3-1、晶体的常识

一、晶体和非晶体

1、概述——自然界中绝大多数物质是固体，固体分为 和 两大类。

2、对比——

* 自范性——晶体能自发地呈现多面体外形的性质。本质上，晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。

* 晶体不因颗粒大小而改变，许多固体粉末用肉眼看不到规则的晶体外形，但在显微镜下仍可看到。

* 晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当，熔融态物质凝固速率过快常得到粉末或没有规则外形的块状物。

* 各向异性——晶体的许多物理性质如强度、热导性和光导性等存在各向异性即在各个方向上的性质是不同的

二、晶胞

1、定义——描述晶体结构的基本单元。

2、特征——

（1）习惯采用的晶胞都是 体，同种晶体所有的晶胞大小形状及内部的原子种类、个数和几何排列完全相同。

（2）整个晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。

<1> 所谓“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙；

<2> 所谓“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。

3、确定晶胞所含粒子数和晶体的化学式——均摊法分析晶胞与粒子数值的关系

（1）处于内部的粒子， 属于晶胞，有几个算几个均属于某一晶胞。

（2）处于面上的粒子，同时为 个晶胞共有，每个粒子有 属于晶胞。

（3）处于90度棱上的粒子，同时为 个晶胞共有，每个粒子有 属于晶胞。

（4）处于90度顶点的粒子，同时为 个晶胞共有，每个粒子有 属于晶胞；处于60度垂面顶点的粒子，同时为 个晶胞共有，每个粒子有 属于晶胞；处于120度垂面顶点的粒子，同时为 个晶胞共有，每个粒子有 属于晶胞。

4、例举

三、分类

晶体根据组成粒子和粒子之间的作用分为分子晶体、原子晶体、金属晶体和离子晶体四种类型。

3-2、分子晶体和原子晶体

一、分子晶体

1、定义——只含分子的晶体。

2、组成粒子—— 。

3、存在作用——组成粒子间的作用为 （），多原子分子内部原子间的作用为 。

* 分子晶体中 定含有分子间作用力， 定含有共价键。

* 分子间作用力 于化学键。

4、物理性质

（1）熔沸点与硬度——融化和变形只需要克服 ，所以熔沸点 、硬度 ，部分分子晶体还可以升华。 熔融一定破坏分子间的 和可能存在的 键，绝不会破坏分子内部的 。

同为分子晶体的不同物质，一般来说尤其对于结构组成相似的分子，相对分子质量越大，熔沸点越 ；相对分子质量相差不大的分子，极性越大熔沸点越 ；含氢键的熔沸点会特殊的 些。

例如：

（2）溶解性——遵循同性互溶原理（或说相似相溶原理）：即极性分子易溶于 性溶剂（多为 ），如卤化氢（HX）、低级醇和低级羧酸易溶于极性溶剂水；非极性分子易溶于非极性（有机）溶剂，如硫、磷和卤素单质（X2）不易溶于极性溶剂水而易溶于非极性溶剂CS2、苯等。同含氢键的溶解性会更 ，如乙醇、氨气与水。

5、类别范畴

（1）除C、Si、B外的非金属单质，如卤素、氧气和臭氧、硫（S8）、白磷（P4）、足球烯（C60）、稀有气体等。

（2）除铵盐、SiO2、SiC、Si3N4、BN等外的非金属互化物，包括非金属氢化物和氧化物，如氨（NH3）、冰（H2O）、干冰（CO2）、三氧化硫（SO3）等。

（3）所有的酸分子（纯酸而非溶液）。

（4）大多有机物。

（5）除汞外常温下为液态和气态的物质。

（6）能升华的物质。如干冰、碘、等。

6、结构例析

如果分子间作用力只有范德华力，其分子占晶胞六面体的 个顶角和 个面心，若以一个分子为中心，其周围通常有 个紧邻分子，这一特征称为分子密堆积，如O2、C60、CO2、I2等。

（1）干冰

固态的 ， 色透明晶体，外形像冰，分子间作用力只有 ，熔点较 ，常压能升华，常作制冷剂或人工降雨。

二氧化碳分子占据立方体晶胞的 个面心和 个顶角，与每个二氧化碳分子距离最近且相等的二氧化碳分子有 个，若正方体棱长为a，则这两个相邻的CO2的距离为 。

（2）冰

固态的 ， 色透明晶体，水分子间作用力除 外，还有 ，氢键虽远小于共价键，但明显大于范德华力，所以冰的硬度较 ，熔点相对较 。

每个水分子与周围距离最近且相等的水分子有 个，这几个水分子形成一个 的空间构型，晶体中水分子与氢键的个数之比为 。这一排列使冰中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙，所以冰的密度 于液体水（4C的水密度最大，通常认为是1）。

（3）天然气水合物

——可燃冰·海底储存的潜在能源，甲烷分子处于水分子形成笼子里，形式多样。

二、原子晶体

1、定义——相邻 间以 键结合而成空间网状的晶体。整块晶体是一个三维的共价键网状结构的“大分子”，又称共价晶体。

2、组成粒子—— 。

3、存在作用—— 。

4、物理性质

（1）熔沸点与硬度—— 熔点、 硬度，是原子晶体的特征。具体综合考虑构型和键能。

同为原子晶体的物质，空间构型相似时，共价键键长越短，键能就越 ，熔沸点就越 。

（2）溶解性—— 溶于极性溶剂， 溶于非极性（有机）溶剂。

5、类别范畴

（1）Si、B、Ge和C（金刚石）等非金属单质。

（2）SiO2、SiC、Si3N4、BN等。

6、结构例析

（1）金刚石

色晶体，天然硬度最 ， 于导电和导热， 溶于水和有机溶解。能燃烧生成 。

属于 晶体，这种晶体的特点是 ；金刚石中与某个C原子紧邻即距离最近且相等C原子有 （ 杂化），它们形成 原子的 构型，键角 ；由共价键构成最小环上有个 C原子（平均每个最小环上有1/2个碳原子和1个碳碳单键），晶体中C原子个数与C-C键数之比为 。

金刚石晶胞可以看为8个小立方体形成的大立方体，碳原子占大立方体的 个顶角、 个面心（或说占大立方体的 个一个中心、 个棱心）以及其中间隔的 个小立方体的中心（或说碳原子占每个小立方体间隔的 个顶角和中心），平均每个晶胞含有 个碳原子。

晶体硅（单晶硅）、碳化硅（金刚砂）结构和性质均与之相似。

（2） 二氧化硅

色晶体，硬度 、熔点 ， 于导电和导热， 溶于水和有机溶剂。只与 酸和强碱反应。用于制造水泥、玻璃、人造宝石、单晶硅、硅光电池、芯片和光导纤维等。

相当于在晶体硅的每个硅硅键之间个插入了一个氧原子，每个Si与 个O原子形成 个共价键，这几个氧原子形成的空间构型为 ，每个O与 个Si原子形成共价键。在二氧化硅晶体中Si与O原子个数比为 ，平均每mol SiO2晶体中含有Si-O键最接近______mol。

* 石墨—— 色非金属单质， 溶于水，质地软 ，熔点 ，可做铅笔芯和固体润滑剂，电和热的 体，能做高温下的电极。

属于 晶体，是 状结构：层内碳原子间以 相结合，C原子呈 杂化，即每一个碳原子与紧邻的 个碳原子形成 个共价键（碳原子数与碳碳单键数之比为 ），这几个碳原子形成的空间构型为 ；层间存在的作用力为 。石墨中最小的碳环为 元环，每个C原子被 个六边形共用，平均每个环占有 个碳原子，即碳原子数与碳环数之比为 。

3-3、金属晶体

一、金属键

1、定义——

2、特征——描述金属键最简单的理论是“电子气理论”

3、强弱——F=K·Q1Q2/r2

金属晶体导电性、导热性、延展性等共性以及熔沸点和硬度差异性解释。

二、金属晶体的原子堆积模型

1、二维空间放置

（1）非密置层——纵横成行，配位数为 ；

（2）密置层——成行交错，配位数为 。

2、三维堆积

I、非密置层在三维空间的两种堆积方式：

（1）简单立方堆积——三维成行堆积，晶胞为 个原子形成的立方体，平均每个晶胞含有 个原子。配位数为 ，它们形成一个 空间构型，空间利用率太低，为52%，只有金属钋（Po）采取这种堆积方式。

（2）体心立方堆积——晶胞为 个原子形成的立方体（八顶角一中心），平均每个晶胞含有 个原子。配位数为 ，它们形成一个 空间构型，空间利用率稍高，为68%，许多金属如IA族 金属Na、K、Fe等采取这种堆积方式。

II、密置层在三维空间按体心立方堆积的两种堆积方式

（3）六方最密堆积——按ABABABAB······的方式堆积，Mg、Zn、Ti等；

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（4）面心立方堆积——按ABCABCABC······的方式堆积，Cu、Ag、Au等。

~~均为金属晶体的最密堆积，配位数均为 ，空间利用率均为74%。

3-4、离子晶体

一、离子晶体

1、定义——由 和 通过 键结合而成的晶体。

2、构成粒子—— 。

3、存在作用——构成粒子间一定存在 ，构成粒子内可能存在 。

4、物理性质

（1）熔沸点较 ，硬而脆；综合考虑离子晶格和键能，融化一定破坏 键，不会破坏其中可能的存在的 键。

F=K·Q1Q2/r2，即空间构型相似的离子晶体，离子电荷越 、成键离子半径和越 ，熔沸点越高。

（2）大多 溶于水，一定破坏 键，可能破坏可能存在的部分或全部的 键。

（3）固体 导电，液态 导电，水溶液 导电。一定为离子化合物，一定为电解质。

5、类别范畴——离子化合物

（1）IA、IIA族等的活泼金属和VIA、VIIA族等的活泼非金属形成的化合物；

（2）强碱和大多数盐；

（3）熔融能导电的化合物。

6、结构例析

离子晶体中的配位数（缩写为.）是指一个离子周围最邻近的异性离子的数目。NaCl和CsCl的阴阳离子之比均为1：1，同属AB型离子晶体，但配位数不同。

晶体中正负离子的半径比是决定离子晶体的重要因素，简称几何因素；

正负离子的电荷比也是决定离子晶体结构的重要因素，简称电荷因素；

离子的纯粹程度是决定离子晶体结构的又一因素，简称键性因素。

（1）氯化钠

阴、阳离子的配位数为 ，即每个Na+紧邻 个Cl—，这些Cl—构成的几何图形是 ；每个Na+与 个Na+等距离相邻。晶胞为八个小立方体并集形成的一个大的立方体，若钠离子占其 个顶角和 个面心的话，氯离子则占其 个中心和 个棱心，分别平均每个氯化钠晶胞含有 个Na+和 个Cl—。

若晶胞棱长为a，则相邻同性离子的核间距离为 ，相邻异性离子的核间距离为 。

（2）氯化钾

每个Cl—(或Cs+)周围与之最接近且距离相等的Cs+(或Cl—)共有 个，这几个Cs+(或Cl—)在空间构成的几何构型为 ；在每个Cs+周围距离相等且最近的Cs+共有 个，这几个Cs+(或Cl—)在空间构成的几何构型为 ；氯化铯晶胞为一个体心立方体即若铯离子占其 个中心的话，氯离子则占其 个顶角，平均一个氯化铯晶胞含有 个Cs+和 个Cl— 。

若晶胞棱长为a，则相邻同性离子的核间距离为 ，相邻异性离子的核间距离为 。

（3）氟化钙

钙离子的配位数为 ，形成的空间构型为 ，氟离子的配位数为 ，形成的空间构型为 ，即钙离子与氟离子的个数比为 ；其晶胞立方体中：钙离子占其 个顶角和 个面心，氟离子占其八分小立方体的 个中心（或说正套小立方体的 个顶角）；平均一个氟化钙晶胞含有 个钙离子和 个氟离子。

若晶胞棱长为a，则钙离子与钙离子的最近距离为 ，氟离子与氟离子的最近距离为 ，钙离子与氟离子的最近距离为 。

二、晶格能

1、定义—— 态离子形成 摩尔离子晶体所 的能量。

2、意义—— 是最能反映离子晶体稳定性的数据。

* 晶体类型列表分析

* 物质熔沸点高低的比较

（1）一般说来，原子晶体 > 离子晶体 > 金属晶体 > 分子晶体

（2）如果同为原子晶体——比较共价键强弱：

共价键成键原子半径之和越小，键长越 ，键能越　　，熔沸点就越　　。

共用电子对越 ，电子云重叠越多···

（3）如果同为离子晶体——比较离子键强弱：

离子电荷数越 、成键离子核间距离即阴阳离子半径之和越 ，熔沸点就越　　。

（4）如果同为金属晶体——比较金属键强弱：

金属阳离子电荷数越 、离子半径越 ，熔沸点就越　　。

（5）如果同为分子晶体——比较分子间作用力大小：

① 组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越 ，分子间力就越 ，熔沸点越 ；

② 式量相近时，分子极性越 ，熔沸点越 ；

③ 分子中存在氢键的比不存在氢键的熔沸点(　　)

（6）相同条件下的物质——固体 > 液体 > 气体

巩固思考：

1、氮化硅C3N4晶体很可能具有比金刚石更大的硬度，原子间均以单键结合，是一种新型耐高温耐磨材料，在工业上有广泛用途，，下列关于C3N4晶体的说法正确的是 ( )

A. 是分子晶体 B. 粒子间通过离子键结合 C. 该晶体易溶解于水

D. 每个C原子与4个N原子连接，每个N原子与3个C原子连接

2、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

3、关于晶体的下列说法正确的是 ( )

A. 在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子 B. 在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子

C. 原子晶体的熔点一定比金属晶体的高 D. 分子晶体的熔点一定比金属晶体的低

4、下列各物质中，按熔点由高到低的顺序排列的是（　）

A．H2O> H2Te > H2Se > H2S B．KCl>NaCl>LiCl>HCl

C．Rb＞K＞Na＞Li D．石墨＞金刚石＞SiO2＞钠

晶体结构与性质知识总结