专题四：化学键和晶体结构

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专题目标：1、掌握三种化学键概念、实质，了解键的极性

          2、掌握各类晶体的物理性质，构成晶体的基本粒子及相互作用，能判断常见物质的晶体类型。

[经典题型]

[题型一]化学键类型、分子极性和晶体类型的判断

[ 例1 ]4.下列各组物质的晶体中,化学键类型相同、晶体类型也相同的是  [    ]

(A)SO₂和SiO₂    (B)CO₂和H₂  (C)NaCl和HCl    (D)CCl₄和KCl

[点拨]首先根据化学键、晶体结构等判断出各自晶体类型。A都是极性共价键，但晶体类型不同，选项B均是含极性键的分子晶体，符合题意。C NaCl为离子晶体，HCl为分子晶体

D中CCl_{4极性共价键，}KCl离子键，晶体类型也不同。

规律总结 1、含离子键的化合物可形成离子晶体

         2、含共价键的单质、化合物多数形成分子晶体，少数形成原子晶体如金刚石、晶体硅、二氧化硅等。

         3、金属一般可形成金属晶体

[例2]、.关于化学键的下列叙述中,正确的是(     ).

(A)离子化合物可能含共价键 (B)共价化合物可能含离子键

(C)离子化合物中只含离子键 (D)共价化合物中不含离子键

[点拨]化合物只要含离子键就为离子化合物。共价化合物中一定不含离子键，而离子化合物中还可能含共价键。答案 A、D

[巩固]下列叙述正确的是

    A. P₄和NO₂都是共价化合物

    B. CCl₄和NH₃都是以极性键结合的极性分子

    C. 在CaO和SiO₂晶体中，都不存在单个小分子

D. 甲烷的结构式：           ，是对称的平面结构，所以是非极性分子

答案：C

题型二：各类晶体物理性质（如溶沸点、硬度）比较

[例3]下列各组物质中，按熔点由低到高排列正确的是（  ）

A  O2 、I2  Hg    B、CO₂ KCl SiO_{2  C、Na  K  Rb   D、SiC  NaCl SO2}

_{[点拨]物质的熔点一般与其晶体类型有关，原子晶体最高，离子晶体（金属晶体）次之，分子晶体最低，应注意汞常温液态选B}

 [例4]碳化硅(SiC)的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列三种晶体①金刚石、②晶体硅、③碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是

    A. ①③②            B. ②③①           C. ③①②           D. ②①③

[解析]由于题给的三种物质都属于原子晶体，而且结构相似都是正四面体形的空间网状结构，所以晶体的熔点有微粒间的共价键强弱决定，这里共价键强弱主要由键长决定，可近似地看作是成键原子的半径之和，由于硅的原子半径大于碳原子，所以键的强弱顺序为C―C>C―Si>Si―Si，熔点由高到低的顺序为金刚石>碳化硅>晶体硅。本题正确答案为A。

_{[题型三]成键原子最外层8电子结构判断，离子化合物、共价化合物电子式书写判断}

_[例5] 下列分子中所有原子都满足最外层8电子结构的是
         A、光气（COCl₂）                       B、六氟化硫
         C、二氟化氙                                        D、三氟化硼

[解析]光气从结构式可看出各原子最外层都是8电子结构，硫最外层6个电子，氙最外层已有8个电子分别形成二氟化物、六氟化物最外层电子数必超过8，硼最外层3个电子，分别与氟形成3个共价单键后，最外层只有6个电子。

[题型四]根据粒子、晶体的空间结构推断化学式，将掌握晶体结构知识在新情境下进行应用。

[例6]第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类  1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳五个CH₄分子或1个游离H₂O分子。根据上述信息，完成第1、2题：

（1）．下列关于天然气水合物中两种分子极性的描述正确的是

A  两种都是极性分子                    B  两种都是非极性分子

C  CH₄是极性分子，H₂O是非极性分子    D  H₂O是极性分子，CH₄是非极性分子

（2）．若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH₄分子，另外2个笼被游离H₂O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为

ACH₄?14H₂O    B  CH₄?8H₂O   C  CH₄?(23/3)H₂O     D  CH₄?6H₂O

[点拨]晶体中8个笼只有6个容纳CH4分子，另外2个笼被水分子填充，推出8个笼共有6个甲烷分子，46+2=48个水分子。答案（1）D（2）B

[例7]⑴中学化学教材中图示了NaCl晶体结构，它向三维空间延伸得到完美晶体。NiO(氧化镍)晶体的结构与NaCl相同，Ni²⁺与最邻近O^2-的核间距离为a×10^-8cm，计算NiO晶体的密度(已知NiO的摩尔质量为74.7g/mol)。

    ⑵天然和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如在某氧化镍晶体中就存在如图4-4所示的缺陷：一个Ni²⁺空缺，另有两个Ni²⁺被两个Ni³⁺所取代。其结果晶体仍呈电中性，但化合物中Ni和O的比值却发生了变化。某氧化镍样品组成为Ni_0.97O，试计算该晶体中Ni³⁺与Ni²⁺的离子数之比。

                                                              图4-1

[解析]晶胞中阴、阳离子个数的确定通常采用“原子分割法”，具体如下：①处于顶点的离子，同时为8个晶胞共有，每个离子有1/8属于晶胞；②处于棱上的离子，同时为4个晶胞共有，每个离子有1/4属于晶胞；③处于面上的离子，同时为2个晶胞共有，每个离子有1/2属于晶胞；④处于内部的1个离子，则完全属于该晶胞，该离子数目为1。要确定NiO的密度，就应确定单位体积中NiO分子的个数，再结合NiO的摩尔质量求算出该晶体中NiO的质量，最后求出密度。本题解答如下：

    ⑴如图4-5所示，以立方体作为计算单元，此结构中含有

Ni²⁺―O^2-离子数为：4×=(个)，所以1molNiO晶体中应含有

此结构的数目为6.02×10²³÷=12.04×10²³(个)，又因一个此结构的体积为(a×10^-8cm)³，所以1molNiO的体积应为12.04×10²³×(a×10^-8cm)³，NiO的摩尔质量为74.7g/mol，所以NiO晶体的密度为

    ⑵解法一(列方程)：设1molNi_0.97O中含Ni³⁺为xmol，Ni²⁺为ymol，则得

         x+y=0.97  (Ni原子个数守恒)

         3x+2y=2  (电荷守恒)

解得x=0.06，y=0.91，故n(Ni³⁺):n(Ni²⁺)=6:91

    解法二(十字交叉)：由化学式Ni_0.97O求出Ni的平均化合价为2/0.97，则有

         Ni³⁺   3              0.06/0.97

                    2/0.97

         Ni²⁺   2              0.91/0.97

故n(Ni³⁺):n(Ni²⁺)=6:91。

[随堂作业]

1、1．下列物质为固态时，必定是分子晶体的是

A.　酸性氧化物　　B.　非金属单质　　　C.　碱性氧化物　　D.　含氧酸

3．下列化学式可表示一个分子的是                                           (    )

 A. SiO₂             B. NH₄Cl             C. CCl₄              D. C

4．实现下列变化时，需克服相同类型作用力的是                            (    )

A. 二氧化硅和干冰的熔化 B. 液溴和液汞的气化 C. 食盐和冰的熔化 D. 纯碱和烧碱的熔化

5．能与氢氧化钠溶液反应的原子晶体是　　　　　　　　　　　　　　　　　　（　　）

A、铝      B、金刚石       C、硅        D、二氧化硅

6．下列各组物质各自形成的晶体，均属于分子晶体的化合物是　　　　　　　　（　　）

A  NH₃，HD，C₁₀H₈  B  PCl₃，CO₂，H₂SO₄　C  SO₂，SiO₂，P₂O₅  D  CCl₄，Na₂S，H₂O₂

7 下列物质属于分子晶体的化合物是　　　　　　属于原子晶体的单质是　　　　　

A  石英 B硫磺 C  干冰　 D  食盐   E 金刚石   F刚玉    G二氧化硅  H干冰

8．由钾和氧组成的某种离子晶体含钾的质量分数是78/126，其阴离子只有过氧离子（O₂^2－）和超氧离子（O₂^－）两种。在此晶体中，过氧离子和超氧离子的物质的量之比为     

A  2：1        B  1：1         C  1：2          D 1：3　　　　

9. 1999年美国《科学》杂志报道：在40GPa高压下，用激光器加热到1800K，人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是                        

A、原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度

B、原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料 

C、原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料

D、每摩尔原子晶体干冰中含2mol C―O键

10.下列叙述中正确的是

A.含有阳离子的晶体不一定是离子晶体     B.分子晶体中一定含有共价键

C.原子晶体中一定含有非极性键          D.双原子化合物分子一定是极性分子

11、共价键、金属键、离子键和分子间作用力都是构成物质微粒间的不同相互作用，含有上述中两种相互作用的晶体是

A、SiO₂晶体       B、CCl₄晶体      C、NaCl晶体      D、NaOH晶体

12. SF₆是一种无色气体，具有很强的稳定性，可用于灭火。SF₆的分子结构如上图所示，呈正八面体型。如果F元素有两种稳定的同位素，则SF₆的不同分子种数为                        

A、6种        B、7种        C、10种        D、12种

13.按要求回答下列问题

①石墨是层状晶体，每一层内，碳原子排列成正六边形，一个个六边形排列成平面的网状结构。如果将每对相邻的碳原子的化学键看成一个化学键，则石墨晶体的每一层中碳原子数与C－C化学键数的比是　　　　　　　石墨晶体中C-C键的键角为         。其中平均每个六边形所含的C原子数为        个。

④白磷分子中的键角为      ，分子的空间结构为           ，每个P原子与   个P原子结合成共价键。若将1分子白磷中的所有P-P键打开并各插入一个氧原子，共可结合   个氧原子,若每个P原子上的孤对电子再与氧原子配位，就可以得到磷的另一种氧化物    （填分子式）。

⑥晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体的原子晶体。其中含有20个等边三角形和一定数目的顶角，每个顶角各有一个原子，试观察图形回答。这个基本结构单元由_____个硼原子组成，共含有______B-B键。

⑦NH₃分子的空间结构为        ，它具有碱性是由于分子中存在         ，当结合H⁺后形成的NH₄⁺离子的的空间结构为           。分子中N-H键的键角为           。

⑧晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体的原子晶体。其中含有20个等边三角形和一定数目的顶角，每个顶角各有一个原子，试观察图形回答。这个基本结构单元由_____个硼原子组成，键角是______，共含有________个B-B键。

14、（1）下图为固态CO₂的晶体结构示意图。通过观察分析，可得出每个CO₂分子周围与之紧邻等距的CO₂有          个。（2）试判断：①SiO₂，②CO₂，③CS₂晶体的熔点由高到低排列的顺序是        .（填相应物质的编号）。  （3）在一定温度下，用x射线衍射法测干冰晶胞（晶体中最小的重复单位）边长: a＝5.72×10^－8cm该温度下干冰的密度为多少？　　　

，

15．最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如附图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式是______。

16．由A族元素A和A族元素B组成的阴离子结构如右图，所带电荷x、y、z依次为

A  2，3，4    B  2，3，2   

C  5，6，4    D、4，3，2

17．某离子晶体晶胞结构如图所示，X位于立方体的顶点， Y位于立方体的中心，晶体中距离最近的两个X与一个Y形成的夹角∠XYX的角度为             

晶体中每个Y同时吸引着    个X，该晶体化学式为        每个X周围跟它等距离最近的X有    个。

18、图4-3是石英晶体平面示意图，它实际上是立体的网状结构，其中硅、氧原子数之比为______。原硅酸根离子SiO₄^4－的结构如图4-1所示，二聚硅酸根离子Si₂O₇^6－中，只有硅氧键，它的结构可表示为______________。