第十讲化学物质的空间结构
主要考查点：
常见分子或离子的空间结构、晶体的空间结构；
晶胞的相关知识。
知识延伸：
常见分子的空间结构
类别 分子式 键角 空间构型 分子的极性 A2 H2、Cl2、N2 非极性 A3 O3 116.80 角型 极性 A4 P4 600 正四面体 非极性 AB HX 极性 AB2 CO2、CS2 1800 直线型 非极性 SO2 1200 角型 极性 A2B H2O 104.50 角型 极性 H2S 920 角型 极性 A2B2 H2O2 940 异面直线型 极性 AB3 BF3 1200 平面三角形 非极性 NH3 107018’ 三角锥型 极性 AB4 CH4、CCl4 109028’ 正四面体 非极性 2．典型晶体的空间结构
⑴离子晶体：NaCl和CsCl
①每个Na+周围有 个Cl(，每个Cl(周围有 个Na+。
③每个Na+周围与之距离最近的Na+有 个，Na+之间距离最近是 (设晶胞边长为a)。
④若将上面晶胞用进行(均分)切割，可得 小立方体，它们的顶点应分别为离子，由此每个晶胞中平均含有离子各个，在整个晶体中 单个的NaCl分子。NaCl表示晶体内 的化学式。
小结：晶胞中微粒数目的计算
位于晶胞顶点的微粒，实际提供给晶胞的只有 ；
位于晶胞棱边的微粒，实际提供给晶胞的只有 ；
位于晶胞面心的微粒，实际提供给晶胞的只有 ；
位于晶胞中心的微粒，实际提供给晶胞的只有 。
CsCl晶体中，每个Cs+同时吸引着 个Cl—，每个Cl—同时
吸引着 个Cs+。它们的顶点应为离子，
每个晶胞中平均含有离子各个。
例1.⑴NaCl晶胞向三维空间延伸就可得到完美晶体。NiO（氧化镍）晶体结构与NaCl相同，Ni2+与最邻近O2—的核间距离为a×10—8cm，计算NiO晶体密度(已知NiO的摩尔质量为74.7g·mol—1)。
⑵天然的和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如在某种NiO晶体中就存在如下图所示的缺陷：一个Ni2+空缺，另有两个Ni2+被两个Ni3+所取代。其结果晶体仍呈电中性但化合物中Ni和O的比值却发生了变化。某氧化镍样品组成为Ni0.97O，试计算该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。
⑵原子晶体：
金刚石晶体中，每个碳原子都以共价键与相邻的 个碳原子结合成 结构，最小碳环上有 个碳原子，每个碳原子为 个环共用。这些环向空间伸展得到立体网状结构晶体
石墨晶体中
①同一平面内碳原子之间的结合力
Ⅰ同层间每个碳原子与碳原子以结合，键角。
Ⅱ最小环上有个碳原子， 同一平面上。
Ⅲ碳原子数与形成的化学键数之比为。
②层与层之间的结合力为 。
例2.石墨的片层与层状结构如图2-4所示：其中C—C键长为142pm，层间距离为340pm（1pm=1012m）。试回答：
．片层中平均每个六元环含碳原子数为ABCDEF—A1B1C1D1E1F1）含碳原子数个。
②．在片层结构中，碳原子数、C—C键数、六元环数之比为
③．有规则晶体密度的求算方法：取一部分晶体中的重复单位（如六棱柱ABCDEF—A1B1C1D1E1F1g/cm3(保留三位有效数字)。
二氧化硅晶体中
每个硅原子都以共价键与 个氧原子结合成 结构，每个氧原子都以共价键与 个硅原子结合，最小环上有 个硅原子和 个氧原子，这些环向空间伸展得到立体网状结构晶体。
⑶分子晶体：
二氧化碳晶体
二氧化碳是一种立方面心结构，二氧化碳分布在8个顶点
和6个面心上，每个晶胞中含 个二氧化碳分子，与每个
二氧化碳分子最近等距离（ ）的二氧化碳分子有个。
C60
①该分子中有个五元环，个六元环；
②每个五元环周围个六元环，每个六元环周围个五元环；
③若该分子中无自由电子存在，则有个单键，个双键。
例3．分析下列物质的物理性质，判断其晶体类型：
A．碳化铝，黄色晶体，熔点2200OC，熔融态不导电________________________；
B．溴化铝，无色晶体，熔点98OC，熔融态不导电__________________________；
C．五氟化钒，无色晶体，熔点19.5OC，易溶于乙醇、氯仿、丙酮中____________；
D．溴化钾，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导电_________________________。
例4．1995年美国Lagow教授报道，他制得了碳的第四种同素异性体一链式炔碳…-C≡C-C≡C-C≡C-…该物质的一个分子中含有300~500个碳原子，性质很活泼。据此判断，链式炔碳固体形成的晶体应属于______________；其熔点估计比石墨的________。
例5．已知氯化铝的熔点为190OC(2.02×105Pa)，但它在180OC即开始升华。
(1)氯化铝是_________(填“离子化合物”或“共价化合物”)。
(2)在500K和1.01×105Pa时，它的蒸气密度(换算成标准状况时)为11.92g/L，且已知它的结构中还含有配位键，氯化铝的化学式为________，结构式为_________。
(3)无水氯化铝在潮湿空气中强烈地“发烟”，其原因是_________。
(4)如何通过其他实验来判别氯化铝是离子化合物还是共价化合物？
例6．某离子晶体部分结构如图。
(1)晶体中每个Y同时吸引着最近的________个X，每个X同时吸引着
最近的________个Y，该晶体的化学式为________。
(2)晶体中每个X周围与它最近且距离相等的X共有________个；
(3)晶体中距离最近的2个X与一个Y形成的夹角∠XYX的角度________；
(4)设该晶体的摩尔质量为Mg，晶体密度为，阿佛加法罗常数为NA，则晶体中两个距离最近的X中心间距离为_____cm。
例7.如图所示为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿的结构。该结构是具有代表性的最小重复单元。确定该晶体结构中，元素钙、钛、氧的个数比及该结构单元的质量。（相对原子质量：Ca40.1Ti47.9O16.0；阿佛加德罗常数：6.02×1023
例8．FexO晶体晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，x值小于1。测知FexO晶体为ρ为5.71g/cm，晶胞边长（相当于例题2中NaCl晶体正方体结构单元的边长）为4.28×10-10m（相对原子质量：Fe55.9O16.0）。求：
1．FexO中x值为0.01）。
2．晶体中Fe分别为Fe2Fe3＋，在Fe2＋和Fe3＋的总数中，Fe2＋所占分数为（用小数表示，精确至0.001）。
3．此晶体的化学式为
4．Fe在此晶系中占据空隙的几何形状是O2－距离最近且等距离的铁离子围成的空间形状）。
5．在晶体中，铁元素的离子间最短距离为m。
巩固练习?
1.某离子晶体中，存在着A（位于八个顶点）、B（位于正六面体中的六个面上）、C（位于体心）三种元素的原子，其晶体结构中具有代表性的最小重复单位的排列方式如图所示，则该晶体中A、B、C三种原子的个数比是
A.8︰6︰1B.1︰1︰1C.1︰3︰1D.2︰3︰1
第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳五个CH4分子或1个游离H2O分子。根据上述信息，完成第2、3题：
2.下列关于天然气水合物中两种分子极性的描述正确的是
A.两种都是极性分子 B.两种都是非极性分子
C.CH4是极性分子，H2O是非极性分子 D.H2O是极性分子，CH4是非极性分子
3.若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为
A.CH4·14H2OB.CH4·8H2O C.CH4·(23/3)H2OD.CH4·6H2O
4.最近发现一种由钛原子（Ti）和碳原子（C）构成的气态复杂
分子（如右图所示），顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和
体心的原子是碳原子，它的化学式是。
5．现有甲、乙、丙、丁四种晶胞（如图所示），可推知：甲晶体中A与B的离子个数比为_______；乙晶体的化学式为_________；丙晶体的化学式为_____________；丁晶体的化学式为_______________。
6．晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体，其中含有
20个等边三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角各有一个硼原子，如图所示。回答：1）键角____________；（2）晶体硼中的硼原子数______________个；（3）BB键_____________条
7．C70（1）C703个碳原子形成化学键；2）C70（3）多面体的顶点数、面数和棱边数的关系遵循欧拉定理：顶点数+面数-棱边数=2。
①C70分子中所含的单键数和双键数；
②C70分子中的五边形和六边形各有多少？
8.已知LiI的晶体与NaCl晶体结构相同。如图所示。实验
测得Li+与I-最近的距离是0.302nm。假定I-和Li+都是刚性球。
⑴欲计算得到I-和Li+近似半径时你还必须再作什么假定？
⑵计算I-和Li+的近似半径。
⑶若用另一种方法测得Li+的半径为0.060nm～0.068nm，试验证你的假设是否正确。
高一化学竞赛教案设计：朱德彬2003.1`.12
1
|
|
