2是离子晶体，如果用“”表示F－；用“”表示Ca2＋，在下图所示中，符合CaF2晶体结构的是(　　)

【解析】选B。在A中F－数为4×＝，Ca2＋数为1，不符合CaF2的组成；在B中F－数为1，Ca2＋数为4×＝，符合CaF2的组成，正确；在C中F－数为8×＝1，Ca2＋数为1，不符合CaF2的组成；在D中N(Ca2＋)∶N(F－)＝1∶1，不符合CaF2的组成，错误。

3．(2021·玉溪高二检测)关于离子晶体的下列说法正确的是(　　)

①离子晶体中的组成微粒是阴、阳离子

②离子晶体中微粒间的作用是离子键

③离子晶体中微粒间只存在异性电荷的互相吸引

④离子晶体中只存在离子键

A．①②　　　B．①③　　　C．②③　　　D．③④

【解析】选A。①离子晶体中的组成微粒只有阴、阳离子，故①正确；②离子晶体中阴、阳离子间的静电作用称为离子键，故②正确；③离子晶体中微粒间的作用包括吸引力和排斥力，故③错误；④离子晶体一定含离子键，可能含共价键，如NaOH 既有离子键，又有共价键，故④错误。

4．为了确定SbCl3、SbCl5、SnCl4是否为离子化合物，可以进行下列实验，其中合理、可靠的是(　　)

A．观察常温下的状态，SbCl5与SnCl4均为液体。结论：SbCl5和SnCl4都是离子化合物

B．测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的熔点依次为73.5 ℃、2.8 ℃、－33 ℃。结论：SbCl3、SbCl5、SnCl4都不是离子化合物

C．将SbCl3、SbCl5、SnCl4溶解于水中，滴入HNO3酸化的AgNO3溶液，产生白色沉淀。结论：SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物

D．测定SbCl3、SbCl5、SnCl4的水溶液的导电性，发现它们都可以导电。结论：SbCl3、SbCl5、SnCl4都是离子化合物

【解析】选B。离子化合物一般熔、沸点较高，熔化后可导电；分子晶体溶于水后也可发生电离而导电，如HCl等，同样也可电离产生Cl－，能与HNO3酸化的AgNO3溶液反应，产生白色沉淀，故A、C、D都不可靠。

素养新思维

5．现有冰晶石(Na3AlF6)的结构单元如图所示，位于大立方体顶点和面心，位于大立方体的12条棱的中点和8个小立方体的体心，是图中、中的一种。

[问题探究]

(1)冰晶石属于哪种晶体类型？

提示：冰晶石晶体结构中含有Na＋和AlF，属于离子晶体。

(2)冰晶石晶胞(大立方体)中体心处的“”代表的是哪种微粒？

提示：冰晶石的构成微粒是Na＋和AlF，且二者的个数比为3∶1，图中的个数为8×＋6×＝4。的个数为8＋12×＝11，故代表，即代表Na＋。

(3)晶胞中Na＋的配位数是多少？与Na＋距离相等且最近的Na＋有多少个？

提示：晶胞中与Na＋(体心Na＋)相连的AlF分别处于Na＋的上、下、前、后、左、右，故Na＋的配位数为6。以体心Na＋分析，处于8个小立方体心的Na＋与之最近，故与Na＋距离相等且最近的Na＋有8个。

(4)冰晶石晶体的密度是多少？

提示：晶胞中含Na＋数目为8＋1＋12×＝12，含AlF的数目为8×＋6×＝4，即晶胞中相当于有4个Na3AlF6，晶胞的质量＝4× g，晶胞的体积＝(a×10－10)3 cm3则晶体的密度ρ＝＝＝×1030 g·cm－3。

(5)晶胞中AlF与AlF最近的距离是多少pm？

提示：晶胞中AlF与AlF最近的距离是晶胞中面的对角线，晶胞(小立方体)的棱长是a pm。则AlF与AlF最近的距离是 pm＝a pm。