2019版高考化学微一轮复习第37讲晶体结构与性质学案

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第37讲　晶体结构与性质考纲要求1.理解离子键的形成，能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。2.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。3.了解晶格能的概念，了解晶格能对离子晶体性质的影响。4.了解分子晶体结构与性质的关系。5.了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。6.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。7.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　晶体的常识1．晶体与非晶体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性质特征自范性有无熔点固定不固定异同表现各向异性各向同性间接方法看是否有固定的熔点 两者区别方法科学方法对固体进行X射线衍射实验2.得到晶体的途径(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。3．晶胞(1)概念：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：所有晶胞都是平行排列的，取向相同。(3)形状：一般而言晶胞都是平行六面体。【感悟测评】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)区分晶体和非晶体最可靠的方法是测定其有无固定熔沸点。(　　)(2)冰和固体碘晶体中微粒间作用力相同。(　　)(3)晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列。(　　)(4)凡有规则几何外形的固体一定是晶体。(　　)(5)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体块。(　　)答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√晶胞中粒子数目的计算(1)如图：(2)当晶胞为六棱柱时，其顶点上的粒子被6个晶胞共用，每个粒子属于该晶胞的部分为，而不是。(3)若1个晶胞中含有x个微粒，则1mol晶胞中含有xmol微粒，其质量为xMg(M为微粒的相对“分子”质量)；1个晶胞的质量为ρa3g(a3为晶胞的体积)，则1 mol晶胞的质量为ρa3NAg，因此有xM＝ρa3NA。考向一　晶胞中粒子个数的计算1．下图为离子晶体空间构型示意图：(·阳离子，o阴离子)以M代表阳离子，以N表示阴离子。写出各离子晶体的组成表达式：A________、B________、C________。答案：MN　MN3　MN22．已知镧镍合金LaNin的晶胞结构如下图，则LaNin中n＝________。解析：La：2×＋12×＝3Ni：12×＋6×＋6＝15所以n＝5。答案：53．某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是(　　) A．3∶9∶4　　　　　　B.1∶4∶2C．2∶9∶4D.3∶8∶4解析：A粒子数为6×＝；B粒子数为6×＋3×＝2；C粒子数为1；故A、B、C粒子数之比为1∶4∶2。答案：B4．如图是金属原子M和非金属原子N构成的气态团簇分子，则其分子式为________．解析：由于M、N原子并不存在共用关系，而是形成一个独立的气态团簇分子，其分子式可由原子个数来确定，而不能用均摊法。答案：M14N13考向二　晶体的密度及晶体粒子间距的计算5．某离子晶体的晶胞结构如图所示，X()位于立方体的顶点，Y(○)位于立方体的中心。试分析： (1)晶体中每个Y同时吸引________个X。(2)该晶体的化学式为________。(3)设该晶体的摩尔质量为Mg·mol－1，晶体的密度为ρg·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中两个距离最近的X之间的距离为________cm。答案：(1)4　(2)XY2或Y2X　(3)6．(2016·高考全国卷Ⅱ节选)某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。(1)晶胞中铜原子与镍原子的数量比为__________________。(2)若合金的密度为dg·cm－3，晶胞参数a＝________nm。解析：(1)根据均摊法计算，晶胞中铜原子个数为6×1/2＝3，镍原子的个数为8×1/8＝1，则铜和镍的数量比为31。(2)根据上述分析，该晶胞的组成为Cu3Ni，若合金的密度为dg/cm3，根据ρ＝m÷V，则晶胞参数a＝×107。答案：(1)3∶1(2)×107。考点二　晶体的组成和性质1．四种晶体类型比较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离子、自由电子阳离子、阴离子粒子间的相互作用力分子间作用力(某些含氢键)共价键金属键离子键硬度较小很大有的很大，有的很小较大熔、沸点较低很高有的很高，有的很低较高溶解性相似相溶难溶于任何溶剂常见溶剂难溶大多易溶于水等极性溶剂导电性、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，水溶液或熔融态导电物质类别及举例部分非金属单质、所有非金属氢化物、几乎所有的酸、部分非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物的晶体(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)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：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越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大。 【感悟测评】　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。(　　)(2)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高。(　　)(3)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。(　　)(4)离子晶体一定都含有金属元素。(　　)(5)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。(　　)答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　晶体熔、沸点高低的判断方法(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)同种晶体类型熔、沸点的高低①原子晶体―→―→―→②离子晶体a．一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越强，其离子晶体的熔、沸点就越高。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a．分子间作用力越大，熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常地高。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。c．组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，分子的极性越大，熔、沸点越高。d．同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>CH3CHCH3CH2CH3＞CH3CCH3CH3CH3。④金属晶体a．金属离子半径越小，离子电荷数越多，金属键越强，金属熔、沸点越高，如熔、沸点：Na＜Mg＜Al。b．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。 考向一　晶体类型的判断1．根据下列几种物质的熔点和沸点数据，判断下列有关说法中，错误的是(　　)NaClMgCl2AlCl3SiCl4单质B熔点/℃810710190－682300沸点/℃14651418182.7572500A.SiCl4是分子晶体B．单质B是原子晶体C．AlCl3加热能升华D．MgCl2所含离子键的强度比NaCl大解析：离子晶体具有高熔点、密度大、不能导电等性质，而MgCl2、NaCl等离子化合物形成的晶体虽然也具有较高的熔沸点、较大的硬度，但它们在水溶液或熔融状态下能导电。分子晶体熔沸点低、硬度小、不导电，熔融时无化学键断裂，据这些性质可确定晶体类型。根据上述性质特点及表中数据分析，NaCl的熔、沸点均比MgCl2高，所以NaCl晶体中的离子键应比MgCl2强，D不正确。答案：D2．下列晶体分类中正确的一组是(　　)离子晶体原子晶体分子晶体ANaOHArSO2BH2SO4石墨SCCH3COONaSiO2CO2DBa(OH)2金刚石玻璃解析：Ar属于分子晶体，A错误；石墨属于混合晶体，H2SO4属于分子晶体，B错误；CH3COONa属于离子晶体，SiO2属于原子晶体，CO2属于分子晶体，C正确；玻璃属于玻璃态物质，不属于晶体，D错误。答案：C【题后悟道】　确定晶体类型的方法(1)据各类晶体的概念判断，即根据构成晶体的粒子和粒子间的作用力类别进行判断。(2)据各类晶体的特征性质判断，一般来说，①低熔、沸点的化合物属于分子晶体。②熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物为离子晶体。③熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质为原子晶体。④能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。 (3)据物质的分类判断①活泼金属氧化物(如K2O、Na2O等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐是离子晶体。②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、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常见的原子晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的原子晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等。④固体金属单质(注：汞在常温为液体)是金属晶体。考向二　晶体熔、沸点高低比较3．(2018·浙江宁波慈溪浒山中学高三月考)下列物质的熔、沸点高低顺序正确的是(　　)A．金刚石＞晶体硅＞二氧化硅＞碳化硅B．CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4C．MgO＞H2O＞N2＞O2D.金刚石＞生铁＞纯铁＞钠解析：原子晶体中共价键的键长越短，键能越大，熔沸点越高，则熔沸点为金刚石＞二氧化硅＞碳化硅＞晶体硅，A错误；结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔沸点越高，则熔沸点为CI4＞CBr4＞CCl4＞CH4，B正确；离子晶体的熔沸点大于分子晶体，水中含有氢键，沸点比氮气、氧气的高，则熔沸点为MgO＞H2O＞O2＞N2，C错误；熔沸点一般为原子晶体＞金属晶体，合金的熔点比纯金属的低，则熔沸点为金刚石＞纯铁＞生铁＞钠，D错误。答案：B4．已知：CH4SiH4NH3PH3沸点(K)101.7161.2239.7185.4分解温度(K)8737731073713.2分析上表中四种物质的相关数据，请回答：(1)CH4和SiH4比较，NH3和PH3比较，沸点高低的原因是______________________________________________________。(2)CH4和SiH4比较，NH3和PH3比较，分解温度高低的原因是_______________________________________________________；结合上述数据和规律判断，一定压强下HF和HCl的混合气体降温时________________先液化。解析：(1)CH4和SiH4比较，相对分子质量大的沸点高，而NH3和PH3 比较，氨气分子间形成氢键沸点高。(2)键长越短，键能越大，分子越稳定，分解温度就越高，分解破坏的均为共价键，C—H的键能大于Si—H的键能，N—H键的键能大于P—H键的键能；一定压强下，沸点高的气体先液化，HF分子间存在氢键，沸点高，则HF和HCl的混合气体降温时HF先液化。答案：(1)CH4和SiH4比较，SiH4相对分子质量大，分子间作用力大，沸点高；NH3和PH3比较NH3分子间存在氢键，沸点高(2)分解破坏的均为共价键，C—H的键能大于Si—H的键能，N—H键的键能大于P—H键的键能　HF考点三　典型的晶体模型1．常见原子晶体、分子晶体、离子晶体的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组成且六原子不在同一平面内(4)每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键数之比为1∶2SiO2(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分子晶体干冰(1)8个CO2分子构成立方体且在6个面心又占据1个CO2分子(2)每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个 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－离子晶体CaCl(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8个(2)如图为8个晶胞，每个晶胞中含1个Cs＋、1个Cl－2.常见金属晶体的原子堆积模型结构型式常见金属配位数晶胞面心立方最密堆积Cu、Ag、Au12体心立方堆积a、K、Fe8六方最密堆积Mg、Zn、Ti12【多维思考】1．在晶体模型中，金刚石中的“棍”和干冰中的“棍”表示的意义一样吗？分子晶体中有化学键吗？提示：不一样，金刚石中表示的是C—C共价键，而干冰中的“棍”表示分子间作用力；分子晶体中多数含有化学键(如CO2中含C＝O键)，少数则不存在化学键(如稀有气体形成的晶体)。 2．石墨晶体中粒子之间存在哪种作用力？碳原子采取什么杂化方式？提示：石墨晶体呈层状结构，同层内每个碳原子与另外三个碳原子形成共价键，键角均为120°；层与层之间存在范德华力。碳原子采取sp2杂化。(1)C60有固定组成，不属于空间网状结构，以此判断晶体类型。(2)根据金刚石最小的环为六元环判断二氧化硅中最小的环上原子数目。(3)利用均摊法计算晶胞所含微粒数。计算晶体密度的思路方法考向一　对晶胞结构的考查1．(2018·河北唐山月考)下面有关晶体的叙述中，不正确的是(　　)A．金刚石网状结构中，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子B．氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等且最近的Na＋共有6个C．氯化铯晶体中，每个Cs＋周围紧邻8个Cl－D．干冰晶体中，每个CO2分子周围紧邻12个CO2分子解析：氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等且最近的Na＋共12个，距离相等且最近的Cl－共6个。答案：B2．下面是C60、金刚石和二氧化碳的结构模型。请回答下列问题： (1)从晶体类型来看，C60属于________晶体。(2)二氧化硅结构跟金刚石结构相似，即二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅与硅的化学键之间插入一个O原子。观察图乙中金刚石的结构，分析二氧化硅的空间网状结构中，Si、O原子形成的最小环上O原子的数目是__________，晶体硅中硅原子与共价键的个数比为________。(3)图丙是二氧化碳的晶胞模型，图中显示出的二氧化碳分子数为14个。实际上一个二氧化碳晶胞中含有________个二氧化碳分子，二氧化碳分子中σ键与π键的个数比为________。解析：(1)C60有固定的组成，不属于空间网状结构，熔沸点远低于金刚石等原子晶体，为分子晶体。(2)金刚石中最小的环为六元环，二氧化硅结构跟金刚石结构相似，Si、O原子形成的最小环上应有6个Si原子，每个硅与硅的化学键之间插入一个O原子，则Si、O原子形成的最小环上O原子的数目是6；在晶体中，每个Si原子形成4个共价键，每一个共价键中Si的贡献为，则平均1个Si原子形成2个共价键，所以晶体硅中硅原子与共价键的个数比为1∶2。(3)干冰晶胞中，二氧化碳分子分布于晶胞的顶点和面心位置，则晶胞中含有二氧化碳分子数为8×＋6×＝4，每个CO2分子中含有2个σ键和2个π键，σ键与π键的个数比为1∶1。答案：(1)分子　(2)6　1∶2　(3)4　1∶1考向二　金属晶胞中的有关计算3．金晶体是面心立方体，立方体的每个面上有5个金原子紧密堆砌(如图)，金原子半径为Acm，求：(1)金晶体中最小的一个立方体含有________个金原子。(2)金的密度为________g/cm3(带A计算式表示)。 解析：(1)根据均摊法，金晶体中最小立方体含有8×＋6×＝4(个)金原子。(2)金原子半径为Acm，则晶胞中面对角线是4Acm，所以晶胞的边长是2Acm，所以＝197g·mol－1，解得ρ＝g/cm3(NA表示阿伏加德罗常数的值)。答案：(1)4　(2)1．(2017·高考全国卷Ⅰ节选)(1)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立体结构，边长为a＝0.446nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K与O间的最短距离为________nm，与K紧邻的O个数为________________________________________。(2)在KIO3晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于________位置，O处于________位置。解析：(1)根据晶胞结构，K与O间的最短距离是面对角线的一半，即为×0.446＝0.315nm，根据晶胞的结构，距离K最近的O的个数为12个；(2)根据KIO3的化学式，以及晶胞结构，K处于体心，O处于棱上。答案：(1)0.315　12　(2)体心　棱2．(2016·高考全国卷Ⅰ节选)晶胞有两个基本要素： (1)原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0,0,0)；B为；C为。则D原子的坐标参数为________。(2)晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。已知Ge单晶的晶胞参数a＝565.76pm，其密度为________g·cm－3(列出计算式即可)。解析：(1)根据各个原子的相对位置可知，D在各个方向的1/4处，所以其坐标是；(2)根据晶胞结构可知，在晶胞中含有的Ge原子是8×1/8＋6×1/2＋4＝8，所以晶胞的密度是ρ＝＝答案：(1)(；；)(2)。3．(2017·高考全国卷Ⅱ)我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)。回答下列问题：(1)氮原子价层电子的轨道表达式(电子排布图)为________________。(2)元素的基态气态原子得到一个电子形成气态负一价离子时所放出的能量称作第一电子亲和能(E1)。第二周期部分元素的E1变化趋势如图(a)所示，其中除氮元素外，其他元素的E1自左而右依次增大的原因是__________；氮元素的E1呈现异常的原因是____________。(3)经X射线衍射测得化合物R的晶体结构，其局部结构如图(b)所示。①从结构角度分析，R中两种阳离子的相同之处为________，不同之处为________。(填标号)A．中心原子的杂化轨道类型B．中心原子的价层电子对数C．立体结构D．共价键类型②R中阴离子N中的σ键总数为________个。分子中的大π键可用符号Πnm表示，其中m代表参与形成大π键的原子数，n代表参与形成大π键的电子数(如苯分子中的大π键可表示为Π)，则N中的大π键应表示为________________。③图(b)中虚线代表氢键，其表示式为(NH)N－H…Cl、________________、________________。 (4)R的晶体密度为dg·cm－3，其立方晶胞参数为anm，晶胞中含有y个[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]单元，该单元的相对质量为M，则y的计算表达式为________________。解析：(1)N原子位于第二周期第VA族，价电子是最外层电子，即电子排布图是;(2)根据图(a)，同周期随着核电荷数依次增大，原子半径逐渐变小，故结合一个电子释放出的能量依次增大；氮元素的2p能级达到半充满状态，原子相对稳定，不易失去电子；(3)①根据图(b)，阳离子是NH和H3O＋，NH中心原子N含有4个σ键，孤电子对数为(5－1－4×1)/2＝0，价层电子对数为4，杂化类型为sp3，空间构型为正四面体形。H3O＋中心原子是O，含有3个σ键，孤电子对数为(6－1－3)/2＝1。价层电子对数为4，杂化类型为sp3，空间构型为三角锥形，因此相同之处为ABD，不同之处为C；②根据图(b)N中σ键总数为5个；根据信息，N的大π键应是表示为：Π；③根据图(b)还有的氢键是：(H3O＋)O－H…N　(NH)N－H…N；(4)根据密度的定义有，d＝g/cm3，解得y＝。答案：(1)(2)同周期元素随着核电荷数依次增大，原子半径逐渐变小，故结合一个电子释放出的能量依次增大　N的2p能级处于半充满状态，相对稳定，不易结合一个电子(3)①ABD　C　②5　Π③(H3O)＋O—H…N(N)　(NH)N—H…N(N) (4)