2021学年第三章 晶体结构与性质第三节 金属晶体与离子晶体第2课时学案

这是一份2021学年第三章 晶体结构与性质第三节 金属晶体与离子晶体第2课时学案，共12页。学案主要包含了离子晶体，过渡晶体与混合型晶体等内容，欢迎下载使用。

一、离子晶体
1．结构特点
(1)构成粒子：阳离子和阴离子。
(2)作用力：离子键。
(3)配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。
微点拨：大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子，有的还存在电中性分子。离子晶体中不仅有离子键还存在共价键、氢键等。
2．常见的离子晶体
3．物理性质
(1)硬度较大，难于压缩。
(2)熔点和沸点较高。
(3)固体不导电，但在熔融状态或水溶液时能导电。
离子晶体是否全由金属元素与非金属元素组成？
提示：不一定，如NH4Cl固体是离子晶体但它不含金属元素。
离子晶体一般不具有的特征是( )
A．熔点较高，硬度较大
B．易溶于水而难溶于有机溶剂
C．固体时不能导电
D．离子间距离较大，其密度较大
D [离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性，这些特性包括A、B、C项所述。]
二、过渡晶体与混合型晶体
1．过渡晶体
(1)四类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。
①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数
从上表可知，表中的4种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。
②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、SiO2等。
微点拨：四类典型晶体都有过渡晶体存在。
2．混合型晶体
(1)晶体模型
石墨结构中未参与杂化的p轨道
(2)结构特点——层状结构
①同层内碳原子采取sp2杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结构。
②层与层之间靠范德华力维系。
③石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。
(3)晶体类型：石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。
(4)性质：熔点很高、质软、易导电等。
石墨为什么具有良好的导电性？
提示：由于碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动，所以石墨具有导电性。
超氧化钾又称为“化学氧自救器”，主要用于煤矿井下救急。它能够和人呼出的二氧化碳接触产生氧气，此反应的化学方程式为4KO2＋2CO2===2K2CO3＋3O2。
高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构。晶体中氧的化合价可看作部分为0价，部分为－2价。如图为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中基本的重复单元)。
[问题1] 判断超氧化钾的晶体类型是什么？
提示：离子晶体。
[问题2] 在该晶体的晶胞中含有K＋和Oeq \\al(－,2)的个数是多少？晶胞中与每个K＋距离最近的Oeq \\al(－,2)有几个？
提示：作为面心立方晶胞，每个晶胞中含有4(即8×eq \f(1,8)＋eq \f(1,2)×6)个K＋，4(即1＋eq \f(1,4)×12)个Oeq \\al(－,2)，晶胞中与每个K＋距离最近的Oeq \\al(－,2)有6个。
[问题3] 超氧化钾晶体中含有的化学键类型有哪些？
提示：超氧化钾晶体(KO2)是离子化合物，阴、阳离子分别为Oeq \\al(－,2)、K＋，晶体中K＋与Oeq \\al(－,2)以离子键相结合，Oeq \\al(－,2)中O—O为共价键。
1．离子键没有方向性和饱和性的原因
(1)由于离子键的实质是静电作用，而且离子的电荷分布通常被看成是球形对称的，因此一种离子对带异性电荷离子的吸引作用与其所处的方向无关。故相对共价键而言，离子键没有方向性(相对的)。
(2)在离子化合物中，每个离子周围最邻近的带异性电荷离子数目的多少，取决于阴、阳离子的相对大小。只要空间条件允许，阳离子将吸引尽可能多的阴离子排列在其周围，阴离子也将吸引尽可能多的阳离子排列在其周围，以达到降低体系能量的目的，所以在这个意义上，离子键是没有饱和性的。
2．离子晶体的易错知识小结
(1)离子晶体中无分子。如NaCl、CsCl只表示晶体中阴、阳离子个数比，为化学式，不是分子式。
(2)离子晶体中一定有离子键，可能有共价键和氢键等，如KNO3等晶体中既有离子键又有共价键；CuSO4·5H2O中除离子键外，还含有共价键和氢键。
(3)离子晶体中，每一个阴(阳)离子周围排列的带相反电荷离子的数目是固定的，不是任意的。
3．离子晶体的性质
4．离子晶体的判断
判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。
(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．下列叙述正确的是( )
A．Na2SO4晶体中含有离子键和极性共价键
B．离子晶体中一定存在离子键，同时存在其他化学键
C．Na2O2、NaHSO4晶体中的阴、阳离子个数比均为1∶2
D．晶体熔点：金刚石>食盐>干冰>冰
A [Na2SO4晶体中含有Na＋和SOeq \\al(2－,4)，它们之间形成离子键，SOeq \\al(2－,4)中存在极性键，A项正确；离子晶体中一定存在离子键，可能存在共价键，如NaCl中仅有离子键，B项错误；Na2O2中的阴离子是Oeq \\al(2－,2)，阴、阳离子个数比为1∶2，NaHSO4中的阴离子是HSOeq \\al(－,4)，阴、阳离子个数比为1∶1，C项错误；冰中含有氢键，冰的熔点高于干冰，D项错误。]
2．下列性质适合于离子晶体的是( )
①熔点1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电
②熔点10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电
③能溶于CS2，熔点112.8 ℃，沸点444.6 ℃
④熔点97.81 ℃，质软，导电，密度0.97 g/cm3
⑤熔点－218 ℃，难溶于水
⑥熔点3 900 ℃，硬度很大，不导电
⑦难溶于水，固体时导电，升温时导电能力减弱
⑧熔点高，固体不导电，熔化时导电
A．①⑧B．②③⑥
C．①④⑦D．②⑤
A [离子晶体液态时能导电，难溶于非极性溶剂，熔点较高、质硬而脆，固体不导电，故②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点；⑥中熔点达3 900 ℃，硬度很大，应是共价晶体。故只有①⑧符合题意。]
3．(2021·山东青岛期中)MgO、Rb2O、CaO、BaO四种离子晶体的熔点由高到低的顺序是( )
A．MgO>Rb2O>BaO>CaO
B．MgO>CaO>BaO>Rb2O
C．CaO>BaO>MgO>Rb2O
D．CaO>BaO>Rb2O>MgO
B [四种离子晶体所含阴离子相同，所含阳离子不同。对Mg2＋、Rb＋、Ca2＋、Ba2＋进行比较，Rb＋所带电荷数最少，半径最大，其与O2－形成的离子键最弱，故Rb2O的熔点最低。对Mg2＋、Ca2＋、Ba2＋进行比较，它们所带电荷数一样多，半径Mg2＋CaO>BaO，相应离子晶体的熔点由高到低的顺序为MgO>CaO>BaO。综上所述，四种离子晶体的熔点由高到低的顺序是MgO>CaO>BaO>Rb2O。]
4．NaCl晶体模型如下图所示：
(1)在NaCl晶体中，每个Na＋周围同时吸引________个Cl－，每个Cl－周围也同时吸引着________个Na＋，在NaCl晶胞中含有________个Na＋、________个Cl－，晶体中每个Na＋周围与它距离最近且相等的Na＋共有________个。
(2)对于氯化钠晶体，下列描述正确的是________。
A．相邻的正、负离子核间距等于正、负离子半径之和
B．与氯化铯晶体结构相同
C．每个Na＋与6个Cl－作为近邻
[解析] (1)在氯化钠晶体中，一个Na＋位于晶胞的中心，12个Na＋分别位于晶胞的12条棱上，则属于该晶胞的Na＋相当于3个eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,4)×12＝3))，因此一个晶胞中共含有4个Na＋，8个Cl－分别位于晶胞的8个顶角上，则属于该晶胞的Cl－相当于1个eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,8)×8＝1))，6个Cl－分别位于晶胞的6个面心上，则属于该晶胞的Cl－相当于3个eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)×6＝3))，所以一个晶胞中共含有4个Cl－。可见NaCl晶体中Na＋、Cl－的个数比为1∶1。
图中位于晶胞中心的Na＋实际上共有3个平面通过它，通过中心Na＋的每个平面都有4个Na＋位于平面的四角，这4个Na＋与中心Na＋距离最近且距离相等。所以在NaCl晶体中，每个Na＋周围与它距离最近且距离相等的Na＋共有12个，按相似的方法可推出每个Cl－周围与它最近且距离相等的Cl－也共有12个。
(2)氯化铯晶体结构呈体心立方堆积，B错误，氯化钠晶体中以Na＋为中心向三维方向伸展，有6个Cl－近邻，C正确，相邻的正、负离子核间距不等于正、负离子半径之和，A错误。
[答案] (1)6 6 4 4 12 (2)C
判断物质结构图是否表示晶胞的方法
整块晶体是由“完全相同”的晶胞“无隙并置”地堆积而成的。“完全相同”包括“化学上等同”——晶胞里原子的数目和种类完全等同；还包括“几何上等同”——晶胞的形状、取向、大小等同，而且原子的排列完全等同。“无隙并置”即一个晶胞与它的相邻晶胞完全共顶角、共面、共棱。晶胞的这种本质属性可归纳为晶胞具有平移性。因此可根据结构图在晶体中是否具有平移性来判断是否表示晶胞。
1．(2021·福建宁德期中)下列说法正确的是( )
A．形成离子键的阴、阳离子间只存在静电吸引力
B．第ⅠA族元素与第ⅦA族元素形成的化合物一定是离子化合物
C．离子化合物的熔点一定比共价化合物的熔点高
D．金属元素与非金属元素化合时，不一定形成离子键
D [形成离子键的阴、阳离子之间不但存在阴、阳离子之间的相互吸引，也存在着电子之间和原子核之间的相互排斥，A项错误；氢是第ⅠA族元素，与第ⅦA族元素形成的化合物HX都是共价化合物，B项错误；NaCl是离子化合物，SiO2是共价化合物，但NaCl的熔点低于SiO2的熔点，C项错误；金属元素与非金属元素的电负性之差小于1.7时往往形成共价键，如Al与Cl、Be与Cl(AlCl3、BeCl2均是共价化合物)等，D项正确。]
2．自然界中的CaF2又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离子晶体。下列一定能说明CaF2是离子晶体的实验是( )
A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱
B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大
C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电
D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
C [离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自由移动的阴、阳离子，所以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。]
3．石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是( )
①石墨中存在两种作用力；②石墨是混合晶体；③石墨中的C为sp2杂化；④石墨熔点、沸点都比金刚石低；⑤石墨中碳原子数和C—C数之比为1∶2；⑥石墨和金刚石的硬度相同；⑦石墨层内导电性和层间导电性不同；⑧每个六元环完全占有的碳原子数是2
A．全对B．除⑤外
C．除①④⑤⑥外D．除⑥⑦⑧外
C [①不正确，石墨中存在三种作用力，一种是范德华力，一种是共价键，还有一种是金属键；②正确；③正确，石墨中的C为sp2杂化；④不正确，石墨熔点比金刚石高；⑤不正确，石墨中碳原子数和C—C数之比为2∶3；⑥不正确，石墨质软，金刚石的硬度大；⑦正确；⑧正确，每个六元环完全占有的碳原子数是6×1/3＝2。]
4．(2021·黑龙江哈尔滨三中高二期末)如图所示，在氯化钠晶胞中，与每个Na＋等距离且最近的几个Cl－所围成的空间结构为( )
A．正八面体B．十二面体
C．正六面体D．正四面体
A [取晶胞体心的钠离子为参考，由题图可知与该钠离子等距离且最近的氯离子分别位于立方体晶胞的6个面心，所以钠离子的配位数是6，将6个氯离子连接后所围成的空间结构是正八面体，A正确。]
5．如图所示，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na＋或Cl－所处的位置。这两种离子在空间三个互相垂直的方向上都是等距离排列的。
(1)请将其中代表Na＋的圆圈涂黑(不必考虑离子体积大小)，以完成NaCl晶体的晶胞结构示意图。
(2)晶体中，在每个Na＋的周围与它最近且距离相等的Na＋共有__________个。
(3)在NaCl晶胞的顶角上、面上、棱上的Na＋或Cl－为该晶胞和与其相邻的晶胞所共有，一个晶胞中Cl－的个数等于__________，即____________________________________________(填计算式)；Na＋的个数等于___________________________________________________________________，即__________________________________________________(填计算式)。
(4)设NaCl的摩尔质量为M g·ml－1，食盐晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA。则食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为____________________________________________________________cm。
[解析] (2)从NaCl晶胞结构可以看出，与顶角Na＋最近且距离相等的Na＋在面心，每个晶胞中有3个面心Na＋与顶角Na＋最近且等距，而每个顶角Na＋为8个晶胞共有，每个面心Na＋为2个晶胞共有，则与顶角Na＋最近且等距的面心Na＋共有8×3×eq \f(1,2)＝12个。
(3)根据离子晶体的晶胞，求阴、阳离子个数比的方法是均摊法。如(1)中所得NaCl晶胞中，含Na＋个数为8×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝4，含Cl－个数为12×eq \f(1,4)＋1＝4。
(4)设Cl－与Na＋的最近距离为a cm，则两个最近的Na＋间的距离为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))，所以两个Na＋间的最近距离为eq \r(2)·eq \r(3,\f(M,2ρNA)) cm。
[答案] (1)如图所示(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，只要与第(1)问对应即可]
(4)eq \r(2)·eq \r(3,\f(M,2ρNA))
学 习 任 务
1．借助离子晶体模型认识离子晶体的结构和性质。
2．能利用离子键的有关理论解释离子晶体的物理性质。
3．知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。
晶体类型
NaCl
CsCl
晶胞
阳离子的配位数
6
8
阴离子的配位数
6
8
晶胞中所含离子个数
Cl－(4个)
Na＋(4个)
Cs＋(1个)
Cl－(1个)
氧化物
Na2O
MgO
Al2O3
SiO2
离子键的百分数/%
62
50
41
33
离子晶体的结构与性质
性质
原因
熔、
沸点
离子晶体中有较强的离子键，熔化或汽化时需消耗较多的能量。所以离子晶体有较高的熔点、沸点和难挥发性。通常情况下，同种类型的离子晶体，离子半径越小，离子键越强，熔、沸点越高
硬度
硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎
导电性
不导电，但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中，离子键较强，阴、阳离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、阳离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外加电场的作用下，离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时，阴、阳离子受到水分子的作用成了自由移动的离子(或水合离子)，在外加电场的作用下，阴、阳离子定向移动而导电
溶解性
大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)中，难溶于非极性溶剂(如汽油、苯、CCl4)中。当把离子晶体放入水中时，水分子对离子晶体中的离子产生吸引，使离子晶体中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体，变成在水中自由移动的离子
延展性
离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性离子相邻而使斥力增大导致不稳定，所以离子晶体无延展性