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第三章第2節
幾種簡單的晶體結構模型
第3、4課時
共價晶體
學習目標
1、掌握典型的幾種共價晶體結構模型
2、了解共價晶體結構與性質的關系
3、掌握典型的分子晶體和石墨晶體結構模型。
4、掌握典型四種晶體結構與性質的關系，會判斷晶體類型。
2.幾種典型的共價晶體
⑴金剛石晶體
①金剛石的晶體結構：
②晶胞的碳原子數：
在金剛石的晶胞中，碳原子分別位于立方體的8個頂點、6個面心、4個小立方體的體心上，這4個碳原子分別和周圍的4個碳原子通過C—C共價鍵結合。
金剛石的晶胞
8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝8
每個晶胞的碳碳共價鍵數：4× 4 ＝16
晶胞中的原子數：8個 配位數：4
①在金剛石晶體中，碳原子以sp3雜化軌道與和它緊鄰的4個碳原子以共價鍵相互結合形成空間立體網狀結構，即每個碳原子的配位數為4，碳碳鍵鍵角為109.5°，以每個碳原子為中心，與其直接鍵合的相鄰的4個碳原子都形成正四面體結構。
②從金剛石結構中取出一個立方單元，即得到金剛石的晶胞，每個晶胞中實際含有8個碳原子。與立方ZnS的晶體結構相比較，可以看出它們非常相似，只不過前者是將后者中不等徑的球(鋅離子和硫離子)全部換成等徑圓球(碳原子)而已。
思考：
金剛石晶體中，C原子所連接的最小環也為六元環，每個C原子連接 個六元環，六元環中最多有 個C原子在同一平面。
兩個椅式
12
4
④晶體中微粒的關系：
C
Si
SiC晶胞
⑶SiO2晶體
在SiO2晶體的晶胞中每個硅原子與周圍4個氧原子形成共價鍵形成硅氧四面體，每個氧原子與周圍2個硅原子形成共價鍵；形成空間立體網狀結構。
①SiO2的晶體結構：
SiO2晶體的晶胞
②SiO2的晶胞中的原子數：
Si原子數：8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝8 O原子數：4×4 ＝16
③二氧化硅的化學式：SiO2
每個晶胞中Si-O共價鍵數：16×2 ＝32
例5、二氧化硅是立體的網狀結構，其晶體模型如圖所示，請認真觀察該晶體模型后回答以下問題：
(1)二氧化硅晶體中最小環為________元環。
(2)每個硅原子為______個最小環共有；
每個最小環中有___個硅原子，__個氧原子。
(3)每個最小環平均擁有________個硅原子，
______個氧原子。
(4)1 mol SiO2中含有________mol Si—O鍵。
12
12
6
6
1/2
1
4
三種常見的共價晶體
金剛石 碳化硅 二氧化硅
晶胞
中心原子 雜化類型
鍵角
晶胞中微粒數目
1 mol物質中化學鍵物質的量
sp3
sp3
sp3
109°28'
109°28'
(O-Si-O)109028'
8個C
2 mol C—C鍵
4 molC—Si鍵
C:4個 Si:4個
4 molSi—O鍵
Si:8個 O:16個
(1)鍵能由大到小的順序： (2)熔點由高到低的順序：
(3)硬度由大到小的順序：
得到的規律是：對結構相似的共價晶體來說，原子半徑 ，鍵長 ，鍵能 ，晶體的熔點就越高，硬度越大。
部分共價晶體的鍵能、熔點和硬度
交流研討
C-C、C-Si、Si-Si
金剛石、碳化硅、晶體硅
金剛石、碳化硅、晶體硅
越大
越小
越短
四、分子晶體
⑴定義：分子間以分子間作用力(范德華力，氫鍵)相結合的晶體叫分子晶體。
⑵構成晶體的微粒：分子(相鄰原子間以共價鍵結合構成分子)。
⑶晶體微粒間的作用力：分子間作用力(包含范德華力和氫鍵)。
1、分子晶體的概念：
分子晶體氣化或熔化時破壞的作用力：分子間作用力。
2.典型的分子晶體
(1)部分非金屬單質: X2，O2，H2， S8，P4， C60 等
(2)非金屬氫化物：H2O，NH3，CH4，HX 某些非金屬氧化物:CO2， SO2， NO2，常見的的酸：H2SO4，HNO3，H3PO4等
(3)絕大多數有機物：乙醇，冰醋酸，蔗糖等
3、幾種典型的分子晶體的結構
分子間以范德華力相結合的分子晶體，由于分子間作用力沒有方向性和飽和性，分子構成晶體時盡可能地采取緊密堆積的方式形成晶體。如碘晶體、干冰晶體等。
⑴碘晶體
①碘晶體的晶胞：
晶胞為長方體(是一種變形的面心立方)，8個頂點和6個面心各有一個碘分子，分子的方向有兩種取向。氯單質、溴單質的晶體結構和碘非常類似，只是大小不同。
②晶胞的微粒數：
I2 8×1/8 ＋ 6×1/2 ＝4
碘分子間以范德華力相結合，晶體熔化時只破壞范德華力，不影響分子內的化學鍵。
⑵干冰晶體
①干冰晶體的晶胞：
干冰晶胞為面心立方，8個頂點和6個面心各有一個分子。
②晶胞的微粒數：
CO2 8×1/8 ＋ 6×1/2 ＝4
③和CO2 分子距離相等且最近的CO2 分子數是12個。
CO2 分子間以范德華力相結合，晶體熔化時只破壞范德華力，不影響分子內的化學鍵。
分子的密堆積
（與CO2分子距離最近的CO2分子共有12個 ）
干冰的晶體結構圖
1.SiO2和CO2都是第ⅣA族元素的氧化物，化學性質有許多相似之處，但物理性質卻有很大的差異，為什么？
【提示】　SiO2是共價晶體，晶體中的Si—O鍵鍵能很大，不易被破壞，所以SiO2熔點很高，硬度很大，不溶于水也不與水反應。CO2是分子晶體，熔化或氣化時只破壞分子間作用力，不破壞化學鍵，而分子間作用力比化學鍵弱的多，所以CO2熔、沸點很低，固體的硬度很小。
思考感悟
和碘晶體、干冰晶體一樣，甲烷、碳-60的晶體，分子間以范德華力相結合的分子晶體，分子構成晶體時盡可能地采取緊密堆積的方式形成晶體。
冰晶體中水分子間存在哪幾種相互作用？對冰晶體的結構與性質產生怎樣的影響？
觀察 思考
⑶冰的晶體結構
冰晶體是分子間以氫鍵相結合的分子晶體，由于氫鍵有方向性和飽和性，分子構成晶體時不采取緊密堆積的方式形成晶體。
冰晶體主要是水分子依靠氫鍵形成的(亦有范德華力),氫鍵有方向性,它的存在迫使在四面體中心的每個水分子與四面體頂點方向的4個相鄰水分子互相吸引。由于氫鍵的方向性和飽和性,分子間距比較大,有很多空隙,結構比較松散,不符合緊密堆積。每個水分子周周有4個水分子,故配位數為4。
典型的分子晶體是指有限數目的原子以共價鍵結合為分子后,這些分子再通過分子間作用力結合形成晶體。一般來說,分子在無方向性的分子間作用力的作用下堆積時,盡可能利用空間緊密地堆積在一起,這一點與金屬晶體相似。但是,分子的形狀、分子的極性以及分子之間是否存在氫鍵等都會影響分子的堆積方式。
歸納 總結
如苯甲酸晶體中,苯甲酸分子排列形成層狀結構,同一平面內分子之間通過氫鍵相互作用連接,平面之間的分子依靠范德華力維系。
⑴對于組成和結構相似、晶體中又不含氫鍵的分子晶體，相對分子質量越大，分子間作用力越 強，熔沸點越高；
4、分子晶體的物理性質
⑵由于分子間作用力很弱，所以分子晶體一般具有：
① 較低的熔點、沸點 ② 較小的硬度
③ 一般都是絕緣體，熔融狀態不導電。
⑶對于能夠形成分子間氫鍵的分子晶體，熔沸點顯著升高。
晶體結構的復雜性
1、石墨晶體
⑵碳原子采取sp2雜化,C—C鍵之間的夾角為120°。
⑶層與層之間以范德華力結合。
⑴石墨的晶體具有層狀結構,同一層中的每個碳原子與鄰近的3個碳原子以共價鍵相結合,形成無限的六邊形平面網狀結構。每個碳原子還有1個
與碳環平面垂直的未參與雜化的2p軌道,并含有1個未成對電子,能形成遍及整個平面的大π鍵
⑷石墨晶體既含有共價鍵,又有范德華力,同時還存在類似金屬鍵的作用力,這類晶體稱為混合型晶體。石墨熔點高、質軟、能導電。
像石墨晶體這樣，原子之間形成的化學鍵往往是介于典型模型(金屬鍵、離子鍵、共價鍵、配位鍵)之間的過渡狀態。由于微粒間的作用存在鍵型過渡，即使組成簡單的晶體，也可能是居于金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體之間的過渡狀態，形成過渡晶體。
2、過渡晶體
石墨晶體為層狀結構，同層內碳原子以共價鍵結合成平面網狀結構，C—C鍵的鍵長比金剛石中C—C鍵的鍵長短，鍵能大，所以石墨的熔、沸點高。
(1)一方面,物質組成的復雜性導致晶體中存在多種不同微粒以及不同的微粒間作用。
3、晶體的復雜性
例如：BaTiO3含有一種陰離子O2-和多種陽離子Ti4+、Ba2+。
金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體等模型都是典型的晶體結構模型，大多數實際晶體結構要復雜得多。
牙齒表面覆蓋的牙釉質是人體中最堅硬的部分，其主要成分為羥基磷酸鈣Ca5(PO4)3OH含有一種陽離子Ca2+和多種陰離子PO43-、OH-。
O2-
Ba2+
Ti4+
又如：在Na2SiO3固體中并不存在單個的簡單SiO32－，Si通過共價鍵與4個O原子相連，形成硅氧四面體。硅氧四面體通過共用頂角O原子而連成較大的鏈狀硅酸鹽{SiO32－}∞單元(如圖所示)，帶負電的鏈狀硅酸鹽{SiO32－}∞單元與金屬陽離子以離子鍵相互作用。
(2)另一方面，金屬鍵、離子鍵、共價鍵、配位鍵等都是化學鍵的典型模型，但是原子之間形成的化學鍵往往是介于典型模型之間的過渡狀態。即使組成簡單的晶體，也可能是居于金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體之間的過渡晶體。
晶體熔、沸點高低的比較
1．不同類型晶體的熔、沸點高低的一般規律
共價晶體＞離子晶體＞分子晶體
金屬晶體的熔、沸點差別很大，如鎢、鉑等沸點很高，而汞、鎵、銫等沸點很低。
2．共價晶體
由共價鍵形成的共價晶體中，原子半徑小的鍵長短，鍵能大，晶體的熔、沸點高。如熔點：金剛石＞石英＞碳化硅＞硅。
3．離子晶體
一般地說，陰、陽離子的電荷數越多，離子半徑越小，則離子間的作用力就越強，其離子晶體的熔、沸點就越高，即：晶格能越大，離子晶體的熔、沸點越高。如熔點：MgO＞MgCl2＞NaCl＞CsCl。
4．分子晶體
(1)分子間作用力越大，物質的熔、沸點越高；具有氫鍵的分子晶體熔、沸點反常的高。如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。
(2)組成和結構相似的分子晶體，相對分子質量越大，熔、沸點越高，如SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。
(3)組成和結構不相似的物質(相對分子質量接近)，分子的極性越大，其熔、沸點越高，如CO＞N2，CH3OH＞CH3CH3。
(4)同分異構體，支鏈越多，熔、沸點越低。
例如，
5．金屬晶體
金屬離子半徑越小，離子電荷數越多，其金屬鍵越強，金屬熔、沸點就越高，如熔、沸點：Na＜Mg＜Al。
特別提醒：上述總結的規律都是一般規律，不能絕對化。在具體比較晶體的熔、沸點高低時，應先弄清晶體的類型，然后根據不同類型晶體進行判斷，但應注意具體問題具體分析，如MgO為離子晶體，其熔點(2800 ℃)要高于原子晶體SiO2(1713 ℃)。
2.四種晶體的結構特征
(1)離子晶體的結構特征
①離子鍵無方向性和飽和性,在離子晶體中陰、陽離子與異電性離子接觸盡可能采用最密堆積,可以看作是不等徑圓球密堆積。
②構成微粒:陰離子和陽離子,離子晶體中不存在單個分子。
(2)金屬晶體的結構特征
由于自由電子為整個金屬所共有,所以金屬鍵沒有方向性和飽和性,從而導致金屬晶體最常見的結構型式具有堆積密度大,原子配位數高,能充分利用空間等特點。
(3)共價晶體的結構特征
①在共價晶體中,各原子均以共價鍵結合,因為共價鍵有方向性和飽和性,所以中心原子周圍的原子數目是有限的,原子不采取密堆積方式。
②共價晶體的組成微粒是原子,不存在單個分子,其化學式僅代表原子的個數比。
③空間構型:空間網狀結構。
(4)分子晶體的結構特征
①分子間不存在氫鍵的分子晶體,由于范德華力沒有方向性和飽和性,所以分子盡可能采取密堆積方式。
②分子間存在氫鍵的分子晶體,由于氫鍵具有方向性和飽和性,所以分子不能采取密堆積方式。

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