晶體類型及性質(zhì)

晶體類型及性質(zhì)（授課講義）

授課教師：湯平發(fā)人類對晶體的最初認(rèn)識也許是從采集石器時發(fā)現(xiàn)外形規(guī)則或光彩奪目的天然礦物開始的，進(jìn)而把它們作為玩物和飾物。世界各地的考古發(fā)掘表明，人類使用玉類寶石至少已有七千年的歷史。我國西漢時期劉勝夫婦墓葬中的兩套金縷玉衣就用了4600多玉片。唐詩、宋詞中更出現(xiàn)了“云母屏風(fēng)燭影深”,“水晶簾不下，云母屏開”之類的佳句。物質(zhì)狀態(tài)氣體液體固體等離子態(tài)等離子體（Plasma）是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，廣泛存在于宇宙中，常被視為是物質(zhì)的第四態(tài)，被稱為等離子態(tài)，或者“超氣態(tài)”，也稱“電漿體”。準(zhǔn)晶體，亦稱為“準(zhǔn)晶”或“擬晶”，是一種介于晶體和非晶體之間的固體結(jié)構(gòu)。晶體非晶體準(zhǔn)晶體液晶是介于液態(tài)與結(jié)晶態(tài)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它除了兼有液體和晶體的某些性質(zhì)（如流動性、各向異性等）外，還有其獨特的性質(zhì)。

地球上的晶態(tài)物質(zhì)比比皆是，僅礦物中，就有98%是晶體。有長達(dá)1m、上噸重的水晶，也有以克拉（=0.2g)計的鉆石;有晶瑩剔透、光彩奪目的紅、藍(lán)、黃、綠寶石，也有金屬、沙土等不像是晶體的物質(zhì)；有日常生活中用的食鹽、奎寧和青霉素，也有尖端科學(xué)技術(shù)中才會遇到的鍺酸鉍、鈮酸鋰、磷酸氧鈦鉀……動物的骨骼、毛發(fā)中也有結(jié)晶組織。脫離了營養(yǎng)介質(zhì)的病毒會形成結(jié)晶，例如“番茄停育癥”病毒會結(jié)晶成漂亮的大塊斜十二面體，若與寶石擺在一起，也許會以假亂真……晶體的性質(zhì)之一:均勻性一塊晶體內(nèi)部各個部分的宏觀性質(zhì)是相同的（化學(xué)組成、密度、硬度等）,稱為晶體性質(zhì)的均勻性。非晶體也有均勻性。盡管二者起因不同，但均勻性仍只是晶體的一種性質(zhì),而不是區(qū)別于非晶體的特性。晶體的性質(zhì)之二:有規(guī)則的幾何外形晶體的理想外形具有特定的對稱性,這是內(nèi)部結(jié)構(gòu)對稱性的反映。晶體的性質(zhì)之三:各向異性晶體的物理性質(zhì)，如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、折射率等隨方向不同而不同,稱為晶體的異向性,也稱各向異性。石墨的電導(dǎo)率在兩個方向上相差6000倍：平行于層的方向上電導(dǎo)率高（3×104S.cm-1,25oC），且隨溫度上升而減小，為半金屬性導(dǎo)電;垂直于層的方向上電導(dǎo)率卻很低（5S.cm-1,25oC），且隨溫度上升而增大，為半導(dǎo)體性導(dǎo)電。圖中紅、藍(lán)球均為C原子晶體的性質(zhì)之四:長程有序晶態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖非晶態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖晶體的性質(zhì)之五:有確定的熔點非晶體加熱時則是逐步軟化成流體，沒有明確的熔點。陰、陽離子通過離子鍵

陰離子和陽離子

離子鍵相反電荷

分子離子的個數(shù)比一、離子晶體：(1)概念：

而形成的晶體;(2)構(gòu)成離子晶體的微粒是

;(3)微粒間的作用力是

。由于離子間存在著無方向性的靜電作用，每個離子周圍會盡可能多地吸引帶

的離子以達(dá)到降低體系能量的目的。所以，離子晶體中不存在單獨的

，其化學(xué)式表示的是

，而不是分子組成。(4)物理性質(zhì)：硬度較

；熔沸點較

；大多易溶于水等極性溶劑；晶體

導(dǎo)電，水溶液或熔融態(tài)

導(dǎo)電。(5)熔化時破壞的作用力：

。(6)強(qiáng)堿、活潑金屬氧化物、大多數(shù)鹽類都是

化合物。它們在通常條件下都是

，都屬于離子晶體。(7)一般說來，陰、陽離子的電荷數(shù)

，離子半徑

，則離子鍵越強(qiáng)，離子晶體的熔、沸點

，如：Al2O3>MgO，NaCl>CsCl等。大高不能離子鍵離子固體越多越小越高物質(zhì)①NaF②NaI③MgO離子電荷數(shù)112離子間距離/10－10m2.313.182.10B

1．NaF、NaI、MgO晶體均為離子晶體，根據(jù)下列數(shù)據(jù)，這三種晶體的熔點高低順序是(

)A．①>②>③ B．③>①>②C．③>②>① D．②>①>③解析

NaF、NaI、MgO均為離子晶體，它們?nèi)埸c高低由離子鍵強(qiáng)弱決定，而離子鍵的強(qiáng)弱與鍵長和離子電荷數(shù)有關(guān)，MgO中鍵長最短，離子電荷數(shù)最高，故離子鍵最強(qiáng)。二、分子晶體(1)定義：分子間通過

相結(jié)合形成的晶體叫分子晶體。如：干冰、碘晶體、冰等。(2)構(gòu)成粒子：

。(3)微粒間的作用力：

。(4)物理性質(zhì)：分子晶體的熔、沸點

，密度

，硬度較小，較易熔化和揮發(fā)。固體和熔化狀態(tài)不導(dǎo)電，部分溶于水能導(dǎo)電。

(5)熔化破壞的作用力：

。(6)常見的典型的分子晶體有：①所有非金屬氫化物，如水、氨、甲烷等；②

，如鹵素、O2、S8、P4、C60等；③部分非金屬氧化物，如

等；④幾乎所有的酸；⑤絕大多數(shù)

的晶體。（有機(jī)鹽除外）(7)分子晶體熔、沸點高低的比較規(guī)律①分子晶體分子間作用力

，物質(zhì)熔、沸點

，反之

；具有氫鍵的分子晶體，熔、沸點

。如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。②組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，熔沸點越高。例如SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。分子間作用力分子

分子間作用力（氫鍵）較低

較小

分子間作用力（氫鍵）部分非金屬單質(zhì)干冰、冰、SO3、P2O5

有機(jī)物

越大

越高越低反常在分子晶體中，分子內(nèi)的原子間以共價鍵結(jié)合，分子間靠分子間作用力相互吸引。稀有氣體單質(zhì)是單原子分子，在固態(tài)時屬于分子晶體，但不存在共價鍵，不包含化學(xué)鍵。B

2．下列各組物質(zhì)各自形成晶體，均屬于分子晶體的化合物是 (

)A．NH3、HD、C10H8B．PCl3、CO2、H2SO4C．SO2、SiO2、P2O5D．CCl4、Na2S、H2O2解析

A中HD是單質(zhì)，不是化合物；C中SiO2為原子晶體，不是分子晶體；D中Na2S是離子晶體，不是分子晶體。3．下列物質(zhì)，按沸點降低順序排列的一組是(

)A．HF、HCl、HBr、HIB．F2、Cl2、Br2、I2C．H2O、H2S、H2Se、H2TeD．CI4、CBr4、CCl4、CF4解析

A、C中HF和H2O分子間含有氫鍵，沸點反常；對結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，B中沸點隨相對分子質(zhì)量的增加而增大；D中沸點依次降低。D4．下表列舉了幾種物質(zhì)的性質(zhì)，據(jù)此判斷屬于分子晶體的是____________。物質(zhì)性質(zhì)X熔點為10.31℃，液態(tài)不導(dǎo)電，水溶液導(dǎo)電Y易溶于CCl4，熔點為11.2℃，沸點為44.8℃Z常溫下為氣態(tài)，極易溶于水，溶液pH>7W常溫下為固體，加熱變?yōu)樽霞t色蒸汽，遇冷變?yōu)樽虾谏腆wM熔點為1170℃，易溶于水，水溶液導(dǎo)電N熔點為97.81℃，質(zhì)軟，導(dǎo)電，密度為0.97g·cm－3解析分子晶體熔、沸點一般比較低，硬度較小，固態(tài)不導(dǎo)電。M的熔點高，肯定不是分子晶體；N是金屬鈉的性質(zhì)；其余X、Y、Z、W均為分子晶體。X、Y、Z、W

D4．干冰熔點很低是由于(

)A．CO2是非極性分子B．C=O鍵的鍵能很小C．CO2化學(xué)性質(zhì)不活潑D．CO2分子間的作用力較弱5．SiCl4的分子結(jié)構(gòu)與CCl4相似，對其進(jìn)行的下列推測不正確的是(

)A．SiCl4晶體是分子晶體B．常溫、常壓下SiCl4是氣體C．SiCl4的分子是由極性鍵形成的非極性分子D．SiCl4的熔點高于CCl4解析

由于SiCl4具有分子結(jié)構(gòu)，所以一定屬于分子晶體。影響分子晶體熔、沸點的因素是分子間作用力的大小，在這兩種分子中都只有范德華力，SiCl4的相對分子質(zhì)量大于CCl4，所以SiCl4的分子間作用力更大一些，熔、沸點更高一些。CCl4的分子是正四面體結(jié)構(gòu)，SiCl4與它結(jié)構(gòu)相似，因此也應(yīng)該是正四面體結(jié)構(gòu)，是含極性鍵的非極性分子。B

B

6．下列有關(guān)分子晶體熔點高低的敘述中，正確的是(

)A．氯氣>碘單質(zhì)B．四氯化硅>四氟化硅C．NH3<PH3D．異戊烷>正戊烷解析

A、B選項屬于無氫鍵存在，分子結(jié)構(gòu)相似的情況，相對分子質(zhì)量大的物質(zhì)熔、沸點高；C選項屬于有氫鍵存在，分子結(jié)構(gòu)相似的情況，存在氫鍵的物質(zhì)熔、沸點高；D選項屬于相對分子質(zhì)量相同的同分異構(gòu)體，支鏈多的物質(zhì)熔、沸點低。7．下列物質(zhì)在室溫下均是分子晶體的是(

)A．H2O、CH4、HFB．紅磷、硫、碘C．CO2、SO2、NO2D．H2SO4、CH3CH2OH、HCHOB三、原子晶體(1)概念：相鄰原子間以

相結(jié)合形成的具有

結(jié)構(gòu)的晶體，稱為原子晶體。(2)構(gòu)成微粒：

；(3)微粒間的作用力：

；(4)常見的原子晶體：①常見的非金屬單質(zhì)，如金剛石(C)、硼(B)、

等。②某些非金屬化合物，如

、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。(5)原子晶體中不存在單個

，化學(xué)式僅僅表示的是物質(zhì)中的

關(guān)系，不是分子式。(6)熔化時破壞的作用力：

。(7)物理性質(zhì)：①熔、沸點

，②硬度

，③一般

導(dǎo)電，④

溶于溶劑。(8)原子晶體熔沸點的比較：由共價鍵形成的原子晶體中，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。共價鍵

空間網(wǎng)狀原子

共價鍵

晶體硅(Si)

碳化硅(SiC)

分子

原子個數(shù)比

共價鍵

很高大

不

難

8．下列關(guān)于原子晶體和分子晶體的說法不正確的是(

)A．原子晶體硬度通常比分子晶體大B．原子晶體的熔、沸點較高C．分子晶體中有的水溶液能導(dǎo)電D．金剛石、水晶和干冰都屬于原子晶體解析由于原子晶體中粒子間以共價鍵結(jié)合，而分子晶體中分子間以分子間作用力結(jié)合，故原子晶體比分子晶體的熔、沸點高，硬度大。有些分子晶體溶于水后能電離出自由移動的離子而導(dǎo)電，如H2SO4、HCl等；D選項中的干冰(CO2)是分子晶體，D錯。D

9．下列晶體性質(zhì)的比較中不正確的是(

)A．熔點：金剛石>碳化硅>晶體硅B．沸點：NH3>PH3C．硬度：白磷>冰>二氧化硅D．熔點：SiI4>SiBr4>SiCl4解析

A項中三種物質(zhì)都是原子晶體，因原子半徑r(C)<r(Si)，所以鍵長：C—C<C—Si<Si－Si，故鍵能：C—C>C—Si>Si—Si。鍵能越大，原子晶體的熔點越高，A項正確；因為NH3分子間存在氫鍵，所以NH3的沸點大于PH3的沸點，B項正確；二氧化硅是原子晶體，硬度大，白磷和冰都是分子晶體，硬度較小，C項錯誤；鹵化硅為分子晶體，它們的組成和結(jié)構(gòu)相似，分子間不存在氫鍵，故相對分子質(zhì)量越大，熔點越高，D項正確。C10．氮化硼(BN)是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有超硬、耐磨、耐高溫等優(yōu)良特性，下列各組物質(zhì)熔化時，所克服的微粒間作用與氮化硼熔化時克服的微粒間作用都相同的是(

)A．硝酸鈉和金剛石B．晶體硅和水晶C．冰和干冰D．苯和萘解析因為BN為原子晶體，熔化時克服的微粒間的相互作用是共價鍵。A中硝酸鈉為離子晶體；C、D中物質(zhì)均為分子晶體，只有B中物質(zhì)均為原子晶體。B

11．固體熔化時，必須破壞非極性共價鍵的是(

)A．冰B．晶體硅C．溴D．二氧化硅解析冰在融化時克服的是分子間作用力，晶體硅克服的是非極性共價鍵，溴克服的是分子間作用力，二氧化硅克服的是極性共價鍵。選項B符合題意。B

12．下列物質(zhì)熔點的比較正確的是(

)A．F2>Cl2>Br2 B．金剛石>P4>O2C．S>HBr>金剛石 D．I2>CH4>冰解析A項中F2、Cl2、Br2均是分子晶體，由相對分子質(zhì)量可知熔點：F2<Cl2<Br2；晶體類型不同時，一般是原子晶體的熔點大于分子晶體的熔點，在常溫時P4為固體，O2為氣體，所以B項正確；同理因為標(biāo)準(zhǔn)狀況下HBr、CH4是氣態(tài)，冰、I2、S是固態(tài)且C項中金剛石為原子晶體，所以C、D兩項錯誤。B

13．干冰和二氧化硅晶體同屬第ⅣA族元素的最高價氧化物，它們的熔、沸點差別很大的原因是(

)A．二氧化硅的相對分子質(zhì)量大于二氧化碳的相對分子質(zhì)量B．C、O鍵鍵能比Si、O鍵鍵能小C．干冰為分子晶體，二氧化硅為原子晶體D．干冰易升華，二氧化硅不能解析干冰和SiO2所屬晶體類型不同，干冰為分子晶體，熔化時破壞分子間作用力；SiO2為原子晶體，熔化時破壞化學(xué)鍵，所以熔點較高。C

A組B組金剛石：3550℃HF：－83℃晶體硅：1410℃HCl：－115℃晶體硼：2300℃HBr：－89℃二氧化硅：1710℃HI：－51℃14．現(xiàn)有兩組物質(zhì)的熔點數(shù)據(jù)如表所示：根據(jù)表中數(shù)據(jù)回答下列問題。(1)A組屬于________晶體，其熔化時克服的微粒間的作用力是____________。(2)B組中HF熔點反常是由于______________________________________________________________________________________________。(3)B組晶體不可能具有的性質(zhì)是________________。①硬度小②水溶液能導(dǎo)電③固體能導(dǎo)電④液體狀態(tài)能導(dǎo)電原子共價鍵HF分子間能形成氫鍵，熔化時需要消耗的能量更多③④

價電子

電子氣

金屬陽離子和自由電子

金屬單質(zhì)金屬陽離子

自由電子

金屬鍵

較高

較大

導(dǎo)電

導(dǎo)熱

延展

越高

越大越強(qiáng)

越強(qiáng)

升高

降低

液體沒有晶體中的

各原子層發(fā)生相對滑動

自由電子

可以在外加電場作用下

自由電子在運動時與金屬離子碰撞

溫度高的部分傳到溫度低BAD類型分子晶體原子晶體金屬晶體離子晶體構(gòu)成粒子分子原子金屬陽離子自由電子陰、陽離子粒子間的相互作用力分子間作用力共價鍵金屬鍵離子鍵硬度較小很大有的很大，有的很小較大熔、沸點較低很高有的很高，有的很低較高溶解性相似相溶難溶于任何溶劑常見溶劑難溶大多易溶于水等極性溶劑導(dǎo)電、傳熱性一般不導(dǎo)電，溶于水后有的導(dǎo)電一般不具有導(dǎo)電性，個別為半導(dǎo)體電和熱的良導(dǎo)體晶體不導(dǎo)電，水溶液或熔融態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)類別及舉例大多數(shù)非金屬單質(zhì)、氣態(tài)氫化物、酸、非金屬氧化物（SiO2除外）、絕大多數(shù)有機(jī)物（有機(jī)鹽除外）部分非金屬單質(zhì)（如金剛石、硅、晶體硼），部分非金屬化合物（如SiC、SiO2）金屬單質(zhì)與合金（如Na、Al、Fe、青銅）金屬氧化物（如K2O、Na2O）、強(qiáng)堿（如KOH、NaOH）、絕大部分鹽（如NaCl）四種晶體的比較特別提醒

(1)原子晶體的熔點不一定比離子晶體高，如MgO的熔點為2852℃，石英的熔點為1710℃。(2)金屬晶體的熔點不一定比分子晶體的熔點高，如Na的熔點為97℃，尿素的熔點為132.7℃。晶體類型的判斷及晶體熔、沸點高低的比較

一、晶體類型的判斷1．依據(jù)構(gòu)成晶體的微粒和微粒間的作用判斷(1)離子晶體的構(gòu)成微粒是陰、陽離子，微粒間的作用是離子鍵。(2)原子晶體的構(gòu)成微粒是原子，微粒間的作用是共價鍵。(3)分子晶體的構(gòu)成微粒是分子，微粒間的作用為分子間作用力。(4)金屬晶體的構(gòu)成微粒是金屬陽離子和自由電子，微粒間的作用是金屬鍵。2．依據(jù)物質(zhì)的分類判斷(1)金屬氧化物（如K2O、Na2O2等）、強(qiáng)堿（NaOH、KOH等）和絕大多數(shù)的鹽類是離子晶體。(2)大多數(shù)非金屬單質(zhì)（除金剛石、石墨、晶體硅等）、非金屬氫化物、非金屬氧化物（除SiO2外）、幾乎所有的酸、絕大多數(shù)有機(jī)物（除有機(jī)鹽外）是分子晶體。(3)常見的原子晶體單質(zhì)有金剛石、晶體硅、晶體硼等，常見的原子晶體化合物有碳化硅、二氧化硅等。(4)金屬單質(zhì)是金屬晶體。3．依據(jù)晶體的熔點判斷(1)離子晶體的熔點較高，常在數(shù)百至一千攝氏度以上。(2)原子晶體熔點高，常在一千攝氏度至幾千攝氏度。(3)分子晶體熔點低，常在數(shù)百攝氏度以下至很低溫度。(4)金屬晶體多數(shù)熔點高，但也有相當(dāng)?shù)偷摹?．依據(jù)導(dǎo)電性判斷(1)離子晶體溶于水的溶液及熔融狀態(tài)時能導(dǎo)電。(2)原子晶體一般為非導(dǎo)體。(3)分子晶體為非導(dǎo)體，而分子晶體中的電解質(zhì)（主要是酸和強(qiáng)極性非金屬氫化物）溶于水，使分子內(nèi)的化學(xué)鍵斷裂形成自由移動的離子，也能導(dǎo)電。(4)金屬晶體是電的良導(dǎo)體。5．依據(jù)硬度和機(jī)械性能判斷離子晶體硬度較大或硬而脆。原子晶體硬度大。分子晶體硬度小且較脆。金屬晶體多數(shù)硬度大，但也有較低的，且具有延展性。注意

(1)常溫下為氣態(tài)或液態(tài)的物質(zhì)，其晶體應(yīng)屬于分子晶體（Hg除外）。(2)石墨屬于混合鍵型晶體，但因?qū)觾?nèi)原子之間碳碳共價鍵的鍵長為1.42×10－10m，比金剛石中碳碳共價鍵的鍵長（鍵長為1.54×10－10m）短，所以熔、沸點高于金剛石。(3)AlCl3晶體中雖含有金屬元素，但屬于分子晶體，熔、沸點低（熔點190℃）。(4)合金的硬度比成分金屬大，熔、沸點比成分金屬低。1．不同類型晶體的熔、沸點高低一般規(guī)律原子晶體>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，如汞、鎵、銫等沸點很低，金屬晶體一般不參與比較。2．原子晶體由共價鍵形成的原子晶體中，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、陽離子所帶電荷數(shù)越多，離子半徑越小，則離子間的作用就越強(qiáng)，其離子晶體的熔、沸點就越高，如熔點：MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。4．分子晶體(1)分子間作用力越大，物質(zhì)的熔、沸點越高；具有氫鍵的分子晶體，熔、沸點反常得高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S。(2)組成和結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對分子質(zhì)量越大，熔、沸點越高，如SnH4>GeH4>SiH4>CH4，F(xiàn)2<Cl2<Br2<I2。(3)組成和結(jié)構(gòu)不相似的物質(zhì)（相對分子質(zhì)量接近），分子的極性越大，其熔、沸點越高，如CO>N2，CH3OH>CH3CH3。晶體熔、沸點高低的比較(4)同分異構(gòu)體，支鏈越多，熔、沸點越低。例如：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>(5)同分異構(gòu)體的芳香烴，其熔、沸點高低順序是鄰>間>對位化合物。5．金屬晶體金屬離子半徑越小，離子電荷數(shù)越多，其金屬鍵越強(qiáng)，金屬熔、沸點就越