第四节 离子晶体
第三章晶体结构与性质
第一节 晶体的常识
晶体什么样？
晶体什么样（2）
美丽的晶体
胆矾
明矾晶体
冰糖晶体
水晶

水晶石
自然界中美丽的雪花
观察图片,下列固体在外形上有什么区别?
明
矾
一、晶体与非晶体
1.概念
晶体:具有规则几何外形的固体。
非晶体:没有规则几何外形的固体。
2.分类
如食盐、水晶、碘等
如玻璃、橡胶、石蜡、塑料等
如NaCl、CsCl等
如金刚石、晶体硅等
如冰、干冰等
如铁、铝等
如石墨
NaCl晶体结构示意图：
金刚石晶体
结构示意图
干冰晶体结构
宏观晶体的形貌
立方
3.晶体与非晶体的本质差异
说明:
(1)晶体自范性的本质:是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象.
(2)晶体自范性的条件之一:生长速率适当.
有
(能自发呈现多面体外形)
没有
(不能自发呈现多面体外形)
原子在三维空间里呈周期性有序排列
原子排列相对无序
天然水晶球里的玛瑙和水晶
探究实验
【实验1】 硫晶体的结晶
取少量硫粉置于蒸发皿中，加热至熔融态，停止加热，观察硫晶体的析出
【实验2】 碘的凝华
在一小烧杯中加入少量碘，用一个表面皿盖在小烧杯上，并在表面皿上加少量冷水。把小烧杯放在石棉网上加热，观察实验现象
【实验3】 硫酸铜晶体的析出
取硫酸铜粉末配制高温饱和溶液，冷却析晶
4.晶体形成的途径
⑴熔融态物质凝固.
⑵气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华).
⑶溶质从溶液中析出.
1.石墨(C)和蓝宝石(Al2O3·SiO2)是常见的晶体,其中石墨的结构呈层状,在与层垂直方向的导电率为与层平行方向上导电率的1/10000;蓝宝石在不同方向上的硬度是不同的.
2.石蜡和玻璃都是非晶体,如果将二者加热,当温度升高到一定程度后,开始软化,流动性增强,最后变成液体.整个过程温度不断上升,并且在这个过程中没有固定的熔解热效应.
小资料
⑵各向异性(强度、导热性、光学性质等）
非晶体没有！
5 晶体的特性
⑴自范性（规则的几何外形）
⑶有固定的熔点
⑷能使X-射线产生衍射
（最科学的区别晶体和非晶体的方法）
粉末状的固体是否都为非晶体呢？
那么怎样判断固体是晶体还是非晶体呢？
一些晶体的显微照片：
思考与交流:
1.如何鉴别晶体和非晶体?
（1）性质差异——如外形、硬度、熔点、折光率
（2）区分晶体和非晶体最科学的方法是对固体进行X-射线衍射实验。
2、某同学在网站找到一张玻璃的结构示意图如图所示，这张图说明玻璃是不是晶体?为什么?

3、根据晶体物理性质的各向异性的特点，人们很容易识别用玻璃仿造的假宝石。你能列举出一些可能有效的方法鉴别假宝石吗?
[分组探讨]
◆
1. 晶体与非晶体的根本区别在于构成固体中的粒子在微观空间里是否呈现周期性的有序排列。观察教科书中的图3-5玻璃的结构示意图，构成玻璃的粒子无周期性的排列，是无序的，所以玻璃是非晶体。
学与问:
2. 利用晶体与非晶体的性质差异来鉴别玻璃和宝石。宝石是晶体，具有固定的熔点和各向异性，可用硬度、熔点、折光率等性质来鉴别宝石。
（1）可观察宝石的形状，具有多面体的外形；实验它的硬度，可在玻璃上划出痕迹，初步确定它是晶体 。
（2）可利用宝石的折光率鉴别；
（3）可利用X-射线衍射仪鉴别。
1.下列关于晶体与非晶体的说法正确的是 ( )
A.晶体一定比非晶体的熔点高
B.晶体有自范性但排列无序
C.非晶体无自范性而且排列无序
D.固体SiO2一定是晶体

2.区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是 ( )
A.熔沸点 B.硬度
C.颜色 D.x-射线衍射实验
C
D
3.下列不属于晶体的特点是（ ）
A.有固定的几何外形
B.有各向异性
C.有固定的熔点
D.一定是无色透明的固体
D
4. 晶体具有各向异性。如蓝晶石（Al2O3·SiO2）在不同方向上的硬度不同；又如石墨在与层垂直的方向上的导电率与层平行的方向上的导电率1∕104。晶体的各向异性主要表现在是：（ ）
①硬度 ②导热性 ③导电性 ④光学性质
A.①③ B.②④
C.①②③ D.①②③④
D
二、晶胞
（一）概念：描述晶体结构的基本单元
（晶体中无限重复的部分）
三种典型立方晶胞结构
简单立方
体心立方
面心立方
1.晶胞：晶体中的最小重复单元
2 .晶胞的特征：
通过上、下、左、右、前、后的平移能与下一个最小单元（即晶胞）完全重合
一般来说,晶胞都是平行六面体
(-):晶胞:
晶体和晶胞的关系：晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成.
平行六面体
金刚石的多面体外形、晶体结构和晶胞示意图
晶体结构
晶胞示意图
NaCl晶体结构和晶胞
铜晶体
铜晶胞
NaCl晶体结构和晶胞
思考与交流:
1.上述铜晶体、金刚石、CO2晶体、NaCl晶体的晶胞的空间构形呈什么形状？
2.在上述晶体中，晶胞是如何排列的？晶胞之间是否存在空隙？
CO2晶胞
平行六面体
无隙并置
思考： 铜晶胞含有4个铜原子，为什么不是14个？
晶胞中原子个数的计算
体心：1
面心：1/2
顶点：1/8
棱边：1/4
为什么？
请看:
体心：1
面心：1/2
顶点：1/8
棱边：1/4
(二): 晶胞中粒子个数计算规律
顶角
棱上
面上
（一）、由晶胞计算物质化学式的方法
体心： 1
面心：1/2
棱边：1/4
顶点：1/8
晶胞\体心.avi
晶胞\棱.avi
晶胞\顶点.avi
晶胞\面.avi
平行六面体 晶胞
内部：
1
面上：
1/2
棱上：
1/4
顶点：
1/8
小结:晶胞对质点（粒子）的占有率
1、体心——全部
2、面心——1/2
3、棱上的点——1/4
4、顶点（具体问题具体分析）
立方体——1/8 三棱柱——1/12
注：上述贡献的计算仅适用于离子晶体和原子晶体而不适用于分子晶体
各4个
绿色：8× ½ = 4
或8× 1/8+6×1/2 = 4
灰色：12× ¼+1=4
各1/2个
练习:
1: 下面几种晶胞中分别含有几个原子?
A
B
练习1：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
化学式：
AB
练习2：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
A
B
化学式：
A2B
BA2
A
B
化学式：
练习3：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
AB
B
化学式：
A
练习4：根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：（A表示阳离子）
C
ABC3
探究（即自学检测即课本P64学与问）:
下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(I2)、金刚石(C)晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含几个原子?
钠、锌晶胞都是：8×1/8+1=2；
碘：（8×1/8+6×1/2）×2=8；
金刚石：8×1/8+6×1/2+4=8。
◆
例:2001年报道的硼和镁形成的化合物刷新了
金属化合物超导温度的最高记录。如图所示的是
该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱
柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子，6个硼
原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为
A、MgB B、 MgB2 C、Mg2B D、Mg3B2
典例分析
思考
1.NaCl晶体中，每个Na+周
围最近距离的Cl-有 个？
每个Cl-周围最近距离的
Na+有 个？
2.在NaCl晶体中，每个Na+周
围最近距离的Na+有 个？
3.氯化钠的化学式用“NaCl”来表示，原因何在？能否
把“NaCl”称为分子式？
4.每个晶胞中平均有 个Na+？ 个Cl-？（位于顶
点、棱边、面心、体心上的粒子对该晶胞的贡献）
5.该晶胞中，若Na+和Cl-间的最近距离为0.5ax10-10m，
则晶体的密度ⅾ=
6
6
12
4
4
0·39/a3 （g/cm3）
返回原处
Cl-
1.在CsCl晶体中，每个Cs+周围最近距离的Cs+
有几个？每个Cl-周围最近距离的Cl-有几个？
2.分析“CsCl” 化学式的由来。
思考
6个
1、下列关于晶体与非晶体的说法正确的是
A、晶体一定比非晶体的熔点高
B、晶体有自范性但排列无序
C、非晶体无自范性而且排列无序
D、固体SiO2一定是晶体
2、区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是
A、熔沸点 B、硬度
C、颜色 D、x-射线衍射实验
C
D
[当堂训练 ]

3、图是超导化合物一钙钛矿晶体中最小重复单元(晶胞)的结构.请回答：
该化合物的化学式为_______.
CaTiO3

课后作业：1、课本P64 1、2、3、4、（做在书上）
2、（选做）登陆中国科普博览网站，输入关键词“什么是矿物” 并阅读，生动有趣、受益匪浅哦。
3、如图所示晶体中每个阳离子A或阴离子B，均可被另一种离子以四面体形式包围着，则该晶体对应的化学式为
A．AB B．A2B
C．AB3 D．A2B3
◆
4、右面图形是石墨晶体的层面结构图，
试分析图形推测层面上每个正六边型拥有的
共价键数和碳原子数是分别：
A、6，6 B、2，4 C、2，3 D、3，2
◆
5、某离子晶体晶胞结构如右图所示，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：
A. 90° B. 60° C. 120° D. 109°28′
◆
6、图是超导化合物一钙钛矿晶体中最小重复单元(晶胞)的结构.请回答：
(1)该化合物的化学式为_______.
(2)在该化合物晶体中，与某个钛离
子距离最近且相等的其他钛离子共
有__________个.
(3)设该化合物的相对分子质量为M，
密度为 阿伏加德罗常数为
NA，则晶体中钙离子与钛离子之间
的最短距离为_______.
CaTiO3
6
7、如图是CsCl晶体的晶胞（晶体中最小的重复单元）已知晶体中2个最近的Cs+核间距离为acm，氯化铯的相对分子质量为M，NA为阿佛加德
罗常数，则CsCl晶体的密度为
（单位：克/cm3）
A、8M/a3NA B、a3M/8NA
C、M/a3NA D、a3M/NA
课 堂 练 习 题
1.钛酸钡的热稳定性好,
介电常数高,在小型变
压器、话筒和扩音器
中都有应用。其晶体
的结构示意图如右图
所示。则它的化学式
为（ ）[上海市2001年奥赛初赛试题]
A.BaTi8O12 B. BaTi4O6
C. BaTi2O4 D. BaTiO3
D
微粒为分子：
分子间作用力（或范德华力）或氢键；
微粒为原子：极性共价键或非极性共价键；
微粒为离子：离子键。
复习总结：
微粒间作用
思考与交流
石墨和金刚石同属于碳的单质，为什么在硬度上会相差如此之大？
2 分子晶体和原子晶体
碘晶体结构
干冰晶体结构
观察与思考：下列两种晶体有什么共同点？
NaCl晶体结构
１.概念
分子间以分子间作用力（范德华力,氢键）相结合的晶体叫分子晶体。

构成分子晶体的粒子是分子，
粒子间的相互作用是分子间作用力 ．
一．分子晶体
碘晶体结构
结合表格和已有知识,分析:分子晶体有哪些物理特性？为什么?
思考与交流
原因：分子间作用力较弱
2、物理特性：
(1)较低的熔点和沸点，易升华；
(3)一般都是绝缘体，熔融状态也不导电。有些在水溶液中可以导电.
(2)较小的硬度；
注:①分子间作用力越大,熔沸点越高(相对分子质量,分子极性,氢键)
② 分子晶体熔化时一般只破坏分子间作用力,不破坏化学键,也有例外,如S8
（1）组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高。如：O2>N2，HI>HBr>HCl。
（2）分子量相等或相近，极性分子的范德华力大，熔沸点高，如CO>N2
（3）含有氢键的，熔沸点较高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S，HF>HCl，NH3>PH3
（4）在烷烃的同分异构体中，一般来说，支链数越多，熔沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷；芳香烃及其衍生物苯环上的同分异构体一般按照“邻位>间位>对位”的顺序。
3、典型的分子晶体：
非金属氢化物：H2O，H2S，NH3，CH4，HX
酸：H2SO4，HNO3，H3PO4
部分非金属单质:X2，O2，H2， S8，P4， C60
部分非金属氧化物: CO2， SO2， NO2， P4O6， P4O10
大多数有机物：乙醇，冰醋酸，蔗糖
干冰晶体模型
【问题探究3】
①在干冰晶体的一个晶胞中有 个CO2分子。
4
【问题探究3】
②在干冰晶体中，与每个CO2分子最近且距离相等的CO2分子有 个。
12
【问题探究3】
②干冰晶体发生汽化或熔化时，需克服的是哪一种作用力？
①在干冰晶体中存在哪些作用力？
③干冰晶体的熔沸点高低、硬度大小等物理性质取决于哪一种作用力？
思考：
若发生化学变化时，需克服的又是哪一种作用力？
〖思考5〗为何干冰的熔沸点比冰低，密度却比冰大？
由于冰中除了范德华力外还有氢键作用，破坏分子间作用力较难，所以熔沸点比干冰高。
由于分子间作用力特别是氢键的方向性，导致晶体中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大
由于CO2分子的相对分子质量>H2O，所以干冰的密度大。
分子的密堆积
（与每个分子距离最近的相同分子共有12个 ）
氧（O2）的晶体结构
碳60的晶胞
分子的密堆积
（与CO2分子距离最近的CO2分子共有12个 ）
干冰的晶体结构图
冰中１个水分子周围有４个水分子
冰的结构
氢键具有方向性
分子的非密堆积
4、分子晶体结构特征
（1）密堆积
有分子间氢键——氢键具有方向性,使晶体中的空间利率不高,留有相当大的空隙.这种晶体不具有分子密堆积特征。如：HF 、NH3、冰（每个水分子周围只有4个紧邻的水分子）。
（2）非密堆积
只有范德华力，无分子间氢键——分子密堆积。这类晶体每个分子周围一般有12个紧邻的分子，如：C60、干冰 、I2、O2。
思考：1mol冰周围有？mol氢键
冰中１个水分子周围有４个水分子形成什么空间构型？
许多气体可以与水形成水合物晶体。最早发现这类水合物晶体的是19世纪初的英国化学家戴维，他发现氯可形成化学式为Cl2·8H20的水合物晶体。20世纪末，科学家发现海底存在大量天然气水合物晶体。这种晶体的主要气体成分是甲烷， 因而又称甲烷水合物。它的外形像冰，而且在常温常压下会迅速分解释放出可燃的甲烷，因而又称“可燃冰”………
科学视野：天然气水合物—一种潜在的能源
2.下列物质在变化过程中，只需克服分子
间作用力的是 ( )

A.食盐溶解 B.铁的熔化
C.干冰升华 D.氯化铵的“升华”
【小试牛刀】
C
3.下列化学式能真实表示物质分子组成的是
A.NaOH B.S03
C.CsCl D.NaCl
B
【小试牛刀】
思考与交流
CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示，通过比较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体。
碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，为什么CO2晶体的熔、沸点很低，而SiO2晶体的熔沸点很高？
109º28´
共价键
金刚石的晶体结构示意图
１.概念：相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体．

**构成原子晶体的粒子是原子，原子间以较强的共价键相结合。
二．原子晶体（共价晶体）
金刚石
观察·思考
对比分子晶体和原子晶体的数据，原子晶体有何物理特性？
在原子晶体中，由于原子间以较强的共价键相结合，而且形成空间立体网状结构，所以原子晶体的
（1）熔点和沸点高
（2）硬度大
（3）一般不导电
（4）且难溶于一些常见的溶剂
2.原子晶体的物理特性
3.常见的原子晶体

某些非金属单质：
金刚石（C）、晶体硅(Si)、
晶体硼（B）、晶体锗(Ge)等

某些非金属化合物：
碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体

某些氧化物：
二氧化硅（ SiO２）晶体、Al2O3
109º28´
金刚石的晶体结构示意图
共价键
思考：在金刚石晶体中，每个碳与周围多少个碳原子成键？形成怎样的空间结构？最小碳环由多少个碳原子组成？它们是否在同一平面内？
在金刚石晶体中，碳原子个数与C-C键数之比为多少？
12g金刚石C-C键数为多少NA？
①金刚石中每个C原子以sp3杂化，分别与4个相邻的C 原子形成4个σ键，故键角为109°28′，每个C原子的配位数为4；
②每个C原子均可与相邻的4个C构成实心的正四面体，向空间无限延伸得到立体网状的金刚石晶体，在一个小正四面体中平均含有1+4×1/4 =2个碳原子；
③在金刚石中最小的环是六元环，1个环中平均含有6×1/12=1/2个C原子，含C-C键数为6×1/6=1；
④金刚石的晶胞中含有C原子为8个，内含4个小正四面体，含有C-C键数为16。
180º
109º28´
Si
O
共价键
1、在Si、O形成的四面体中，每个四面体拥有
几个Si、O原子
2、SiO2晶体中，每个硅原子与它周围的4个硅原
子所形成的空间结构是什么？ SiO2晶体
中，最小的硅氧原子环上共有多少个原子？
1个Si、两个O
正四面体
12
①二氧化硅中Si原子均以sp3杂化，分别与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键；
②晶体中的最小环为十二元环，其中有6个Si原子和6个O原子，含有12个Si-O键；每个Si原子被12个十二元环共有，每个O原子被6个十二元环共有，每个Si-O键被6个十二元环共有；每个十二元环所拥有的Si原子数为6×1/12=1/2，拥有的O原子数为6×1/6=1，拥有的Si-O键数为12×1/6=2，则Si原子数与O原子数之比为1：2。
思考1
原子晶体的化学式是否可以代表其分子式？
不能。因为原子晶体是一个三维的网状结构，无小分子存在。
思考2
以金刚石为例，说明原子晶体的微观结构与分子晶体有哪些不同？
（1）组成微粒不同，原子晶体中只存在原子，没有分子。
（2）相互作用不同，原子晶体中存在的是共价键。
思考3
为何CO2熔沸点低？而破坏CO2分子却比SiO2更难？
    因为CO2是分子晶体，SiO2是原子晶体，所以熔化时CO2是破坏范德华力而SiO2是破坏化学键。所以SiO2熔沸点高。破坏CO2分子与SiO2时，都是破坏共价键，而C—O键能>Si-O键能，所以CO2分子更稳定。
原子晶体熔沸点高低的判断
原子半径越短，共价键键长越短，键能越大，键越强，熔沸点越高。
一些原子晶体的物理性质
解释：结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大，晶体熔点越高
金刚石 ＞ 碳化硅 ＞ 晶体硅
交流与研讨
1、怎样从原子结构角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？
2、“具有共价键的晶体叫做原子晶体”。这种说法对吗？为什么？
分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较
构成晶体粒子
分子
原子
分子间作用力
共价键
结构、性质
较小
较大
较低
很高
固态和熔融状态都不导电
不导电
相似相溶
难溶于常见溶剂
离子键
范德华力
共价键
较高
低
很高
溶于水或熔融态下均导电
熔融态不导电
不导电
NaOH、
HCl、CO2、He、S等
金刚石、碳化硅、晶体硅等
离子晶体、分子晶体和原子晶体的比较
【总结】非金属单质是原子晶体还是分子晶体的判断方法
（1）依据组成晶体的粒子和粒子间的作用判断：原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键；分子晶体的粒子是分子，质点间的作用是范德华力。
（2）记忆常见的、典型的原子晶体。
（3）依据晶体的熔点判断：原子晶体熔、沸点高，常在1000℃以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百度以下至很低的温度。
（4）依据导电性判断：分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。
（5）依据硬度和机械性能判断：原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。
一种结晶形碳，有天然出产的矿物。铁黑色至深钢灰色。质软具滑腻感，可沾污手指成灰黑色。有金属光泽。六方晶系，成叶片状、鳞片状和致密块状。密度2.25g/cm3，化学性质不活泼。具有耐腐蚀性，在空气或氧气中强热可以燃烧生成二氧化碳。石墨可用作润滑剂，并用于制造坩锅、电极、铅笔芯等。
知识拓展－石墨
石墨晶体结构
知识拓展－石墨
（1）石墨中C原子以sp2杂化；
（2）石墨晶体中最小环为六元环，含有C
2个，C-C键为 3；
（3）石墨分层，层间为范德华力，硬度小，可导电；
（4）石墨中r（C-C）比金刚石中r（C-C）短。
石墨
1、石墨为什么很软？
2、石墨的熔沸点为什么很高（高于金刚石）？
3、石墨属于哪类晶体？为什么？
石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，容易滑动，所以石墨很软。
石墨各层均为平面网状结构，碳原子之间存在很强的共价键（大π键），故熔沸点很高。
石墨为混合键型晶体。
练习
1.下列物质中属于原子晶体的化合物是（ ）
A.水晶 B.晶体硅
C.金刚石 D.干冰
A
2. 氮化硅（Si3N4）是一种新型的耐高温耐磨材 料，在工业上有广泛用途，它属于
原子晶体  B. 分子晶体  
C. 金属晶体   D. 离子晶体
A
3.下列各组物质中，按熔点由低到高排列正确的是 ( ) （94年上海高考）
（A）O2、H2、Hg
（B）CO2、KCl、SiO2
（C）Na、K、Rb
（D）SiC 、NaCl、SO2
原子晶体、离子晶体、分子晶体
分子晶体、离子晶体、原子晶体
降低
熔点：-183℃ -252℃ -38.9℃
练习
B
熔沸点比较：原子晶体 >离子晶体 > 分子晶体
4. 碳化硅（SiC）的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中C原子和S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
5、单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据
（1）晶体硼的晶体类型属于________晶体，
理由是______________