資源簡介

年 級
高三
學 科
化學
版 本
蘇教版
內容標題
離子晶體
編稿老師
【本講教育信息】
一. 教學內容：
離子晶體
二. 教學目標
1、掌握離子晶體的概念，能識別氯化鈉、氯化銫、氟化鈣的晶胞結構。
2、學會離子晶體的性質與晶胞結構的關系。
3、通過探究知道離子晶體的配位數與離子半徑比的關系。
4、通過分析數據和信息，能說明晶格能的大小與離子晶體性質的關系。
三. 教學重點、難點
1、離子晶體的物理性質的特點；離子晶體配位數及其影響因素
2、晶格能的定義和應用
四. 教學過程：
（一）離子晶體的結構與性質：
電負性較小的金屬元素原子和電負性較大的非金屬元素原子相互接近到一定程度而發生電子得失，形成陰陽離子，陰陽離子之間通過靜電作用而形成的化學鍵稱為離子鍵。由離子鍵構成的化合物稱為離子化合物。
陰陽離子間通過離子鍵相互作用，在空間呈現有規律的排列所形成的晶體叫做離子晶體。離子晶體以緊密堆積的方式排列，陰陽離子盡可能接近，向空間無限延伸，形成晶體。陰陽離子的配位數（指一個離子周圍鄰近的異電性離子的數目）都很大，故晶體中不存在單個的分子。
離子晶體中，陰、陽離子間有強烈的相互作用，要克服離子間的相互作用（離子鍵）使物質熔化或沸騰，就需要很高的能量。離子晶體具有較高的熔沸點，難揮發、硬度大，易脆等物理性質。離子晶體在固態時不導電，在熔融狀態或水溶液中由于電離而產生自由移動的離子，在外加電場的作用下定向移動而導電。大多數離子晶體易溶于水等極性溶劑，難溶于非極性溶劑。
離子晶體的性質還取決于該晶體的結構，下面是幾種常見的離子晶體的結構：
（1）NaCl型晶體結構（面心立方）

每個Na＋周圍最鄰近的Cl－有6個，每個Cl－周圍最鄰近的Na＋有6個，則Na＋、Cl－的配位數都是6。因此整個晶體中， Na＋、Cl－比例為1：1，化學式為NaCl，屬于AB型離子晶體。同時，在NaCl晶體中，每個Cl－周圍最鄰近的Cl－有12個，每個Na＋周圍最鄰近的
Na＋也有12個。
（2）CsCl型晶體結構（體心立方）

每個Cs＋周圍最鄰近的Cl－有8個，每個Cl－周圍最鄰近的Na＋有8個，則Cs＋、Cl－的配位數都是8。因此整個晶體中， Cs＋、Cl－比例為1：1，化學式為CsCl也屬于AB型離子晶體。在NaCl晶體中，每個Cl－周圍最鄰近的Cl－有8個，每個Cs＋周圍最鄰近的Cs＋也有8個。
（3）CaF2型晶體結構：
每個Ca 2＋周圍最鄰近的F－有8個，表明Ca 2＋的配位數為8。每個F－周圍最鄰近的
Ca 2 ＋有4個，表明F－的配位數是4。由此可見，在CaF2晶體中，Ca 2 ＋和F－個數比為
1：2，剛好與Ca 2 ＋和F－的電荷數之比相反。
說明：
1、離子鍵的實質是陰陽離子間的靜電作用，它包括陰、陽離子間的靜電引力和兩種離子的核之間以及它們的電子之間的靜電斥力兩個方面，當靜電引力與靜電斥力之間達到平衡時，就形成了穩定的離子化合物，它不再顯電性。離子鍵不具有方向性和飽和性。
2、離子化合物中不一定含金屬元素，如銨鹽；含金屬元素的化合物也不一定是離子化合物，如氯化鋁、氯化鈹等。
3、離子鍵只存在于離子化合物中，離子化合物中一定含有離子鍵，也可能含有共價鍵，如強堿、含氧酸鹽等，共價化合物中肯定不含離子鍵。
4、離子化合物受熱熔化或溶于水時離子會被破壞，從水溶液中結晶形成離子化合物時會形成離子鍵，但它們都屬于物理變化。因此，破壞化學鍵或形成化學鍵不一定發生化學變化，但化學變化過程一定有舊的化學鍵斷裂和新的化學鍵的形成。
5、離子鍵的強弱與陰、陽離子所帶的電荷成正比，與半徑成反比。
6、含有陽離子的晶體不一定是離子晶體，如金屬晶體中含有金屬陽離子；但含有陰離子的晶體肯定是離子晶體。
7、離子晶體在水溶液中或熔融狀態下由于電離產生自由移動的陰、陽離子，在外加電場的作用下而導電；而金屬晶體則是晶體中的自由電子在外加電場作用下定向移動形成電流。
8、離子晶體的結構有面心立方（如NaCl型）、體心立方（如CsCl型）等結構，決定離子晶體結構的因素有幾何因素和電荷因素，除此以外還有鍵性因素。
（1）幾何因素：晶體中正負離子的半徑比
如下表中是AB型離子晶體的幾何因素與配位數的關系
（2）電荷因素：晶體中陰、陽離子電荷比
（3）鍵性因素：離子鍵的純粹程度
9、離子晶體的熔沸點，取決于構成晶體的陰、陽離子間離子鍵的強弱，而離子鍵的強弱，又可用離子電荷和離子半徑衡量。通常情況下，同種類型的離子晶體，離子半徑越小，電荷越大，離子鍵越強，熔沸點越高。
10、碳酸鹽的分解溫度與金屬離子所帶電荷和離子半徑的大小有關。
（二）晶格能
晶格能是指氣態離子形成1mol離子晶體釋放的能量，或是指1mol離子化合物中，由相互遠離的陰、陽離子結合成離子晶體時所放出的能量。放出的能量越多，晶格能的絕對值越大，表示離子鍵越強，晶體越穩定。
如：1mol氣態鈉離子和1mol氣態氯離子結合生成1mol氯化鈉晶體釋放的能量為氯化鈉晶體的晶格能。
Na＋ （g） ＋ Cl－（g） === NaCl （s）； △H
對晶體構型相同的離子化合物，離子電荷數越多，核間距越小，晶格能越大；晶格能越大，離子鍵越強，晶體越穩定，熔點越高，硬度越大。
說明：
1、晶格能是離子晶體中離子間結合力大小的一個量度。晶格能越大，表示離子晶體越穩定，破壞其晶體耗能越多。我們知道離子晶體間存在著離子間的靜電引力，因此，晶格能本質上是離子間靜電引力大小的量度。
2、晶格能與陰、陽離子所帶電荷的乘積成正比，與陰、陽離子的核間距離成反比。
3、離子化合物的晶格能一般都比較大，這是由于離子間有強烈的靜電引力之故。較大的晶格能意味著離子間結合緊密，這樣的離子化合物其熔點和硬度必定很高。事實上，高熔點、高硬度就是離子化合物的顯著特征。
4、既然是靜電引力，可以想象，正負離子的電荷越高，核間距離越小，靜電引力就越大，晶格能就越大。相應地，其熔點、硬度就越大，這就是如MgO、CaO以及Al2O3常被用來作高溫材料和磨料的原因。
5、晶格能也影響了巖漿結晶析出的次序，晶格能越大，巖漿中的礦物越易結晶析出
【典型例題】
例1. 下列性質中，可以證明某化合物內一定存在離子鍵的是
A. 可溶于水 B. 具有較高的熔點
C. 水溶液能導電 D. 熔融狀態能導電
解析：本題考查對化學鍵——離子鍵的判斷。只要化合物中存在離子鍵必為離子晶體，而離子晶體區別其它晶體的突出特點是：熔融狀態下能導電，故D正確；至于A可溶于水，共價化合物如：HCl也可以；B具有較高熔點，也可能為原子晶體，如SiO2；C水溶液能導電，可以是共價化合物，如硫酸等。
答案： D
例2. ①NaF ②NaI ③MgO 均為離子化合物，根據以下數據，推知這三種化合物的熔點的高低順序是：
A. ①＞②＞③ B. ③＞①＞②
C. ③＞②＞① D. ②＞①＞③
解析：離子晶體熔點的高低主要取決于離子鍵的相對強弱（或晶格能的大小），而離子鍵的強弱（或晶格能的大小）與離子所帶電荷的乘積成正比，與離子間距離成反比。③中鎂離子和氧離子的電荷大，半徑小，所以晶格能最大，熔點最高，①②中離子所帶電荷相同，但②中碘的半徑大于①氟的半徑，故NaI的晶格能小于NaF的晶格能，熔點最低。
答案：B
例3. 參考下表中物質的熔點，回答下列問題。
物 質
NaF
NaCl
NaBr
NaI
NaCl
KCl
RbCl
CsCl
熔點（℃）
995
801
755
651
801
776
715
646
物 質
SiF4
SiCl4
SiBr4
SiI4
SiCl4
GeCl4
SbCl4
PbCl4
熔點（℃）
-90.4
-70.2
5.2
120
-70.2
-49.5
-36.2
-15
（1）鈉的鹵化物及堿金屬的氯化物的熔點與鹵離子及堿金屬離子的__ 有關，隨著_________增大，熔點依次降低.
（2）硅的鹵化物及硅、鍺、錫、鉛的氯化物熔點與 有關，隨著 增大，增強，熔點依次升高.
（3）鈉的鹵化物的熔點比相應的硅的鹵化物的熔點高得多，這與 有關，因為一般_________比 熔點高.
解析：本題主要考查物質熔沸點的高低與晶體類型和晶體內部微粒之間作用力的關系以及分析數據進行推理的能力。
（1）表中第一欄的熔點明顯高于第二欄的熔點，第一欄為IA元素與ⅦA元素組成的離子晶體，則第二欄為分子晶體。
（2）分析比較離子晶體熔點高低的影響因素：
物質熔化實質是減弱晶體內微粒間的作用力，而離子晶體內是陰、陽離子，因此離子晶體的熔化實際上是減弱陰、陽離子間的作用力——離子鍵，故離子晶體的熔點與離子鍵的強弱有關。從鈉的鹵化物進行比較：鹵素離子半徑是r（F－）r（Na＋）（3）分析比較分子晶體熔點高低的影響因素：
分子晶體內的微粒是分子，因此分子晶體的熔點與分子間的作用力有關。
從硅的鹵化物進行比較：硅的鹵化物分子具有相似的結構，從SiF4到SiI4相對分子量逐步增大，說明熔點隨化學式的式量的增加而增大。
由從硅、鍺、錫、鉛的氯化物進行比較：這些氯化物具有相似的結構，從SiCl4到PbCl4相對分子質量逐步增大，說明熔點隨化學式的式量的增加而增大。
答案 ：（1）半徑，半徑；（2）相對分子質量，相對分子質量，分子間作用力；
（3）晶體類型，離子晶體，分子晶體
例4. （1）中學化學教材中圖示了NaCl晶體結構，它向三維空間延伸得到完美晶體。NiO（氧化鎳）晶體的結構與NaCl 相同，Ni2+與最臨近O2-的核間距離為a×10-8cm，計算NiO晶體的密度（已知NiO的摩爾質量為74.7g/mol）。
（2）天然和絕大部分人工制備的晶體都存在各種缺陷，例如在某氧化鎳晶體中就存在如圖所示的缺陷：一個Ni2+空缺，另有兩個Ni2+被兩個Ni3+所取代。其結果為晶體仍呈電中性，但化合物中Ni和O的比值卻發生了變化。某氧化鎳樣品組成Ni0.97O，試計算該晶體中Ni3+ 與Ni2+的離子個數之比。
解析:（1）如圖所示，以立方體作為計算單元，此結構中含有Ni2+——O2-離子對數為：4×=（個），所以1mol NiO晶體中應含有此結構的數目為6.02×1023÷=12.04×1023（個），又因一個此結構的體積為a×10-8cm3，所以1mol NiO的體積為12.04×1023×（a×10-8cm）3 ，NiO的摩爾質量為74.7g/ mol，所以NiO晶體的密度為
（2）解法一（列方程）：設1mol Ni0.97O中含Ni3+為x mol， Ni2+為y mol ， 則得
x+y=0.97 （Ni原子個數守恒）
3x+2y=2 （電荷守恒）
解得x=0.06 ， y=0.91 故n （Ni3+） ：n（Ni2+） = 6 ：91
解法二（十字交叉）：由化學式Ni0.97O求出Ni的平均化合價為2/0.97，則有
故 n （Ni3+） ：n（Ni2+） = 6 ：91。
解法三 直接分析法
依題意，一個Ni2+空缺，另有兩個Ni2+被兩個Ni3+取代。由Ni0.97O可知，每100個氧離子，就有97個鎳離子，有三個Ni2+空缺，也就有6個Ni2+被Ni3+所取代，所以Ni3+有6個，Ni2+為97-6=91個。即Ni3+與Ni2+之比為6：91。
解法四 雞兔同籠法
從Ni0.97O可知，假如有100個氧離子，就有97個鎳離子，假設這97個鎳離子都是+2價，那么正價總和為194價，負價總和為200價。為什么還差+6價呢？
這是因為多假設了6個+2價的鎳離子。實際上有Ni3+6個、Ni2+91個。所以Ni3+與Ni2+的個數比為6：91。
說明：求解晶體結構計算題，空間三維立體想象是關鍵。要運用分割、增補等手段。解此類題的中心思想是把化學問題抽象成數學問題來解決。
答案：NiO晶體的密度為62.3/a3（g/cm3）Ni3+與Ni2+之比為6：91
【模擬試題】
1. 由鉀和氧組成的某種離子晶體中含鉀的質量分數為78/126，其陰離子只有過氧離子
（O22－）和超氧離子（O2－）兩種。在此晶體中，過氧離子和超氧離子的物質的量之比為
A. 2︰1 B. 1︰1 C. 1︰2 D. 1︰3
2， 食鹽晶體如右圖所示。在晶體中，( 表示Na+，( 表示Cl(。已知食鹽的密度為( g / cm3，NaCl摩爾質量M g / mol，阿伏加德羅常數為N，則在食鹽晶體里Na+和Cl(的間距大約是
A. cm B. cm C. cm D. cm
3. 下列物質中，含有共價鍵的離子晶體是
A. NaCl B. NaOH C. NH4Cl D. I2
4. 實現下列變化，需克服相同類型作用力的是
A. 石墨和干冰的熔化 B. 食鹽和冰醋酸的熔化
C. 液溴和水的汽化 D. 純堿和燒堿的熔化
5. 下列性質中，能較充分說明某晶體是離子晶體的是
A. 具有高的熔點 B. 固態不導電，水溶液能導電
C. 可溶于水 D. 固態不導電，熔化狀態能導電
6. 下列敘述中正確的是
A. 離子晶體中肯定不含非極性共價鍵
B. 原子晶體的熔點肯定高于其他晶體
C. 由分子組成的物質其熔點一定較低
D. 原子晶體中除去極性共價鍵外不可能存在其他類型的化學鍵
7. 某物質的晶體中，含A、B、C三種元素，其排列方式如右圖所示（其中前后兩面心上的B原子不能畫出），晶體中A、B、C的原子個數比為
A. 1：3：1 B. 2：3：1 C. 2：2：1 D. 1：3：3?
8. 實現下列變化，需克服相同類型作用力的是
A. 碘和干冰升華 B. 二氧化硅和生石灰熔化?
C. 氯化鈉和鐵熔化 D. 苯和乙烷蒸發
9. 下列各組物質的晶體中，化學鍵類型相同，晶體類型也相同的是
A. SO2和SiO2 B. CO2和H2O C. NaCl和HCl D. CCl4和KCl
10. 如下圖所示，是一種晶體的晶胞，該離子晶體的化學式為
A. ABC B. ABC3 C. AB2C3 D. AB3C3
11. 實現下列變化時，需克服相同類型作用力的是
A. 水晶和干冰的熔化 B. 食鹽和冰醋酸的熔化
C. 液溴和液汞的汽化 D. 純堿和燒堿的熔化
12. 2001年，日本科學家發現了便于應用、可把阻抗降為零的由硼和鎂兩種元素組成的超導材料。這是27年來首次更新了金屬超導體的記錄，是目前金屬化合物超導體的最高溫度。該化合物也因此被美國《科學》雜志評為2001年十大科技突破之一。圖為該化合物的晶體結構單元示意圖：鎂原子間形成正六棱柱，且棱柱的上下底面還各有一個鎂原子，6個硼原子位于棱柱內。則該化合物的化學式可表示為
A. MgB B. MgB2 C. Mg2B D. Mg3B2
13. 如下圖為高溫超導領域里的一種化合物——鈣鈦礦晶體結構，該結構是具有代表性的最小重復單元．
（1）在該物質的晶體中，每個鈦離子周圍與它最接近的且等距離的鈦離子共有
個。
（2）該晶體中，元素氧、鈦、鈣的個數比是 ．
14. 1mol氣態鈉離子和1mol氣態氯離子結合生成1mol氯化鈉晶體釋放出的熱能為氯化鈉晶體的晶格能。下列熱化學方程中，能直接表示出氯化鈉晶體晶格能的是 。
A. Na+（g）+Cl－（g） NaCl（s）; △H
B. Na（s）+Cl2（g） NaCl（s）; △H1
C. Na（s） Na（g）; △H2
D. Na（g）－e－ Na+（g）; △H3
E. Cl2（g） Cl（g）; △H4
F. Cl（g）+e－ Cl－（g）; △H5
15. NaCl晶體中Na+與Cl-都是等距離交錯排列，若食鹽的密度是2.2g/cm3，阿伏加德羅常數為6.02×1023mol-1，食鹽的摩爾質量為58.5gmol。求食鹽晶體中兩個距離最近的鈉離子中心間的距離是多少。
16. 晶態氯化鈉是 晶體，晶體中，每個鈉離子周圍有 個氯離子，每個氯離子周圍有 個鈉離子，鈉離子半徑比氯離子半徑 。在氯化物MCl中，M在第六周期，是鈉的同族元素，該晶體中，每個陽離子周期有 個氯離子。鈉的金屬性比M 。氯化鈉的電子式是 ，熔融后 導電（填“能”或“不能”）。Na+（或Cl-）周圍的6個Cl- （或Na+）相鄰的連線構成的面是什么樣的多面體?
每個Na+（或Cl-）周圍與之距離最近且距離相等的Na+（或Cl-）有幾個?
17. 晶體具有規則的幾何外形，晶體中最基本的重復單位稱為晶胞。NaCl晶體結構如下圖所示。已知FexO晶體晶胞結構為NaCl型，由于晶體缺陷，x值小于1。測知FexO晶體密度為ρg/cm3，晶胞邊長為4.28×10-10m。
（1）FexO中x值（精確至0.01）為___________。
（2）晶體中的Fe分別為Fe2+、Fe3+，在Fe2+和Fe3+的總數中，Fe2+所占分數（用小數表示，精確至0.001）為___________。
（3）此晶體化學式為____________。
（4）與某個Fe2+（或Fe3+）距離最近且等距離的O2-圍成的空間幾何構型形狀是__________。
（5）在晶體中，鐵元素的離子間最短距離為__________m。
18. 某離子晶體晶胞結構如右圖所示，X位于立方體的頂點，Y位于立方體的中心，試回答：
（1）晶體中每個Y同時吸引著 個X，每個X同時吸引著 個Y，該晶體的化學式為 。
（2）晶體中在每個X周圍與它最接近且距離相等的X共有 個。
（3）晶體中距離最近的2個X與一個Y形成的夾角（∠XYX）為（填角的度數） 。
（4）設該晶體的摩爾質量為M g·mol-1，晶體密度為ρg·cm-3，阿伏加德羅常數為NA，則晶體中兩個距離最近的X中心間的距離為 cm。
19. 如圖，直線交點處的圓圈為NaCl晶體中離子或離子所處的位置．這兩種離子在空間3個互相垂直的方向上都是等距離排列的．
（1）請將其中代表離子的圓圈涂黑（不必考慮體積大小），以完成NaCl晶體結構示意圖．
（2）晶體中，在每個離子的周圍與它最接近的且距離相等的共有_________個．
（3）晶體中每一個重復的結構單元叫晶胞．在NaCl晶胞中正六面體的頂點上、面上、棱上的或Cl-為該晶胞與其相鄰的晶胞所共有，一個晶胞中Cl-離子的個數等于_____________，即（填計算式）___________；離子的個數等于___________，即（填計算式）___________．
（4）設NaCl的摩爾質量為，食鹽晶體的密度為，阿伏加德羅常數為．食鹽晶體中兩個距離最近的鈉離子中心間的距離為___________cm．
【試題答案】
1. C 2. B 3. BC 4. CD 5. D 6. D 7. A 8. AD 9. B 10. B
11. D 12. B
13. 解析：從所給模型圖中可看出每個鈦離子的上下前后和左右各有一個最接近且等距離的鈦離子．又可看出鈣原子位于立方體體心，為該立方體單獨占有，鈦原子位于立方體頂點屬于8個立方體共有，所以每個立方體擁有Ti原子為8×=1個，氧原子位于立方體的棱邊為四個立方體所共有，所以每個立方體擁有O原子為12×=3個．
答案：（1）6 （2）3∶1∶1
14. A
15. 解析：從上述NaCl晶體結構模型中分割出一個小立方體，如圖所示，其中a代表其邊長，b代表兩個Na+中心間的距離。由此小立方體不難想象出頂點上的每個離子均為8個小立方體所共有。因此小立方體含Na+：4×1/8=1/2，含 Cl-:4×1/8=1/2，即每個小立方體含有1/2個（Na+——Cl-）離子對，故：每個小立方體的質量
m=×，
ρ===2.2g/cm3，
解得 a=2.81×10-8cm.
兩個距離最近的Na+中心間的距離d=a=4.0×10-8cm。
16. 離子66 小 8 弱 能 八面體 12個
17. （1）0.92 （2）0.826 （3） （4）正八面體 （5）3.03×10-10
18.（1）4；8；XY2或Y2X；（2）12；（3）109°28′（提示：4個X原子位于正四面體的四個頂點上，Y原子位于該正四面體的中心）（4）（提示：每個晶體中含個X和1個Y，則1mol XY2中含有2NA個晶胞，故每個晶胞的邊長為 ，距離最近的兩個X位于面對角線上，據勾股定理可求出其距離）。
19. （1）略（提示：與Cl-交替排列） （2）12 （3）4，；4，
（4）
提示：根據，其中m即為4個——離子對的質量：，V為所示晶體的體積，可設其邊長為a，則．可求出a，進而求出題設所問．即兩個距離最近的鈉離子中心間的距離為.

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