晶体结构

1 晶体结构 知识要点： 1、分类（微粒、结合力） 2、物理性质（熔、沸点，导电性等） 3、结构：① 微粒关系；② 化学式；③ 原子环 4、计算（密度）

一、四种晶体结构、性质的比较 原子晶体 离子晶体 分子晶体 金属晶体 构成微粒 相互作用

物理性质

硬度 熔沸点 导热性 导电性 溶解性 典型代表物

例1．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 [解析]只有认识四类晶体物理性质差异的本质原因才能对此题进行正确判断。在四类晶体中，金属晶体的结构及物理性质最特殊，应予重视。金属晶体中，构成晶体的微粒既有金属原子，又有金属阳离子，且二者不断转换，晶体中自由电子与金属离子间的电性作用形成了金属键。因此晶体中有阳离子，不一定有阴离子，如金属晶体。金属键强弱相差很大（主要由阳离子半径大小决定），因此金属晶体的熔、沸点、硬度等物理性质相差极大，它与其他类晶体相比很特殊，有的晶体熔沸点很低，甚至小于分子晶体如金属汞、碱金属等；有的金属熔沸点很高，甚至高于原子晶体如金属钨。 答案：A

二、物质熔沸点比较及规律 物质的熔沸点取决于晶体中微粒间的作用力大小。作用力越大，熔沸点越高。不同晶体中微粒间作用力不同，影响作用力的因素不同，所以比较物质熔沸点，首先要分清晶体类型。 对于不同种类晶体：一般情况下，微粒间作用力大小排序是共价键>离子键>范德华力，所以熔沸点高低排序是：原子晶体>离子晶体>分子晶体。 对于同类晶体： 2

离子晶体：微粒间作用力是离子键，影响离子键强弱的因素很多，主要是离子半径和离子电荷数。例如NaCl和KCl，因Na+半径小于K+半径，所以NaCl中离子键比KCl中离子键强，NaCl的熔沸点高于KCl。

原子晶体：微粒间作用力是共价键，影响共价键强弱的因素是原子半径，原子半径越小、键长越短，键能越大，共价键越强，晶体熔沸点越高。例如比较原子晶体金刚石，碳化硅（SiC）和晶体硅的熔点。碳原子半径小于硅原子半径，所以键长长短顺序为：C—C < C—Si < Si—Si，共价键强弱顺序为C—C > C—Si > Si—Si。所以，熔点顺序是：金刚石>碳化硅>硅晶体。

分子晶体：微粒间作用力是范德华力，影响范德华力大小的因素很多，对于组成和结构相似的分子来说主要是分子量。例如比较分子晶体F2、Cl2、Br2、I2的熔点。因为它们是分子晶体，微粒间作用力是范德华力，又由于它们在组成和结构相似，所以分子量越大范德华力越大，熔点越高。熔点高低排序为：F2

综上所述，比较物质熔沸点时一定要先分清晶体类型，以免张冠李戴，因果错判。 对于分子晶体来说，范德华力（分子间力）影响其物理性质，共价键影响其化学性质。所以，对于分子晶体来说物理变化破坏范德华力（分子间力），化学变化破坏共价键。 例如，I2 的升华，破坏碘分子间作用力。I2的分解，破坏了碘分子内I—I共价键。对于离子晶体和原子晶体不管物理变化还是化学变化，都破坏了化学键。

例题分析：晶体类型 物理性质 晶体 A B C D E

熔点（℃） -269.7 800.4 ------------ 约3527 0

沸点（℃） -268.9 1413 78.5升华 约4227 100

导电性 不导电 (固)不导电 (液)导电 不导电 不导电 极弱 晶体类型 分子 离子 分子 原子 分子 结点微粒 分子 离子 分子 原子 分子 微粒间作用 范德华力 离子键 范德华力 共价键 范德华力

例2．描述下列各组物质的熔、沸点变化规律，并说明其原因。 A．CH3CH2CH3、CH3CH2CH2CH3、CH3CH2CH2CH2CH3 （升高，分子量增大，分子间作用力增大。） B．CH3CH2CH2CH2CH3、(CH3)2 CHCH2CH3、C(CH3)4 （降低，支链多，分子间作用力减弱。） C．HCl、HBr、HI（升高，分子量增大，分子间作用力增大。） D．NaF、MgF2、MgO（升高，离子间作用力增强。） E．Na、Mg、Al （升高，金属阳离子与自由电子之间作用力增大。） F．C、SiC、Si（降低，共价键键能逐渐减小。）

三、几种常见的晶体结构 3

（一）离子晶体 １、氯化钠晶体 NaCl晶体是一种简单立方结构——Na+和Cl-交替占据立方体的顶点而向空间延伸。在每个Na+周围最近的且距离相等的Cl—有6个（上、下、左、右、前、后），在每个Cl—周围最近的且距离相等Na+也有6个；在每个Na+周围最近的且距离相等的Na+有12个（同层4个，上层4个，下层4个），在每个Cl—周围最近的且距离相等的Cl—亦有12个。如下图所示：

2、氯化铯晶体 CsCl晶体是一种体心立方结构——每8个Cs+和8个Cl-各自构成立方体，在每个立方体的中心有一个异种离子（Cs+或Cl-）。在每个Cs+周围最近的且距离相等的Cl—有8个，在每个Cl—

周围最近的且距离相等Cs+也有8个；在每个Cs+周围最近的且距离相等的Cs+有6个（上、下、左、右、前、后），在每个Cl—周围最近的且距离相等的Cl—亦有6个。如下图所示：

（二）原子晶体 1、金刚石晶体 金刚石晶体是一种立体的空间网状结构——每个C原子与另外4个相邻的C原子以共价键结合，构成一个正四面体结构单元，前者位于正四面体中心，后四者位于正四面体的四个顶点。晶体中所有C—C键长相等，键角相等(均为109°28′)；晶体中最小碳环由6个C原子组成且六者不在同一平面内，形成立体的六元环状结构。晶体中每个C原子参与了4条C—C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故原子个数与C—C键数之比为1∶（4×1/2）=1∶2。 4

2、二氧化硅晶体 每个Si原子与相邻的4个O原子以共价键相结合，前者在正四面体的中心，后四者在正四面体的四个顶点。如图：正四面体内Si—O键角为109°28′。每个正四面体占有一个完整的Si原子、四个“半O原子”，故晶体中Si原子与O原子个数比为1：（4×1/2）=1∶2。 二氧化硅晶体相当于金刚石晶体中的C原子换成Si原子，同时在每两个Si原子中心连线上的中间加上一个O原子。二氧化硅晶体中最小的封闭环上有12个原子（6个Si原子和6个O原子）。

（三）混合型晶体——石墨晶体 石墨晶体是一种混合型晶体——层内存在共价键，层间以范德华力结合，兼具有原子晶体、金属晶体、分子晶体的特征和特性。在层内，每个C原子与3个C原子形成C—C键，构成平面正六边形，键长相等，键角相等（均为1200）；在晶体中，每个C原子参与了3条C—C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故每个正六边形平均只占有6×1/3=2个C原子，C原子个数与C—C键数之比为1∶（3×1/2）=2∶3。 5

（四）分子晶体 1、二氧化碳晶体——干冰 干冰晶体是一种立方面心结构——每8个CO2分子构成立方体且在6个面的中心又各有1个CO2分子，如下图。在每个CO2周围等距离且最近的CO2有12个（同层4个、上层4个、下层4个）。

2、C60 C60是以60个碳原子作为顶点，组成的一个32面体。其中12个面是正五边形，20个面是正六边形。是一个像足球一样的多边形体，如图1与图3所示。在这样的分子中，每个碳原子与其它三个相邻的碳原子直接相连，等价地组成一个五元环和两个六元环。由于它具有这种特殊结构，因此现在更形象地称它为足球烯（footballene， soccerballene）。C60与金刚石、石墨互为同素异形体。C60分子间通过范德华力形成分子晶体，熔、沸点较低，硬度较小，易溶于苯、酒精等有机溶剂。C60本身有着无数优异的性质，它本身就是半导体，掺杂后可变成临界温度很高的超导体，由它所衍生出来的碳微管比相同直径的金属强度高100万倍。现实世界中的足球以其无尽的魅力倾倒了无数人，而小小的“足球烯”也正以另一种形式影响和改变着这个世界。

图1 图2 图3 和C60分子有关的“碗烯”（corranulene）分子，C20H10，具有一个由五个正六边形环绕的正五边形结构，如图2所示。它的分子构型像一个碗，很稳定。而足球烯分子的表面，就存在着这样的12个正五角形单元。

（五）金属晶体 金属原子结构的共同特征是：①最外层电子数较少，一般在4个以下；②原子半径较大。这种结构特点使其原子易失去价电子而变成金属阳离子，释放出的价电子在整个晶体中可以自由运动，被称为“自由电子”。它不再属于哪个或哪几个指定的金属离子，而是整块金属的“集体财富”， 6

它们在整个晶体内自由运动，所以有人描述金属内部的实际情况是“金属离子沉浸在自由电子的海洋中”，这种描述正是自由电子的特征决定的。金属阳离子与自由电子之间存在着较强的作用，因而使金属离子相互结合在一起，形成金属晶体。 金属晶体的结构也可看作是等径的小球层状紧密堆积。如下图所示：

例3、下列有关金属元素特征的叙述正确的是 A、金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 B、金属元素在一般化合物中只显正价 C、金属元素在不同的化合物中的化合价均不同 D、金属元素的单质在常温下均为金属晶体 解析：A、对于变价金属中，较低价态的金属离子既有氧化性，又有还原性，如Fe2+。B、金属元素的原子只具有还原性，故在化合物中只显正价。C、金属元素有的有变价，有的无变价，如Na+。D、金属汞常温下为液体。故正确答案为选项B。

例4．现有甲、乙、丙三种晶体的晶胞：（甲中x处于体心，乙中a处于体心）可推知：甲晶体中x与y的个数比是 ，乙中a与b的个数比是 ，丙晶体的一个晶胞中有 个Ｃ离子，有 个d离子。

解析：求离子晶体的晶胞中阴阳离子个数比的方法：顶点微粒数× ，棱心微粒数× ，面心微粒数× ，体心微粒数×１，则： 甲中：x∶y=1∶(4× )=2∶1； 乙中：a∶b=1∶(8× )=1∶1