几种常见晶体结构分析

几种常见晶体结构分析河北省宣化县第一中学栾春武邮编075131栾春武：中学高级教师，张家口市中级职称评委会委员。河北省化学学会会员。市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。联系电话：[phone]QQ：274799672E-mail：[e-mail]一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下：离子数目的计算：在每一个结构单元（晶胞）中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该单元中所占的份额为18，棱上的微粒属于该单元中所占的份额为14，面上的微粒属于该单元中所占的份额为12，中心位置上（嚷里边）的微粒才完全属于该单元，即所占的份额为1。1.氯化钠晶体中每个Na+周围有6个Cl－，每个Cl－周围有6个Na+，与一个Na+距离最近且相等的Cl－围成的空间构型为正八面体。每个Na+周围与其最近且距离相等的Na+有12个。见图1。晶胞中平均Cl－个数：8×18+6×12＝4；晶胞中平均Na+个数：1+12×14＝4因此NaCl的一个晶胞中含有4个NaCl（4个Na+和4个Cl－）。2.氯化铯晶体中每个Cs+周围有8个Cl－，每个Cl－周围有8个Cs+，与一个Cs+距离最近且相等的Cs+有6个。晶胞中平均Cs+个数：1；晶胞中平均Cl－个数：8×18＝1。因此CsCl的一个晶胞中含有1个CsCl（1个Cs+和1个Cl－）。二、金刚石、二氧化硅——原子晶体1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个C原子以共价键与4个C原子紧邻，因而整个晶体中无单个分子存在。由共价键构成的最小环结构中有6个碳原子，不在同一个平面上，每个C原子被12个六元环共用，每C—C键共6个环，因此六元环中的平均C原子数为6×112＝12，平均C—C键数为6×16＝1。C原子数:C—C键键数＝1:2；C原子数:六元环数＝1:2。2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似，C被Si代替，C与C之间插氧，即为SiO2晶体，则SiO2晶体中最小环为12环（6个Si，6个O），最小环的平均Si原子个数：6×112＝12；平均O原子个数：6×16＝1。即Si:O＝1:2，用SiO2表示。在SiO2晶体中每个Si原子周围有4个氧原子，同时每个氧原子结合2个硅原子。一个Si原子可形成4个Si—O键，1molSi原子可形成4molSi—O键。图1图2NaCl晶体图3CsCl晶体图4金刚石晶体但是由此有许多学生认为二氧化硅晶体结构中一个最小的环是由8个原子构成的。实际上，在二氧化硅晶体中每个硅原子与周围的四个氧原子的成键情况与金刚石晶体中的碳原子与周围的其它碳原子连接的情况是相同的。即每个硅原子与周围的四个氧原子构成一个正四面体。只是每个氧原子又处在由另一个硅原子为中心的一个正四面体上。即每个氧原子为两个硅氧四面体共用。如上图所示。从此图中可以明确看出，构成二氧化硅晶体结构的最小环是由12个原子构成的椅式环，注意图中∠O－Si－O=109°28′。三、干冰——分子晶体干冰晶体是一种立方面心结构，立方体的八个顶点及六个面的中心各排布一个CO2分子，晶胞是一个面心立方。一个晶胞实际拥有的CO2分子数为四个（均摊法），每个CO2分子周围距离相等且最近的CO2分子共有12个。分子间由分子间作用力形成晶体。每个CO2分内存在共价键，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的作用力决定，重要因素是相对分子质量，因此当晶体熔化时，分子内的化学键不发生变化。每个结构单元中含CO2分子数目为：8×18+6×12＝4四、石墨——混合型晶体石墨晶体是层状结构，在每一层内有无数个正六边形，同层碳原子间以共价键结合，晶体中C—C的夹角为120℃,层与层之间的作用力为范德瓦尔斯力，每个C原子被六个棱柱共用，每六个棱柱实际占有的C原子数为2个。每个正六边形拥有的C原子数为：6×13＝2；每个C原子平均形成32个共价键，C原子数与C—C键数之比为2:3。石墨的独特结构决定了它的独特性质，该晶体实际介于原子晶体、分子晶体、金属晶体之间，因此具有各种晶体的部分性质特点，是一种混合型晶体。如熔点高、硬度小、能导电等。五、固态金属单质——金属晶体金属（除金属汞外）在常温下都是晶体，在金属中，金属原子好像许多硬球一样一层一层紧密地堆积着。每个金属原子周围都有许多相同的金属原子围绕着。其实由于金属原子的最外层电子都较少，故金属原子容易失去电子变成金属离子。金属原子释放电子后形成的离子按一定规律堆积，释放的电子则在这个晶体里自由运动，这就是自由电子。在金属晶体的内部，金属离子和自由电子之间存在较强的相互作用力，这个作用力便是金属键。因此有人形象地将金属键比喻为金属阳离子沉浸在自由电子的海洋里。图7CO2晶体图8石墨的结构例题分析：【例题1】现有四种晶体，其离子排列方式如下图所示，其中化学式正确的是ABCD解析：A选项中处于顶点的B原子8个，处于体心的A原子1个，故A的化学式为AB。B选项中E和F均为4×18＝12，故B的化学式为EF。C选项中位于体心的X原子1个，位于面心的Y原子为6×12＝3，位于顶点的Z原子8×18＝1，故C的化学式为XY3Z。D选项与NaCl的结构相同，故D的化学式为AB。答案：C、D点拨：均摊法确定某些晶体的化学式的方法：均摊法是指每个晶体中平均拥有的离子数目。例如立方晶体中粒子个数比的求法：①处于顶点的粒子，同时为8个晶胞共有，每个粒子有18属于该晶胞；②处于棱上的粒子，同时为4个晶胞共有，每个粒子有14属于该晶胞；③处于面上的粒子，同时为2个晶胞共有，每个粒子有12属于该晶胞；④处于晶胞内的粒子，则完全属于该晶胞。对于非长方体或正方体晶胞中粒子对晶胞的贡献看具体情况而定。如石墨晶体，晶胞每一层内碳原子排列成正六边形，其顶点对六边形的贡献为13。【例题2】NaCl的晶胞如图，每个NaCl晶胞中含有的Na＋离子和Cl－离子的数目分别是A.14，13B.1，1C.4，4D.6，6【解析】Na＋离子的数目：8×18+6×12＝4个；Cl－离子的数目：1+12×14＝4个答案：C【例题3】（2010年全国卷）下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是A．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子B．最小的环上，Si和O原子数之比为1:2C．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子D．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角解析：二氧化硅是原子晶体，结构为空间网状，存在硅氧四面体结构，硅处于中心，氧处于4个顶角，在SiO2晶体中，每6个Si和6个O形成一个12元环（最小环），所以CNa＋Cl－ABAB2FEEF2XZYXY3ZABAB选项正确，A、B、D选项均错误。答案：C点拨：该题考查的是考生的空间想象能力和信息迁移能力，实际上第三册课本第一单元里面有SiO2晶体网状结构结构示意图。再次说明了化学学习要重视课课本，以本为本。【例题4】（2010江苏高考）乙炔是有机合成工业的一种原料。工业上曾用CaC2与水反应生成乙炔。(1)CaC2中C22-与O22+互为等电子体，O22+的电子式可表示为；1molO22+中含有的π键数目为。(2)将乙炔通入[Cu(NH3)2]Cl溶液生成Cu2C2红棕色沉淀。Cu+基态核外电子排布式为。(3)乙炔与氢氰酸反应可得丙烯腈（H2C＝CH－C≡N）。丙烯腈分子中碳原子轨道杂化类型是；分子中处于同一直线上的原子数目最多为。(4)CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似（如右图所示），但CaC2晶体中含有的中哑铃形C22-的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶体中1个Ca2+周围距离最近的C22-数目为。解析：（1）根据等电子体原理可知，O22+的电子式，在1mol三键含有2mol的π键和1mol的δ键，故1molO22+中，含有2NA个π键（2）Cu为29号元素，要注意3d轨道写在4s轨道的前面同时还有就是它的3d结构，Cu+的基本电子排布式为1s22s22p63s23p63d10（3）—通过丙烯氰的结构可以知道碳原子的杂化轨道类型为sp和sp2杂化，同一直线上有3个原子。（4）依据晶胞示意图可以看出，从晶胞结构图中可以看出，1个Ca2+周围距离最近的C22-有4个，而不是6个，要特别主要题给的信息。答案：（1）2NA（2）1s22s22p63s23p63d10（3）sp杂化sp2杂化3（4）4【例题5】石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料（结构示意图如下），可由石墨剥离而成，具有极好的应用前景。下列说法正确的是A.石墨烯与石墨互为同位素B.0.12g石墨烯中含有6.02*1022个碳原子C石墨烯是一种有机物D.石墨烯中的碳原子间以共价键结合【解析】同位素的研究对象是原子，A选项错误；0.12g石墨烯的物质的量为0.01mol，所含碳原子个数为0.01NA，B选项错误；有机物一般含有碳、氢元素，C选项错误；由图示可知，石墨烯中碳原子间均为共价键结合，D选项正确。答案：D【例题6】（2010江苏高考）乙炔是有机合成工业的一种原料。工业上曾用CaC2与水反应生成乙炔。(1)CaC2中C22-与O22+互为等电子体，O22+的电子式可表示为；1molO22+中含有的π键数目为。(2)将乙炔通入[Cu(NH3)2]Cl溶液生成Cu2C2红棕色沉淀。Cu+基态核外电子排布式为。(3)乙炔与氢氰酸反应可得丙烯腈（H2C＝CH－C≡N）。丙烯腈分子中碳原子轨道杂化类型是；分子中处于同一直线上的原子数目最多为。(4)CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似（如右图所示），但CaC2晶体中含有的中哑铃形C22-的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶体中1个Ca2+周围距离最近的C22-数目为。解析：（1）根据等电子体原理可知，O22+的电子式，在1mol三键含有2mol的π键和1mol的δ键，故1molO22+中，含有2NA个π键（2）Cu为29号元素，要注意3d轨道写在4s轨道的前面同时还有就是它的3d结构，Cu+的基本电子排布式为1s22s22p63s23p63d10（3）—通过丙烯氰的结构可以知道碳原子的杂化轨道类型为sp和sp2杂化，同一直线上有3个原子。（4）依据晶胞示意图可以看出，从晶胞结构图中可以看出，1个Ca2+周围距离最近的C22-有4个，而不是6个，要特别主要题给的信息。答案：（1）2NA（2）1s22s22p63s23p63d10（3）sp杂化sp2杂化3（4）4【例题7】铜单质及其化合物在很多领域有重要的用途，如金属铜用来制造电线电缆，五水硫酸铜可用作杀菌剂。（1）Cu位于元素周期表第IB族。Cu2+的核外电子排布式为_______。（2）右图是铜的某种氧化物的晶胞结构示意图，可确定该晶胞中阴离子的个数为_____。（3）胆矾CuSO4·5H2O可写成[Cu(H2O4)]SO4·H2O，其结构示意图如下：下列说法正确的是__________（填字母）。A.在上述结构示意图中，所有氧原子都采用sp3杂化B.在上述结构示意图中，存在配位键、共价键和离子键C.胆矾是分子晶体，分子间存在氢键D.胆矾中的水在不同温度下会分步失去（4）往硫酸铜溶液中加入过量氨水，可生成[Cu(NH3)4]2+配离子。已知NF3与NH3的空间构型都是三角锥形，但NF3不易与Cu2+形成配离子，其原因是_______________。（5）Cu2O的熔点比Cu2S的_________（填“高”或“低”），请解释原因__________。解析：（1）Cu（电子排布式为：【Ar】3d104s1）→Cu2+的过程中，参与反应的电子是最外层的4s及3d上各一个电子，故Cu2+离子的电子是为：【Ar】3d9或1s22s22p63s23p63d9；（2）从图中可以看出阴离子在晶胞有四类：顶点（8个）、棱上（4个）、面上（2个）、体心（1个），