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第23 讲 晶体结构与性质
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.了解分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体结构与性质的关系。
3.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。
考点一 晶体常识与四种晶体的比较
1．晶体
(1)晶体与非晶体
晶体
非晶体
结构特征
结构微粒在三维空间里呈周期性
有序排列
结构微粒无序排列
性质
特征
自范性
有
无
熔点
固定
不固定
异同表
现
各向异性
无各向异性
区别
方法
熔点法
有固定熔点
无固定熔点
X－射
线
对固体进行X－射线衍射实验
(2)获得晶体的三种途径。
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。
2．四种晶体的比较
晶体类型
分子晶体
原子晶体
金属晶体
离子晶体
构成粒子
分子
原子
金属阳离子、
自由电子
阴阳离子
粒子间的相互作
用力
分子间
作用力
共价键
金属键
离子键
硬度
较小
很大
有的很大，
有的很小
较大
溶、沸点
较低
很高
有的很高、
较高
任务目标
必备知识
1
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有的很低
溶解性
相似
相溶
难溶于一般溶剂
难溶于常见溶
剂，有的与水反
应
大多易溶于水等
极性溶剂
导电、传热性
一般不导电，溶
于水后有的导电
一般不具有导电
性
电和热的良导体
晶体不导电，水
溶液或熔融状态
下导电
物质类别及实例
大多数非金属单
质、气态氢化
物、酸、非金属
氧化物(SiO2除
外)、绝大多数
有机物(有机盐
除外)
部分非金属单质
(如金刚石、
硅、晶体硼)，
部分非金属化合
物(如SiC、
SiO2)
金属单质与合金
(如Na、Al、
Fe、青铜)
金属氧化物(如
K2O、Na2O)、
强碱(如KOH、
NaOH)、绝大部
分盐(如NaCl)
3．晶体类型的5 种判断方法
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断。
①离子晶体的构成微粒是阴、阳离子，微粒间的作用是离子键。
②原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用是共价键。
③分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用为分子间作用力。
④金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子，微粒间的作用是金属键。
(2)依据物质的分类判断。
①金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH 等)和绝大多数的盐类是离子晶体。
②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎
所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
③常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的化合类原子晶体有碳化硅、二氧化硅
等。
④金属单质是金属晶体。
(3)依据晶体的熔点判断。
①离子晶体的熔点较高。
②原子晶体的熔点很高。
③分子晶体的熔点低。
④金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点相当低。
(4)依据导电性判断。
①离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。
②原子晶体一般为非导体。
③分子晶体为非导体，而分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)溶于水，使分子
内的化学键断裂形成自由移动的离子，也能导电。
④金属晶体是电的良导体。
2
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(5)依据硬度和机械性能判断。
①离子晶体硬度较大、硬而脆。
②原子晶体硬度大。
③分子晶体硬度小且较脆。
④金属晶体多数硬度大，但也有硬度较小的，且具有延展性。
4．晶体熔、沸点的比较
(1)不同类型晶体熔、沸点的比较。
①不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：原子晶体>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)同种晶体类型熔、沸点的比较。
①原子晶体：(比较共价键强弱)
原子半径越小→键长越短→键能越大→共价键越强→熔、沸点越高。
如熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅
②离子晶体：(比较离子键强弱或晶格能大小)
a．一般地说，阴、阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越大，其离子
晶体的熔、沸点就越高，如熔点：MgO>NaCl>CsCl。
b．衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，
硬度越大。
③分子晶体：(比较分子间作用力大小)
a．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、沸点反常地高。如沸点
H2O>H2Te>H2Se>H2S。
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SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
c．组成和结构不相似的物质(相对分子质量接近)，分子的极性越大，其熔、沸点越高，如CO>N2，
CH3OH>CH3CH3。
d．同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
如熔、沸点：CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>
>
。
④金属晶体：
金属离子半径越小，离子所带电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如溶、沸点：
Na<Mg<Al。
要点突破
3
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1．下列性质适合于分子晶体的是( )
A．熔点为1 070 ℃，易溶于水，水溶液导电
B．熔点为3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂
C．能溶于CS2，熔点为112.8 ℃，沸点为444.6 ℃
D．熔点为97.8 ℃，质软，导电，密度为0.971 g·cm－3
【答案】C
【解析】 A、B 选项中的熔点高，不是分子晶体的性质，D 选项是金属钠的性质，钠不是分子晶体。
2．下列关于C、Si 及其化合物结构与性质的论述错误的是( )
A．键能：C—C＞Si—Si、C—H＞Si—H，因此C2H6稳定性大于Si2H6
B．立方型SiC 是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度
C．SiH4中Si 的化合价为＋4，CH4中C 的化合价为－4，因此SiH4还原性小于CH4
D．Si 原子间难形成双键而C 原子间可以，是因为Si 的原子半径大于C，难形成p-p π 键
【答案】C
【解析】 键长越短，键能越大，分子越稳定，A 项正确；SiC 与金刚石结构相似，属于共价晶体，硬度
大，熔点高，B 项正确；SiH4中Si 为－4 价，且SiH4还原性强于CH4，C 项错误；π 键是p 轨道电子以“肩
并肩”方式相互重叠形成的，半径越大越不易形成，D 项正确。
3．解释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与化学键强弱无关的变化规律是( )
A．HF、HCl、HBr、HI 的热稳定性依次减弱
B．NaF、NaCl、NaBr、NaI 的熔点依次降低
C．F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高
D．Li、Na、K、Rb 的熔点逐渐降低
【答案】C
【解析】 HF、HCl、HBr、HI 的热稳定性依次减弱，是因为氢原子和卤素原子间共价键的键能依次减小，
不选A；NaF、NaCl、NaBr、NaI 的熔点依次降低，是因为钠离子和卤素离子间的离子键依次减弱，不选
B；F2、Cl2、Br2、I2的熔、沸点逐渐升高，是因为卤素单质分子间作用力依次增大，与化学键的强弱无关，
选C；碱金属元素从上到下，原子半径逐渐增大，金属键逐渐减小，金属单质的熔点逐渐降低，不选D。
考点二 晶胞与典型晶体模型及相关计算
1．晶胞
(1)晶胞：是描述晶体结构的基本单元。
(2)晶体与晶胞的关系：整个晶体可以看作由数量巨大的晶胞“无隙并置”而成，晶胞是晶体结构中的
基本重复单元，晶胞的结构可以反映晶体的结构。
必备知识
4
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(3)晶胞中粒子数目的计算——均摊法：如某个粒子为n 个晶胞所共有，则该粒子有 属于这个晶胞。
(4)晶胞组成的计算规律
①平行六面体形晶胞数目的计算。
②非平行六面体形晶胞中粒子数目的计算同样可用均摊法，其关键仍然是确定一个粒子为几个晶胞所
共有。例如，石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1 个碳原子对六边形的贡献为，那么每一个六
边形实际有6×＝2 个碳原子。
又如，在六棱柱晶胞(如图所示MgB2的晶胞)中，顶点上的原子为6 个晶胞(同层3 个，上层或下层各3
个)共有，底面上的原子为2 个晶胞共有，因此镁原子个数为12×＋2×＝3，硼原子个数为6。
2．常见典型晶体模型
晶体
晶体结构
晶体详解
原
子
晶
体
金
刚
石
(1)每个碳与相邻4 个碳以共
价键结合，形成正四面体结
构
(2)键角均为109°28′
(3)最小碳环由6 个C 组成
且6 原子不在同一平面内
(4)每个C 参与4 个C—C 键
的形成，C 原子数与C—C
键数之比为1︰2
SiO2
(1)每个Si 与4 个O 以共价
键结合，形成正四面体结构
(2)每个正四面体占有1 个
Si,4 个“O”，n(Si)︰n(O)
＝1︰2
(3)最小环上有12 个原子，
即6 个O,6 个Si
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离
子
晶
体
NaCl
型
(1)每个Na＋(Cl－)周围等距
且紧邻的Cl－(Na＋)有6 个。
每个Na＋周围等距且紧邻的
Na＋有12 个
(2)每个晶胞中含4 个Na＋和
4 个Cl－
CsCl
型
(1)每个Cs＋周围等距且紧邻
的Cl－有8 个，每个Cs＋(Cl
－)周围等距且紧邻的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－
分
子
晶
体
干冰
(1)8 个CO2分子构成立方体
且在6 个面心又各占据1 个
CO2分子
(2)每个CO2分子周围等距
紧邻的CO2分子有12 个
金
属
晶
体
简单
立方
堆积
典型代表Po，配位数为6，
空间利用率52%
面心
立方
最密
堆积
又称为铜型，典型代表
Cu、Ag、Au，配位数为
12，空间利用率74%
体心
立方
堆积
又称为钾型，典型代表
Na、K、Fe，配位数为8，
空间利用率68%
六方
最密
堆积
又称为A3型或镁型，典型
代表Mg、Zn、Ti，配位数
为12，空间利用率74%
3．石墨晶体
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石墨晶体是混合型晶体，呈层状结构。同层内碳原子以共价键形成正六边形平面网状结构，平均每个
正六边形拥有的碳原子个数是2，C 原子采取的杂化方式是sp2杂化。层与层之间以分子间作用力结合。所
以石墨晶体熔、沸点很高，但硬度不大，有滑腻感，能导电。
4．离子晶体的晶格能：
(1)定义：气态离子形成1 摩尔离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：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，晶格能越大。
②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
晶格能是最能反映离子晶体稳定性的数据。晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度
越大。
5．晶体结构的相关计算
(1)晶胞质量＝晶胞占有的微粒的质量＝晶胞占有的微粒数×。
(2)空间利用率＝。
(3)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式(设棱长为a)。
①面对角线长＝a。
②体对角线长＝a。
③体心立方堆积4r＝a(r 为原子半径)。
④面心立方堆积4r＝a(r 为原子半径)。
1．我国科学家合成了富集11B 的非碳导热材料立方氮化硼晶体，晶胞结构如图。下列说法正确的是( )
A．11BN 和10BN 的性质无差异
B．该晶体具有良好的导电性
C．该晶胞中含有14 个B 原子，4 个N 原子
D．N 原子周围等距且最近的N 原子数为12
【答案】D
【解析】 11B 和10B 互为同位素，形成的化合物在化学性质上无差异，但其物理性质不同，A 错误；该晶
体结构中无自由移动的电子，不具有导电性，B 错误；由图可知，该晶胞含4 个N 原子，B 原子位于晶胞
的顶角和面心上，故B 原子的数量为8×＋6×＝4 个，C 错误；由晶胞示意图，1 个N 原子与4 个B 原子成
键，1 个B 原子可以和3 个N 原子成键，这些N 原子距中心N 原子等距且最近，总数为12 个，D 正确。
要点突破
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2．金晶体是面心立方最密堆积，已知立方体的每个面上5 个金原子紧密堆积，金原子半径为r cm，则金
晶体的空间利用率为( )
A.×100%
B.×100%
C.×100%
D.×100%
【答案】B
【解析】 面心立方最密堆积原子在晶胞中的位置关系如图。金晶胞面对角线为金原子半径的4 倍，金原
子半径为r cm，则晶胞的边长为4r× cm＝2r cm，每个金晶胞中含有4 个原子，则金晶胞空间利用率为
×100%＝×100%。
3．(1)铜是第四周期最重要的过渡元素之一，已知CuH 晶体结构单元如图甲所示。该化合物的密度为ρ
g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则该晶胞中Cu 原子与H 原子之间的最短距离为______ cm(用含ρ 和
NA的式子表示)。
(2)CuFeS2的晶胞如图乙所示，晶胞参数a＝0.524 nm，b＝0.524 nm，c＝1.032 nm；CuFeS2的晶胞中每个
Cu
原
子
与
____________
个
S
原
子
相
连
，
列
式
计
算
晶
体
密
度
ρ
＝
____________________________________________(保留两位小数)。
(3)NaH 具有NaCl 型晶体结构，已知NaH 晶体的晶胞参数a＝488 pm，Na＋半径为102 pm，H－的半径为
________，NaH 的理论密度是________ g·cm－3(保留两位小数)。
(4)金刚石晶胞结构如图丙所示，则金刚石晶体含有______个碳原子。若碳原子半径为r，金刚石晶胞的边
长为a ，根据硬球接触模型，则r ＝______a ，列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率：
________________(不要求计算结果)。
【答案】 (1)× (2)4 ≈4.31 g·cm－3
(3)142 pm 1.37 (4)8 ×100%
【解析】 (1)CuH 晶胞中Cu 原子数目为8×＋6×＝4，H 原子数目为4，则晶胞的边长为 cm，则Cu 原子
与H 原子之间的最短距离为× cm。
(2)由图乙可知，每个Cu 原子与4 个S 原子相连；该晶胞中含有Cu 原子数目为8×＋4×＋1＝4，含有Fe 原
子数目为4×＋6×＝4，含有S 原子数目为8，故化学式为CuFeS2，该晶体密度ρ＝＝≈4.31 g·cm－3。
(3)由NaCl 晶胞可知，NaH 晶胞中Na＋位于棱上和体心，H－位于顶角和面心，故NaH 晶胞的边长相当于H
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－的直径和Na＋的直径之和，故H－的半径为＝142 pm。NaH 晶胞中含有4 个Na＋和4 个H－，则该晶体的密
度为≈1.37 g·cm－3。(4)由金刚石的晶胞结构可知，晶胞中C 原子数目为4＋6×＋8×＝8；若C 原子半径为
r，金刚石晶胞的边长为a，根据硬球接触模型可知，正方体体对角线长度的就是C—C 键长，即a＝2r，所
以r＝a，碳原子在晶胞中的空间占有率为×100%。
考点三 晶胞参数、坐标参数的分析与应用
一、原子分数坐标参数
1．概念
原子分数坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置。
2．原子分数坐标的确定方法
(1)依据已知原子的分数坐标确定坐标系取向。
(2)一般以坐标轴所在正方体的棱长为1 个单位。
(3)从原子所在位置分别向x、y、z 轴作垂线，所得坐标轴上的截距即为该原子的分数坐标。
二、宏观晶体密度与微观晶胞参数的关系
1.以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子分数坐标，例如，图中原
子1 的坐标为(，，0)，则原子2 和3 的坐标分别为______、______。
【答案】 (，，) (，，)
必备知识
要点突破
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【解析】图中原子1 的坐标为(，，0)，则坐标系是
。从晶胞内的2、3 点分别向x、y、z
轴上作垂线，即可得出2、3 两点的原子分数坐标分别为(，，)、(，，)。
2.如图是Fe 单质的晶胞模型。已知晶体密度为d g·cm－3，铁原子的半径为________ nm(用含有d、NA的代
数式表示)。
【答案】 ××107
【解析】 由Fe 单质的晶胞图可知，晶胞中含铁原子个数为2，晶胞的质量为 g，晶胞体积为 cm3，则晶
胞边长为 cm，设Fe 原子的半径为r，则4r＝× cm，r＝××107 nm。
3． XeF2晶体属四方晶系，晶胞参数如图所示，晶胞棱边夹角均为90°，该晶胞中有________个XeF2分子。
以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称为原子的分数坐标，如A 点原子的
分数坐标为(，，)。已知Xe—F 键长为
r pm，则B 点原子的分数坐标为________；晶胞中A、B 间距离d＝________pm。
【答案】2 (0,0，)
【解析】 图中大球的个数为8×＋1＝2，小球的个数为8×＋2＝4，根据XeF2的原子个数比可知大球是Xe
原子，小球是F 原子，该晶胞中有2 个XeF2分子；由A 点坐标知该原子位于晶胞的中心，且每个坐标系的
单位长度都记为1，B 点在棱的处，其坐标为(0,0，)；
图中y 是底面对角线的一半，y＝a
pm，x＝(－r)pm，所以d＝＝ pm。
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