物质结构晶体分类及空间利用率的计算

1常见的晶体结构及密度、空间利用率的计算一、四大晶体比较1、晶体常识(1)晶体与非晶体的比较晶体非晶体结构特征结构微粒周期性有序排列结构微粒无序排列性质特征自范性有无熔点固定不固定异同表现各向异性各向同性二者区别方法间接方法看是否有固定的熔点科学方法对固体进行X­射线衍射实验(2)得到晶体的途径：①熔融态物质凝固；②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)；③溶质从溶液中析出(3)晶胞概念：描述晶体结构的基本单元(4)晶体中晶胞的排列——无隙并置①无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙②并置：所有晶胞平行排列、取向相同(5)用均摊法确定晶胞中的粒子数和晶体的化学式：均摊是指每个结构单元(晶胞)平均拥有的粒子数目。在晶体中，一个粒子同时为n个结构单元(晶胞)所共有，那么对一个结构单元(晶胞)来讲，该粒子只能算作n1。以立方体晶胞为例：①凡处于立方体顶点的微粒，同时为8个晶胞共有，属于该晶胞的为1/8②凡处于立方体棱上的微粒，同时为4个晶胞共有，属于该晶胞的为1/4③凡处于立方体面上的微粒，同时为2个晶胞共有，属于该晶胞的为1/2④凡处于立方体体心的微粒，完全属于该晶胞2、四种晶体类型的比较类型比较分子晶体原子晶体金属晶体离子晶体概念只含分子的晶体(即分子构成的晶体)或者说分子间以分子间作用力相结合形成的晶体相邻原子间以共价键相互结合形成空间网状结构的晶体由金属阳离子和自由电子通过金属键键形成的具有一定几何外形的晶体由阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体构成粒子分子原子金属阳离子、自由电子阴、阳离子粒子间的相互作用范德华力(某些含氢键)共价键金属键离子键硬度较小很大有的很大，有的很小较大熔、沸点较低很高有的很高，有的很低较高溶解性相似相溶难溶于任何溶剂难溶于常见溶剂大多易溶于水等极性溶剂导电、传热性一般不导电，溶于水后有的能导电一般不具有导电性电和热的良导体晶体不导电，水溶液或熔融态导电物质类别及举例大多数非金属单质、气态氢化物、酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物(有机盐除外)部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼)、部分非金属化合物(如SiC、SiO2)金属单质与合金(如Na、Al、Fe、青铜)金属氧化物(如K2O、Na2O)、强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl)3、常见分子晶体的晶胞(1)CO2晶体晶胞：CO2分子间存在分子间作用力，CO2的晶胞呈面心立方体，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，因此，每个晶胞中有4个CO2分子。在干冰晶体中，每个CO2分子距离最接近且相等的CO2分子有12个(在三个互相垂直的平面上个4个)(CO2晶体晶胞)(碘晶体的晶胞)(冰晶体)(2)冰晶体：水分子之间的相互作用除了范德华力还有氢键，而冰晶体水分子之间主要是依靠氢键形成的。由于氢键具有一定的方向性，中央的水分子与周围的四个水分子结合，边缘的四个水分子也按照同样的规律再与其他的水分子结合。在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，虽然氢键不属于化学键，却也具有方向性，即氢键的存在迫使在正四面体中心的水分子与四面体顶点方向的4个相邻的水分子相互吸引(3)若分子间只有范德华力，则分子晶体采取分子密堆积，每个分子周围有12个紧邻的分子。在分子晶体中，原子先以共价键形成分子，分子再以分子间作用力形成晶体。由于分子间作用力没有方向性和饱和性，分子间尽可能采取密堆积的排列方式如：干冰、O2、I2、C60等分子(4)若分子间靠氢键形成的晶体，则不采取密堆积结构，每个分子周围紧邻的分子数要小于12个。因为氢键有方向性和饱和性，一个分子周围其他分子的位置和数目是一定的。如：冰晶体、苯甲酸晶体24、常见原子晶体的晶胞【硼晶体、金刚石、晶体硅、锗、SiO2、SiC(金刚砂)、BN(氮化硼)、Si3N4】(1)金刚石a、每个碳与相邻4个碳以共价键结合，形成正四面体结构，键角均为109°28′b、每个金刚石晶胞中含有8个碳原子，最小的碳环为6元环，并且不在同一平面(实际为椅式结构)，碳原子为sp3杂化c、每个碳原子被12个六元环共用，每个共价键被6个六元环共用，一个六元环实际拥有21个碳原子d、碳原子与共价键之比为1：2，12g金刚石中有2mol共价键(2)Si：由于Si与碳同主族，晶体Si的结构同金刚石的结构。将金刚石晶胞中的C原子全部换成Si原子，健长稍长些便可得到晶体硅的晶胞(3)SiO2：在晶体硅的晶胞中，在每2个Si之间插入1个O原子，便可得到SiO2晶胞a、SiO2晶体中最小的环为12元环，即6个O，6个Sib、每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构，每个正四面体占有1个Si，4个“12O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2c、每个Si原子被12个十二元环共用，每个O原子被6个十二元环共用d、每个SiO2晶胞中含有8个Si原子，含有16个O原子e、硅原子与Si—O共价键之比为1：4，1molSiO2晶体中有4mol共价键(4)SiC：将金刚石晶胞中的一个C原子周围与之连接的4个C原子全部换成Si原子，键长稍长些便可得到SiC的晶胞。(其中晶胞的8个顶点和6个面心为Si原子，4个互不相邻的立方体体心的为C原子，反之亦可)a、每个SiC晶胞中含有4个硅原子，含有4个碳原子b、1molSiC晶体中有4molSi—C共价键5、石墨晶体的结构——混合晶体(1)结构：石墨不同于金刚石，它的碳原子不像金刚石的碳原子那样呈sp3杂化，而是呈sp2杂化，形成平面六元并环结构，因此石墨晶体是层状结构的，每一层内部碳原子间是共价键相维系，层内的碳原子的核间距为142pm层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的；石墨的二维结构内，每一个碳原子的配位数为3，有一个末参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。石墨晶体中，既有共价键，又有金属键，还有范德华力，不能简单地归属于其中任何一种晶体，既不是原子晶体，也不是分子晶体，是一种混合晶体(2)晶体微粒间的作用：碳原子间有共价键，层与层间有范德华力，金属键(3)金刚石与石墨比较晶体比较金刚石石墨键长金刚石中C—C石墨中C—C键能金刚石石墨键角109°28′120°稳定性金刚石石墨熔、沸点金刚石石墨杂化方式sp3sp2配位数43晶体内的相互作用共价键共价键、金属键和范德华力结构特征正四面体形立体网状结构正六边形平面层状结构晶体类型原子晶体混合晶体有无未成键电子无有36、金属晶体的四种堆积模型对比堆积模型简单立方堆积体心立方堆积(钾型)面心立方最密堆积(铜型)六方最密堆积(镁型)晶胞代表金属PoNaKFeCuAgAuMgZnTi配位数681212晶胞占有的原子数原子半径(r)与立方体边长为(a)的关系密度的表达式空间利用率表达式(1)空间利用率的计算方法：3334arVV球数空间利用率晶胞球(2)配位数：在密堆积中，一个原子周围所邻接的原子的数目称为配位数。如果把金属原子视为一个球体，则一个圆球周围靠的最近的圆球为配位数(3)六方最密堆积的空间利用率算法7、常见离子晶体的晶胞【离子晶体中与某离子距离最近的异性离子的数目叫该离子的配位数】(1)NaCl晶体：一个NaCl晶胞中，有4个Na+，有4个Cl－①在NaCl晶体中，每个Na+同时强烈吸引6个Cl－，形成正八面体形；每个Cl－同时强烈吸引6个Na+②在NaCl晶体中，Na+和Cl－的配位数分别为6、6③在NaCl晶体中，每个Na+周围与它最接近且距离相等的Na+共有12个，每个Cl－周围与它最接近且距离相等的Cl－共有12个(2)CsCl晶体：一个CsCl晶胞中，有1个Cs+，有1个Cl－①在CsCl晶体中，每个Cs+同时强烈吸引8个Cl－,即Cs+的配位数为8，每个Cl－同时强烈吸引8个Cs+，即Cl－的配位数为8②在CsCl晶体中，每个Cs+周围与它最接近且距离相等的Cs+共有6个，形成正八面体形，在CsCl晶体中，每个Cl－周围与它最接近且距离相等的Cl－共有6个(3)CaF2晶体①1个CaF2的晶胞中，有4个Ca2＋，有8个F－②CaF2的晶体中，Ca2＋和F－的配位数不同，Ca2＋配位数是8，F－的配位数是44(4)决定离子晶体结构(即配位数)的因素①几何因素——晶体中正、负离子的半径比晶体中正、负离子的半径比半径比（r+/r_）0.2～0.40.4～0.70.7～1.0〉1.0配位数46810代表物ZnSNaClCsClCsF【结论】AB型离子晶体中，阴、阳离子的配位数相等，但正、负离子半径比越大，离子的配位数越大②电荷因素——晶体中正、负离子的电荷比(5)晶格能(1)定义：气态离子形成1mol离子晶体时释放的能量叫晶格能，符号位U，常用单位KJ/mol，取正值(2)影响晶格能大小的因素：离子电荷越大，离子半径越小，则离子晶体的晶格能越大(3)晶格能的作用：①晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大②晶格能也影响了岩浆晶析的次序，晶格能越大，晶体的熔点越高，更容易在岩浆冷却过程中先结晶。因此，在岩浆中，晶格能越大的的矿物越容易结晶析出(6)碳酸盐的热稳定性规律：碳酸盐的热分解是由于晶体中的阳离子结合碳酸根离子中的氧离子，使碳酸根离子分解为二氧化碳分子的结果①碳酸盐的分解温度与金属阳离子所带的电荷数及阳离子半径有关。碳酸盐的热稳定性是：碱金属的碳酸盐IIB族金属碳酸盐副族和过渡的碳酸盐，如：Na2CO3MgCO3FeCO3②在各族中，金属阳离子半径大的碳酸盐金属离子小的碳酸盐，如：BaCO3SrCO3CaCO3MgCO3二、晶体熔、沸点的比较1、不同类型晶体熔、沸点的比较(1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：原子晶体离子晶体分子晶体(2)金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低2、同种晶体类型熔、沸点的比较：则比较晶体内微粒之间相互作用力的大小(1)原子晶体：看共价键的强弱，取决于键长即成键原子半径大小原子半径越小―→键长越短―→键能越大―→熔、沸点越高如：金刚石、金刚砂(碳化硅)、晶体硅的熔、沸点逐渐降低(2)离子晶体：看离子键的强弱，取决于阴、阳离子半径大小和带电荷数①一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越大，其离子晶体的熔、沸点就越高如：熔点：MgOMgCl2NaClCsCl②衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大(3)分子晶体：分子间作用力(一般先氢键后范德华力最后分子的极性)①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常地高，如H2OH2TeH2SeH2S。②组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高，如SnH4GeH4SiH4CH4。③组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔、沸点越高，如CON2、CH3OHCH3CH3。④同分异构体支链越多，熔、沸点越低。如：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3(4)金属晶体：看金属键的强弱，取决于金属阳离子半径和所带电荷数即金属原子的价电子数金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高如：熔、沸点：NaMgAl三、描述核外电子的常用方法：以Fe为例，质量数为56(1)原子符号：(2)电子排布式：(3)简化电子排布式：(4)价电子排布式：(5)M层电子排布式：(6)原子结构示意图：(7)Fe2+的电子排布式：(8)Fe3+的电子排布式：(9)电子排布图(轨道表示式)：(10)价电子排布图：(11)最外层电子数：(12)价电子总数：5物质结构专题训练(一)1、1－I．下列说法中正确的是A．第一电离能由大到小的顺序为ONCB．由于C22和O22互为等电子体，所以可以推断O22的电子式为C．根据岩浆晶出规则，Ca0比Mg0更容易在岩浆冷却过程中先结晶D．液态HF通常也可以写成（HF）n的形式，是因为液态HF分子间存在氢键1－Ⅱ．(1)三聚氰胺分子的