高三化学晶体的类型和性质知识精讲

高三化学晶体的类型和性质

【本讲主要内容】

晶体的类型和性质

【知识掌握】

【知识点精析】

1. 晶体的概念

晶体是经过自然结晶而形成的具有规则几何外形的固体。自然结晶可以是液态物质降温变成固体的过程，也可是蒸发溶剂析出晶体的过程。比如：水结成冰，海水蒸发得到的食盐固体。

晶体的宏观结构特点：有规则的几何外形。

晶体的微观结构特点：构成晶体的微粒空间排列有规则。

构成晶体的粒子有：分子、原子、离子等。

晶体内部粒子间的作用有：离子键（离子晶体）、共价键（原子晶体）、分子间的作用力（又叫范德瓦耳斯力，分子晶体），甚至氢键（氢键不是化学健，是一种比较强的范德瓦耳斯力，特殊的分子晶体，如：冰）。

2. 晶体的分类

根据构成晶体的粒子种类及粒子间的相互作用不同，可将晶体分为若干类型，如：离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体等。

（1）离子晶体

①离子间通过离子键结合而成的晶体叫做离子晶体。构成离子晶体的粒子是阴离子和阳离子。离子晶体中离子间的作用是离子键。离子化合物的晶体是离子晶体。

②典型离子晶体的结构模型

NaCl晶体的结构模型 CsCl晶体的结构模型

晶胞的概念：晶体中可以重复的最小单元。

③离子晶体的物理性质

由于离子晶体离子键的能量较大，阴阳离子之间具有稳定的结合方式，所以离子晶体的硬度较大、难于压缩，具有较高的熔点和沸点。

④离子晶体熔化、溶解过程中，均破坏离子键。

氯化钠晶体熔化变成液态，离子能够自由移动，离子键被破坏；氯化钠晶体溶于水中，电离成自由移动的离子，也破坏了离子键。离子晶体固态时不导电，但熔化或溶解过程中，均能产生自由移动的阴、阳离子而导电。

（2）分子晶体

①分子间作用力（范德瓦耳斯力）：分子间作用力比化学键弱得多，它对物质的熔点、沸点等有影响。

②分子晶体的概念

分子间以分子间的作用力相结合的晶体叫做分子晶体。构成分子晶体的粒子是分子。构成分子晶体的粒子间的作用是分子间作用力（即范德瓦耳斯力）。

由分子构成的物质在固态时都属于分子晶体。由非金属元素形成的单质和化合物大多数都属于分子晶体。如：含氧酸、气态氢化物、大多数非金属氧化物以及大多数非金属单质、稀有气体、大多数有机物等。铵盐是离子晶体，金刚石、晶体硅、碳化硅等属于原子晶体。 ③分子晶体的物理性质

由于分子间作用力比化学键弱得多，所以分子晶体一般具有较低的熔点、沸点和较小的硬度。组成结构相似的分子，相对分子质量越大，分子间作用力越强，分子晶体的熔沸点就越高。例

如：卤素单质、CX4、烷烃的熔沸点变化都符合这一规律。

④干冰的晶体结构

CO2分布在立方体的定点和面心上，分子间有分子间作用力形成晶体，1个CO2分子内存在共价键，因此晶体中既有分子间作用力，又有化学键，但熔、沸点的高低由分子间作用力决定，重要因素是相对分子质量。从晶胞结构可知与一个CO2分子距离最近且相等的CO2分子共有12个，一个晶胞中有4个二氧化碳分子。

⑤分子晶体发生状态变化，如熔化变成液态时，破坏范德瓦耳斯力，不破坏共价键。但氯化氢溶于水的过程，破坏共价键。分子晶体熔化后，不导电；但分子晶体溶解在水中，形成的溶液可能导电，也可能不导电。是否导电，必须要存在自由移动的电荷（离子或电子）。如：酒精的水溶液不导电，氯化氢的水溶液（即盐酸）导电。

（3）原子晶体

①相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体，叫做原子晶体。

构成原子晶体的粒子：原子。粒子间的作用：共价键。

常见的原子晶体有：金刚石、晶体硅、二氧化硅、碳化硅等。

②原子晶体的物理性质

构成原子晶体的粒子间以共价键结合，要破坏它就需要很大的能量。原子晶体硬度大，熔、沸点很高，不溶于任何溶剂。

③原子晶体的结构模型

金刚石的结构模型

二氧化硅的结构模型

碳化硅的结构模型

石墨的晶体结构

每一层中碳原子连接成正六边形，由于每个边为2个六边形共用，而每个点为3个六边形共用，因此层内总边数与总点数之比为3∶2，由此推出每个6边形实际占有2个碳原子。

（4）金属晶体

（1）金属键：金属阳离子与自由电子之间的较强的作用，叫做金属键。

①通过金属离子与自由电子之间的较强作用（金属键）形成的单质晶体，叫做金属晶体。

形成金属键的粒子：金属阳离子、自由电子。粒子间作用力：金属键。

②金属物理性质的通性

共性：容易导电、导热、有延展性、有金属光泽，等等。

特性：在常温下，金属一般都是晶体（固态），但汞（水银）例外，汞在常温下为液态，而钨（W）的熔点达到3410℃，沸点高达 5927℃。

③金属晶体的结构特点

金属晶体里，自由电子不专属于某一个或几个特定的金属离子，它们几乎均匀的分布在整个晶体中，自由移动，被许多金属离子共有。 ④金属物理性质与金属晶体结构的关系

金属的性质中，有的能用金属晶体结构加以解释，有的不能。如：金属晶体的导电性、导热性、延展性等可以用金属晶体结构解释。

金属导电，是因为金属晶体中的自由电子在外加电场作用下定向移动的结果。

金属导热，是由于自由电子运动时与金属离子碰撞，把能量从温度高的部分传导到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。

金属的延展性，在外力作用下，发生形变也不容易断裂。这是因为金属晶体中各原子层能发生相对滑动，却保持了金属离子与自由电子间的较强的相互作用。

3. 晶体性质小结

（1）

晶体类型 离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体

构成粒子 阴、阳离子 原子 分子 金属离子

自由电子

粒子间作用 离子键 共价键 范德瓦耳斯力 金属键

熔点 较高 很高 较低 —

硬度 较大 很大 较小 —

导电性 固态不导电，液态或水溶液导电 不导电（硅为半导体） 不导电，水溶液可能导电 良好

举例 NaCl、CsCl 金刚石、硅、二氧化硅 干冰、冰、碘 金属单质

（2）判断晶体类型的方法

①依据物质的分类判断

活泼金属氧化物（如K2O、Na2O2等），强碱（如NaCl、KOH等）和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质（除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外）、气态氢化物、非金属氧化物（除SiO2外）、酸、绝大多数有机物（除有机盐外）是分子晶体。常见的原子晶体单质有金刚石、晶体硅等；常见的原子晶体化合物有二氧化硅、碳化硅等。金属单质与合金都是金属晶体。

②依据物质的性质判断

熔点：离子晶体的熔点较高，常在数百至1000余度；原子晶体熔点高，常在1000度至几千度；分子晶体熔点低，常在数百度以下至很低温度；金属晶体多数熔点高，但也有相当低的。

导电性：离子晶体熔融后可以导电，分子晶体熔融后不导电。如：NaCl、HCl。

③依据构成晶体的粒子间的作用力判断

粒子间以离子键构成晶体的属于离子晶体，离子键的形成是阴阳离子间的静电作用。粒子间以共价键构成晶体的属于原子晶体，非金属元素原子间才能形成共价键。粒子间通过分子间作用力构成晶体的属于分子晶体，分子之间存在分子间作用力。

（3）化学键与化学变化的关系

离子晶体、原子晶体的状态变化：化学键都被破坏，分子晶体的三态变化是分子间作用力的变化。因此，化学变化的过程一定有化学键的破坏，但有化学键的破坏并不一定发生化学变化。

（4）晶体熔点比较 比较晶体的熔点有两种情况：比较同种晶体不同物质的熔点和不同晶体的熔点。

①比较同种晶体不同物质的熔点

◇比较金刚石、硅晶体和碳化硅的熔点

比较原子晶体的熔点实质是比较共价键的键长和键能。

这三种物质的空间网状结构相同，键长短，键能大，晶体的熔点高。构成金刚石晶体的粒子是碳原子，构成硅晶体的粒子是硅原子。因为碳原子半径小，碳碳键的键长短，碳碳键较强，所以金刚石的熔点比硅晶体的熔点高。碳化硅中的共价键键长介于二者之间，三者熔点顺序为：金刚石>碳化硅> 硅晶体。

◇比较NaCl与CsCl晶体的熔点

构成离子晶体的粒子半径越小，电荷值越大，离子键越强，熔点越高。

这两种物质都是氯化物，比较熔点就是比较金属离子的半径和电荷值。Na+的离子半径比Cs+小，NaCl晶体的熔点高于CsCl。

◇比较I2、Br2、Cl2的熔点

分子晶体种类繁多，影响熔点的因素多。一般来说，对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间的作用力越大，物质的熔点、沸点也较高。

卤素单质的结构相似，都是双原子分子，I2的分子质量最大，熔点最高（通常状况下为固态），其次是Br2（通常状况下为液态），Cl2的熔点最低（通常状况下为气态）。

②比较不同晶体类型之间的熔点

一般情况下，各类晶体的熔点从高到低的顺序为：原子晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体差异较大，不作比较。

4. 氢键

氢键不是化学键，而是一种较强的分子间作用力。氢键比化学键要弱，但强于一般的范德瓦耳斯力。由于HF、H2O和NH3的分子结构特点，分子间存在氢键。在比较分子晶体的熔点或沸点时，要注意是否存在氢键。如比较HF、HCl、HBr、HI熔点，它们的分子结构相似，但HF的熔点并不是最低；再如NH3的熔点高于PH3，H2O的熔点高于H2S，都是因为前者分子间存在氢键的缘故。

5. 晶体中的化学键（可通过后面的例题或习题体会）

构成离子晶体的粒子是阴、阳离子，离子内的化学键（共价键）不是确定晶体类型的依据。如NaOH、Na2O2阴离子中的极性键和非极性键。所以，晶体内存在共价键不一定是原子晶体，有离子键一定是离子晶体。

只存在共价键的晶体一定是原子晶体，二氧化硅晶体中是极性键，金刚石晶体中是非极性键。

分子晶体中一定存在范德瓦耳斯力，一定不存在离子键，但不一定存在化学键（如稀有气体的晶体，稀有气体是单原子分子）。分子晶体中存在共价键时，共价键只能存在于分子内，而不是分子间。分子晶体内的共价键可能是极性键（如HCl），也可能是非极性键（如H2），也可能同时存在极性键和非极性键（如H2O2）。

共价键可以存在于离子晶体、分子晶体和原子晶体中，在离子晶体、分子晶体中，共价键存在于构成晶体的粒子内部，不是形成晶体的粒子间作用力。

6. 晶体、结晶水与结晶水合物

有的晶体中含有结晶水，叫结晶水合物。如：硫酸铜晶体（又叫胆矾、蓝矾）CuSO4·5H2O，读作五水合硫酸铜；明矾KAl(SO4)2·12H2O；芒硝Na2SO4·10H2O；碳酸钠晶体Na2CO3·10H2O