高中化学人教版 (新课标)选修3 物质结构与性质第四节 离子晶体教学设计

2017-2018年高中化学 3.4 离子晶体教案

人教版选修3

[学习目标]

 [知识梳理]

1．构成离子晶体的粒子是　　　　　 ，粒子之间的相互作用是　　　　　　，这些粒子在晶体中　　　　　　(能或不能)自由移动，所以离子晶体　　　 (能或不能)导电．

2. 离子晶体中的配位数是指___________________________________________________.

3.___________________________________是决定离子晶体结构的重要因素.此外, 离子晶体的结构还取决于____________________________.

4. 离子晶体的晶格能的定义是________________________________________________.离子晶体的晶格能是最能反映_____________________的数据.

5. 晶格能越大,形成的离子晶体_________________________,而且熔点_______________,硬度______________.典型的离子晶体，晶格能的大小与离子所带的电荷和离子半径的关系一般是：离子电荷高，晶格能         ，离子半径大，晶格能         。

 [方法导引]

1.离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体的比较

2．物质熔沸点的比较

    ⑴不同类晶体：一般情况下，原子晶体>离子晶体>分子晶体

    ⑵同种类型晶体：构成晶体质点间的作用大，则熔沸点高，反之则小。

     四种晶体熔、沸点对比规律

    ①离子晶体：结构相似且化学式中各离子个数比相同的离子晶体中，离子半径小(或阴、阳离子半径之和越小的)，键能越强的熔、沸点就越高。如NaCl、 NaBr、Nal;NaCl、KCl、RbCl等的熔、沸点依次降低。     离子所带电荷大的熔点较高。如：MgO熔点高于 NaCl

    ②分子晶体：在组成结构均相似的分子晶体中，式量大的分子间作用力就大熔点也高。如：F2、Cl2、 Br2、I2和HCl、HBr、HI等均随式量增大。熔、沸点升高。但结构相似的分子晶体，有氢键存在熔、沸点较高。

    ③原子晶体：在原子晶体中，只要成键原子半径小，键能大的，熔点就高。如金刚石、金刚砂(碳化硅)、晶体硅的熔、沸点逐渐降低。

④金属晶体：在元素周期表中，主族数越大，金属原子半径越小，其熔、沸点也就越高。如ⅢA的Al， ⅡA的Mg，IA的Na，熔、沸点就依次降低。而在同一主族中，金属原子半径越小的，其熔沸点越高。

    ⑶常温常压下状态

①熔点：固态物质>液态物质  

②沸点：液态物质>气态物质

3.均摊法确定晶体的化学式

在学习晶体时和在一些考试中，我们会遇到这样一类试题：题目中给出晶体的—部分(称为晶胞)的图形，要求我们确定晶体的化学式．求解这类题，通常采用均摊法．

均摊法是先求出给出的图形(晶胞)中平均拥有的各种粒子(离子或原子)的数目，再计算各种粒子数目的比值，从而确定化学式．

均摊法有如下规则，以NaCl的晶胞为例：

①处于顶点的粒子，同时为8个晶胞所共有，所以，每个粒子只分摊1/8给该晶胞．

②处于棱上的粒子，同时为4个晶胞所共有，所以，每个粒子只分摊1/4给该晶胞．

③处于面上的粒子，同时为2个晶胞所共有，所以，每个粒子只分摊1/2给该晶胞．

④处于晶胞内部的粒子，则完全属于该晶胞．

由此算出在NaCl的晶胞中：

含数：

含数：

故NaCl晶体中，和数目之比为1∶1．

例题解析

例1.下列性质中，可以证明某化合物内一定存在离子键的是(  )

A、可溶于水              B、具有较高的熔点

C、水溶液能导电          D、熔融状态能导电  

解析：本题考查对化学键------离子键的判断。只要化合物中存在离子键必为离子晶体，而离子晶体区别其它晶体的突出特点是：熔融状态下能导电，故D正确；至于A可溶于水，共价化合物如：HCl也可以；B具有较高熔点，也可能为原子晶体，如SiO2；C水溶液能导电，可以是共价化合物如硫酸等。

答案: D

例2.参考下表中物质的熔点，回答下列问题。

(1)钠的卤化物及碱金属的氯化物的熔点与卤离子及碱金属离子的__      有关,随着          增大,熔点依次降低.

(2)硅的卤化物及硅、锗、锡、铅的氯化物熔点与      有关,随着      增大,        增强，熔点依次升高.

(3)钠的卤化物的熔点比相应的硅的卤化物的熔点高得多,这与      有关,因为一般     比        熔点高.

解析：本题主要考查物质溶沸点的高低与晶体类型和晶体内部微粒之间作用力的关系以及分析数据进行推理的能力。

（1）表中第一栏的熔点明显高于第二栏的熔点，第一栏为IA元素与ⅦA元素组成的离子晶体，则第二栏为分子晶体。

（2）分析比较离子晶体熔点高低的影响因素：

物质熔化实质是减弱晶体内微粒间的作用力，而离子晶体内是阴、阳离子，因此离子晶体的熔化实际上是减弱阴、阳离子间的作用力--------离子键，故离子晶体的熔点与离子键的强弱有关。从钠的卤化物进行比较：卤素离子半径是r（F-）<r(Cl-)<r(Br-)<r(I-)，说明熔点随卤素阴离子半径的增大而减小。又从碱金属的氯化物进行比较：碱金属阳离子半径是r（Na+）<r(K+)<r(Rb+)<r(Cs+)，说明熔点随碱金属阳离子半径的增大而减小。

（3）分析比较分子晶体熔点高低的影响因素：

分子晶体内的微粒是分子，因此分子晶体的熔点与分子间的作用力有关。

从硅的卤化物进行比较：硅的卤化物分子具有相似的结构，从SiF4到SiI4相对分子量逐步增大，说明熔点随化学式的式量的增加而增大。

由从硅、锗、锡、铅的氯化物进行比较：这些氯化物具有相似的结构，从SiCl4到PbCl4相对分子质量逐步增大，说明熔点随化学式的式量的增加而增大。

答案：第一问 半径，半径

第二问：相对分子质量，相对分子质量，分子间作用力。

第三问：晶体类型，离子晶体，分子晶体。

例3.（1）中学化学教材中图示了NaCl晶体结构，它向三维空间延伸得到完美晶体。NiO（氧化镍）晶体的结构与NaCl 相同，Ni2+与最临近O2-的核间距离为a×10-8cm,计算NiO晶体的密度（已知NiO的摩尔质量为74.7g/mol）。

（2）天然和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如在某氧化镍晶体中就存在如图所示的缺陷：一个Ni2+空缺，另有两个Ni2+被两个Ni3+所取代。其结果晶体仍呈电中性，但化合物中Ni和O的比值却发生了变化。某氧化镍样品组成Ni0.97O,试计算该晶体中Ni3+ 与Ni2+的离子个数之比。

解析:（1）如图所示，以立方体作为计算单元，此结构中含有Ni2+——O2-离子数为：4×=（个），所以1mol NiO晶体中应含有此结构的数目为6.02×1023÷=12.04×1023（个），又因一个此结构的体积为（a×10-8cm）3, 所以1mol NiO的体积为12.04×1023×（a×10-8cm）3 ,NiO的摩尔质量为74.7g/ mol,所以NiO晶体的密度为

  （g/cm3）

（2）解法一（列方程）：设1mol Ni0.97O中含Ni3+为x mol, Ni2+为y mol , 则得

       x+y=0.97 (Ni原子个数守恒)

3x+2y=2 (电荷守恒)

解得x=0.06 , y=0.91 故n (Ni3+) ：n(Ni2+) = 6 ：91

解法二（十字交叉）：由化学式Ni0.97O求出Ni的平均化合价为2/0.97，则有

Ni3+         3                0.06 /0.97

               2 / 0.97

Ni2+      2                 0.91 / 0.97

故 n (Ni3+) ：n(Ni2+) = 6 ：91。

解法三  直接分析法

依题意，一个Ni2+空缺，另有两个Ni2+被两个Ni3+取代。由Ni0.97O可知，每100个氧离子，就有97个镍离子，有三个Ni2+空缺，也就有6个Ni2+被Ni3+所取代，所以Ni3+有6个，Ni2+为97-6=91个。即Ni3+与Ni2+之比为6：91。

解法四 鸡兔同笼发

从Ni0.97O可知，假如有100个氧离子，就有97个镍离子，假设这97个镍离子都是+2价，那么正价总和为194价，负价总和为200价。为什么还差+6价呢？

这是因为多假设6个+2价的镍离子。实际上有Ni3+6个、Ni2+91个。所以Ni3+与Ni2+的个数比为6：91。

说明：求解晶体结构计算题，空间三维立体想象是关键。要运用分割、增补等手段。借此类题的中心思想是把化学问题抽象成数学问题来解决。

 [基础训练]

1. 由钾和氧组成的某种离子晶体中含钾的质量分数为78/126，其阴离子只有过氧离子(O22－)和超氧离子(O2－)两种。在此晶体中，过氧离子和超氧离子的物质的量之比为     

A. 2︰1           B. 1︰1         C. 1︰2          D. 1︰3

2．食盐晶体如右图所示。在晶体中， 表示Na+， 表示Cl。已知食盐的密度为 g / cm3，NaCl摩尔质量M g / mol，阿伏加德罗常数为N，则在食盐晶体里Na+和Cl的间距大约是

                                                                            

 A cm          B cm                                        

 A cm          D cm 

3．下列物质中，含有共价键的离子晶体是 (   )

A．NaCl         B．NaOH

C．NH4Cl         D．I2

4．实现下列变化，需克服相同类型作用力的是 (   )

A．石墨和干冰的熔化    B．食盐和冰醋酸的熔化

C．液溴和水的汽化    D．纯碱和烧碱的熔化

5．下列性质中，能较充分说明某晶体是离子晶体的是(   )

A．具有高的熔点     B．固态不导电，水溶液能导电

C．可溶于水      D．固态不导电，熔化状态能导电

6．下列叙述中正确的是(   )

A．离子晶体中肯定不含非极性共价键

B．原子晶体的熔点肯定高于其他晶体

C．由分子组成的物质其熔点一定较低

D．原子晶体中除去极性共价键外不可能存在其他类型的化学键

7.某物质的晶体中，含A、B、C三种元素，其排列方式如右图所示（其中前后两面心上的B原子不能画出），晶体中A、B、C的原子个数比依次为 (   )

A．1：3：1        B．2：3：1

C．2：2：1        D．1：3：3

8.实现下列变化，需克服相同类型作用力的是(   )

A．碘和干冰升华     B．二氧化硅和生石灰熔化

C．氯化钠和铁熔化   D．苯和乙烷蒸发

9.下列各组物质的晶体中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(   )

A．SO2和SiO2    B．CO2和H2O

C．NaCl和HCl  D．CCl4和KCl

10.如下图所示，是一种晶体的晶胞，该离子晶体的化学式为（   ）

A．ABC   B．ABC3    C．AB2C3    D．AB3C3

11．实现下列变化时，需克服相同类型作用力的是（   ）

A．水晶和干冰的熔化  B．食盐和冰醋酸的熔化

C．液溴和液汞的汽化  D．纯碱和烧碱的熔化

12.2001年，日本科学家发现了便于应用、可把阻抗降为零的由硼和镁两种元素组成的超导材料。这是27年来首次更新了金属超导体的记录，是目前金属化合物超导体的最高温度。该化合物也因此被美国《科学》杂志评为2001年十大科技突破之一。图为该化合物的晶体结构单元示意图：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有一个镁原子，6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为 （        ）

A.MgB     B.MgB2    CMg2B      D.Mg3B2

13.如下图为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构，该结构是具有代表性的最小重复单元．

 (1)在该物质的晶体中，每个钛离子周围与它最接近的且等距离的钛离子共有　　　个．

(2)该晶体中，元素氧、钛、钙的个数比是　　　　　 ．

14.1mol气态钠离子和1mol气态氯离子结合生成1mol氯化钠晶体释放出的热能为氯化钠晶体的晶格能。下列热化学方程中，能直接表示出氯化钠晶体格能的是                   。

A．Na+(g)+Cl－(g)   NaCl(s); △H  B．Na(s)+Cl2(g)   NaCl(s); △H1

       C．Na(s)   Na(g); △H2         D．Na(g)－e－    Na+(g); △H3

E．Cl2(g)   Cl(g); △H4        F．Cl(g)+e－   Cl－(g); △H5

15. NaCl晶体中Na+与Cl-都是等距离交错排列，若食盐的密度是2.2g/cm3,阿伏加德罗常数为6.02×1023mol-1,食盐的摩尔质量为58.5g.mol。求食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离是多少。

[拓展提高]

16.晶态氯化钠是　　　　　　晶体，晶体中，每个钠离子周围有　　　个氯离子，每个氯离子周围有　　　　个钠离子，钠离子半径比氯离子半径　　　　　。在氯化物MCl中，M在第六周期，是钠的同族元素，该晶体中，每个阳离子周期有　　　　　氯离子。钠的金属性比M　　　　。氯化钠的电子式是　　　　　　　　，熔融后　　　导电（填“能”或“不能”）。Na+(或Cl-)周围的6个Cl- (或Na+)相邻的连线构成的面是什么样的多面体?

每个Na+(或Cl-)周围与之距离最近且距离相等的Na+(或Cl-)有几个?

17．晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单位称为晶胞。

NaCl晶体结构如右图所示。已知FexO晶体晶胞结构为NaCl型，由

于晶体缺陷，x值小于1。测知FexO晶体密度为ρg/cm3，晶胞边长

为4.28×10-10m。                                               

    ⑴FexO中x值(精确至0.01)为___________。

    ⑵晶体中的Fe分别为Fe2+、Fe3+，在Fe2+和Fe3+的总数中，Fe2+所

 占分数(用小数表示，精确至0.001)为___________。

    ⑶此晶体化学式为____________。

    ⑷与某个Fe2+(或Fe3+)距离最近且等距离的O2-围成的空间几何

构型形状是__________。

    ⑸在晶体中，铁元素的离子间最短距离为__________m。

18.某离子晶体晶胞结构如右图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心，试回答：

（1）晶体中每个Y同时吸引着      个X，每个X同时吸引着      个Y，该晶体的化学式为          。

（2）晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有        个。

（3）晶体中距离最近的2个X与一个Y形成的夹角（∠XYX）为（填角的度数）         。

（4）设该晶体的摩尔质量为M g·mol-1，晶体密度为ρg·cm-3，阿伏加德罗常数为NA，则晶体中两个距离最近的X中心间的距离为           cm。

19.如图，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中离子或离子所处的位置．这两种离子在空间3个互相垂直的方向上都是等距离排列的．

(1)请将其中代表离子的圆圈涂黑(不必考虑体积大小)，以完成NaCl晶体结构示意图．

(2)晶体中，在每个离子的周围与它最接近的且距离相等的共有_________个．

(3)晶体中每一个重复的结构单元叫晶胞．在NaCl晶胞中正六面体的顶点上、面上、棱上的或Cl-为该晶胞与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Cl-离子的个数等于_____________，即(填计算式)___________；离子的个数等于___________，即(填计算式)___________．

(4)设NaCl的摩尔质量为，食盐晶体的密度为，阿伏加德罗常数为．食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为___________cm．

参考答案

1. C  2. B  3. B C  4. C D 5. D  6. D 7. A  8. A D 9. B 10. B  11. D   12. B

13.解析：从所给模型图中可看出每个钛离子的上下前后和左右各有一个最接近且等距离的钛离子．又可看出钙原子位于立方体体心，为该立方体单独占有，钛原子位于立方体顶点属于8个立方体共有，所以每个立方体拥有Ti原子为8×=1个，氧原子位于立方体的棱边为四个立方体所共有，所以每个立方体拥有O原子为12×=3个．

答案：(1)6  (2)3∶1∶1

16．离子6　6　小　8　弱　　能　八面体 12个

17.⑴0.92  ⑵0.826  ⑶  ⑷正八面体  ⑸3.03×10-10

18.（1）4；8；XY2或Y2X；（2）12；（3）109°28′（提示：4个X原子位于正四面体的四个顶点上，Y原子位于该正四面体的中心）（4）（提示：每个晶体中含个X和1个Y，则1mol XY2中含有2NA个晶胞，故每个晶胞的边长为 ，距离最近的两个X位于面对角线上，据勾股定理可求出其距离）。

19.(1)略(提示：与Cl-交替排列)  (2)12    (3)4，；4，

(4)  提示：根据，其中m即为4个，的质量：，V为所示晶体的体积，可设其边长为a，则．可求出a，进而求出题设所问．即两个距离最近的钠离子中心间的距离为