人教版(2019)选修性必修2导学案第3章　第3节　第2课时　离子晶体　 过渡晶体与混合型晶体

第 2 课时 离子晶体 过渡晶体与混合型晶体 发 展 目 标 体 系 构 建 1.借助离子晶体模型认识离子晶体的结构和性质。 2.能利用离子键的有关理论解释离子晶体的物理性质。 3.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在 的。 一、离子晶体 1．结构特点 (1)构成粒子：阳离子和阴离子。 (2)作用力：离子键。 (3)配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。 微点拨：大量离子晶体的阴离子或阳离子不是单原子离子，有的还存在电中性分子。离子晶体 中不仅有离子键还存在共价键、氢键等。 2．常见的离子晶体 晶体类型 NaCl CsCl 晶胞 阳离子的配位数 6 8 阴离子的配位数 6 8 晶胞中所含离子数 Cl－4 Na＋4 Cs＋1 Cl－1 3.物理性质 (1)硬度较大，难于压缩。 (2)熔点和沸点较高。 (3)固体不导电，但在熔融状态或水溶液时能导电。 离子晶体是否全由金属元素与非金属元素组成？ [提示] 不一定，如 NH4Cl 固体是离子晶体但它不含金属元素。 二、过渡晶体与混合型晶体 1．过渡晶体 (1)四类典型的晶体是指分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体。 (2)过渡晶体：介于典型晶体之间的晶体。 ①几种氧化物的化学键中离子键成分的百分数 氧化物 Na2O MgO Al2O3 SiO2 离子键的百分 数/% 62 50 41 33 从上表可知，表中 4 种氧化物晶体中的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，这 些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。 ②偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处 理，如 Na2O 等。同样，偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如 Al2O3、SiO2 等。 微点拨：四类典型晶体都有过渡晶体存在。 2．混合型晶体 (1)晶体模型 石墨结构中未参与杂化的 p 轨道 (2)结构特点——层状结构 ①同层内碳原子采取 sp2 杂化，以共价键(σ键)结合，形成平面六元并环结构。 ②层与层之间靠范德华力维系。 ③石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为 3，有一个未参与杂化的 2p 电子，它的原子轨道 垂直于碳原子平面。 (3)晶体类型：石墨晶体中，既有共价键，又有金属键和范德华力，属于混合晶体。 (4)性质：熔点很高、质软、易导电等。 微点拨：石墨为什么具有良好的导电性？ 提示：由于碳原子的 p 轨道相互平行且相互重叠，p 轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动， 所以石墨具有导电性。 1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。) (1)金属晶体和离子晶体的导电实质是一样的 (×) (2)固态不导电、水溶液能导电，这一性质能说明某晶体一定是离子晶体 (×) (3) Al2O3 含有金属元素，属于离子晶体 (×) (4)石墨为混合晶体，因层间存在分子间作用力，故熔点低于金刚石。 (×) 2．离子晶体一般不具有的特征是( ) A．熔点较高，硬度较大 B．易溶于水而难溶于有机溶剂 C．固体时不能导电 D．离子间距离较大，其密度较大 D [离子晶体的结构决定着离子晶体具有一系列特性，这些特性包括 A、B、C 项所述。] 3．下列 7 种物质：①白磷(P4)；②水晶；③氯化铵；④氢氧化钙；⑤氟化钠；⑥过氧化钠；⑦ 石墨。固态下都为晶体，回答下列问题(填写序号)： (1)不含金属离子的离子晶体是________，只含离子键的离子晶体是________，既有离子键又有 非极性键的离子晶体是________，既有离子键又有极性键的离子晶体是________。 (2)既含范德华力，又有非极性键的晶体是________，熔化时既要克服范德华力，又要破坏化学 键的是________，熔化时只破坏共价键的是________。 [答案] (1)③ ⑤ ⑥ ③④ (2)①⑦ ⑦ ② 离子晶体的结构与性质 离子化合物在我们周围比比皆是。常温下，许多离子化合物都是以晶体形态存在的。 (1)含金属阳离子的晶体一定是离子晶体吗？有阳离子的晶体中一定存在阴离子吗？ 提示：不一定。也可能是金属晶体；晶体中含有阳离子，不一定存在阴离子，如金属晶体由阳 离子和自由电子构成。 (2)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？ 提示：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。 (3)离子晶体的熔点一定低于共价晶体吗？ 提示：不一定。离子晶体的熔点不一定低于共价晶体，如 MgO 是离子晶体，SiO2 是共价晶体， MgO 的熔点高于 SiO2 的熔点。 (4)离子晶体中除含有离子键外，是否含有共价键？ 提示：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。 1．离子晶体的性质 性质 原因 熔、沸点 离子晶体中有较强的离子键，熔化或汽化时需消耗较多的能量。所以离子晶体有较 高的熔点、沸点和难挥发性。通常情况下，同种类型的离子晶体，离子半径越小， 离子键越强，熔、沸点越高 硬度 硬而脆。离子晶体表现出较高的硬度。当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生 断裂，导致晶体破碎 导电性 不导电，但熔融或溶于水后能导电。离子晶体中，离子键较强，阴、阳离子不能自 由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此离子晶体不导电。当升高温度时，阴、 阳离子获得足够的能量克服了离子间的相互作用力，成为自由移动的离子，在外加 电场的作用下，离子定向移动而导电。离子晶体溶于水时，阴、阳离子受到水分子 的作用成了自由移动的离子(或水合离子)，在外加电场的作用下，阴、阳离子定向 移动而导电 溶解性 大多数离子晶体易溶于极性溶剂(如水)中，难溶于非极性溶剂(如汽油、苯、CCl4) 中。当把离子晶体放入水中时，水分子对离子晶体中的离子产生吸引，使离子晶体 中的离子克服离子间的相互作用力而离开晶体，变成在水中自由移动的离子 延展性 离子晶体中阴、阳离子交替出现，层与层之间如果滑动，同性离子相邻而使斥力增 大导致不稳定，所以离子晶体无延展性 2.离子晶体的判断 判断一种物质是不是离子晶体，我们可以根据物质的分类、组成和性质等方面进行判断。 (1)利用物质的分类 金属离子和酸根离子、OH－形成的大多数盐、强碱，活泼金属的氧化物和过氧化物(如 Na2O 和 Na2O2)，活泼金属的氢化物(如 NaH)，活泼金属的硫化物等都是离子晶体。 (2)利用元素的性质和种类 如成键元素的电负性差值大于 1.7 的物质，金属元素(特别是活泼的金属元素，ⅠA、ⅡA 族元 素)与非金属元素(特别是活泼的非金属元素，ⅥA、ⅦA 族元素)组成的化合物。 (3)利用物质的性质 离子晶体一般具有较高的熔、沸点，难挥发，硬而脆；固体不导电，但熔融或溶于水时能导电， 大多数离子晶体易溶于极性溶剂而难溶于非极性溶剂。 1．下列性质适合于离子晶体的是( ) ①熔点 1 070 ℃，易溶于水，水溶液能导电 ②熔点 10.31 ℃，液态不导电，水溶液能导电 ③能溶于 CS2，熔点 112.8 ℃，沸点 444.6 ℃ ④熔点 97.81 ℃，质软，导电，密度 0.97 g/cm3 ⑤熔点－218 ℃，难溶于水 ⑥熔点 3 900 ℃，硬度很大，不导电 ⑦难溶于水，固体时导电，升温时导电能力减弱 ⑧难溶于水，熔点高，固体不导电，熔化时导电 A．①⑧ B．②③⑥ C．①④⑦ D．②⑤ A [离子晶体液态时能导电，难溶于非极性溶剂，熔点较高、质硬而脆，固体不导电，故 ②③④⑤⑦均不符合离子晶体的特点；⑥中熔点达 3 900 ℃，硬度很大，应是共价晶体。故只有①⑧ 符合题意。] 2．氧化钙在 2 973 K 时熔化，而氯化钠在 1 074 K 时熔化，二者的离子间距离和晶体结构都类 似，有关它们熔点差别较大的原因叙述不正确的是( ) A．氧化钙晶体中阴、阳离子所带的电荷数多 B．氧化钙中氧离子与钙离子之间的作用力更强 C．氧化钙晶体的结构类型与氯化钠晶体的结构类型不同 D．在氧化钙与氯化钠的离子间距离类似的情况下，熔点主要由阴、阳离子所带电荷数的多少 决定 C [氧化钙和氯化钠的离子间距离和晶体结构都类似，故熔点主要由阴、阳离子所带电荷数的 多少决定。] 3．NaCl 晶体模型如下图所示： (1)在 NaCl 晶体中，每个 Na＋周围同时吸引________个 Cl－，每个 Cl－周围也同时吸引着________ 个 Na＋，在 NaCl 晶胞中含有________个 Na＋、________个 Cl－，晶体中每个 Na＋周围与它距离最近 且相等的 Na＋共有________个。 (2)对于氯化钠晶体，下列描述正确的是________。 A．相邻的正、负离子核间距等于正、负离子半径之和 B．与氯化铯晶体结构相同 C．每个 Na＋与 6 个 Cl－作为近邻 [解析] (1)在氯化钠晶体中，一个 Na＋位于晶胞的中心，12 个 Na＋分别位于晶胞的 12 条棱上， 则属于该晶胞的 Na＋相当于 3 个 1 4 ×12＝3 ，因此一个晶胞中共含有 4 个 Na＋，8 个 Cl－分别位于晶 胞的 8 个顶点上，则属于该晶胞的 Cl－相当于 1 个 1 8 ×8＝1 ，6 个 Cl－分别位于晶胞的 6 个面心上， 则属于该晶胞的 Cl－相当于 3 个 1 2 ×6＝3 ，所以一个晶胞中共含有 4 个 Cl－。可见 NaCl 晶体中 Na＋、 Cl－的个数比为 1∶1。 图中位于晶胞中心的 Na＋实际上共有 3 个平面通过它，通过中心 Na＋的每个平面都有 4 个 Na＋ 位于平面的四角，这 4 个 Na＋与中心 Na＋距离最近且距离相等。所以在 NaCl 晶体中，每个 Na＋周围 与它距离最近且距离相等的 Na＋共有 12 个，按相似的方法可推出每个 Cl－周围与它最近且距离相等 的 Cl－也共有 12 个。 (2)氯化铯晶体结构呈体心立方堆积，B 错误，氯化钠晶体中以 Na＋为中心向三维方向伸展，有 6 个 Cl－近邻，C 正确，相邻的正、负离子核间距不等于正、负离子半径之和，A 错误。 [答案] (1)6 6 4 4 12 (2)C 判断物质结构图是否表示晶胞的方法 整块晶体是由完全相同的晶胞“无隙并置”地堆积而成的。“完全相同”包括“化学上等 同”——晶胞里原子的数目和种类完全等同；还包括“几何上等同”——晶胞的形状、取向、大小 等同，而且原子的排列完全等同。“无隙并置”即一个晶胞与它的相邻晶胞完全共顶角、共面、共 棱。晶胞的这种本质属性可归纳为晶胞具有平移性。因此可根据结构图在晶体中是否具有平移性来 判断是否表示晶胞。 1．自然界中的 CaF2 又称萤石，是一种难溶于水的固体，属于典型的离子晶体。下列一定能说 明 CaF2 是离子晶体的实验是( ) A．CaF2 难溶于水，其水溶液的导电性极弱 B．CaF2 的熔、沸点较高，硬度较大 C．CaF2 固体不导电，但在熔融状态下可以导电 D．CaF2 在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小 C [离子晶体中含有离子键，离子键在熔融状态下被破坏，电离出自由移动的阴、阳离子，所 以离子晶体在熔融状态下能够导电，这是判断某晶体是否为离子晶体的依据。] 2．(双选)泽维尔研究发现，当用激光脉冲照射 NaI，使 Na＋和 I－两核间距为 1.0～1.5 nm 时，呈 离子键；当两核靠近约距 0.28 nm 时，呈共价键。根据泽维尔的研究成果能得出的结论是( ) A．NaI 晶体是过渡晶体 B．离子晶体可能含有共价键 C．NaI 晶体中既有离子键，又有共价键 D．共价键和离子键没有明显的界线 AD [化学键既不是纯粹的离子键也不是纯粹的共价键，共价键和离子键没有明显的界线。] 3．石墨晶体是层状结构(如图)。以下有关石墨晶体的说法正确的一组是( ) ①石墨中存在两种作用力；②石墨是混合晶体；③石墨中的 C 为 sp2 杂化；④石墨熔点、沸点 都比金刚石低；⑤石墨中碳原子数和 C—C 键数之比为 1∶2；⑥石墨和金刚石的硬度相同；⑦石墨 层内导电性和层间导电性不同；⑧每个六元环完全占有的碳原子数是 2 A．全对 B．除⑤外 C．除①④⑤⑥外 D．除⑥⑦⑧外 C [①不正确，石墨中存在三种作用力，一种是范德华力，一种是共价键，还有一种是金属键； ②正确；③正确，石墨中的 C 为 sp2 杂化；④不正确，石墨熔点比金刚石高；⑤不正确，石墨中碳 原子数和 C—C 键数之比为 2∶3；⑥不正确，石墨质软，金刚石的硬度大；⑦正确；⑧正确，每个 六元环完全占有的碳原子数是 6×1/3＝2。] 4．如图所示是从 NaCl 或 CsCl 的晶体结构中分割出来的部分结构图，其中属于从 NaCl 晶体中 分割出来的结构图是( ) (1) (2) (3) (4) A．图(1)和(3) B．图(2)和(3) C．图(1)和(4) D．只有图(4) C [本题考查了离子晶体的代表物质 NaCl、CsCl 的晶体结构。NaCl 晶体中，每个 Na＋周围最 邻近的 Cl－有 6 个，构成正八面体，同理，每个 Cl－周围最邻近的 6 个 Na＋也构成正八面体，由此可 知图(1)和(4)是从 NaCl 晶体中分割出来的结构图，C 项正确。] 5．碳元素的单质有多种形式，如图所示，依次是 C60、石墨和金刚石的结构图： 回答下列问题： (1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为________。 (2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。 (3)C60 属于________晶体，石墨属于________晶体。 (4)石墨晶体中，层内 C—C 键的键长为 142 pm，而金刚石中 C—C 键的键长为 154 pm。其原因 是金刚石中只存在 C—C 间的________共价键，而石墨层内的 C—C 间不仅存在________共价键， 还有________键。 [解析] (1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管都是由同种元素形成的不同单质，故它们互为同素异 形体。(2)在金刚石中，每个碳原子都形成四个共价单键，故碳原子的杂化方式为 sp3；石墨烯中碳 原子采用 sp2 杂化。(3)一个“C60”就是一个分子，故 C60 属于分子晶体；石墨层与层之间是范德华力， 而同一层中碳原子之间是共价键，故形成的晶体为混合晶体。(4)在金刚石晶体中，碳原子之间只形 成共价单键，全部为σ键；在石墨层内的碳原子之间既有σ键又有π键。 [答案] (1)同素异形体 (2)sp3 sp2 (3)分子 混合 (4)σ σ π(或大π或 ppπ)