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第 30 讲 晶体结构与性质
【化学学科素养】
1．了解晶体的类型，了解不同类型晶体中结构微粒、微粒间作用力的区别。
2．了解晶格能的概念，了解晶格能对离子晶体性质的影响。
3．了解分子晶体结构与性质的关系。
4．了解共价晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系。
5．理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。了解金属晶体常见的堆积方式。
6．了解晶胞的概念，能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算。
7. 了解配位键的特征，认识配合物的存在、结构特点及判断。
【必备知识解读】
一、晶胞、晶体结构模型
1．晶体与非晶体
(1)晶体与非晶体的区别
比较 晶体 非晶体
结构特征 结构微粒周期性有序排列 结构微粒无序排列
自范性 有 无
性质
熔点 固定 不固定
特征
异同表现 各向异性 各向同性
二者 间接方法 测定其是否有固定的熔点
区别
方法 科学方法 对固体进行X射线衍射实验
(2)获得晶体的三条途径
①熔融态物质凝固
②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)
③溶质从溶液中析出
2．晶胞
(1)概念：晶胞是描述晶体结构的基本单元。
(2)晶体中晶胞的排列——无隙并置
①无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。
②并置：所有晶胞平行排列、取向相同。
【特别提醒】(1)具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如玻璃。
(2)晶体与非晶体的本质区别：是否有自范性。(3)晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的“平行六面体”，但不一定是最小的“平行六面体”。
3．常见晶体的结构模型
晶体 晶体结构 晶体详解
①每个碳与相邻个碳以共价键结合，形成正四面体结构
②键角均为109°28′
金刚石 ③最小碳环由个C组成且六原子不在同一平面内
共
④每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键
价
数之比为1∶2
晶
体
①每个Si与个O以共价键结合，形成正四面体结构
SiO ②每个正四面体占有1个Si,4个O，n(Si)∶n(O)＝1∶2
2
③最小环上有个原子，即6个O,6个Si
①8个CO 分子构成立方体且在6个面心又各占据1个
2
干冰 CO 2 分子
②每个CO 分子周围等距且紧邻的CO 分子有个
2 2
分
子
晶
体
每个水分子与相邻的个水分子以氢键相连接，含1 mol
冰
HO的冰中，最多可形成 mol氢键
2
①每个Na＋(Cl－)周围等距且紧邻的Cl－(Na＋)有6个，每
NaCl型
个Na＋周围等距且紧邻的Na＋有个
②每个晶胞中含个Na＋和个Cl－
离
子
晶
体
①每个Cs＋周围等距且紧邻的Cl－有个，每个Cs＋(Cl－)周
CsCl型
围等距且紧邻的Cs＋(Cl－)有6个
②如图为8个晶胞，每个晶胞中含1个Cs＋、1个Cl－
简单立
典型代表Po，配位数为，空间利用率52%
方堆积
金
属
晶
体 面心立
方最密 典型代表Cu、Ag、Au，配位数为，空间利用率74%
堆积体心立
典型代表Na、K、Fe，配位数为，空间利用率68%
方堆积
六方最
典型代表Mg、Zn、Ti，配位数为，空间利用率74%
密堆积
①石墨层状晶体中，层与层之间的作用是范德华力
②平均每个正六边形拥有的碳原子个数是，C原子采取的
杂化方式是 sp2
混
③每层中存在σ键和π键
合
石墨
晶 ④石墨的C—C的键长比金刚石的C—C的键长短，熔点
体
比金刚石的高
⑤硬度不大、有滑腻感、能导电
二、四种晶体的性质与判断
1．金属键、金属晶体
(1)金属键：金属阳离子与自由电子之间的作用。
(2)本质——电子气理论
该理论认为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子共用，从而把所
有的金属原子维系在一起。
(3)金属晶体的物理性质及解释
2．离子晶体的晶格能
(1)定义：气态离子形成1摩离子晶体释放的能量，通常取正值，单位为kJ·mol－1。
(2)影响因素
①离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越。
②离子的半径：离子的半径越，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。
3．四种晶体类型的比较
分子晶体 共价晶体 金属晶体 离子晶体
金属阳离
构成微粒 分子 原子 子、自由电 阴、阳离子
子
微粒间的
范德华力
相 共价键 金属键 离子键
(某些含氢键)
互作用力
有的很大，
硬度 较小 很大 较大
有的很小
有的很高，
熔、沸点 较低 很高 较高
有的很低
难溶于常见 大多易溶于水等极
溶解性 相似相溶 难溶于任何溶剂
溶剂 性溶剂
导电、导 一般不导电，溶于 一般不具有导电 电和热的良 晶体不导电，水溶
热性 水后有的导电 性 导体 液或熔融态导电
大多数非金属单 部分非金属单质
金属氧化物(如
质、气态氢化物、 (如金刚石、 金属单质与
KO、NaO)、强
物质类别 酸、非金属氧化物 硅、晶体硼)、 合金(如 2 2
碱(如KOH、
及举例 (SiO 除外)、绝大多 部分非金属化合 Na、Al、
2 NaOH)、绝大部分
数有机物(有机盐除 物(如SiC、 Fe、青铜)
盐(如NaCl)
外) SiO)
2
【特别提醒】(1)共价晶体一定含有共价键，而分子晶体可能不含共价键。
(2)含阴离子的晶体中一定含有阳离子，但含阳离子的晶体中不一定含阴离子，如金属晶体。
4．晶体熔、沸点高低的比较
(1)不同类型晶体熔、沸点的比较
①不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律：共价晶体＞离子晶体＞分子晶体。
②金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低。
(2)同种类型晶体熔、沸点的比较
①共价晶体
→→→
如熔点：金刚石碳化硅硅。
②离子晶体
一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则晶格能越大，晶体的熔、沸点越，如熔点：
MgOMgCl ，NaClCsCl。
2
③分子晶体
a．分子间范德华力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常高。如HOHTeHSe＞HS。
2 2 2 2
b．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SnH ＞GeH ＞SiH＞CH。
4 4 4 4
c．组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，其分子的极性越大，熔、沸点越高，如
CHClCH CH。
3 3 3
d．同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
如CHCHCHCHCH
3 2 2 2 3
④金属晶体
金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属晶体的熔、沸点越高，如熔、沸点：
NaMgAl。
【特别提醒】
(1)共价晶体的熔点不一定比离子晶体高，如石英的熔点为1 710 ℃，MgO的熔点为2 852 ℃。
(2)金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高，如Na的熔点为97 ℃，尿素的熔点为132.7 ℃。
【方法技巧】判断晶体类型的方法
(1)主要是根据各类晶体的特征性质判断
如低熔、沸点的化合物形成分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物形
成离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质形成共价晶体；晶体能导电、传热、具有延
展性的为金属晶体。
(2)根据物质的类别判断
金属氧化物(如KO、NaO 等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体；大多数非金
2 2 2
属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO 外)、酸、绝大多数有
2
机物(除有机盐外)是分子晶体。常见的共价晶体中单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的共价晶体中
化合物有碳化硅、二氧化硅等。金属单质(注：汞在常温为液体)与合金是金属晶体。
三、配合物与超分子
1．配位键
(1)概念：成键的两个原子或离子一方提供孤电子对(配体)，一方提供空轨道而形成的共价键，叫做配
位键。
(2)配体：应含有孤电子对，可以是分子，也可以是离子，如NH 、HO、F−、OH−等。
3 2
(3)成键条件：形成配位键的一方是能够提供孤电子对的原子，另一方是具有能够接受孤电子对的空轨
道的原子。(4)配位键的表示方法：常用“→”来表示配位键，箭头指向接受孤电子对的原子。
A→B
电子对给予体 电子对接受体
如NH可表示为 ，在NH中，虽然有一个N—H形成过程与其他3个N—H形成过程不
同，但是一旦形成之后，4个共价键就完全相同。
2．配合物
(1)概念：金属离子(或原子)与某些分子或离子(称为配体)以配位键结合形成的化合物称为配位化合
物，简称配合物。
(2)配合物的组成
如[Cu(NH )]SO
3 4 4
中心离子或原子：有空轨道，一般是带正电的金属离子，特别是过渡金属离子，如 Fe3＋、Cu2＋、Zn2
＋、Ag＋等，但也有电中性的原子等。
配位体：其中的配位原子(配位体中直接同中心离子或原子配合的原子)有孤电子对。配位体可以是分
子，如CO、NH 、HO等，也可以是离子，如F－、Cl－、Br－、I－、CN－、SCN－、OH－等。
3 2
【点拨】(1)单核配体的确认要注意是否带有电荷，如F－、Cl－等，如配合物[CoCl(NH )]Cl ，中心离
3 5 2
子为Co3＋，配体是Cl－和NH ，而不是氯原子。
3
(2)有关配合物的结构示意图，不考虑空间结构，但要注意配体中的配位原子一定要与中心原子或中心
离子直接相连。如[Cu(NH )]2＋中NH 中N原子为配位原子，所以N原子必须要与铜离子直接相连。
3 4 3
3．配合物的形成对性质的影响
(1)对溶解性的影响
一些难溶于水的金属氯化物、溴化物、碘化物、氰化物，可以依次溶解于含过量的Cl−、Br−、I−、
CN−和氨的溶液中，形成可溶性的配合物。如Cu(OH) +4NH===[Cu(NH)]2++2OH−。
2 3 3 4
(2)颜色的改变
当简单离子形成配离子时，其性质往往有很大差异。颜色发生变化就是一种常见的现象，根据颜色的
变化就可以判断是否有配离子生成。如Fe3+与SCN−形成铁的硫氰酸根配离子，其溶液显红色。(3)稳定性增强
配合物具有一定的稳定性，配合物中的配位键越强，配合物越稳定。当作为中心离子的金属离子相同
时，配合物的稳定性与配体的性质有关。例如，血红素中的 Fe2+与CO分子形成的配位键比Fe2+与O 分子
2
形成的配位键强，因此血红素中的Fe2+与CO分子结合后，就很难再与O 分子结合，血红素失去输送氧气
2
的功能，从而导致人体CO中毒。
4．配合物的应用
(1)在人和动物体内起输送氧气作用的血红素，是Fe的配合物。
(2)配合物在生产和科学技术方面的应用也很广泛，例如，在医药科学、化学催化剂、新型分子材料等
领域都有着广泛的应用。
5.超分子的概念
超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。
6.超分子内分子间的作用力
超分子内部分子之间通过非共价键相结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子
形成的弱配位键等。
7.超分子的应用
在分子识别与人工酶、酶的功能、短肽和环核酸的组装体及其功能等领域有着广阔的应用前景。超分
子化学的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、C 等）的发展密切相连，而且与分子自组
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装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。
【核心题型例解】
高频考点一 晶体类型判断
【例1】（2023·江苏卷第4题）元素C、Si、Ge位于周期表中ⅣA族。下列说法正确的是
A. 原子半径： B. 第一电离能：
C. 碳单质、晶体硅、SiC均为共价晶体 D. 可在周期表中元素Si附近寻找新半导体材料
【变式探究】（2022·江苏卷）下列说法正确的是（ ）
A. 金刚石与石墨烯中的 夹角都为
B. 、 都是由极性键构成的非极性分子
C. 锗原子( )基态核外电子排布式为D. ⅣA族元素单质的晶体类型相同
【变式探究】（2021·辽宁卷）单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料，其晶胞如图。下
列说法错误的是
A．S位于元素周期表p区 B．该物质的化学式为
C．S位于H构成的八面体空隙中 D．该晶体属于分子晶体
高频考点二 晶胞粒子数与晶体化学式判断
【例2】（2023·辽宁卷第14题）晶体结构的缺陷美与对称美同样受关注。某富锂超离子导体的晶胞是
立方体(图1)，进行镁离子取代及卤素共掺杂后，可获得高性能固体电解质材料(图2)。下列说法错误的是
（ ）
A. 图1晶体密度为 g∙cm-3 B. 图1中O原子的配位数为6
C. 图2表示的化学式为 D. 取代产生的空位有利于 传导
【变式探究】（2022·湖北卷）某立方卤化物可用于制作光电材料，其晶胞结构如图所示。下列说法错
误的是（ ）A. 的配位数为6 B. 与 距离最近的是
C. 该物质的化学式为 D. 若 换为 ，则晶胞棱长将改变
【变式探究】（2022·广东卷）我国科学家发展了一种理论计算方法，可利用材料的晶体结构数据预测
其热电性能，该方法有助于加速新型热电材料的研发进程。化合物X是通过该方法筛选出的潜在热电材料
之一，其晶胞结构如图1，沿x、y、z轴方向的投影均为图2。
①X的化学式为_______。
②设X的最简式的式量为 ，晶体密度为 ，则X中相邻K之间的最短距离为_______
(列出计算式， 为阿伏加德罗常数的值)。
【变式探究】（2022·湖南卷）钾、铁、硒可以形成一种超导材料，其晶胞在xz、yz和xy平面投影分
别如图所示：
①该超导材料的最简化学式为_______；
②Fe原子的配位数为_______；
③该晶胞参数 、 。阿伏加德罗常数的值为 ，则该晶体的密度为_______
(列出计算式)。高频考点三 晶体密度及粒子间距的计算
【例3】（2023·湖南卷第11题）科学家合成了一种高温超导材料，其晶胞结构如图所示，该立方晶胞
参数为apm。阿伏加德罗常数的值为N 。下列说法错误的是
A
A.晶体最简化学式为KCaB C
6 6
B. 晶体中与K+最近且距离相等的Ca2+有8个
C. 晶胞中B和C原子构成的多面体有12个面
D. 晶体的密度为
【变式探究】 (2022·北京卷) 晶胞为立方体，边长为 ，如图所示。
①与 紧邻的阴离子个数为___________。
②晶胞的密度为 ___________ 。
【变式探究】（2023·山东卷第16题）一定条件下， 和 反应生成 和化合物 。已
知 属于四方晶系，晶胞结构如图所示(晶胞参数 )，其中 化合价为+2。上述的
反应 化学方程式为_____。若阿伏加德罗常数的值为 ，化合物 的密度 _____ (用含
的代数式表示)。
【变式探究】（2023·北京卷第15题） 的晶胞形状为长方体，边长分别为 、
，结构如图所示。
晶胞中的 个数为__________。已知 的摩尔质量是 ，阿伏
加德罗常数为N ，该晶体的密度为__________ 。
A
高频考点四 常见晶体模型的微观结构分析
【例4】（2023·湖北卷第15题）镧La和H可以形成一系列晶体材料 ，在储氢和超导等领域具
有重要应用。 ，属于立方晶系，晶胞结构和参数如图所示。高压下， 中的每个H结合4个H
形成类似 的结构，即得到晶体 。下列说法错误的是（ ）A. 晶体中La的配位数为8
B. 晶体中H和H的最短距离：
C. 在 晶胞中，H形成一个顶点数为40的闭合多面体笼
D. 单位体积中含氢质量的计算式为
【变式探究】（2022·山东卷） 是一种钠离子电池正极材料，充放电过程中正极材料立方晶胞
(示意图)的组成变化如图所示，晶胞内未标出因放电产生的0价Cu原子。下列说法正确的是
A. 每个 晶胞中 个数为x
B. 每个 晶胞完全转化为 晶胞，转移电子数为8
C. 每个 晶胞中0价Cu原子个数为
D. 当 转化为 时，每转移 电子，产生 原子
【变式探究】（2023·全国乙卷第35题）一种硼镁化合物具有超导性能，晶体结构属于立方晶系，其
晶体结构、晶胞沿c轴的投影图如下所示，晶胞中含有_______个 。该物质化学式为_______，B-B最
近距离为_______。
