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【选修三】3-4离子晶体(新人教版精品)


第四节 离子晶体 第 1 课时 【知识与技能】 1、通过复习钠与氯形成氯化钠的过程,使学生理解离子键的概念、形成过程和特点。 2、 理解离子晶体的概念、 构成及物理性质特征, 掌握常见的离子晶体的类型及有关晶胞的计算。 【过程与方法】 1、 复习离子的特征,氯化钠的形成过程,并在此基础上分析离子键的成键微粒和成键性质,培养 学生知识迁移的能力和归纳总结的能力。 2、 在学习本节的

过程中,可与物理学中静电力的计算相结合,晶体的计算与数学的立体几何、物 理学的密度计算相结合。 【情感态度与价值观】 通过本节的学习,进一步认识晶体,并深入了解晶体的内部特征。 [板书计划] 第四节 离子晶体 一、离子晶体:由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。 1、几何因素:晶体中正负离子的半径比(r+/r-)。 2、电荷因素:正负离子的电荷比。 3、键性因素:离子键的纯粹程度。 4、离子晶体特点:硬度较大、难于压缩、较高的熔点和沸点。 二、晶格能 1、定义:气态离子形成l摩离子晶体释放的能量,通常取正值。 2、规律: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。 【教案设计】 【问题引入】

1、钠原子与氯原子是如何结合成氯化钠的?你能用电子式表示氯化钠的形成过程吗? 2、根据元素的金属性和非金属性差异,你知道哪些原子之间能形成离子键? 【板书】 第二单元 §3-2-1 离子键的形成 一、离子键的形成 【学生活动】写出钠在氯气中燃烧的化学方程式; 思考:钠原子与氯原子是如何结合成氯化钠的?请你用电子式表示氯化钠的形成过程。 【过渡】以阴、阳离子结合成离子化合物的化学键,就是离子键。 【板书】1、离子键的定义:使阴、阳离子结合成离子化合物的静电作用 2. 离子键的形成过程 【讲解】以 NaCl 为例,讲解离子键的形成过程: 1) 电子转移形成离子:一般达到稀有气体原子的结构 【学生活动】 离子键 离子晶体

1

分别达到 Ne 和 Ar 的稀有气体原子的结构,形成稳定离子。 2)判断依据:元素的电负性差要比较大 【讲解】元素的电负性差要比较大,成键的两元素的电负性差用△X 表示,当 △X > 1.7, 发生电子 转移, 形成离子键; 当△X < 1.7, 不发生电子转移, 形成共价键. 【说明】:但离子键和共价键之间, 并非严格截然可以区分的. 可将离子键视为极性共价键的一个极 端, 而另一极端为非极性共价键. 如图所示:

化合物中不存在百分之百的离子键, 即使是 NaF 的化学键之中, 也有共价键的成分, 即除离子间靠 静电相互吸引外, 尚有共用电子对的作用. 【小结】: 1、活泼的金属元素(IA、IIA)和活泼的非金属元素(VIA、VIIA)形成的化合物。 2、活泼的金属元素和酸根离子(或氢氧根离子)形成的化合物 3、铵根和酸根离子(或活泼非金属元素离子)形成的盐。 【板书】二、用电子式表示离子化合物的形成 【练习】1、写出下列微粒的电子式:(1)Na+、Mg2+、Cl-、O2-、 (2)NaCl MgO MgCl X > 1.7, 实际上是指离子键的成分(百分数)大于 50%.

小结:离子化合物电子式的书写 1.简单阴离子的电子式不但要表达出最外层所有电子数 (包括得到的电子) 而且用方括号“[ ]” , 括起来,并在右上角注明负电荷数 2.简单阳离子的电子式就是离子符号 3.离子化合物的电子式由阴离子和阳离子电子式组成,相同的离子不能合并 【练习】2、用电子式表示 NaCl、K2S 的形成过程 小结:用电子式表示离子键的形成过程 1.左边是组成离子化合物的各原子的电子式 , 右边是离子化合物的电子式 2.连接号为“ 3.用 ” 表示电子转移的方向

【板书】三、离子键的实质 思考:从核外电子排布的理论思考离子键的形成过程 【板书】: 实质是静电作用 靠静电吸引, 形成化学键 体系的势能与核间距之间的关系如图所示: 横坐标: 核间距 r。 纵坐标: 体系的势能 V。 纵坐标的零点: 当 r 无穷大时, 即两核之间无限远 时, 势能为零. 下面来考察 Na+ 和 Cl- 彼此接近时, 势能 V 的变化。

2

从图中可见: r >r0, 当 r 减小时, 正负离子靠静电相互吸引, V 减小, 体系稳定. r = r0 时, V 有极小值, 此时体系最稳定. 表明形成了离子键. r < r0 时, V 急剧上升, 因为 Na+ 和 Cl- 彼此再接近时, 相互之间电子斥力急剧增加, 导致 势能骤然上升. 因此, 离子相互吸引,保持一定距离时, 体系最稳定, 即当静电引力与静电斥力达到平衡时,形成 稳定的离子键,整个体系达到能量最低状态。 【板书】四、离子键的特征 【讲解】通常情况下,阴、阳离子可以看成是球形对称的,其电荷分布也是球形对称的,只要空间 条件允许,一个离子可以同时吸引多个带相反电荷的离子。因此离子键没有方向性和饱和性。 【讨论】就 NaCl 的晶体结构,交流你对离子键没有饱和性和方向性的认识 【板书】 (1)离子键无方向性 (2)离子键无饱和性 【板书】五、 离子键的强度——晶格能 (1). 键能和晶格能 【讲解】以 NaCl 为例: 键能:1mol 气态 NaCl 分子, 离解成气体原子时, 所吸收的能量. 用 Ei 表示:

【板书】(2).晶格能(符号为 U): 拆开 1mol 离子晶体使之形成气态阴离子和阳离子所吸收的能量 【讲解】在离子晶体中,阴、阳离子间静电作用的大小用晶格能来衡量。晶格能(符号为 U)是指 拆开 1mol 离子晶体使之形成气态阴离子和阳离子所吸收的能量。 例如:拆开 1mol NaCl 晶体使之形成气态钠离子和氯离子时, 吸收的能量. 用 U 表示: NaCl(s) Na+(g) + Cl-(g) U= 786 KJ.mol-1

晶格能 U 越大,表明离子晶体中的离子键越牢固。一般而言,晶格能越大,离子晶体的 离子键 越强. 破坏离子键时吸收的能量就越多,离子晶体的熔沸点越高,硬度越大。键能和晶格能, 均能表 示离子键的强度, 而且大小关系一致. 通常, 晶格能比较常用. 【板书】(3). 影响离子键强度的因素——离子的电荷数和离子半径 【思考】由下列离子化合物熔点变化规律 ,分析离子键的强弱与离子半径、离子电荷有什么关系? (1)NaF 988℃ (2)NaF 988℃ NaCl 801℃ CaF2 1360℃ NaBr 747℃ CaO 2614℃ NaI 660℃

(提示:Ca2+半径略大于 Na+半径) 【讲解】从离子键的实质是静电引力 子之间的距离 r (与离子半径的大小相关) 出发, 影响 F 大小的因素有: 离子的电荷数 q 和离

3

1) 离子电荷数的影响:电荷高,晶格能大,离子晶体的熔沸点高、硬度大。 NaCl 晶格能(KJ.mol-1) 熔点(℃) 摩氏硬度 786 801 2.5 MgO 3791 2852 6.5

2) 离子半径的影响:半径大, 导致离子间距大, 晶格能小,离子晶体的熔沸点低、硬度小。

3) 离子半径概念及变化规律 将离子晶体中的离子看成是相切的球体, 正负离子的核间距 d 是 r+ 和 r- 之和:

离子半径的变化规律 a) 同主族, 从上到下, 电子层增加, 具有相同电荷数的离子半径增加.

b) 同 周 期 : 主 族 元 素 , 从 左 至 右

离子电荷数升高, 最高价离子, 半径最小. 如:

过渡元素, 离子半径变化规律不明显. c) 同一元素, 不同价态的离子, 电荷高的半径小. 如:

d) 一般负离子半径较大; 正离子半径较小. e) 周期表对角线上, 左上元素和右下元素的离子半径相似. 如: Li+ 和 Mg2+, Sc3+ 和 Zr4+ 的半径相 似. 【小结】离子电荷数越大,核间距越小,晶格能越大,离子键越牢,离子晶体的熔、沸点越高,硬 度越大。

【课后练习】 1.下列各组数值表示有关元素的原子序数,其中所表示的各组原子能以离子键结合成稳定化合物的 是( ) B.2 与 8 C.9 与 11 D.8 与 14

A.1 与 6

2.用电子式表示下列物质的结构:NaOH、Ca(ClO)2。 3. 离子化合物 LiCl、 NaCl、 KCl、 RbCl 和 CsCl 熔点由高到底的顺序是___________________________。 5.某主族元素 A 的外围电子排布式为 ns1,另一主族元素 B 的外围电子排布为 ns2np4, 两者形成的离子化合物的化学式可能为 A.AB 6.下列叙述正确的是 B.A2B C.AB2 D.A2B3 ( )
4

A.氯化钠晶体不能导电,所以氯化钠不是电解质 B.氯化钠溶液能导电,所以氯化钠溶液是电解质 C.熔融的氯化钠和氯化钠溶液都能产生自由移动的离子 D.氯化钠熔融时不破坏氯化钠晶体中的离子键。 7.NaF、NaI、MgO 均为离子化合物,根据下列数据,这三种化合物的熔点高低顺序是( 物质 离子电荷数 键长(10 m) A. ①>②>③
-10



①NaF 1 2.31 B. ③>①>② )

②NaI 1 3.18 C. ③>②>①

③MgO 2 2.10 D. ②>①>③

8.下列说法不正确的是 (

A.离子晶体的晶格能越大离子键越强 B.阳离子的半径越大则可同时吸引的阴离子越多 C.通常阴、阳离子的半径越小,电荷越大,该阴、阳离子组成的离子化合物的晶格能越大 D.拆开 1mol 离子键所需的能量叫该离子晶体的晶格能 9.离子化合物①NaCl、②CaO、③NaF、④MgO 中,晶格能从小到大顺序正确的是( A.①②③④ B.①③②④ C.③①④② D.④②①③ )

10.(1)下列热化学方程中,能直接表示出氯化钠晶体晶格能的是_________。 A.Na+(g)+Cl (g)=NaCl(s);△H


B.Na(s)+1/2 Cl2(g)=NaCl(s);△H1 D.Na(g)-e =Na+(g);△H3


C.Na(s)=Na(g);△H2 下面给出 13 种元素的 X 的数值: 元素 X 的数值 元素 X 的数值 Al 1.5 Mg 1.2 B 2.0 Na 0.9 Be 1.5 O 3.5

11、已知元素的某种性质“X”和原子半径、金属性、非金属性等一样,也是元素的一种基本性质。

C 2.5 P 2.1

Cl 2.8 S 2.5

F 4.0 Si 1.7

Li 1.0

试结合元素周期律知识完成下列问题: (1)经验规律告诉我们: 当形成化学键的两原子相应元素的 X 差值大于 1.7 时, 所形成的一般为 离子键;当小于 1.7 时,一般为共价键。试推断 AlCl3 中的化学键类型是______。 (2)根据上表给出的数据,简述主族元素的 X 的数值大小与元素的金属性或非金属性强弱之间 的关系______________________________;简述第二周期元素(除惰性气体外)的 X 的数值大小与原 子半径之间的关系________________。 (3)请你预测 Br 与 I 元素的 X 数值的大小关系________。

第 2 课时 【复习巩固】 1、什么是离子键?作用力的实质是什么? 2、什么是晶格能?影响因素有哪些?
5

3、晶格能的大小与离子晶体的熔沸点、硬度的关系怎样? [练习] 1.指出下列物质中的化学键类型。 KBr CCl4 N2 CaO NaOH 2.下列物质中哪些是离子化合物?哪些是只含离子键的离子化合物?哪些是既含离子键又含共价键 的离子化合物? KCl HCl Na2SO4 HNO3 NH4Cl O2 Na2O2 【过渡】大多数离子化合物在常温下以晶体的形式存在。

【板书】 §3-2-2 一、离子晶体

离子晶体

1、定义:离子间通过离子键结合而成的晶体 【思考】离子晶体能否导电,主要的物理共性有哪些? 2、特点: 、晶体不导电,在熔融状态或水溶液中导电,不存在单个分子 (1) (2) 、硬度较高,密度较大, 难压缩,难挥发,熔沸点较高 【思考】 :判断下列每组物质的熔沸点的高低,影响离子晶体的熔沸点高低的因素有哪些? (1)NaF (2) MgO NaCl Na2O NaBr NaI

3、离子晶体熔沸点高低的影响因素:离子所带的电荷(Q)和离子半径(r) Q 越大、r 越小,则晶格能(U)越大,离子键越强,熔沸点越高,硬度越大. 【思考】 :哪些物质属于离子晶体? 4 、物质的类别:强碱、部分金属氧化物、绝大部分盐类属于离子晶体。 【过渡】离子晶体也有一定的空间结构 【板书】二、离子晶体的空间结构 【讲解】 :离子晶体有多种晶体结构类型,其中氯化钠型和氯化铯型是两种最常见的离子晶体结构类 型。首先看 NaCl 的晶胞:

组成具有代表性, 对称性(轴, 面, 中心)也与晶体相同, 所以乙为 NaCl 的晶胞 【思考】: 1、每个 Na+同时吸引 为 化学式为

个 Cl-,每个 Cl-同时吸引

个 Na+,而 Na+数目与 Cl-数目之

6

2、根据氯化钠的结构模型确定晶胞,并分析其构成。每个晶胞中有 3、在每个 Na+周围与它最近的且距离相等的 Na+有 个

Na+,有

个 Cl-

4、在每个 Na+周围与它最近的且距离相等的 Cl-所围成的空间结构为



5、已知氯化钠的摩尔质量为 58.5g.mol-1,阿伏加德罗常数取 6.02×1023mol-1,则食盐晶体中两个 距离最近的 Na+的核间距离最接近下面四个数据中的哪一个.( A、3.0×10-8cm B、3.5×10-8cm C、4.0×10-8cm ) D、5.0×10-8cm

组成和对称性均有代表性. 看空心圆点, 除了立方体的顶点的 8 个, 无其它, 称为简单立方晶胞. 配 位数为 8 【思考】 : 1、每个 Cs+同时吸引 个 Cl-,每个 Cl-同时吸引 个 Cs+,而 Cs+数目与 Cl-数目之为 化学式为 Cs+,有 个 Cl2、根据氯化的结构模型确定晶胞,并分析其构成。每个晶胞中有 3、在每个 Cs+周围与它最近的且距离相等的 Cs+有 个

组成和对称性均有代表性. 看空心圆点,除了立方体的顶点的 8 个, 面中心 6 个, 也为面心立方. 配位数为 4
7

总之, 立方晶系有 3 种类型晶胞, 面心立方, 简单立方, 体心立方.四方晶系 , 2 种, 正交晶系, 4 种等, 共有 14 种类型的晶胞 【过渡】氯化钠与氯化铯均为 AB 型离子晶体,但两者的阴、阳离子周围带相反电荷离子的数目却 不同,你认为造成这一差异的可能原因是什么? 【板书】三.离子晶体的配位数以及与 r+/r- 的关系 NaCl 六配体, CsCl 八配体, ZnS 四配体, 均为 AB 型晶体, 为何配位数不同? 1) 离子晶体稳定存在的条件

离子形成晶体时,阴、阳离子总是尽可能紧密地排列,且一种离子周围所环绕的带相反电荷的离子 越多,体系能量越低,所构成的离子晶体就越稳定。 2)离子晶体的配为数:离子晶体中一种离子周围紧邻的带相反电荷的离子数目 【设问】 :NaCl 型离子配为数为 (六配体), CsCl 型离子配为数为 (八配体)

【讨论】NaCl 和 CsCl 均为 AB 型离子晶体,但两者的阴、阳离子周围带相反电荷离子的数目却不 同,你认为造成这一差异的可能原因是什么? 【讲解】离子晶体中的离子的电荷分布是球形对称的。它们之间的作用力的强弱只取决于它们相互 之间的距离。晶体中每种离子能被多少个带相反电荷的离子所包围(离子的配位数) ,与它们 的大小有关,与电荷数多少无关。 离子晶体中一种离子周围所环绕的带相反电荷的离子的数目的多少, 与阴、 阳离子半径比 r+/r - 有关。 3)r+/r-与配位数 从六配位的介稳状态出发, 进行半径比与配位数之间关系的探讨.

此 时 , 上 述 b) 的稳定状

为介稳状态. 如果 r+ 再大些, 则出现 种情况, 即阴离子同号相离, 异号相切 态. 亦即:

当 r+ 继续增加, 达到并超过: 更多阴离子, 为 8 配位, CsCl 型.

时, 即阳离子离子周围可容纳

8

若 r+ 变小, 即:

, 则出现 a)种情况, 阴离子相切, 阴离子阳离子相离的不稳定

状态. 配位数减少, 4 配位, ZnS 型. 阴、阳离子半径比与配位数的关系 r+/r 0.225~0.414 0.414~0.732 0.732~1.0 >1.0
+

配位数 4 6 8 12
-

实例 ZnS NaCl CsCl CsF

总之, 配位数与 r+/r- 之比相关,且: r 再增大, 则达到 12 配位; r 再减小, 则达到 3 配位. 注意:讨论中将离子视为刚性球体, 这与实际情况有出入. 但仍不失为一组重要的参考数据. 因而, 我们可以用离子间的半径比值去判断配位数.

型 【问题解决】1、已知 Cd2+半径为 97pm,S2-半径为 184pm,按正负离子半径比,CdS 应具有 晶格,正、负离子的配位数之比应是 ;但 CdS 却具有立方 ZnS 型晶格,正负离子的配位数 ,这主要是由 造成的。 之比是 2、某离子晶体的晶胞结构如下图所示: 则该离子晶体的化学式为( A.abc C.ab2c3 B、abc3 D.ab3c




3、在 NaCl 晶体中,与每个 Na+距离相等且距离最近的 Cl 所围成 的空间构型为 ( A.正四面体 C.正八面体 ) B.正六面体 D.正十二面体

【课后练习】 1、下列物质属于离子化合物的是 ( A.NH3 B.NaF
1

) C.HBr D.KOH

2、某主族元素 A 的外围电子排布式为 ns ,另一主族元素 B 的外围电子排布为 ns2np4,则两者形成 的离子化合物的化学式可能为 A.AB B.A2B )
9

C.AB2

D.A2B3

3、下列叙述正确的是(

A.氯化钠晶体不能导电,所以氯化钠不是电解质 B.氯化钠溶液能导电,所以氯化钠溶液是电解质 C.熔融的氯化钠和氯化钠溶液都能产生自由移动的离子 D.氯化钠熔融时不破坏氯化钠晶体中的离子键。 4、下列化合物中形成离子键的所有微粒,其基态电子层结构都与氩原子相同的是( A.MgCl2 A.Ba 、Mg
2+ 2+



B.CaBr2 B.K 、Cu
+ 2+

C.K2S C.Ca 、Zn )
2+ 2+

D.Na2O ) D.Na+、Al3+

5、下列微粒中,基态最外层电子排布满足 ns2np6 的一组是 (

6、下列离子化合物中,两核间距离最大的是 ( A.LiCl B.NaF C.KCl

D.NaCl

7、NaF、NaI、MgO 均为离子化合物,根据下列数据,这三种化合物的熔点高低顺序是 物质 离子电荷数 键长(10 m) A. ①>②>③ B. ③>①>②
-10

①NaF 1 2.31 C. ③>②>①

②NaI 1 3.18 D. ②>①>③

③MgO 2 2.10

8、为了确定 SbCl3、SbCl5、SnCl4 是否为离子化合物,进行下列实验。其中合理、可靠的是 A.观察常温下的状态,SbCl5 是苍黄色液体,SnCl4 为无色液体。 结论:SbCl5 和 SnCl4 都是离子化合物 B.测定 SbCl3、SbCl5、SnCl4 的熔点依次为 73.5℃、2.8 ℃、-33℃。 结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4 都不是离子化合物 C.将 SbCl3、SbCl5、SnCl4 溶解于水中,滴入 HNO3 酸化的 AgNO3 溶液,产生白色沉淀。 结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4 都是离子化合物 D.测定 SbCl3、SbCl5、SnCl4 的水溶液,发现它们都可以导电。 结论:SbCl3、SbCl5、SnCl4 都是离子化合物

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