复习题优秀获奖教案

第三章

晶体结构与性质

章前

自然界中绝大多数物质是固体。

固体分晶体和非晶体（玻璃体）两大类(还有液晶、类晶、拟晶等介乎于两者之间的状态)。

晶体的微观基本单元称为晶胞。

晶体可以简单的分为分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体四大类型。还存在混合晶体和过渡晶体。

晶体的结构决定了物质的熔点、密度、硬度、延展性、溶解性、热分解性、化学反应性、生物活性。

晶体中粒子的配位数、晶格能。

第一节

晶体的常识

第一课时

4.15 下午第一节

晶体：绝大多数常见固体是晶体，如高锰酸钾、干冰、精钢石、金属铜等

非晶体：橡胶、石蜡、玻璃、泡沫塑料等。

Q1、晶体与非晶体有什么本质的差异？

1、自范性

能够自发地呈现出多面体外形，即晶体具有自范性。

在晶体的微观空间中，原子呈现周期性排列。对于理想的完美晶体，这种周期性是单调的，不变的。在图中两个箭头的方向上，相隔一定的距离，总有完全相同的原子排列出现。若向其它方向画一箭头，结构也一样。这是晶体的普遍特征，叫作平移对称性。

宏观晶体的规则的几何外形正是晶体的平移对称性这种微观特征的表象。晶体的宏观特征是它的微观特征的体现。

相反，非晶体不具有晶体微观结构的平移对称性。通过对比晶态和非晶态，我们可以发现，晶体的微观空间里的原子排列，无论近程还是远程，都是周期性有序结构，而非晶体只在近距有序而远程无序，无周期性规律。

一种晶体经常出现的外形称之为它的习性。晶体习性主要取决于晶体本性，但有时也与生长条件有关。同一种晶体在不同情况下有可能呈现不同的外形。例如，若氯化钠从含0.1尿素的氯化钠饱和溶液中结晶，晶体的外形不是立方体而是八面体。这并不意味着晶体的微观结构变了，只是由于晶体生长环境的改变使得晶体的不同晶面的生长速度改变。“方形西瓜”

有哪些途径可以得到晶体呢？

得到晶体一般有三种途径：熔融态物质凝固；气态物质凝华；溶质从溶液中析出。

要想得到理想的多面体外形晶体要注意什么？

晶体生长速率适当。熔融态的物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速度过快，常常只得到看不到多面体集合外形的粉末或没有规则外形的块状物。最有趣的例子是天然的水晶球。水晶球是岩浆里熔融态的二氧化硅侵入地壳内的空洞冷却形成的。剖开水晶球，常见他的外层是看不到晶体外形的玛瑙，内层才是呈现晶体外形的水晶。不同的是，玛瑙是熔融态的二氧化硅快速形成的，而水晶是热液缓慢形成的。

2、对称性

晶体学家们利用晶面夹角不变的原理，通过几何作图术，得到许多晶体的几何外形。发现晶体理想外形具有对称性，晶体的对称性较为复杂，不在高中化学讨论范畴。有兴趣。。。

3、各向异性

除了自范性和对称性，晶体的宏观特性还有均一性和各向异性等。

晶体的质地均匀。具有固定的熔点。

晶体的导热、导电、光的折射、偏振、硬度等等物理性质常因晶体的取向不同而异，叫作各向异性。晶体导热的各向异性是实验验证方法之一：在水晶的柱面上涂一层蜡，用红热的针接触蜡面中央，蜡融化部分呈椭圆形而不是圆形。这是由于水晶柱面长轴方向和短轴方向传热速度不同。从不同的方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性质不同。

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Q2、如何区分晶体和非晶体？

单一晶体多面体叫单晶。半导体行业的单晶硅。

有时两个体积大致相当的单晶按照一定规则生长在一起叫作双晶。

许多单晶以不同取向连在一起叫作晶簇。

有的晶态物质（如雕塑用汉白玉），看不到规则外形，是多晶，是许多肉眼看不到的微小晶体的集合体。有的多晶压成粉末，放在光学显微镜或电子显微镜下观察，仍可看到整齐规则的晶体外形。

鉴别方法：

（1）利用熔点鉴别：晶体有固定熔点，非晶体无固定熔点。

例如，石蜡和玻璃都是非晶体，如果将二者加热，当温度升高一定程度后，二者开始软化，流动性增强，最后变为液体。整个过程中温度不断上升，因此他们没有固定的熔点。

（2）X射线衍射实验——最可靠的科学方法

当单一波长的X射线通过晶体的时候，记录仪会出现分立的斑点或者谱线，而在同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或明锐的谱线。

用锤子轻轻敲击具有整齐外形的晶体（例如方解石），会发现晶体劈裂出现的新晶面与某一原晶面是平行的，这种现象叫做晶体的解理性。古人由晶体解理性猜测，晶体是由无数肉眼看不见的，形状、大小、取向相同的微小几何体堆积而成的，后来，这种观念发展成晶胞的概念整块晶体是由完全等同的晶胞无隙并置地堆积而成的。“完全等同”可从“化学上等同”和“几何上等同”两个方面来理解。“化学上等同”指晶胞里原子的数目和种类完全等同；“几何上等同”既指所有晶胞的形状、取向、大小等同，而且指晶胞里原子的排列（包括空间取向完全等同。“无隙并置”即一个晶胞与它的比邻晶胞是完全共顶角、共面、共棱的，取向一致，无间隙，从一个晶胞到另一个晶胞只需平移，不需转动，进行或不进行平移操作，整个晶体的微观结构不可区别。晶胞的这种本质属性可归纳为晶胞具有平移性。

为了描述晶体在微观空间里原子的排列，无需画出千万个原子，只需在晶体的微观空间中取出一个基本单元即可。这种描述晶体结构的基本单元叫作晶胞。

习惯采用的晶胞都是平行六面体。

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第二节

分子晶体与原子晶体

第一课时

一、分子晶体的性质与类型

1、分子晶体

（1）分子以分子间作用力（范德华力、氢键）相结合形成的晶体叫作分子晶体。

（2）微粒：分子（稀有气体为原子）

（3）作用力：分子间作用力（范德华力、氢键）

2、典型的分子晶体

（1）所有非金属氢化物：水、硫化氢、氨、卤化氢、甲烷。

（2）部分非金属单质：卤素、氧气、氢气、S8/、P4、C60、稀有气体。

（3）部分非金属氧化物：二氧化碳、五氧化二磷、

（4）几乎所有酸：

（5）绝大多数有机物：苯、四氯化碳、乙醇、冰醋酸、蔗糖。

3、分子晶体的物理性质

（1）较低的熔沸点、易升华。原因：分子间作用力是一种较小的作用力。

（2）硬度较小。原因：分子间作用力较小。

（3）固态都是绝缘体、融融状态都不导电。原因：无自由移动的离子或电子。

（4）溶解性：满足相似相溶

二、典型分子晶体的结构和性质

1、分子晶体的结构性质

分子堆积方式

密堆积

非密堆积

空间结构特点

通常每个分子周围有12个紧空间利用率不高，每个分子周邻的分子，空间利用率高

围紧邻的分子数小于12个

分子间作用力

范德华力

范德华力+氢键

实例

干冰、C60、I2

冰、HF、NH3

2、冰晶体的结构和性质

（1）（1）冰晶体的结构：

在冰晶体中，水分子间存在氢键和范德华力，冰晶体中，每个水分子与周围4个水分子形成分子间氢键。因为氢键有方向性，故冰晶体中形成以1个水分子为中心，4个水分子为顶角的四面体结构单元的立体网状结构。P66。图3-11 （2）冰晶体的特点：

①冰晶体的密度比液态水小，其原因是冰晶体中水分子未采用密堆积，使水分子间的空隙比液态水更大，冰融化成水时，分子进入空隙使水的密度增大。

②冰晶体的硬度小。

3、干冰晶体的结构和性质

固态二氧化碳CO2称为干冰，其分子内存在C=O键，分子间只存在范德华力。

（1）干冰的结构

干冰的晶胞呈面心立方体形，立方体的每个顶点有一个CO2分子，每个面上也有一个CO2分子。每个CO2分子与12个CO2分子等距离相邻（在三个互相垂直的平面上各4个或互相平行的三层上，每层上各4个）。P66。图3-12 （2）干冰的性质：熔沸点低（比冰低得多），在常温下易升华概度小；密度小（比冰的密度大）。干冰可用于灭火，作制冷剂。

只含分子的晶体称为分子晶体。如何解释？

典型的分子晶体是指有限数量的原子构成的电中性分子为结构基元，以分子间力相互作用在微观空间里呈现具有平移性的重复图案得到的晶体。如教材P64的碘晶胞，是碘单质分子在微观空间里周期性有序排列。而不是碘原子。在碘分子内部，两个碘原子通过非极性共价键相结合形成碘分子。相邻碘分子之间通过分子间作用力在微观空间里周期性的有序排列。

哪些属于分子晶体呢？

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“有限分子”的主要品种是有机物，已知的3000万种化合物中多数是以有限原子构成的有机分子，无机“有限分子”则在数量上很少，如部分非金属单质（O2、S）部分非金属化合物（如CO2、H2O），等等。

在分子晶体中，分子之间的作用力是分子间力（范德华力和氢键）。分子间力相比于金属键、离子键和共价键等化学键是一种很弱的作用力，因而分子晶体的熔点很低。但分子晶体的熔点并不完全取决于分子间力的大小，还与分子在晶体里堆积的紧密程度有关。分子堆积紧密，空间利用率高，也会使熔点升高。例如近球状的金刚烷P36 C10H16.（图3-4）的熔点高达269℃,是已知烷烃中熔点最高的①。

分子间作用力比较弱，导致分子在晶体的微观空间里堆积时会尽可能地利用空间，但分子的形状、分子间是否存在具有方向性的氢键及其强弱以及分子的极性强弱导致分子定向排列的程度高低等因素均会影响分子的堆积方式和空间利用率。当分子晶体达到最密堆积时，每个分子周围也会达到12个分子，例如图3-18和图3-45所示的干冰晶体和图3-19所示的碘晶体都是如此。又如，近似球体的Co呈面心立方晶胞②，与金刚烷相似的近似球体的乌洛托品C6H12N4呈体心立方晶胞（最近两层的配位数=8+6）等。冰则为堆积不紧密的分子晶体的典型代表。通常的冰具六方晶胞，由于分子间存在作用力较大而方向性很强的氢似金刚石中碳的配位情形，空间利用率很低，以致冰融化后的密度反而升高。

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第二课时

原子晶体

4.22 一、原子晶体的结构与性质

1、原子晶体的概念

晶体中相邻原子间都以共价键结合，整个晶体是一个三维的共价键网状结构，叫作原子晶体。故原子晶体又称为共价品体

2、原子晶体的结构特点

（1）构成微粒：直接由原子通过共价键结合形成晶体。

（2）作用力：原子晶体中只存在（原子间）共价键一种作用力。

（3）空间结构：整个晶体是一个三维的共价键网状结构，不存在单个小分子，是一个“巨分子”。

3、常见的原子晶体

（1）某些非金属单质，如硼（B）、硅（Si）、金刚石（C）和锗（Ge）等。

（2）某些非金属化合物，如金刚砂（SiC）、二氧化硅（SiO2）氮化硼（BN）、氮化铝（AN）、氮化硅（Si1N4）等。

（3）极少数金属氧化物，如氧化铝（Al2O3）等。

4、原子晶体的物理性质

（1）熔点和沸点很高。原子晶体中，原子间以较强的共价键相结合，要使物质熔化和汽化就要克服共价键，需要很多的能量。因此，原子晶体一般都具有很高的熔点和沸点。

（2）硬度很大。例如，金刚石是天然存在的最硬的物质。

（3）一般不导电，但晶体硅是半导体。

（4）难溶于一些常见的溶剂

二、典型原子晶体的结构

1、金刚石的结构

（1）金刚石的结构

①在金刚石晶体中，每个碳原子都被相邻的4个碳原子包围，以共价键跟4个碳原子结合，形成正四面体，被包围的碳原子处于正四面体的中心。这些正四面体结构向空间伸展，构成一个坚实彼此联结的空间网状晶体（如下图）。

②金刚石晶体中所有C-C键的键长相等（均为154pm），键角相等（均为109°28′）。

③晶体中最小碳环由6个C原子组成，且6个C原子均不在同一平面内；每个碳原子由12个六碳环共用，每个环上平均拥有6×1/12=1/2个碳原子。

④晶体中每个C原子与4个C原子形成C-C键，则每个碳原子平均能形成的C-C键数为4x1/2=2.即金刚石中每个碳原子平均形成2个C-C键。

（2）金刚石的晶胞（如上图）：金刚石的晶胞为面心立方晶胞，每个晶胞平均占有的碳原子数为8×1/8+6×1/2=4（有6个C原子位于面心，4个C原子位于体内，8个C原子位于顶点）。

2、二氧化硅晶体的结构

（1）在SiO2晶体（如右图所示）中，每个Si原子与4个0原子结合，前者在正四面体的中心，后者在正四面体的顶点。同时，每个0原子被两个正四面体共有，正四面体0-Si-0键角为109°28′。每个正四面体中含1个Si原子，每个0原子由2个正四面体共用，共含O个数为4×1/2=2，Si、O原子个数比为1:2。故SiO2晶体中并不存在单个的“SiO2分子”，而是由Si原子和O原子按1:2的比例所组成的空间立体网状结构的晶体。

（2）在SiO2晶体中，最小的环为由6个S原子和6个0原子组成的十二元环。

（3）每

n molSiO2晶体中，Si-0键最接近4n mol，即SiO2晶体中，1 mol Si可以形成4 mol Si-0键。

3、（1）晶体硅、碳化硅晶体的结构与金刚石相似，晶体硅可看作是硅原子取代金刚石中碳原子的位置得到；碳化硅可看作是C、Si交替排列结构（存在以C为中心，Si为顶点或以Si为中心，C为顶点的正四面体结构）；SiO2晶体可看作是晶体硅中2个硅原子间插入了1个氧原子。

（2）在SiO2晶体中，每个最小的环拥有的硅原子数为6×1/12=1/2，氧原子数为6×1/6=1。

（3）在金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧化硅中，C、Si、O均采用sp3杂化。

三、判断分子晶体和原子晶体

1、分子晶体与原子晶体的比较

晶体类型

分子晶体

原子晶体

组成微粒

分子（小分子）

原子（巨分子）

微粒间作用力

分子间作用力（弱作用力）

共价键（强作用）

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物理性质

较低

很高

较小

很大

固态和熔融态不导电（酸溶水导固态和熔融态不导电（单质硅为电）

半导体）

溶解性

相似相溶

难溶于一般溶剂

物质类别

2、判断分子晶体和原子晶体的方法

根据分子晶体和原子晶体在组成和性质上的差异可以判断晶体是分子晶体还是原子晶体。如：

（1）依据组成晶体的微粒和微粒间的作用力类型判断。

（2）依据物质的分类判断。应熟悉几种常见的原子晶体。

（3）依据晶体的熔、沸点判断。

原子晶体的熔、沸点高，常在1000℃以上；分子晶体的熔、沸点远低于1000℃。

（4）根据物质的状态判断。

易挥发的固态物质一般为分子晶体；常温下呈气态或液态的单质或化合物一般为分子晶体。

（5）根据硬度判断。原子晶体的硬度远大于分子晶体

三、判断分子晶体和原子晶体熔沸点高低的方法

1、不同类型的晶体的熔、沸点

原子晶体>分子晶体。

2、分子晶体的熔、沸点变化规律

分子晶体分子间作用力越大，物质熔、沸点越高，反之越低；具有氢键的分子晶体，熔、沸点反常升高。如熔、沸点：H2O>H2Te>H2Se>H2S,C2H5OH>CH3-O-CH3。一般情况下有以下规律：

（1）组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，分子解作用力越强，物质的熔、沸点就越高，如熔、沸点：CH4

（2）组成和结构不相似的物质（相对分子质量相近），分子极性越大，其熔、沸点就越高，如熔、沸点：CO>N2，CH3OH>CH3-CH3, （3）烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物一般随分子里碳原子数的增加，熔、沸点升高，如熔、沸点：C2H6>CH4，C2H5C1>CH3Cl,CH3COOH> HCOOH。

（4）一般来说，同分异构体中，支链越多，熔、沸点越低。如沸点

正戊烷>异戊烷>新戊烷

3、原子晶体熔沸点的变化规律

一般原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体的熔点就越高。

原因：原子半径越小，则化学键的键长越短，化学键就越强，键就越牢固，破坏化学键需要的能量就越多，故晶体的熔点就越高。

例如，在金刚石、碳化硅、晶体硅中，原子半径：CC-Si>S-Si，熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅；又如，键长：Si-Si>Si-0>C-C，熔、沸点：金刚石>二氧化硅>晶体硅。

熔沸点

硬度

导电性

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