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晶体结构与性质疑难剖析

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 晶体结构与性质
1.晶体与非晶体有什么区别? 晶体是指具有规则几何外形的固体。其结构特征是其内的原子或分子在主维空间的排布具有特定的周期性,即隔一定距离重复出现,重复的单位可以是单个原子或分子,也可以是多个分子或原子团,重复的单位必须具备3个条件,化学组成相同,空间结构(包

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1.晶体与非晶体有什么区别?

晶体是指具有规则几何外形的固体。其结构特征是其内的原子或分子在主维空间的排布具有特定的周期性,即隔一定距离重复出现,重复的单位可以是单个原子或分子,也可以是多个分子或原子团,重复的单位必须具备3个条件,化学组成相同,空间结构(包括化学键)相同,化学环境和空间环境相同。晶体具有自范性(晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质)、各向异性(同一晶体构造中,在不同方向上质点的排列一般是不一样的,因此,晶体的性质也随方向的不同而有所差异)、对称性(晶体的外形和内部结构都具有特定的对称性。在外形上,常有相同的对称性。这种相同的性质在不同的方向或位置上做有规律的重复,这就是对称性)、均一性(晶体的化学组成、密度等性质在晶体中各部分都是相同的)、有固定的熔点、能使X射线产生衍射等特点。

固体

外观

微观结构

自范性

各向异性

熔点

晶体

具有规则的几何外形

原子在三维空间呈周期性有序排列

各向异性

固定

非晶体

不具有规则的几何外形

原子排列相对无序

没有

各向同性

不固定

本质区别

微观原子在三维空间是否呈现周期性有序排列

2.如何计算晶胞中的原子个数?晶体结构与性质疑难剖析晶体中A、B、C三种微粒的个数比是多少?

(1)通常可以用形状切割法来计算一个晶胞中实际拥有的微粒数,即将晶胞所在的平行六面体以顶点原子的中心为顶点,切割出平行六面体,计算切割到平行六面体中的原子个数。若晶胞三条边互相垂直,则顶点、棱、面心、体心原子分别有晶体结构与性质疑难剖析晶体结构与性质疑难剖析晶体结构与性质疑难剖析、1属于晶胞;若晶胞三条边不互相垂直,则依据切割到晶胞中的部分计算,如二面角为60°的棱上原子有晶体结构与性质疑难剖析属于晶胞,二面角为120°的棱上原子有晶体结构与性质疑难剖析属于晶胞。

(2)晶体中A在立方体的顶角,A占有:8×晶体结构与性质疑难剖析=1个,B位于面心,B占有:6×晶体结构与性质疑难剖析=3个,C位于立方体的体心,C占有1个,由此推出A∶B∶C(个数比)=1∶3∶1。

3.如何确定晶体的化学式?铜的一种氯化物晶体的晶胞结构如图晶体结构与性质疑难剖析,该氯化物的化学式是什么?

(1)晶体化学式的确定流程为:观察确认微粒种类→确定各微粒在晶体中的位置→用均摊法求各微粒数目→求各微粒数目的最简比→确定化学式。

(2)晶胞中灰球代表的微粒4个,白球代表的微粒6×晶体结构与性质疑难剖析+8×晶体结构与性质疑难剖析=4个,所以化学式为CuCl。

4.如何计算有关立方晶胞的密度?钙钛矿的晶体结构如图晶体结构与性质疑难剖析,若钙、钛、氧三元素的相对原子质量分别为a、b、c,晶体结构图中正方体边长(钛原子之间的距离)为dnm(1 nm=10-9m),则该晶体的密度为多少?

(1)明确立方晶胞的棱长a与面对角线、体对角线的关系:面对角线=晶体结构与性质疑难剖析a、体对角线=晶体结构与性质疑难剖析a,掌握立方晶胞的密度ρ与晶胞内微粒数x之间的关系:晶体结构与性质疑难剖析

(2)该晶胞中含氧离子个数为12×晶体结构与性质疑难剖析=3,钙离子个数为1,钛离子个数为8×晶体结构与性质疑难剖析=1,故其个数比为3∶1∶1,则它的化学式可表示为CaTiO3。1 mol 晶体的质量等于(a+b+3c)g,1 mol 晶体的体积为d3×10-21×6.02×1023cm3,则其密度为ρ=晶体结构与性质疑难剖析

5.如何判断分子晶体?

分子晶体是分子在分子间作用力的作用下形成的晶体,熔化时,只破坏分子间作用力不破坏化学键。从构成判断:构成微粒为分子(单原子分子、双原子分子、多原子分子);从微粒间作用力判断:微粒间作用力为氢键或范德华力;从类别判断:共价化合物大多形成分子晶体,离子化合物不形成分子晶体;从性质判断:具有较低的熔、沸点,硬度,且液态时不导电。

6.冰晶体的结构如图晶体结构与性质疑难剖析,每个水分子周围有多少个水分子相连?干冰晶体中,每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有多少个CO2分子?

冰晶体中的每个水分子通过氢键与周围4个水分子相连,平均每个水分子形成2个氢键。干冰晶体中,8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子,每个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有12个。

7.如何比较分子晶体的熔、沸点大小?

少数以氢键作用形成的分子晶体,比一般的分子晶体的熔点高,如含有H—F、H—O、H—N等共价键的分子间可以形成氢键,所以HF、H2O、NH3、醇、羧酸、糖等物质的熔点较高;结构相似,分子之间不含氢键而利用范德华力形成的分子晶体,随着相对分子质量的增大,物质的熔点逐渐升高。例如,常温下Cl2为气态,Br2为液态,而I2为固态;CO2为气态,CS2为液态;相对分子质量相等或相近的极性分子构成的分子晶体,其熔点一般比非极性分子构成的分子晶体的熔点高,如CO的熔点比N2的熔点高;组成和结构相似且不存在氢键的同分异构体所形成的分子晶体,相对分子质量相同,一般支链越多,分子间相互作用越弱,熔、沸点越低,如熔、沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。

8.如何判断原子晶体?

原子晶体是原子间以共价键相互结合形成的具有空间网状结构的晶体。原子晶体种类较少,记住常见的原子晶体即可,常见原子晶体:金刚石、晶体硅、碳化硅、晶体二氧化硅、氮化硅、单质硼等,其他原子晶体很少,可依据结构、性质判断。

9.含有共价键的晶体都是原子晶体吗?原子晶体的化学式是否可以代表其分子式?

(1)原子晶体中都有共价键,但含有共价键的不一定是原子晶体。如CO2、H2O等分子晶体中也含有共价键。

(2)原子晶体是一个三维的网状结构,无小分子存在。金刚石晶体中,每个C与另外4个C形成共价键,C—C键之间的夹角是109°28′,最小的环是六元环。含有1 mol C的金刚石中,形成的共价键有2 mol;SiO2晶体中,每个Si原子与4个O成键,每个O原子与2个硅原子成键,最小的环是十二元环,在“硅氧”四面体中,处于中心的是Si原子,1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。

10.原子晶体与分子晶体有什么不同?

原子晶体与分子晶体构成微粒不同,原子晶体中只存在原子,没有小分子;相互作用不同,原子晶体中存在的是共价键。

晶体类型

原子晶体

分子晶体

含义

相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体

只含分子的晶体

构成粒子

原子

分子

粒子间作用力

共价键

分子间作用力

熔点

很高

较低

硬度

很大

较小

溶解性

一般不溶于各种溶剂

部分溶于水

导电性

不导电,个别为半导体

不导电,部分水溶液导电

熔化时破坏的作用力

破坏共价键

破坏分子间作用力

举例

金刚石、二氧化硅等

冰、干冰等

11.如何比较原子晶体的熔、沸点大小?

原子晶体熔、沸点和硬度较高,分子晶体熔、沸点一般较低,原子晶体熔、沸点一般高于分子晶体,硬度大于分子晶体。对于结构相似的原子晶体,熔、沸点高低取决于共价键的键长和键能,键长越短,键能越大,共价键越稳定,物质的熔、沸点越高。如熔、沸点:金刚石>碳化硅>晶体硅。

12.如何判断原子晶体和分子晶体?

(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用力判断:构成原子晶体的粒子是原子,粒子间的作用力是共价键;构成分子晶体的粒子是分子,粒子间的作用力是分子间作用力。

(2)依据晶体的熔点判断:原子晶体的熔点高,常在1 000℃以上;而分子晶体的熔点低,常在数百度以下甚至温度更低。

(3)依据晶体的导电性判断:分子晶体为非导体,但部分分子晶体溶于水后能导电,如HCl。原子晶体多数为非导体,但晶体Si、晶体Ge为半导体。

(4)依据晶体的硬度和机械性能判断:原子晶体硬度大;分子晶体硬度小且较脆。

13.金属键的强弱和对金属性质有什么影响?

金属离子与自由电子之间的较强作用就叫做金属键,金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动,使得金属呈现出特有的属性在金属单质的晶体中,原子之间以金属键相互结合,金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键,这种键既没有方向性也没有饱和性。金属键的强弱主要取决于金属元素的原子半径和价电子数,原子半径越大,价电子数越少,金属键越弱;反之金属键越强。金属键越强,金属的熔、沸点越高,硬度越大。

14.如何用金属键解释金属晶体的性质?

金属不透明,具有金属光泽。固态金属中有“自由电子”,当可见光照射到金属表面上时,“自由电子”能够吸收所有频率的光并很快放出,使得金属不透明并具有金属光泽;金属有导电性。当把金属导线分别接到电源的正、负极时,有了电势差,“自由电子”就能沿着导线由负极向正极流动而形成电流,使金属表现出导电性;金属有导热性。当金属中有温度差时,不停运动着的“自由电子”通过它们与金属阳离子间的碰撞,把能量由高温处传向低温处,使金属表现出导热性;金属有延展性。大多数金属具有较好的延展性,这与金属离子和自由电子之间的较强作用有关。当金属受到外力时,晶体中的各离子层就会发生相对滑动,由于金属离子与自由电子之间的相互作用没有方向性,受到外力后相互作用没有被破坏,金属虽然发生了形变,但不会导致金属键断裂;金属导电的带电微粒是电子,离子晶体熔融或溶于水后导电的微粒是阳离子和阴离子;金属导电过程不生成新物质,属物理变化,而电解质溶液导电的同时要在阴、阳两极生成新物质,属于化学变化,故二者导电的本质是不同的。

15.纯铝硬度不大,形成硬铝合金后,硬度很大,金属形成合金后为什么有些物理性质会发生很大变化?

金属晶体中掺入不同的金属或非金属原子时,影响了金属的延展性和硬度。

16.为什么金属晶体绝大多数采用密堆积方式?

组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时,在空间的排列大都服从紧密堆积原理。这是因为在金属晶体中,金属键没有方向性和饱和性,因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围,并以密堆积方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。

17.金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间里),可有多少排列方式?哪一种空间利用率高?

金属原子在二维空间里有两种排列方式,一种是密置层排列(晶体结构与性质疑难剖析),一种是非密置层排列(晶体结构与性质疑难剖析)。密置层排列的空间利用率高,原子的配位数为6,非密置层的配位数较密置层小,为4。

18.金属晶体在三维空间里有几种基本堆积方式?

密置层一层一层地在三维空间堆积,会得到两种金属的最密堆积堆积方式,六方最密堆积(晶体结构与性质疑难剖析原子数为2,配位数为12,空间利用率74%)和面心立方最密堆积(晶体结构与性质疑难剖析原子数为4,配位数为6,空间利用率74%);将非密置层一层一层地在三维空间里堆积有两种方式,简单立方(晶体结构与性质疑难剖析原子数为1,配位数为6,空间利用率52%)与体心立方(晶体结构与性质疑难剖析原子数为2,配位数为8,空间利用率68%)是两种最简单的堆积模型。简单立方、体心立方、六方、面心立方晶胞是原子堆积的基本模型,其他晶体(如离子晶体、分子晶体等)中的原子或离子也常采取这些堆积模型。

19.体心立方中哪些原子相互接触?体心立方中为什么顶角原子不相互接触?面心立方晶胞中哪些原子紧密接触?

体心原子与顶角原子相互接触;顶角原子间距(晶体结构与性质疑难剖析)大于两原子半径之和(2r);面心原子与顶角原子。

20.金属钠晶体为体心立方晶体(晶体结构与性质疑难剖析),实验测得钠的密度为ρ(g·cm-3),已知钠的相对原子质量为A,阿伏加德罗常数为NA(mol-1),假定金属钠原子为等径的刚性球且处于立方体对角线上的三个球相切,则钠原子的半径r(cm)为多少?

因为金属钠晶体为钾型,所以晶胞中含有的钠原子数为1+8×晶体结构与性质疑难剖析=2,设晶胞边长为x,根据ρ=晶体结构与性质疑难剖析得,ρ=晶体结构与性质疑难剖析,所以x=晶体结构与性质疑难剖析,所以晶胞的体对角线长度为晶体结构与性质疑难剖析,则钠的原子半径R=晶体结构与性质疑难剖析×晶体结构与性质疑难剖析

21.铝单质晶体中原子之间相互位置关系的平面图如图(晶体结构与性质疑难剖析),若已知铝的原子半径为d,NA表示阿伏加德罗常数,铝的相对原子质量为M,该晶体的密度为多少?

由图甲可知每个晶胞中含有的铝原子数为8×晶体结构与性质疑难剖析+6×晶体结构与性质疑难剖析=4。由图丙可知晶胞的棱长为晶体结构与性质疑难剖析=2晶体结构与性质疑难剖析d,若该晶胞的密度为ρ,则ρ×(2晶体结构与性质疑难剖析d)3=晶体结构与性质疑难剖析×M,ρ=晶体结构与性质疑难剖析

22.石墨晶体(晶体结构与性质疑难剖析)不属于原子晶体,但石墨的熔点为什么高于金刚石?石墨晶体为什么具有导电性?

石墨晶体每一层由无数个正六边形构成,则平均每个正六边形所占有的碳原子数为2个,石墨晶体为层状结构,同层内碳原子以共价键结合成平面网状结构,C—C键的键长比金刚石中C—C键的键长短,键能大,所以石墨的熔、沸点高。石墨晶体中每个C原子未参与杂化的轨道中含有1个未成对电子,能形成遍及整个平面的大π键,由于电子可以在整个碳原子平面上运动,因此沿石墨平面的方向导电性强。

23.离子晶体中一定含有金属元素吗?由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体吗?离子晶体中除含有离子键外,是否含有共价键?

不一定。离子晶体中不一定含金属元素,如NH4Cl、NH4NO3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。离子晶体中除含有离子键外,还有可能含有共价键、配位键。如Na2O2、NaOH、Ba(OH)2、Na2SO4中均含离子键和共价键,NH4Cl中含有离子键、共价键、配位健。

24.在NaCl和CsCl两种晶体中,阴、阳离子的个数比都是1∶1,都属于AB型离子晶体,为什么二者的配位数不同? CaF2晶体中,正、负离子的配位数相同吗?

在NaCl晶体中,正、负离子的半径比晶体结构与性质疑难剖析=0.525,在CsCl晶体中,晶体结构与性质疑难剖析=0.934,由于晶体结构与性质疑难剖析值的不同,结果使晶体中离子的配位数不同,其晶体结构不同。NaCl晶体中阴、阳离子的配位数都是6,CsCl晶体中阴、阳离子的配位数都是8,晶体结构与性质疑难剖析数值越大,离子的配位数越高。CaF2晶体中,Ca2+的配位数为8,F的配位数为4,离子所带电荷越多,配位数越多。

25.晶格能与离子晶体的性质有什么关系?

因为晶格能的大小标志着离子晶体裂解成气态阴、阳离子的难易程度,反映着离子晶体中离子键的强弱,故它与离子晶体的性质有着密切联系。离子晶体结构类型相同时,离子所带电荷越多,离子半径越小,晶格能越大,晶体熔、沸点越高,硬度越大;晶格能的大小影响岩浆晶析出的次序,晶格能越大,形成的晶体越稳定,岩浆中的矿物越容易结晶析出。

26.如何判断晶体的类型?

(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断:离子晶体的构成微粒是阴、阳离子,微粒间的作用是离子键;原子晶体的构成微粒是原子,微粒间的作用是共价键;分子晶体的构成微粒是分子,微粒间的作用为范德华力或氢键‘金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子,微粒间的作用是金属键;

(2)依据物质的类别判断:金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH等)和绝大多数盐类是离子晶体;大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体;常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等,常见的化合类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等;金属单质、合金是金属晶体;

(3)依据晶体的熔点判断:离子晶体的熔点较高;原子晶体熔点高;分子晶体熔点低;金属晶体多数熔点高,但也有相当低的;

(4)依据导电性判断:离子晶体溶于水及熔融状态时能导电;原子晶体一般为非导体;分子晶体为非导体,而分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)溶于水,使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子,也能导电;金属晶体是电的良导体;

(5)依据硬度和机械性能判断:离子晶体硬度较大或硬而脆;原子晶体硬度大;分子晶体硬度小且较脆;金属晶体多数硬度大,但也有较低的,且具有延展性。

27.如何判断物质的熔沸点高低?

(1)不同类晶体:一般情况下,原子晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点差别很大,如钨、铂等熔、沸点很高,如汞、镓、铯等熔、沸点很低,金属晶体一般不参与比较。

(2)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。

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。

(责任编辑:化学自习室)
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