晶体性质（精选五篇）
晶体性质 篇1
一、晶体常识
1. 晶胞
( 1) 概念: 描述晶体结构的基本单元.
( 2) 晶体中晶胞的排列———无隙并置. a. 无隙: 相邻晶胞之间没有任何间隙. b. 并置: 所有晶胞平行排列、取向相同.
2. 晶格能
( 1) 定义: 气态离子形成1 mol离子晶体释放的能量,通常取正值,单位: k J·mol- 1.
( 2) 影响因素: a. 离子所带电荷数: 离子所带电荷数越多,晶格能越大. b. 离子的半径: 离子的半径越小,晶格能越大.
( 3) 与离子晶体性质的关系: 晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,且熔点越高,硬度越大.
例1如图1是甲、乙、丙三种晶体的晶胞,则甲晶体中x与y的个数比是_____,乙中a与b的个数比是_____,丙中一个晶胞中有_____个c离子和______个d离子.
二、分类比较晶体的熔、沸点
1. 不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律: 原子晶体 > 离子晶体 > 分子晶体.
2. 原子晶体: 由共价键形成的原子晶体中,原子半径小的键长短,键能大,晶体的熔、沸点高. 如熔点: 金刚石 > 石英 > 碳化硅 > 硅.
3. 离子晶体: 一般地说,阴、阳离子所带电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用就越强,其离子晶体的熔、沸点就越高,如熔点: Mg O > Mg Cl2> Na Cl > Cs Cl.
4. 分子晶体: 1分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高; 具有氢键的分子晶体,熔、沸点反常的高. 如H2O > H2Te > H2Se >H2S. 2组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔、沸点越高,如Sn H4> Ge H4> Si H4> CH4,F2< Cl2< Br2< I2.
例2下列分子晶体中,关于熔、沸点高低的叙述中,正确的是()
( A) Cl2> I2( B) Si Cl4< CCl4
( C) NH3> PH3( D) C( CH3)4> CH3CH2CH2CH2CH3
解析: ( A) ( B) 项属于无氢键存在的分子结构相似的情况,相对分子质量大的熔、沸点高; ( C) 选项属于分子结构相似的情况,但存在氢键的熔沸点高; ( D) 项属于相对分子质量相同,但分子结构不同的情况,支链少的熔、沸点高. 答案: ( C) .
例3下列说法中,正确的是()
( A) 冰融化时,分子中H—O键发生断裂
( B) 原子晶体中,共价键越强,熔点越高
( C) 分子晶体中,共价键键能越大,该分子晶体的熔、沸点一定越高
( D) 分子晶体中,分子间作用力越大,该物质越稳定
解析: ( A) 项,冰为分子晶体,熔化时破坏的是分子间作用力,故( A) 项错误; ( B) 项,原子晶体熔点的高低取决于共价键的强弱,共价键越强,熔点越高,故( B) 项正确; ( C) 项,分子晶体熔、沸点的高低取决于分子间作用力的大小,而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小,所以( C) 项错误,( D) 项也错误.答案: ( B) .
三、几种常见的晶体模型
1. 分子晶体
( 1) 干冰晶体中,每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个( 如图2甲所示) .
( 2) 冰的结构模型中,每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接,含1 mol H2O的冰中,最多可形成2 mol“氢键”( 如图2乙所示) .
2. 离子晶体
( 1) Na Cl型: 在晶体中,每个Na+同时吸引6个Cl-,每个Cl-同时吸引6个Na+,配位数为6. 每个晶胞含4个Na+和4个Cl-( 如图3甲所示) .
( 2) Cs Cl型: 在晶体中,每个Cl-吸引8个Cs+,每个Cs+吸引8个Cl-,配位数为8( 如图3乙所示) .
例4下面有关晶体的叙述中,不正确的是()
( A) 金刚石网状结构中,由共价键形成的碳原子环中,最小的环上有6个碳原子
( B) 氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共有6个
( C) 氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl
( D) 干冰晶体中,每个CO2分子周围紧邻12个CO2分子
解析: 氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共12个. 每个Na+周围距离相等且最近的Cl-共有6个. 答案: ( B) .
例5关于Si O2晶体的叙述中,正确的是()
( A) 通常状况下,60 g Si O2晶体中含有的分子数为NA( NA表示阿伏加德罗常数)
( B) 60 g Si O2晶体中,含有2NA个Si—O键
( C) 晶体中与同一硅原子相连的4个氧原子处于同一四面体的4个顶点
( D) Si O2晶体中含有1个硅原子,2个氧原子
解析: 60 g Si O2晶体即1 mol Si O2,晶体中含有Si—O键数目为4 mol( 每个硅原子、氧原子分别含有4个、2个未成对电子,各拿出一个单电子形成Si—O共价键) ,含4NA个Si—O键;Si O2晶体中含有无数的硅原子和氧原子,只是硅氧原子个数比为1∶2. 在Si O2晶体中,每个硅原子和与其相邻且最近的4个氧原子形成正四面体结构,硅原子处于该正四面体的中心,而4个氧原子处于该正四面体的4个顶点上. 答案: ( C) .
四、均摊法
特别提醒: 在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时,要注意晶胞的形状,不同形状的晶胞,应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有,如六棱柱晶胞中,顶点、侧棱、底面上的棱、面心依次被6、3、4、2个晶胞所共有( 如图4所示) .
例6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. 钛酸钡晶体的晶胞结构示意图如图5所示,它的化学式是( )
( A) Ba Ti8O12( B) Ba Ti4O6
( C) Ba Ti2O4( D) Ba Ti O3
解析: 由晶胞结构示意图可知,Ba在立方体的中心,完全属于该晶胞; Ti处于立方体的8个顶点,每个Ti有1 /8属于该晶胞; O处于立方体的12条棱的中点,每个O有1 /4属于该晶胞.即晶体中N( Ba) ∶N( Ti) ∶N( O) = 1∶( 8×1 /8) ∶( 12×1 /4) = 1∶1∶3. 答案: ( D) .
五、四种晶体性质比较( 见表 1)
例7下列推论正确的()
( A) Si H4的沸点高于CH4,可推测PH3的沸点高于NH3
( B) NH+4为正四面体结构,可推测出PH+4也为正四面体结构
( C) CO2晶体是分子晶体,可推测Si O2晶体也是分子晶体
( D) C2H6是碳链为直线形的非极性分子,可推测C3H8也是碳链为直线形的非极性分子
解析: NH3分子间存在氢键,沸点反常偏高大于PH3,( A)项错误. N、P是同主族元素,形成的离子: NH+4和PH+4结构类似都是正四面体构型,( B) 项正确. CO2是分子晶体,而Si O2是原子晶体,( C) 项错误. C2H6中两个—CH3对称,是非极性分子,而C3H8是锯齿形结构,是极性分子,( D) 项错误. 答案:( B) .
例8下列判断错误的是( )
( A) 熔点: Si3N4> Na Cl > Si I4
( B) 沸点: NH3> 3> As H3
( C) 酸性: HCl O4> H2SO4> H3PO4
( D) 碱性: Na OH > Mg( OH)2> Al( OH)3
晶体结构与性质教案(一) 篇2
晶体结构与性质教案(一)
教学内容： 分子晶体和原子晶体 1. 晶体与非晶体 2. 晶胞 3. 分子晶体 4. 原子晶体 二. 重点、难点 1. 通过实验探究理解晶体与非晶体的差异。 2. 了解区别晶体与非晶体的方法，认识化学的实用价值，增强学习化学的兴趣。 3. 了解分子晶体的组成粒子、结构模型和结构特点及其性质的一般特点。 4. 理解分子间作用力和氢键对物质物理性质的影响，知道一些常见的属于分子晶体的物质类别。 5. 掌握原子晶体的概念，能够区分原子晶体和分子晶体。 6. 了解金刚石等典型原子晶体的结构特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。 三. 教学过程 （一）晶体与非晶体 1、晶体的定义：晶体是由原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。非晶体是原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成的固体。 （1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断。 （2）晶体内部的原子有规律地排列，且外观为多面体，为固体物质。 （3）周期性是晶体结构最基本的特征。 2、晶体与非晶体的本质差异 自范性 微观结构 晶体 有（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 非晶体 没有（不能自发呈现多面体外形） 原子排列相对无序 （1）自范性：晶体能自发性地呈现多面体外形的性质。 （2）晶体自范性的本质:是晶体中粒子微观空间里呈现周期性地有序排列的宏观表象。 （3）晶体自范性的条件之一：生长速率适当。如熔融态的二氧化硅，快速地冷却得到玛瑙，而缓慢冷却得到水晶。 3、晶体形成的一段途径： （1）熔融态物质凝固。如从熔融态结晶出来硫晶体。 （2）气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。如凝华得到的碘晶体。 （3）溶质从溶液中析出。如从硫酸铜饱和溶液中析出的硫酸铜晶体。 4、晶体的特点： （1）均匀性 （2）各向异性 （3）自范性 （4）有明显确定的熔点 （5）有特定的对称性 （6）使X射线产生衍射 （二）晶胞 1、晶胞的定义：晶体结构中的基本单元叫晶胞。 （1）晶胞是从晶体结构中截取出来的大小、形状完全相同的平行六面体。晶胞代表整个晶体，无数个晶胞堆积起来，则得到晶体。 （2）整个晶体是由晶胞“无隙（相邻晶胞之间没有任何间隙）并置（所有晶胞都是平行排列的，取向相同）”堆砌而成。晶胞的无隙并置体现了晶体的各向异性（强度、导热、光学性质）和紧密堆积（紧密堆积指由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。）。 （3）晶胞内微粒的组成反映整个晶体的组成，求出晶胞中微粒的个数比就能写出晶体的化学式。 2、晶胞中原子个数的计算方法： （三）分子晶体 1、定义：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。 （1）构成分子晶体的粒子是分子； （2）分子晶体的粒子间的相互作用是范德华力； （3）范德华力远小于化学键的作用； （4）分子晶体熔化破坏的是分子间作用力。 2、典型的分子晶体 （1）所有非金属氢化物：H2O、H2S、NH3、CH4、HX （2）部分非金属单质：X2、 N2、 O2、 H2、S8、P4、C60 （3）部分非金属氧化物：CO2、SO2、N2O4，P4O6， P4O10 （4）几乎所有的酸：H2SO4、HNO3、H3PO4 （5）大多数有机物：乙醇，冰醋酸，蔗糖 3、分子晶体的物理特性： 某些分子晶体的熔点 由于范德华力很弱，所以分子晶体一般具有： （1）较低的熔点和沸点； （2）较小的硬度； （3）一般都是绝缘体，熔融状态也不导电。 【思考1】为何分子晶体的硬度小，熔沸点低？ 因为构成晶体的微粒是分子，分子之间以分子间作用力（主要是范德华力）相结合，范德华力远小于化学键的作用。 【思考2】是不是在分子晶体中分子间只存在范德华力？ 不对，分子间氢键也是一种分子间作用力，如冰中就同时存在着范德华力和氢键。 【思考3】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，导致晶体冰中有相当大的空隙，所以相同状况下体积较大。又由于CO2分子的相对分子质量>H2O分子的相对分子质量，所以干冰的密度大。 4、分子晶体的结构特征 组成微粒 微粒间作用 堆积方式 熔沸点比较 密度比较 冰 水分子 范德华力和氢键 每个分子周围有4个紧邻的分子 较高 较小 干冰 CO2分子 范德华力 每个分子周围有12个紧邻的分子 较低 较大 大多数分子晶体结构有如下特征： （1）如果分子间作用力只是范德华力。以一个分子为中心，其周围通常可以有几个紧邻的`分子。如O2、C60、CO2，我们把这一特征叫做分子紧密堆积。 （2）如果分子间除范德华力外还存在着氢键，分子就不会采取紧密堆积的方式。如在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子，形成正四面体。氢键不是化学键，比共价键弱得多却跟共价键一样具有方向性，而氢键的存在迫使四面体中心的每个水分子与四面体顶角方向的4个相邻水分子相互吸引，这一排列使冰晶体中空间利用率不高，皆有相当大的空隙使得冰的密度减小。 5、分子晶体熔、沸点高低的比较规律 分子晶体要熔化或汽化都需要克服分子间的作用力。分子间作用力越大，物质熔化和汽化时需要的能量就越多，物质的熔、沸点就越高。因此，比较分子晶体的熔、沸点高低，实际上就是比较分子间作用力（包括范力和氢键）的大小。 （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。第53课时 晶体结构与性质 篇3
A. 具有规则几何外形的固体一定是晶体
B. 任何晶体中都含有化学键
C. 含有阳离子的晶体一定属于离子晶体
D. 含有阴离子的晶体一定属于离子晶体
2.右图为冰的一种骨架形式，依此向空间延伸，则x mol冰中含有氢键（ ）
A.2x mol B.4x mol
C.6x mol D.8x mol
3. 下列物质的熔、沸点高低顺序正确的是（ ）
A. C60>晶体硅
B. NaCl>Hg>HF
C. 离子化合物>共价化合物
D. 金刚石>生铁>纯铁
4. 在氯化钠晶体中，与某个Na+距离相等且最近的Cl-所围成的空间几何构型为（ ）
A. 正四面体 B. 正八面体
C. 正六面体 D. 正二十面体
5. 下列晶体：①Na2O2、②固体氨、③NaCl、④SiO2、⑤冰、⑥干冰，其中含有三种作用力的是（ ）
A. ①②③ B. ①②⑥
[A][B][C]C. ②⑤ D. ⑤⑥
6. 某晶体的结构如右图所示，这种晶体中A、B、C三种微粒数目之比为（ ）
A. 1∶4∶2 B. 2∶9∶4
C. 3∶9∶4 D. 3∶8∶4
7. 某晶体为体心立方晶格（如左图），实验测得其密度为ρ（g·cm-3）。已知它的相对原子 质量为a，阿伏加德罗常数为NA，假定晶体中原子为等直径的刚性球且处于体对角线上的三个球相切。则晶体中原子的半径r（cm）为（ ）
A. [2aNAρ3] B.[3?2aNAρ3]
C. [34?2aNAρ3]D. [12?2aNAρ3]
8. 元素X的某价态离子Xn+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它与N3-形成的晶体结构如图所示。
（1）该晶体的阳离子与阴离子个数比为 。
（2）该晶体中Xn+中n= ，X元素的原子序数是 。
（3）晶体中每个N3-被 个等距离最近的Xn+包围。
①该合金的化学式是 。
②该合金储氢后，含1 mol La的合金可吸附H2的数目为 。
10.碳族元素C、Si、Ge、Sn、Pb：
（1）碳纳米管有单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过 杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间作用力为 。
（2）铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构：Pb4+处于立方晶胞顶点，Ba2+处于晶胞中心，O2-处于晶胞棱边中心，该化合物的化学式为 ，每个Ba2+与 个O2-配位。
11. 铜是重要金属，Cu的化合物在科学研究和工业生产中具有许多用途。
（1）下图?????表示的是Cu晶体中微粒的堆积方式，其空间利用率为 ，配位数为 。若Cu晶体中一个晶胞的边长为a cm，则晶体的密度为 。
甲 乙 丙
（2）一种铜合金晶体具有立方最密堆积的结构，在晶胞中Cu原子处于面心，Au原子是处于顶点位置，则该合金中Cu原子与Au原子数量之比为 ；
（3）上述晶体具有储氢功能，氢原子可进入到由Cu原子与Au原子构成的四面体空隙中。若将Cu原子与Au原子等同看待，该晶体储氢后的晶胞结构为CaF2的结构相似，该晶体储氢后的化学式应为 。
晶体性质 篇4
例1(2015年福建理综化学)(删改)科学家正在研究温室气体CH4和CO2的转化和利用.
(2)下列关于CH4和CO2的说法正确的是______(填序号).
a.固态CO2属于分子晶体
b.CH4分子中含有极性共价键,是极性分子
c.因为碳氢键键能小于碳氧键,所以CH4熔点低于CO2
d.CH4和CO2分子中碳原子的杂化类型分别是sp3和sp
解析:a.固态CO2是由CO2分子通过分子间作用力结合形成的分子晶体,正确.
b.在CH4分子中含有不同种非金属元素形成的C-H极性共价键,由于该分子中各个共价键空间排列对称,该分子是正四面体型的结构的分子,因此该反应是非极性分子,错误.
c.CH4和CO2都是由分子构成的分子晶体,分子之间通过分子间作用力结合,分子间作用力越强,物质的熔、沸点就越高,物质的熔沸点高低与分子内的化学键的强弱无关,错误.
d.CH4分子中碳原子形成的都是σ键,碳原子的杂化类型是sp3的杂化,而CO2分子中碳原子与两个氧原子个形成了四个共价键:两个σ键,两个π键,碳原子的杂化类型是sp杂化,正确.
答案:a、d.
知识点睛:有关各类晶体之间的区别见表1.
二、考查熔沸点规律
例2(2015年海南化学)下列物质的结构或性质与氢键无关的是()
(A)乙醚的沸点
(B)乙醇在水中的溶解度
(C)氢化镁的晶格能
(D)DNA的双螺旋结构
解析:选项(A),乙醚分子间不存在氢键,乙醚的沸点与氢键无关,正确.
选项(B),乙醇和水分子间能形成氢键,乙醇在水中的溶解度与氢键有关,错误.
选项(C),氢化镁为离子化合物,氢化镁的晶格能与氢键无关,正确.
选项(D),DNA的双螺旋结构与氢键有关,错误.
答案:(A)(C)
知识点睛:(1)离子晶体:结构相似且化学式中各离子个数比相同的离子晶体中,离子半径小(或阴、阳离子半径之和越小的),键能越强的熔、沸点就越高;离子所带电荷大的熔点较高.
(2)分子晶体:在组成结构均相似的分子晶体中,式量大的分子间作用力就大,熔点也高.但分子间有氢键存在的物质熔沸点偏高.
(3)原子晶体:在原子晶体中,只要成键原子半径小,键能大的,熔点就高.
(4)金属晶体:金属离子半径越小,电荷数越大,其熔、沸点也就越高.
三、考查晶体微粒排列方式
例3(2015年新课标Ⅰ卷理综化学)(删改)碳及其化合物广泛存在于自然界中,回答下列问题:
(4)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于_____晶体.
(5)碳有多种同素异形体,其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图1所示.
(1)在石墨烯晶体中,每个碳原子连接____个六元环,每个六元环占有_____个碳原子.
(2)在金刚石晶体中,碳原子所连接的最小环也为六元环,每个碳原子连接_____个六元环,六元环中最多有_______个碳原子在同一平面.
解析:(4)该化合物熔点为253 K,沸点为376 K,说明熔沸点较低,所以为分子晶体;(5)根据均摊法来计算.(1)石墨烯晶体中,每个碳原子被3个6元环共有,每个六元环占有的碳原子数是6×1/3=2;(2)每个碳原子周围形成4个共价键,每2个共价键即可形成1个六元环,则可形成6个六元环,每个共价键被2个六元环共用,所以一个碳原子可连接12个六元环;根据数学知识,3个碳原子可形成一个平面,而每个碳原子都可构成1个正四面体,所以六元环中最多有4个碳原子共面.
答案:(4)分子;(5)(1)3 2(2)12 4.
四、考查晶体知识变通能力
例4(2015年上海卷化学)某晶体中含有极性键,关于该晶体的说法错误的是()
(A)不可能有很高的熔沸点
(B)不可能是单质
(C)可能是有机物
(D)可能是离子晶体
解析:考察化学键类型和晶体类型、物质类别和熔点沸点的关系.晶体中含有极性键,可能是离子晶体,也可能是原子晶体,也可能是分子晶体,如KOH、Si O2、H2O;在原子晶体中,有很高的熔沸点,在分子晶体中可能是有机物.单质是同种元素组成的纯净物,没有极性键.
答案:(B)
例5(2015年新课标Ⅱ卷理综化学)(删改)A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素,A2-和B+具有相同的电子构型:C、D为同周期元素,C核外电子总数是最外层电子数的3倍;D元素最外层有一个未成对电子.回答下列问题:
(2)单质A有两种同素异形体,其中沸点高的是_____(填分子式),原因是______;A和B的氢化物所属的晶体类型分别为____和______.
解析:A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素,A2-和B+具有相同的电子构型,则A为O,B为Na;C、D为同周期元素,C核外电子总数是最外层电子数的3倍,则C为P;D元素最外层有一个未成对电子,则D为Cl.(2)氧元素有了氧气和臭氧两种单质,由于O3相对分子质量较大,范德华力大,熔沸点较高;A和B的氢化物分别为水和Na H,所属的晶体类型依次为分子晶体和离子晶体.
答案:O3O3相对分子质量较大,范德华力大;分子晶体离子晶体
摘要：纵观2015年考查“晶体结构与性质”各地高考化学试题,是“铁打的营房、流水的兵”;既注重对基础知识考查,更强调对能力的考查.
关键词：晶体性质,熔沸点规律,晶体微粒排列方式
参考文献
晶体性质 篇5
一、晶体的基本性质
晶体的基本性质是由晶体的周期性结构决定的。
1.自范性：指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。2.均一性：指晶体的化学组成、密度等性质在晶体中各部分都是相同的。
3.各向异性：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异。
4.对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。在外形上，常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。
这种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复，就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。
5.最小内能：在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小。
6.稳定性：晶体由于有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。7.有确定的熔点：给晶体加热，当温度升高到某一温度便立即熔化。8.能使X射线产生衍射：当入射光的波长与光栅隙缝大小相当时，能产生光的衍射现象。X射线的波长与晶体结构的周期大小相近，所以晶体是个理想的光栅，它能使X射线产生衍射。利用这种性质人们建立了测定晶体结构的重要实验方法。非晶态物质没有周期性结构，不能使X射线产生衍射，只有散射效应。
二、梦幻般的晶体世界 1.什么是晶体
什么是晶体？晶体就是晶莹闪亮的物体吗？如果说下列物质中，只有一种是晶体，那么在“玻璃、珍珠和冰雪”中，你选择哪一个？如果答案是“冰雪”，你会奇怪吗？说到晶体，还得从结晶谈起。大家知道，所有物质都是由原子或分子构成的。众所周知，物质有三种聚集状态：气体、液体和固体。但是，你知道根据其内部结构特点，固体又可分为几类吗？研究表明，固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。究竟什么样的物质才能算作晶体呢？首先，除液晶外，晶体一般是固体形态。其次，组成物质的原子、分子或离子具有规律、周期性的排列，这样的物质就是晶体。但仅从外观上，用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。那么，如何才能快速鉴定出它们呢？一种最常用的技术是X光技术。用X光对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的粒子当成一个点，再用假想的线段将这些代表粒子的各点连接起来，就绘成了像图中所示的格架式空间结构：
图1—7
这种用来描述粒子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中粒子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元称作晶胞。许多取向相同的晶胞组成晶粒，由取向不同的晶粒组成的物体，叫做多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如单晶硅、单晶石英。大家最常见的一般是多晶体。
由于物质内部粒子排列的明显差异，导致了晶体与非晶体物理化学性质的巨大差异。例如，晶体有固定的熔点，当温度高到某一温度便立即熔化，而玻璃及其他非晶体则无固定的熔点，从软化到熔化是一个较大的温度范围。我们吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。我们可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体”。不是吗？每家厨房中常见的砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是晶体。晶体离我们并不遥远，它就在我们的日常生活中。
2.晶体的诞生 站在光彩夺目、色彩艳丽的宝石晶体面前很少有人能够漠视这种纯洁、自然和美的魅力，人们常常禁不住俯下身来，从内心中发出惊叹：“世上居然有这么神奇的东西，它怎么长出来的呢？”
这个问题现在的人们已经能够精确地作出回答。有时，自然界中晶体的形成就同盐的结晶过程一样，从溶液中诞生。如，岩石的裂缝处充满了溶解的液态物质，结晶体逐渐沉积在岩石表面。当岩石表面饱和的溶液蒸发之后，晶体也就随之形成了。有时，许多晶体是在令人难以置信的压力和温度下形成的。如，在岩浆中熔化、流动，尔后随火山喷发的矿石冷却后，晶体就诞生了。大自然用地球内部的超高温火炉来冶炼晶体，这不由得让人想起神话中孙悟空在太上老君丹炉的三味真火中炼成火眼金睛。但是，自然界蕴藏的晶体不论在质量、数量和品种方面都满足不了人们的需要，因此，科学家就师法自然，模拟自然界的成矿条件来培育晶体，这就是人工晶体。
你知道最开始研制人工晶体是在什么时候吗？杨德忠院士告诉我们说：“这个早啦。比如说在中国古代，就有炼丹的这些术士，他们实际上就是在弄人工晶体。还有最简单的，从海水里提炼食盐，把海水拿到池子里去，让它晒干，它里面就可以形成很小的氯化钠晶体，那就是人工晶体。”炼丹术士为寻找长生不老之药，把一些化学物质配方后，拿到高温火炉中去烧，没想到它的丹丸虽无回天之力，却开创了化学科学的源头。同时，创造出了原始的人工晶体。炼丹术士炼出的这些晶体大多是硫化物，因为硫化物在高温下很容易结晶。人造红宝石可以说是人工晶体大家族中的开山鼻祖。它最早是由法国科学家维尔纳叶于1890年采用焰熔法制成的。人工晶体距今已有一百多年的历史，这期间人们发明和设计出了包括提拉法、下降法、水溶液法以及冷坩埚法在内的四十多种生长方法。晶体的生成有的可以在几天内完成，比如盘子中盐水的结晶，而有的晶体需要几百万年的时间才能生成，比如在岩浆内形成的矿物晶体。有时同样的元素可形成多种晶体，比如最软的石墨和最硬的钻石就具有相同的化学成分——纯碳。
寻找十全十美的晶体一直是科学家难以实现的理想。因为无论是在大自然中诞生还是在实验室里合成，晶体都会由于不可逃脱的地球引力难以完美成形。于是科学家们希望换一种环境去生长晶体，建立永久空间站实现了这一切。在高空微重力环境中，即使比重不同的物质也可以均匀混合、和平共处，因此长出的晶体晶格缺陷少，组分均匀，结构完整，性能优良。目前，各国科学家的造物本领已巧夺天工，不仅能用人工方法合成出自然界已有的晶体，如水晶、金刚石、人工合成胰岛素等，也能用人工方法合成出自然界没有的晶体，无机晶体如最常见的半导体单晶硅，有机晶体如青霉素等。
五光十色、丰富多彩的人工晶体已悄悄地进入了我们的生活，并在各个高新技术领域大显神通。
3.神奇的人工晶体
当我们使用电脑上网时，当我们烹饪美味佳肴时，当我们用手机通话时，当新郎给新娘戴上钻戒时，你可曾想到，发生在身边的这些大事小事都与人工晶体有关。它们已成为当代日常生活和高科技领域不可缺少的材料。比如，纯净的人工石英晶体即人工水晶，就具有优良的压电性能，它既能把机械能转变成电能；也能把电能转化成机械能，甚至发出唱歌似的声音。遥控器、电子表、手机、声纳等都是利用压电晶体或其他压电材料来实现能量转换的。压电晶体主要用来制作滤波器、谐振器、光偏转器等，被广泛应用在钟表及无线电工业上。
我们知道，X光的穿透本领很强，无论人体组织还是几厘米厚的钢板，它都能畅通无阻，因此可用来进行医疗诊断、工业探伤和物质分析。但X光人眼是看不见的，而通过一种晶体就能看得见。在X光或其他高能射线的照射下，这种晶体能够激发出荧光，射线越强，荧光越强。这种晶体就是闪烁晶体。光电探测器记录下这些光子数，就可以计算出入射粒子的能量，科学家利用这一原理进行高能物理实验和宇宙射线的探测。人们用闪烁晶体做成的探测器或荧光屏比喻为看得见X光和高能射线的眼睛。我们对激光并不陌生，利用激光晶体设计的激光器，激励后能够产生各种激光，如果再加上变频晶体，就能使激光的频率增加一倍或数倍，甚至可以把不可见的红外激光变为可见光，把绿色激光化为蓝色光。现在，常用作激光工作物质的晶体有红宝石晶体、石榴石晶体、掺钛蓝宝石晶体等。激光具有极强的方向性和单色性，能量高度集中，并能产生极高的亮度和极远的射程。红宝石激光器发出的激光，亮度比太阳光要高出几亿倍，照到月亮上也仅是一个变化不大，清晰可辨的明亮光斑。工业生产用激光可以在坚硬的宝石上打出头发针尖粗细的小孔；激光还可用于通信，几根细如发丝的光纤代替了笨重昂贵的电缆，但却可以传递更多的信息。
如果给各种信息技术材料记功授奖，首功当属半导体晶体。自动化技术的日新月异，电子计算机的更新换代，广播电视的普及与提高，通信事业的迅猛发展等都离不开半导体晶体。最常见的半导体晶体是硅和锗，其电阻率介于金属和绝缘体之间。自从1958年第一块集成电路诞生以来，集成电路技术迅猛发展，现在科学家已经能够在米粒大小的硅片上集成数十万乃至数百万个晶体管等电子元件，这就是我们的计算机从“386”迅速发展更新到“奔Ⅳ”的原因。
追溯人类最近百年的历史，我们会发现，人工晶体为现代科技的发展立下了赫赫战功。在两次世界大战的时候，石英晶体作为无线电通讯中的一个关键元件，开创了无线电通信时代。在上世纪五十年代，发现了硅单晶，直接导致了电视、手表、计算机、电话、无线电通讯的诞生，硅单晶的发现，表明了电子时代的来临。上世纪六十年代，红宝石晶体问世，产生了人工激光，为人类迎来了光电子时代。从某种意义上说，人工晶体不仅是划分时代的标志，它还是人类进步与繁荣的阶梯，随着更为神奇的晶体的诞生，人类文明必将走向一个更加美好的高科技时代。
三、晶体缺陷
所谓理想晶体是指晶体中的原子、分子或离子等完全按照严格的周期性重复排列得到的晶体，晶体中所有的晶胞是等同的。而在实际晶体中或多或少总会存在空位、错位、杂质粒子等缺陷，这些因素促使实际晶体偏离理想的周期性重复排列，人们称之为晶体缺陷。即使少量缺陷对晶体的性质却有很大的影响。如半导体材料单晶硅和单晶锗，杂质含量要求小于－109。因此人们千方百计设法克服晶体缺陷来满足要求。这样看来，晶体缺陷是件坏事，是需要克服消除的。其实不然，有的晶体材料需要克服晶体缺陷，更多的晶体材料需要人们有计划、有目的地制造晶体缺陷。因为晶体缺陷能影响晶体的性质，在晶体中有计划地制造种种缺陷，就可使晶体的性质产生各种各样的变化，以此造就各种性能的晶体材料来满足五彩
缤纷的物质世界的需要。比如，ZnS晶体的晶体缺陷可以作为蓝色荧光粉。蓝色荧光粉的主要原料是硫化锌（ZnS）晶体，它是白色的。如果往ZnS晶体中掺入大约0.0001%的氯化银＋－＋－（AgCl）时，Ag和Cl分别占据ZnS晶体中对应Zn2和S2的位置，造成晶体缺陷，破坏
＋－了ZnS晶体周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级与Zn2和S2周围的不同。这种掺杂的ZnS晶体，在阴极射线激发下，放出波长为450 nm的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。
四、球烯——碳家族的新成员
提到晶态的碳单质，人们自然会想到光泽夺目、坚硬无比的金刚石和深灰色、质软滑腻的石墨，因人类对它们的认识和应用已源远流长。但在1985年，科学家们用激光照射石墨时，通过质谱法首次检测出C60、C70等纯碳分子，此后，又用它法制出了它们的晶体。除此，还发现了一些结构与C60类似的分子，如C28、C32、C50、C70、C84、C90、C94„、C240、„、C540等，它们组成了一个尚不完整的系列（如下图）。至此，在金刚石和石墨之后，人们发现了碳的第三类晶态同素异形体——球烯。
其中比较重要的是C60，经研究发现C60分子具有封闭球形笼式结构，即C60是由12个五边形和20个六边形所围成的球形凸多面体，具有高度美学对称性的足球状分子，人们称之为“碳足球”。如此结构中共有60个顶点和90条棱边，它们分别代表60个碳原子的位置和90条碳碳键，结构中每个C原子与相邻的3个C原子成键，因每个C原子共可形成4条键，故其中两条为单键，一条为双键、整个分子共60条C—C和30条C==C。C60的球形结构使其内部形成了一个球形空腔。
结构决定性质，C60和C70分子都是非极性分子，通过分子间作用力形成分子晶体。因此，熔、沸点较低、密度较小，易溶于苯、甲苯等有机溶剂。由于球烯类分子中存在着交替的单双键，因而表现出很强的芳香性和热稳定性，如可与F2、H2等非金属发生分步加成反应，生成C60F6、C60F36、C60H36、C60H60等多种加成产物。化学家们尝试往C60的空心球中加入各式各样的金属原子，已成功地研制出了金属掺杂C60的超导体（如K3C60、Rb3C60）。还进一步试验，向球心里放入多种离子，使它们成为一个个带电的球体；化学家还试图通过各式各样的方法为球面上的碳原子“接种”上各种取代基使之成为球烯的各种衍生物。
可以说，球烯的发现，对于碳化学甚至整个化学领域、新型无机非金属材料的研究都具有非常重要的意义。更因为球烯同时具有“内藏”和“外接”的两种可能性，因此今后的化学研究必定会更加丰富多彩。
“Cn”的结构：
1.Cn中有五边形和六边形，每个五边形占有的碳原子数应为5/3个（5×边形占有的碳原子数为2个（6×
1313），而每个六）。
2.关于棱数，由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键），而每个键
却又是两个碳原子所共有，因此棱数为n×3×3.单、双键数的求法： 单键数+双键数=总棱边数 单键数=2×双键数
4.五边形及六边形数目的求法：
设五边形为a个，六边形为b个，则有：
5a2bn(顶点数)33n(ab)n22欧拉定理:顶点数面数棱边数12。
2a、b由两式联立方程组求解可得。
五、可燃“冰”——未来高效新能源
可燃“冰”是一种沉于海底的独特新能源。是天然气（甲烷类）被包进水分子中，在海底低温与高压下形成的透明晶体。
由于海水水温低，压力大，海洋生物和微生物死亡，尸体沉入海底，在无氧环境下，经过厌氧菌分解，生成甲烷等可燃性气体，然后钻入海底疏松的沉积岩，与水结合成可燃冰。年复一年，在海底就形成了绵延数万里的可燃“冰”的矿藏。可燃“冰”的储量大，含能量高，科学家断言，天然气水合物作为未来的一种潜在能源将独具魅力，伴随于我们的生活。
天然气类水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳1个客体分子（如CH4），因此可燃“冰”的极限化学式是8X·46H2O，式中X为客体分子，可以是CH4、C2H6等等（如8CH4·46H2O）。X与H2O之间并非化学键而是被宿主以分子间作用力包藏在笼中，因而把它们叫做包合物（或曰笼形化合物）。
现已探明，我国南海海底有巨大的可燃“冰”带。其总量已超过已知蕴藏在我国内陆地下天然气总量的一半，是外观像冰的甲烷水合物。
想一想：
若把它从海底取出，拿到地面上，它将有什么变化？为什么？它属何类晶体？你做出判断的根据是什么？
从海底取出的甲烷混合物将熔化并放出甲烷气体。因为该晶体属分子晶体，甲烷分子与水分子都是由有限数目的原子通过共价键结合成的小分子。而分子之间是较弱的分子间作用力。所以可燃冰的熔、沸点较低。易发生熔化，汽化现象。
已知1 m3可燃冰释放出164 m3的甲烷气，试估算晶体中水与甲烷的分子数之比： 假设甲烷气体体积已折算成标准状况下的数据，则n（CH4）=164 m3÷22.4 m3/kmol=7.32 kmol。设甲烷水合物的密度与冰的密度相同，即1 g/cm3，则n（H2O）∶n（CH4）=110007.321618∶7.32=6.7∶1，由于可燃冰沉入海底，密度会大增，另外甲烷的密度肯定比水小，合理答案应是n（H2O）∶n（CH4）＞6.7∶1（理论组成为8CH4·46H2O）。所以参考答案为n（H2O）∶n（CH4）=7～9∶1。
甲烷类水合物的可燃冰，其储量之大，含能之高，必将决定其成为未来人类的高效新能源。
六、第三周期元素氯化物及氧化物键型与晶型变化情况
*PCl5固态为离子晶体：［PCl4］［PCl6］
七、课题研究 C60的制作 制作要求：
给你一张白纸，请把C60的图形折叠出来。参考答案：
（1）剪下巴基球模型的附图（见下图）。
（2）沿着黑线的边缘剪成三条长形的连续六角形长条（注意：虚线的地方不可剪断）。（3）将三个长条的所有虚线部分都折一下。
＋
－
（4）将两个标记“AA”的边线并齐后，用胶带粘住。
（5）将两个标记“BB”的边线并齐后，用胶带粘住。此时三个长条变成一个扭曲的Y字。
（6）将两个标记数字“1”的边线并齐后，用胶带粘住，然后依序将2、3„„至11，依上述步骤一一完成。