固体的性质Properties of Solids

从性质看结构

食盐、白糖、石英砂和一根铜丝都是固体，性质却大不相同：食盐一敲就碎，熔化后能导电；白糖加热不久就熔化；石英要到一千多摄氏度才熔化；铜丝能弯、能导电。AP U3.2 要求你把固体分成四类，用“晶格上是什么粒子、粒子之间靠什么作用”来解释这些性质，反过来也能由性质判断固体的类型。

四类晶体

判断的关键是：熔化（或沸腾）时要克服的是哪一种作用？ 离子晶体要克服离子之间的库仑吸引，共价网状晶体要断开共价键，所以熔点都高；分子晶体只需要克服分子间作用力，分子本身不变，所以熔点低。

离子晶体和金属晶体（复习）

• 离子晶体（U2.3）： 离子之间的库仑吸引很强，熔点高，蒸气压很低；受力时一层离子错开，同号离子相对而排斥，所以脆；离子只有在熔融或溶于水后才能移动，这时才导电。
• 金属晶体（U2.4）： 离域电子能自由移动，所以固体就能导电；金属键没有方向性，原子层能滑动，所以有延展性。不同金属的熔点差别很大：铯 28.4 °C，放在手心里就会熔化；锂 180.5 °C（CRC）。

分子晶体

分子晶体的晶格上是一个个分子。分子内部是很强的共价键，分子之间只有分子间作用力（U3.1），所以熔点低、质软。分子晶体也不导电：电子都定域在分子内的共价键和孤电子对中，没有能自由移动的带电粒子。熔化时分子之间分开一些，分子本身完好无损。分子间作用力越强，熔点越高：$\ce{Cl2}$ 的熔点是 −101.5 °C，电子多得多的 $\ce{I2}$ 是 113.7 °C（CRC）。

分子晶体的蒸气压往往比较大：碘在常温下就会慢慢升华，干冰（固态 $\ce{CO2}$）常温下直接变成气体。

共价网状晶体

共价网状晶体中，原子之间以共价键连成一张遍布整块晶体的网，没有单独的分子。要熔化它，必须断开大量共价键，所以熔点很高、非常硬，也没有能移动的带电粒子，一般不导电。

• 金刚石： 每个 C 原子以 4 个共价键和周围 4 个 C 原子相连（sp³，四面体形），是天然最硬的物质。立方氮化硼（BN）的结构和金刚石相同，也极硬：共价键有固定的方向和键角，在三个方向上都把原子牢牢固定住。
• 二氧化硅（石英）： 每个 Si 原子连着 4 个 O 原子，每个 O 原子连着 2 个 Si 原子。$\ce{SiO2}$ 和 $\ce{CO2}$ 的化学式相似，结构却完全不同：$\ce{CO2}$ 是分子晶体，干冰常温下就升华；石英要到 1500 °C 以上才熔化。
• 石墨： 每个 C 原子以 3 个共价键和同一层的 3 个 C 原子相连（sp²），形成平面的六边形网格；每个 C 剩下的 p 电子形成离域的 π 电子，可以沿着层移动，所以石墨能导电。层与层之间只有色散力，层容易滑开，所以石墨又软又滑，可以作润滑剂和铅笔芯。

石墨和金刚石都由碳原子构成，叫做同素异形体。它们性质的差别完全来自原子的连接方式。

先看五种固体的粒子图和性质，再切换到“鉴定未知固体”，由实验观察判断它们的类型：

例题 1：SiO₂ 和 CO₂

C 和 Si 同属第 14 族，可是 $\ce{CO2}$ 常温下是气体，$\ce{SiO2}$（石英）的熔点超过 1500 °C。从粒子的角度解释。

例题 2：石墨和金刚石

石墨能导电、质软，金刚石不导电、非常硬。用它们的结构解释。

常见误区

即时小测

AP 自由作答题

小结

• 四类晶体：离子晶体（离子、离子键）、分子晶体（分子、分子间作用力）、共价网状晶体（原子、共价键）、金属晶体（阳离子和电子气、金属键）。
• 熔化时要克服的作用决定熔点：分子晶体低；离子晶体和共价网状晶体高。
• 导电要有能移动的带电粒子：金属和石墨在固态就导电；离子晶体熔融或溶于水后导电；分子晶体和其他共价网状晶体不导电。
• 石墨和金刚石都由碳构成：石墨层内有离域 π 电子、层间只有色散力，所以导电、质软；金刚石是三维共价网，所以不导电、极硬。