化学选修3 物质结构与性质第四节 离子晶体教学设计

 细读教材记主干

1．什么是离子键？其成键微粒有哪些？

提示：带相反电荷离子之间的相互作用叫作离子键，其成键微粒是阴、阳离子。

2．由离子键构成的化合物叫离子化合物；离子化合物一定含离子键，可能含共价键，含离子键的化合物一定是离子化合物。

3．离子晶体是由阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体。决定离子晶体结构的重要因素有：几何因素(正负离子的半径比)，电荷因素(正负离子的电荷比)，键性因素(离子键的纯粹程度)。

4．离子晶体硬度较大，难以压缩，具有较高的熔点和沸点，固体不导电，溶于水或在熔融状态下可以导电。

 [新知探究]

1．概念

由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

(1)构成粒子：阳离子和阴离子。

(2)作用力：离子键。

2．决定晶体结构的因素

3．离子晶体的性质

4.常见的离子晶体

续表

[名师点拨]

1．离子晶体中的“不一定”

(1)离子晶体中不一定都含有金属元素，如NH4NO3晶体。

(2)离子晶体的熔点不一定低于原子晶体，如MgO的熔点(2 800 ℃)高于SiO2的熔点(1 600 ℃)。

(3)离子晶体中除含离子键外不一定不含其他化学键，如CH3COONH4中除含离子键外，还含有共价键、配位键。

(4)由金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体，如AlCl3是分子晶体。

(5)含有阳离子的晶体不一定是离子晶体，也可能是金属晶体。

(6)离子晶体中不一定不含分子，如CuSO4·5H2O晶体。

2．四种晶体结构和性质的比较

[对点演练]

1．(2016·邢台高二检测)CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如图所示)，但CaC2晶体中由于哑铃形C的存在，使晶胞沿一个方向拉长。下列关于CaC2晶体的说法中正确的是(　　)

A．1个Ca2＋周围距离最近且等距离的C数目为6

B．该晶体中的阴离子与F2是等电子体

C．6.4 g CaC2晶体中含阴离子0.1 mol

D．与每个Ca2＋距离相等且最近的Ca2＋共有12个

解析：选C　依据晶胞示意图可以看出，晶胞的一个平面的长与宽不相等，再由图中体心可知1个Ca2＋周围距离最近的C有4个，而不是6个，故A错误；C含电子数为2×6＋2＝14，F2的电子数为18，二者电子数不同，不是等电子体，故B错误；6.4 g CaC2为0.1 mol，CaC2晶体中含阴离子为C，则含阴离子0.1 mol，故C正确；晶胞的一个平面的长与宽不相等，与每个Ca2＋距离相等且最近的Ca2＋应为4个，故D错误。

2．NaCl晶体模型如图所示：

(1)在NaCl晶体中，每个Na＋周围同时吸引________个Cl－，每个Cl－周围也同时吸引着________个Na＋；在NaCl晶胞中含有________个Na＋、________个Cl－，晶体中每个Na＋周围与它距离最近且相等的Na＋共有________个。

(2)对于氯化钠晶体，下列描述正确的是________。

A．它是六方紧密堆积

B．相邻的正负离子核间距等于正负离子半径之和

C．与氯化铯晶体结构相同

D．每个Na＋与6个Cl－作为近邻

解析：(1)在氯化钠晶体中，一个Na＋位于晶胞的中心，12个Na＋分别位于晶胞的12条棱上，则属于该晶胞的Na＋相当于3个，因此一个晶胞中共含有4个Na＋，8个Cl－分别位于晶胞的8个顶点上，则属于该晶胞的Cl－相当于1个，6个Cl－分别位于晶胞的6个面心上，则属于该晶胞的Cl－相当于3个，所以一个晶胞中共含有4个Cl－。可见NaCl晶体中Na＋、Cl－的个数比为1∶1。图中位于晶胞中心的Na＋实际上共有3个平面通过它，通过中心Na＋的每个平面都有4个Na＋位于平面的四角，这4个Na＋与中心Na＋距离最近且距离相等。所以在NaCl晶体中，每个Na＋周围与它距离最近且距离相等的Na＋共有12个，按相似的方法可推出每个Cl－周围与它最近且距离相等的Cl－也共有12个。(2)氯化钠晶体是面心立方堆积，A错误，相邻的正负离子核间距不等于正负离子半径之和，B错误，氯化铯晶体结构呈体心立体堆积，C错误，氯化钠晶体中以Na＋为中心向三维方向伸展，有6个Cl－近邻，D正确。

答案：(1)6　6　4　4　12　(2)D

[新知探究]

1．概念

气态离子形成1 mol离子晶体释放的能量，通常取正值，单位为 kJ/mol。

2．影响因素

3．晶格能对离子晶体性质的影响

晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。

[对点演练]

3．(2016·潮州高二检测)离子晶体稳定性取决于晶体中晶格能的大小。判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体稳定性由高到低的顺序是(　　)

A．KCl＞NaCl＞BaO＞CaO

B．NaCl＞KCl＞CaO＞BaO

C．CaO＞BaO＞NaCl＞KCl

D．CaO＞BaO＞KCl＞NaCl

解析：选C　离子晶体的离子半径越小，晶格能越大，则晶体的稳定性越高，离子半径Na＋＜K＋，稳定性NaCl＞KCl，离子半径Ca2＋＜Ba2＋，稳定性CaO＞BaO；离子所带电荷数越多，晶格能越大，则晶体的稳定性越高，离子电荷数Na＋＝Cl－＜O2－＝Ba2＋，有稳定性BaO＞NaCl，稳定性由高到低的顺序是CaO＞BaO＞NaCl＞KCl，故选C。

4．下列有关离子晶体的数据大小比较不正确的是(　　)

A．熔点：NaF>MgF2>AlF3

B．晶格能：NaF>NaCl>NaBr

C．阴离子的配位数：CsCl>NaCl>CaF2

D．硬度：MgO>CaO>BaO

解析：选A　掌握好离子半径的大小变化规律是分析离子晶体性质的一个关键点。由于r(Na＋)>r(Mg2＋)>r(Al3＋)，且Na＋、Mg2＋、Al3＋所带电荷依次增大，所以NaF、MgF2、AlF3的离子键依次增强，晶格能依次增大，故熔点依次升高。r(F－)<r(Cl－)<r(Br－)，故NaF、NaCl、NaBr的晶格能依次减小。在CsCl、NaCl、CaF2中阴离子的配位数分别为8、6、4。r(Mg2＋)<r(Ca2＋)<r(Ba2＋)，故MgO、CaO、BaO中离子键依次减弱，晶格能依次减小，硬度依次减小。

1．(2016·黄石高二检测)下列叙述正确的是(　　)

A．离子晶体中，只存在离子键，不可能存在其他化学键

B．氧族元素(O、S、Se、Te)的氢化物的沸点依次升高

C．NaHSO4、Na2O2晶体中的阴阳离子个数比均为1∶1

D．晶体的硬度：金刚石>碳化硅>石英

解析：选D　离子晶体中一定含有离子键，也可能存在共价键，如KOH，故A错误；氧族元素的氢化物都是分子晶体，其溶沸点的高低取决于分子间作用力，水分子之间存在氢键使得其溶沸点特别高，所以水的沸点最高，故B错误；硫酸氢钠、过氧化钠中其阴离子分别是HSO、O，其阳离子都是钠离子，所以NaHSO4中阴阳离子个数比是1∶1，Na2O2晶体中的阴阳离子个数比为1∶2，故C错误；这几种晶体都是原子晶体，且键长Si－Si＞C－Si＞C－C，所以键能Si－Si＜C－Si＜C－C，熔点金刚石＞碳化硅＞单晶硅，故D正确。

2．(2016·蚌埠高二检测)离子键、共价键、金属键、范德华力都是微粒之间的不同作用力，下列物质：

①Na2O2　②SiO2　③氦气　④金刚石　⑤NH4Cl　⑥白磷

含有上述任意两种作用力的是(　　)

A．①②④  B．①③⑥  C．①⑤⑥  D．③④⑤

解析：选C　①Na2O2含有离子键和共价键；②SiO2只含有共价键；③氦气只含有范德华力；④金刚石中只含有共价键；⑤NH4Cl含有离子键和共价键；⑥白磷含有共价键和范德华力。

3．(2016·绵阳高二检测)如图是NaCl、CsCl、ZnS等离子晶体结构图或是从其中分割出来的部分结构图。试判断属于NaCl的晶体结构的图像为(　　)

　A　　　　　B　　 　　C　　 　　　D

解析：选B　因NaCl属于立方晶体，每个钠离子周围有6个氯离子，选项中只有B将黑球表示钠离子，白球表示氯离子，钠离子周围有6个氯离子，即B属于NaCl的晶体结构。

4．下列各组物质中，按熔点由低到高排列正确的是(　　)

A．O2、I2、Hg       B．Si、SiC、金刚石

C．H2O、H2S、H2Se  D．NaCl、KCl、CsCl

解析：选B　A项，Hg的熔点比I2低；B项，Si的原子半径大于C的原子半径，错误；B项，键能：C—C＞C—Si＞Si—Si，熔点Si＜SiC＜金刚石，正确；C项，H2O分子间有氢键，沸点最高，错误；D项，Na＋、K＋、Cs＋的半径依次增大，晶格能逐渐减小，熔点逐渐降低，错误。

5．(2016·汪清高二检测)高温下超氧化钾晶体呈立方体结构，晶体中氧的化合价部分为0价，部分为－2价。如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞(晶体中最小的重复单元)，则下列说法中正确的是(　　)

A．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K＋和4个O

B．晶体中每个K＋周围有8个O，每个O周围有8个K＋

C．晶体中与每个K＋距离最近的K＋有8个

D．晶体中，0价氧与－2价氧的数目比为2∶1

解析：选A　在超氧化钾晶体中含有K＋个数是：8×＋6×＝4，含有O原子个数是：12×＋1＝4，因此超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K＋和4个O；在晶体中每个K＋周围有6个O，每个O周围有6个K＋；晶体中与每个K＋距离最近的K＋有(3×8)÷2＝12个；晶胞中，K＋和O都是4个，所以含有8个O原子，根据电荷相等可知 －2价氧是2个，0价氧是6个，所以0价氧与 －2价氧的数目比为6∶2＝3∶1。

6．在离子晶体中，阴、阳离子按一定规律在空间排列，如图1就是NaCl的晶体结构。在离子晶体中，阴、阳离子具有或接近具有球对称的电子云，它们可以被看成是不等径的刚性圆球，并彼此相切，如图2所示。离子键的键长是相邻阴、阳离子的半径之和，如图3所示。已知a为常数。

 　                   图1　　　 　 　图2　　　 　　图3

试回答下列问题：

(1)在NaCl晶体中，每个Na＋同时吸引________个Cl－，而Na＋数目与Cl－数目之比为________。

(2)NaCl晶体离子键的键长为________。

(3)Na＋半径与Cl－半径之比 ＝__________(已知 ≈1.414，≈1.732，≈2.236)。

(4)NaCl晶体中不存在分子，但温度达到1 413 ℃时，NaCl晶体形成气体，并以分子形式存在。现有 29.25 g NaCl晶体，强热使温度达到1 450 ℃，测得气体体积为5.6 L(已折算为标准状况)，则此时氯化钠气体的化学式为________。

解析：观察中间图形知：＝sin 45°，即 ＝1.414，＝0.414。2(r＋＋r－)＝a，r＋＋r－＝，即离子键键长为。由题意29.25 g氯化钠在1 450 ℃时为0.25 mol，故其摩尔质量为117 g/mol，氯化钠气体的化学式为Na2Cl2。

答案：(1)6　1∶1　(2)　(3)0.414　(4)Na2Cl2