化学新导学笔记人教选修三讲义第三章 第四节 离子晶体.docx
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化学新导学笔记人教选修三讲义第三章第四节离子晶体
第四节 离子晶体
[学习目标定位] 1.熟知离子键、离子晶体的概念,知道离子晶体类型与性质的联系。
2.认识晶格能的概念和意义,能根据晶格能的大小,分析晶体的性质。
一、离子晶体
1.概念及结构特点
(1)概念:
阴、阳离子通过离子键结合而形成的晶体。
(2)结构特点:
①构成微粒:
阴离子和阳离子,离子晶体中不存在单个分子。
②微粒间的作用力:
离子键。
2.典型离子晶体的结构类型
(1)配位数:
一个离子周围最邻近的异电性离子的数目,叫做离子晶体中离子的配位数。
(2)典型离子晶体的结构模型:
化学式
NaCl
CsCl
CaF2
晶胞
晶胞中离子数目
Na+:
4
Cl-:
4
Cs+:
1
Cl-:
1
Ca2+:
4
F-:
8
阳离子的配位数
6
8
8
阴离子的配位数
6
8
4
(3)在NaCl晶体中,每个Na+周围最近且等距离的Na+有12个,每个Cl-周围最近且等距离的Cl-也有12个。
在CsCl晶体中,每个Cs+周围最近且等距离的Cs+有6个,每个Cl-周围最近且等距离的Cl-也有6个。
3.决定晶体结构的因素
(1)思考讨论:
①在NaCl和CsCl两种晶体中,阴、阳离子的个数比都是1∶1,都属于AB型离子晶体,为什么二者的配位数不同、晶体结构不同?
答案 在NaCl晶体中,正负离子的半径比
=0.525,在CsCl晶体中,
=0.934,由于
值的不同,结果使晶体中离子的配位数不同,其晶体结构不同。
NaCl晶体中阴、阳离子的配位数都是6,CsCl晶体中阴、阳离子的配位数都是8。
数值越大,离子的配位数越高。
②为什么在NaCl(或CsCl)晶体中,阳、阴离子的配位数相同;而在CaF2晶体中,阳、阴离子的配位数不相同?
答案 在NaCl、CsCl晶体中,阳、阴离子的配位数相同,是由于阳、阴离子电荷(绝对值)相同,因而阳、阴离子的个数相同,结果导致阳、阴离子的配位数相同;若阳、阴离子的电荷不相同,阳、阴离子的个数必定不相同,结果阳、阴离子的配位数就不会相同。
如CaF2晶体中,Ca2+的配位数为8,F-的配位数为4,离子所带电荷越多,配位数越多。
(2)归纳总结,决定晶体结构的因素:
几何因素
晶体中正负离子的半径比
电荷因素
晶体中正负离子的电荷比
键性因素
离子键的纯粹程度
4.离子晶体的性质
(1)熔、沸点较高,硬度较大。
(2)离子晶体不导电,但熔化或溶于水后能导电。
(3)大多数离子晶体能溶于水,难溶于有机溶剂。
例1
下列性质适合于离子晶体的是( )
A.熔点1070℃,易溶于水,水溶液能导电
B.熔点10.31℃,液态不导电,水溶液能导电
C.能溶于CS2,熔点112.8℃,沸点444.6℃
D.熔点97.81℃,质软,导电,密度0.97g·cm-3
【考点】离子键和离子晶体
【题点】离子晶体的特征性质
答案 A
解析 离子晶体在液态(即熔融态)导电,B项错误;CS2是非极性溶剂,根据相似相溶规律,C项错误;离子晶体质硬易碎,且固态不导电,D项错误。
例2
一种离子晶体的晶胞如图所示。
其中阳离子A以
表示,阴离子B以
表示。
关于该离子晶体的说法正确的是( )
A.阳离子的配位数为8,化学式为AB
B.阴离子的配位数为4,化学式为A2B
C.每个晶胞中含4个A
D.每个A周围有4个与它等距且最近的A
【考点】离子键和离子晶体
【题点】离子晶体的结构
答案 C
解析 用均摊法可知,晶胞中含有阳离子数为8×
+6×
=4,阴离子显然是8个,故化学式为AB2,A、B项错误;每个A周围最近且等距离的A有12个(类似于干冰晶体),D项错误。
二、晶格能
1.概念:
气态离子形成1mol离子晶体释放的能量。
晶格能通常取正值,单位kJ·mol-1。
2.影响因素及与离子晶体性质的关系
离子化合物
NaBr
NaCl
MgO
离子电荷数
1
1
2
核间距/pm
298
282
210
晶格能/kJ·mol-1
747
786
3791
熔点/℃
747
801
2852
摩氏硬度
<2.5
2.5
6.5
根据上表中的数据,回答下列问题:
(1)影响因素:
(2)晶格能与晶体的熔点、硬度的关系:
晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,晶体的熔点越高,硬度越大。
晶格能的几点应用
(1)一般情况下,离子化合物都有较高的熔点和沸点,这和它们的离子晶体有很大的晶格能有关。
由于晶格能:
MgO>NaF,MgO的熔点(2852℃)比NaF的熔点(993℃)高得多。
(2)晶格能的大小决定离子晶体的稳定性。
晶格能越大,表示离子键越强,晶体越稳定,熔化和破坏离子晶体时消耗的能量就越多,即相应的离子晶体的熔点就越高,硬度就越大。
(3)晶格能的大小影响岩浆晶出的次序,晶格能越大,形成的晶体越稳定,岩浆中的矿物越容易结晶析出。
例3
下列关于晶格能的叙述中正确的是( )
A.晶格能仅与形成晶体中的离子所带电荷数有关
B.晶格能仅与形成晶体的离子半径有关
C.晶格能是指相邻的离子间的静电作用
D.晶格能越大的离子晶体,其熔点越高
【考点】晶格能
【题点】晶格能的概念及影响因素
答案 D
解析 晶格能与离子所带电荷数的乘积成正比,与阴、阳离子半径的大小成反比,A、B项错误;晶格能越大,晶体的熔、沸点越高,硬度也越大,D项正确。
例4
碱金属卤化物是典型的离子晶体,它的晶格能与
成正比(d0是晶体中最邻近的导电性离子的核间距)。
下面说法错误的是( )
晶格能/kJ·mol-1
离子半径/pm
①
LiF LiCl LiBr LiI
1031845 807 752
Li+ Na+ K+
60 95 133
②
NaF NaCl NaBr NaI
915 777 740 693
F- Cl- Br- I-
136 181 195 216
③
KF KCl KBr KI
812 708 676 641
A.晶格能的大小与离子半径成反比
B.阳离子相同、阴离子不同的离子晶体,阴离子半径越大,晶格能越小
C.阳离子不同、阴离子相同的离子晶体,阳离子半径越小,晶格能越大
D.金属卤化物晶体中,晶格能越小,氧化性越强
【考点】晶格能
【题点】晶格能的概念及影响因素
答案 D
解析 由表中数据可知晶格能的大小与离子半径成反比,A项正确;由NaF、NaCl、NaBr、NaI晶格能的大小即可确定B项正确;由LiF、NaF、KF晶格能的大小即可确定C项正确;表中晶格能最小的是碘化物,因还原性:
F- 四种晶体物理性质的比较 晶体类型 金属晶体 离子晶体 分子晶体 原子晶体 定义 金属原子通过金属键形成的晶体 阴、阳离子通过离子键形成的晶体 分子间通过分子间作用力形成的晶体 相邻原子间通过共价键结合而形成的立体网状结构的晶体 结 构 基本微粒 金属阳离子、自由电子 阴离子、阳离子 分子 原子 微粒间 作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键 性 质 熔、沸点 一般较高,但差异大 较高 较低 高 硬度 一般较大,但差异大 较大 较小 大 延展性 好 脆 差 差 导电性 固态能导电 熔融态或溶于水时能导电 某些溶于水后能导电 一般不导电,个别为半导体 溶解性 不溶 多数溶于水 相似相溶 不溶 熔化时需克 服的作用力 金属键 离子键 范德华力或范德华力与氢键 共价键 物质类别 金属单质和合金 离子化合物 多数的非金属单质和共价化合物 少数的非金属单质和共价化合物 典例 K、Cu、Mg NaCl、CsCl、CaF2 干冰、冰、碘 金刚石、SiO2 1.仅由下列各组元素所构成的化合物,不可能形成离子晶体的是( ) A.H、O、SB.Na、H、O C.K、Cl、OD.H、N、Cl 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体的判断 答案 A 解析 强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐等是离子晶体。 B项如NaOH、C项如KClO、D项如NH4Cl。 2.下列说法中正确的是( ) A.固态时能导电的物质一定是金属晶体 B.熔融状态能导电的晶体一定是离子晶体 C.水溶液能导电的晶体一定是离子晶体 D.固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体的特征性质 答案 D 解析 四种晶体在不同状态下的导电性区别如下: 分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体 固态 不导电 不导电(晶体硅导电) 导电 不导电 熔融状态 不导电 不导电 导电 可导电 水溶液 有的可导电 - - 可导电 3.下列关于CaF2的表述正确的是( ) A.Ca2+与F-间仅存在静电吸引作用 B.F-的离子半径小于Cl-,则CaF2的熔点低于CaCl2 C.阴、阳离子比为2∶1的物质,均与CaF2晶体构型相同 D.CaF2中的化学键为离子键,因此CaF2在熔融状态下能导电 【考点】离子晶体 【题点】离子晶体结构与性质的综合 答案 D 解析 Ca2+与F-间既有静电吸引作用,也有静电排斥作用,A错误;离子所带电荷相同,F-的离子半径小于Cl-,所以CaF2晶体的晶格能大,则CaF2的熔点高于CaCl2,B错误;晶体构型还与离子的大小有关,所以阴、阳离子比为2∶1的物质,不一定与CaF2晶体构型相同,C错误;CaF2中的化学键为离子键,CaF2在熔融状态下发生电离,因此CaF2在熔融状态下能导电,D正确。 4.氧化钙在2887K时熔化,而氯化钠在1074K时熔化,两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.氧化钙的晶格能比氯化钠的晶格能大 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,晶格能主要由阴、阳离子所带电荷的多少决定 【考点】晶格能 【题点】晶格能的概念及影响因素 答案 C 解析 CaO和NaCl都属于离子晶体,熔点的高低可根据晶格能的大小判断。 晶格能大小与离子所带电荷多少、离子间距离、晶体结构类型等因素有关。 CaO和NaCl的离子间距离和晶体结构都类似,故晶格能主要由阴、阳离子所带电荷的多少决定。 5.同类晶体物质熔、沸点的变化是有规律的,试分析下列两组物质熔点规律性变化的原因: 物质A NaCl KCl CsCl 熔点/K 1074 1049 918 物质B Na Mg Al 熔点/K 317 923 933 晶体熔、沸点的高低,取决于组成晶体微粒间的作用力的大小。 A组是________晶体,晶体微粒之间通过_________相连,粒子之间的作用力由大到小的顺序是____________。 B组晶体属于__________晶体,价电子数由少到多的顺序是_________________,离子半径由大到小的顺序是______________。 金属键强弱由小到大的顺序为______________。 【考点】晶体结构和性质的综合 【题点】晶体物理性质比较 答案 离子 离子键 NaCl>KCl>CsCl 金属 Na 解析 A组NaCl、KCl、CsCl为同一主族的氯化物且为离子化合物,故熔点与离子键的强弱有关,离子键越弱,熔点越低。 而Na+、K+、Cs+的离子半径逐渐增大,故Na+与Cl-、K+与Cl-、Cs+与Cl-的离子键逐渐减弱,NaCl、KCl、CsCl的熔点依次降低;而B组中Na、Mg、Al是金属晶体且价电子数依次增多,离子半径逐渐减小,因此金属原子核对外层电子束缚能力越来越大,形成的金属键越来越牢固,故熔点依次升高。 [对点训练] 题组一 离子晶体的判断及性质 1.下列关于离子化合物的叙述正确的是( ) A.离子化合物中都只含有离子键 B.离子化合物中的阳离子只能是金属离子 C.离子化合物若能溶于水,其所得溶液一定可以导电 D.溶于水可以导电的化合物一定是离子化合物 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体与离子键的关系 答案 C 解析 离子化合物中的阳离子不一定是金属离子,如NH4Cl,阳离子为NH 而不是金属离子;共价化合物溶于水也可能导电,如NH3、SO2、HCl等。 2.下列化学式表示的物质中,属于离子晶体并且含有非极性共价键的是( ) A.CaCl2B.Na2O2C.N2D.NH4Cl 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体与离子键的关系 答案 B 3.根据下列实验事实,能确定某晶体一定是离子晶体的是( ) A.晶体熔点达2500℃ B.晶体不导电,溶于水导电 C.晶体不导电,熔融状态能导电 D.温度越高,溶解度越大 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体的特征性质 答案 C 解析 熔点为2500℃的可以是金属晶体、原子晶体或离子晶体;晶体不导电,水溶液导电可以是离子晶体或分子晶体;多数固体温度升高,溶解度增大。 4.根据表中给出物质的熔点数据(AlCl3沸点为260℃),判断下列说法错误的是( ) 晶体 NaCl MgO SiCl4 AlCl3 晶体硼 熔点/℃ 801 2852 -70 180 2500 A.MgO中的离子键比NaCl中的离子键强 B.SiCl4晶体是分子晶体 C.AlCl3晶体是离子晶体 D.晶体硼是原子晶体 【考点】晶体结构和性质的综合 【题点】晶体的分类和判断 答案 C 解析 根据表中各物质的熔点,判断晶体类型。 NaCl和MgO是离子化合物,形成离子晶体,故熔、沸点越高,说明晶格能越大,离子键越强,A项正确;SiCl4是共价化合物,熔、沸点较低,为分子晶体,硼为非金属单质,熔、沸点很高,是原子晶体,B、D项正确;AlCl3虽是由活泼金属和活泼非金属形成的化合物,但其晶体熔、沸点较低,应属于分子晶体。 题组二 晶格能及其应用 5.下列关于晶格能的说法中正确的是( ) A.晶格能指形成1mol离子键所放出的能量 B.晶格能指破坏1mol离子键所吸收的能量 C.晶格能指1mol离子化合物中的阴、阳离子由相互远离的气态离子结合成离子晶体时所放出的能量 D.晶格能的大小与晶体的熔点、硬度都无关 【考点】晶格能 【题点】晶格能的概念及影响因素 答案 C 6.离子化合物①NaCl、②CaO、③NaF、④MgO中,晶格能按从小到大的顺序排列正确的是( ) A.①②③④B.①③②④ C.③①④②D.④②①③ 【考点】晶格能 【题点】晶格能的概念及影响因素 答案 B 解析 题述4种物质都是离子晶体,离子晶体的熔、沸点与晶格能的大小成正相关,晶格能的大小与离子半径成反相关、与离子所带电荷数成正相关。 镁离子、钙离子、氧离子所带电荷数大于钠离子、氟离子和氯离子,钠离子的半径大于镁离子,钙离子的半径大于镁离子,氯离子的半径大于氟离子,所以晶格能从小到大的顺序是①③②④,B项正确。 7.离子晶体熔点的高低取决于阴、阳离子之间的核间距离和离子所带电荷的大小,根据所学知识判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是( ) A.KCl>NaCl>BaO>CaO B.NaCl>KCl>CaO>BaO C.CaO>BaO>KCl>NaCl D.CaO>BaO>NaCl>KCl 【考点】晶格能 【题点】晶格能与离子晶体物理性质的关系 答案 D 解析 对于离子晶体来说,离子所带电荷数越多,阴、阳离子间的核间距离越小,晶格能越大,离子键越强,熔点越高,阳离子半径大小顺序为Ba2+>K+>Ca2+>Na+;阴离子半径: Cl->O2-,比较可得D项正确。 题组三 离子晶体的空间结构的考查 8.下列不属于影响离子晶体结构的因素的是( ) A.晶体中阴、阳离子的半径比 B.晶体中阴、阳离子的电荷比 C.离子键的纯粹程度 D.离子晶体的晶格能 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体的结构 答案 D 9.在下列离子晶体空间结构示意图中, 代表阳离子,代表阴离子。 若M代表阳离子,N代表阴离子,则化学式为MN2的晶体结构是( ) 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体结构的相关计算 答案 B 解析 A项,阳离子位于顶点和面心,晶胞中平均含有阳离子的数目为8× +6× =4,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为4∶1,化学式为M4N,错误;B项,阳离子位于顶点,晶胞中平均含有阳离子的数目为4× = ,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为 ∶1=1∶2,化学式为MN2,正确;C项,阳离子位于顶点,晶胞中平均含有阳离子的数目为3× = ,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为 ∶1=3∶8,化学式为M3N8,错误;D项,阳离子位于顶点,晶胞中平均含有阳离子的数目为8× =1,阴离子位于体心,晶胞中含有的阴离子数目为1,故该晶胞中阳离子和阴离子的个数比为1∶1,化学式为MN,错误。 10.在冰晶石(Na3[AlF6])晶胞中,[AlF6]3-占据的位置相当于NaCl晶胞中Cl-占据的位置,则冰晶石晶胞中含Na+数为( ) A.12个B.8个C.4个D.3个 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体结构的相关计算 答案 A 解析 NaCl晶胞中Cl-个数为8× +6× =4,由题意知,冰晶石晶胞中[AlF6]3-的个数也应当为4,化学式Na3[AlF6]中Na+和[AlF6]3-的个数比为3∶1,所以冰晶石晶胞中含Na+个数为4×3=12,故选A。 11.已知CaF2是离子晶体,如果用“●”表示F-;用“○”表示Ca2+,在如图所示中,符合CaF2晶体结构的是( ) 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体的结构 答案 B 解析 在A中F-数目为4× = ,Ca2+数目为1,不符合CaF2的组成;在B中F-数目为1,Ca2+数目为4× = ,符合CaF2的组成,B项正确;在C中F-数目为8× =1,Ca2+数目为1,不符合CaF2的组成;在D中N(Ca2+)∶N(F-)=1∶1,不符合CaF2的组成,D项错误。 12.如图是氯化铯晶体的晶胞(晶体中的最小重复单元),已知晶体中两个最近的Cs+核间距离为acm,氯化铯的相对分子质量为M,NA为阿伏加德罗常数,则氯化铯晶体的密度是( ) A. g·cm-3B. g·cm-3 C. g·cm-3D. g·cm-3 【考点】离子键和离子晶体 【题点】离子晶体结构的相关计算 答案 C 解析 处于顶点的离子同时为8个晶胞所共有,每个离子有 属于1个晶胞,处于晶胞内的离子全属于该晶胞,可知1个氯化铯晶胞有1个Cs+和1个Cl-,则1mol氯化铯的体积为NAa3cm3,故氯化铯晶体的密度为 g·cm-3。 [综合强化] 13.已知物质熔、沸点数据回答问题: 物质 AlF3 AlCl3 AlBr3 Al2O3 MgCl2 MgO 熔点/℃ 1260 181(升华) 263 2045 707 2852 (1)下列各组物质中,熔化时所克服的粒子间作用力类型分别与氟化铝和溴化铝相同的是__________(填字母)。 A.NaCl和CCl4B.Na2O和SiO2 C.金刚石和金属铝D.碘和干冰 (2)MgCl2的熔点远高于AlCl3熔点的原因是____________________________________。 (3)工业上常用电解熔融MgCl2的方法生产金属镁,用电解Al2O3与冰晶石熔融混合物的方法生产铝。 为什么不用电解MgO的方法生产镁,也不用电解AlCl3的方法生产铝? (4)MgO的熔点比BaO的熔点________(填“高”或“低”)。 (5)设计可靠的实验证明MgCl2、AlCl3所属的晶体类型,其实验方法是____________。 【考点】晶体的结构和性质综合 【题点】晶体的结构和性质综合 答案 (1)A (2)MgCl2是离子晶体,AlCl3是分子晶体,离子键的强度远大于分子间作用力 (3)氧化镁晶体比氯化镁晶体晶格能大,熔点高,电解时消耗电能大。 AlCl3不属于离子晶体,熔融时不能导电,因而不能用电解AlCl3的方法生产铝。 (4)高 (5)将两晶体加热到熔化状态,MgCl2能导电,AlCl3不能导电,证明AlCl3为分子晶体,MgCl2为离子晶体 解析 (1)由表中数据可知AlF3是离子化合物,熔化时需克服离子键,而AlBr3是分子晶体,熔化时需克服分子间作用力,故选A。 (2)MgCl2是离子晶体,离子间通过离子键结合,AlCl3为共价化合物分子,分子间通过范德华力结合,离子键作用力远大于范德华力,所以MgCl2的熔点远高于AlCl3的熔点。 (3)因为MgO的熔点远高于MgCl2,故电解熔融MgO将需要更高的温度,消耗更多的能量,因而不用电解MgO的方法生产镁。 AlCl3不属于离子晶体,熔融时不能导电,因而不能用电解AlCl3的方法生产铝。 (4)MgO和BaO都是离子化合物,Mg2+的半径比Ba2+小,所以MgO的熔点比BaO的熔点高。 (5)将两种晶体加热到熔化状态,MgCl2能导电,而AlCl3不能导电,即可证明MgCl2为离子晶体,AlCl3为分子晶体。 14.已知某些硅酸盐矿物和石英的晶格能如下表: 某些硅酸盐矿物和石英 晶格能/kJ·mol-1 橄榄石 4400 辉石 4100 角闪石 3800 云母 3800 长石 2400 石英 2600 请回答下列问题。 (1)橄榄石和云母晶出的顺序是______________。 (2)石英总是在各种硅酸盐析出后才晶出的原因是______________________________。 (3)推测云母和橄榄石的熔点高低为________,硬度大小为______________。 【考点】晶格能 【题点】晶格能与离子晶体物理性质的关系 答案 (1)橄榄石先晶出,云母后晶出 (2)石英的晶格能较低,此外它不易在岩浆中达到饱和浓度,只有当各种金属离子以硅酸盐形式析出后,石英的浓度才达到饱和,故石英晶体最后晶出 (3)云母<橄榄石 云母<橄榄石 15.金属镍及其化合物在合金材料以及催化剂等方面应用广泛。 请回答下列问题: (1)Ni原子的核外电子排布式为________________。 (2)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同: Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69pm和78pm,则熔点NiO________(填“<”或“>
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