2021高考化学一轮复习 专题11 第3讲 晶体结构与性质学案 新人教版

第3讲 晶体结构与性质考纲要求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。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。晶体和晶体类型1.晶体(1)晶体与非晶体晶体非晶体结构特征结构微粒_排列结构微粒_排列性质特征自范性_熔点_异同表现_二者区别方法间接方法看是否有固定的_科学方法对固体进行_实验(2)得到晶体的三条途径熔融态物质凝固。气态物质冷却不经液态直接_。溶质从溶液中析出。2晶胞(1)概念：描述晶体结构的_。(2)晶体中晶胞的排列无隙并置无隙：相邻晶胞之间没有_。并置：所有晶胞_排列、_相同。3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：_。(2)影响因素离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越_。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_，且熔点越_，硬度越_。4四种晶体类型类型比较分子晶体原子晶体金属晶体离子晶体构成粒子_金属阳离子、自由电子_粒子间的相互作用力_(某些含氢键)_硬度_有的_，有的_熔、沸点_有的_，有的_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、传热性 一般不导电，溶于水后有的导电一般不具有导电性，个别为半导体电和热的良导体晶体不导电，水溶液或熔融态导电回扣判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)晶体的熔点一定比非晶体的熔点高()(2)具有规则几何外形的固体一定是晶体()(3)冰和固体碘晶体中相互作用力相同()(4)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()(5)通过x射线衍射实验的方法可以区分晶体和非晶体()(6)晶胞是晶体中的最小的“平行六面体”()(7)晶体和非晶体的本质区别是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列()(8)在分子晶体中一定有范德华力和化学键()(9)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高()(10)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低()重点提醒(1)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”。(2)常温下为气态或液态的物质，其晶体应属于分子晶体(hg除外)。(3)原子晶体中一定含有共价键，而分子晶体中不一定有共价键，如稀有气体的晶体。(4)原子晶体熔化时，破坏共价键，分子晶体熔化时破坏的是分子间作用力，分子内的共价键不被破坏。对点速练练点一晶胞与晶体类型判断1下图为碘晶体晶胞结构。有关说法中正确的是()a碘分子的排列有2种不同的取向，2种取向不同的碘分子以4配位数交替配位形成层结构b用切割法可知平均每个晶胞中有4个碘原子c碘晶体为无限延伸的空间结构，是原子晶体d碘晶体中的碘原子间存在非极性键和范德华力2下列数据是对应物质的熔点()：bcl3al2o3na2onaclalf3alcl3干冰sio21072 0739208011 291190571 723据此做出的下列判断中错误的是()a铝的化合物的晶体中有的是离子晶体b表中只有bcl3和干冰是分子晶体c同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体d不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体3gaf3的熔点高于1 000 ，gacl3的熔点为77.9 ，其原因是_。gaas的熔点为1 238 ，密度为 gcm3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为_，ga与as以_键键合。练点二晶体的类型与性质4北京大学和中国科学院的化学工作者成功研制出碱金属与c60形成的球碳盐k3c60。实验测知该物质属于离子晶体，具有良好的超导性。下列关于k3c60的组成和结构的分析中正确的是()ak3c60晶体中既有离子键又有极性键bk3c60晶体的熔点比c60晶体的熔点低c该晶体熔化时能导电dc60分子中碳原子是采用sp3杂化的5现有几组物质的熔点()数据：a组b组c组d组金刚石：3 550 li：181 hf：83 nacl：801 硅晶体：1 410 na：98 hcl：115 kcl：776 硼晶体：2 300 k：64 hbr：89 rbcl：718 二氧化硅：1 723 rb：39 hi：51 cscl：645 据此回答下列问题：(1)a组属于_晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是_。(2)b组晶体共同的物理性质是_(填序号)。有金属光泽导电性导热性延展性(3)c组中hf熔点反常是由于_。(4)d组晶体可能具有的性质是_(填序号)。硬度小水溶液能导电固体能导电熔融状态能导电(5)d组晶体的熔点由高到低的顺序为naclkclrbclcscl，其原因为_。6(1)碳化硅(sic)是一种晶体，具有类似金刚石的结构，其中碳原子和硅原子的位置是交替的。在下列各种晶体：晶体硅；硝酸钾；金刚石；碳化硅；干冰；冰，它们的熔点由高到低的顺序是_(填序号)。(2)继c60后，科学家又合成了si60、n60。请解释如下现象：熔点si60n60c60，而破坏分子所需要的能量n60c60si60，其原因是_。方法指导晶体熔沸点高低的比较方法 1首先看物质的状态，一般情况下固体液体气体；二是看物质所属类型，一般是原子晶体离子晶体分子晶体。2同类晶体熔沸点比较思路为：原子晶体共价键键能键长原子半径；分子晶体分子间作用力相对分子质量；离子晶体离子键强弱离子所带电荷数、离子半径。晶体结构的分析1.典型晶体结构模型分析晶体晶体结构晶体详解原子晶体金刚石(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_(3)最小碳环由_个c组成且六原子不在同一平面内(4)每个c参与4条cc键的形成，c原子数与cc键数之比为_sio2(1)每个si与_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)_(3)最小环上有_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_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_个(2)每个晶胞中含_个na和_个clcscl(型)(1)每个cs周围等距且紧邻的cl有_个，每个cs(cl)周围等距且紧邻的cs(cl)有_个(2)如图为8个晶胞，每个晶胞中含1个cs、1个cl金属晶体简单立方堆积典型代表po，配位数为_，空间利用率52%面心立方最密堆积又称为a1型或铜型，典型代表cu、ag、au，配位数为_，空间利用率74%体心立方堆积又称为a2型或钾型，典型代表na、k、fe，配位数为_，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_，空间利用率74%2.晶胞中微粒的计算方法均摊法(1)原则：晶胞任意位置上的一个原子如果是被n个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是(3)图示回扣判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)金属钠形成的晶体中，每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有8个()(2)金属镁形成的晶体中，每个镁原子周围与其距离最近的原子有6个()(3)在nacl晶体中，每个na周围与其距离最近的na有12个()(4)在cscl晶体中，每个cs周围与其距离最近的cl有8个()(5)立方晶胞中，顶点上的原子被4个晶胞共用()(6)石墨晶体中每个正六边形结构中平均占有碳原子数为2()对点速练练点一晶体结构中微粒数分析1下列是几种常见的晶胞结构，填写晶胞中含有的粒子数。anacl(含_个na，_个cl)b干冰(含_个co2)ccaf2(含_个ca2，_个f)d金刚石(含_个c)e体心立方(含_个原子)f面心立方(含_个原子)2下图为离子晶体空间构型示意图：(阳离子，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_。3(1)硼化镁晶体在39 k时呈超导性。在硼化镁晶体中，镁原子和硼原子是分层排布时，下图是该晶体微观结构的透视图，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。则硼化镁的化学式为_。(2)在硼酸盐中，阴离子有链状、环状等多种结构形式。下图是一种链状结构的多硼酸根，则多硼酸根离子符号为_。4某fexny的晶胞如图1所示，cu可以完全替代该晶体中a位置fe或者b位置fe，形成cu替代型产物fe(xn)cunny。fexny转化为两种cu替代型产物的能量变化如图2所示，其中更稳定的cu替代型产物的化学式为_。练点二晶胞结构中常见物理量的计算5.(1)金刚石晶胞含有_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)。(2)cu与f形成的化合物的晶胞结构如右图所示，若晶体密度为a gcm3，则cu与f最近距离为_ pm。(阿伏加德罗常数用na表示，列出计算表达式，不用化简；其中为cu，为f)(3)o和na能够形成化合物f，其晶胞结构如图所示，晶胞参数a0.566 nm，f的化学式为_；晶胞中o原子的配位数为_；列式计算晶体f的密度(gcm3)_。6ga和as的摩尔质量分别为mgagmol1和masgmol1，原子半径分别为rgapm和raspm，阿伏加德罗常数值为na，则gaas晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为_。方法总结立方晶胞各物理量的关系对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：a3nanm，a表示晶胞的棱长，表示密度，na表示阿伏加德罗常数的值，n表示1 mol晶胞中所含晶体的物质的量，m表示摩尔质量，a3na表示1 mol晶胞的质量。1.2019全国卷组合，35(全国卷)：(4)图(a)是mgcu2的拉维斯结构，mg以金刚石方式堆积，八面体空隙和半数的四面体空隙中，填入以四面体方式排列的cu。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见，cu原子之间最短距离x_pm，mg原子之间最短距离y_pm。设阿伏加德罗常数的值为na，则mgcu2的密度是_gcm3(列出计算表达式)。(全国卷)：(4)一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中sm和as原子的投影位置如图2所示。图中f和o2共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用x和1x代表，则该化合物的化学式表示为_；通过测定密度和晶胞参数，可以计算该物质的x值，完成它们关系表达式：_gcm3。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1中原子1的坐标为(，)，则原子2和3的坐标分别为_、_。(全国卷)：(3)苯胺()的晶体类型是_。苯胺与甲苯()的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(5.9 )、沸点(184.4 )分别高于甲苯的熔点(95.0 )、沸点(110.6 )，原因是_。(5)nh4h2po4和lifepo4属于简单磷酸盐，而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐，如：焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如下图所示：这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为_(用n代表p原子数)。22018全国卷组合，35(全国卷)：(4)li2o是离子晶体，其晶格能可通过图(a)的bornhaber循环计算得到。可知，li原子的第一电离能为_kjmol1，oo键键能为_kjmol1，li2o晶格能为_kjmol1。(5)li2o具有反萤石结构，晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm，阿伏加德罗常数的值为na，则li2o的密度为_ gcm3(列出计算式)。(全国卷)：(5)fes2晶体的晶胞如图(c)所示。晶胞边长为a nm，fes2相对式量为m，阿伏加德罗常数的值为na ，其晶体密度的计算表达式为_gcm3；晶胞中fe2位于s所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为_ nm。(全国卷)：(5)金属zn晶体中的原子堆积方式如图所示，这种堆积方式称为_。六棱柱底边边长为a cm，高为c cm，阿伏加德罗常数的值为na，zn的密度为_ gcm3(列出计算式)。32017全国卷组合，35(全国卷)：钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题：(4)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a0.446 nm，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_。(5)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。(全国卷)：(4)r的晶体密度为d gcm3，其立方晶胞参数为a nm，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_。(全国卷)：(5)mgo具有nacl型结构(如图)，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，x射线衍射实验测得mgo的晶胞参数为a0.420 nm，则r(o2)为_nm。mno也属于nacl型结构，晶胞参数为a0.448 nm，则r(mn2)为_nm。42019江苏卷，21cu2o广泛应用于太阳能电池领域。以cuso4、naoh和抗坏血酸为原料，可制备cu2o。(1)cu2基态核外电子排布式为_。(2)so的空间构型为_(用文字描述)；cu2与oh反应能生成cu(oh)42，cu(oh)42中的配位原子为_(填元素符号)。(3)抗坏血酸的分子结构如图1所示，分子中碳原子的轨道杂化类型为_；推测抗坏血酸在水中的溶解性：_(填“难溶于水”或“易溶于水”)。(4)一个cu2o晶胞(如图2)中，cu原子的数目为_。第3讲晶体结构与性质基础精讲练考点一1知识梳理1(1)周期性有序无序有无固定不固定各向异性各向同性熔点x射线衍射(2)凝固(凝华)2(1)基本单元(2)任何间隙平行取向3(1)kjmol1(2)大小(3)稳定高大4分子原子阴、阳离子范德华力共价键金属键离子键较小很大很大很小较大较低很高很高很低较高回扣判断答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)2对点速练1解析：碘分子的排列有2种不同的取向，在顶点和面心不同，2种取向不同的碘分子以4配位数交替配位形成层结构，a选项正确；每个晶胞中有4个碘分子，b选项错误；c项，此晶体是分子晶体，错误；d项，碘原子间只存在非极性共价键，范德华力存在于分子与分子之间，错误。答案：a2解析：a项，氧化铝的熔点高，属于离子晶体，则铝的化合物的晶体中有的是离子晶体，正确；b项，bcl3、alcl3和干冰均是分子晶体，错误；c项，同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体，例如co2是分子晶体，二氧化硅是原子晶体，正确。答案：b3解析：gaf3、cacl3的熔点相差较大，是因为晶体类型不同，gaf3熔点高，为离子晶体，而gacl3的熔点低，为分子晶体。gaas的熔点高，晶胞为空间网状结构，则为原子晶体，ga与as以共价键结合。答案：gaf3为离子晶体，gacl3为分子晶体原子晶体共价4解析：该晶体为离子晶体，故熔化时能导电，c项正确；c60内部为非极性键，a项错误；离子晶体k3c60比分子晶体c60的熔点高，b项错误；c60中每个碳形成四条键，其中有一个为双键，故应为sp2杂化，d项错误。答案：c5解析：(1)a组熔点很高，为原子晶体，是由原子通过共价键形成的。(2)b组为金属晶体，具有四条共性。(3)hf中含有分子间氢键，故其熔点反常。(4)d组属于离子晶体，具有两条性质。(5)d组属于离子晶体，其熔点与晶格能有关，离子半径越小晶格能越大熔点越高。答案：(1)原子共价键(2)(3)hf分子间能形成氢键，其熔化时需要消耗的能量更多(只要答出hf分子间能形成氢键即可)(4)(5)d组晶体都为离子晶体，r(na)r(k)r(rb)r(cs)，在离子所带电荷数相同的情况下，半径越小，晶格能越大，熔点就越高6解析：(1)这些晶体属于原子晶体的有、离子晶体的有、分子晶体的有。一般来说，原子晶体的熔点离子晶体的熔点分子晶体的熔点；对于原子晶体，键长sisisiccc，相应键能sisisic碳化硅晶体硅。(2)熔点与分子间作用力大小有关，而破坏分子则是破坏分子内的共价键。答案：(1)(2)结构相似的分子晶体的相对分子质量越大，分子间作用力(或范德华力)越强，熔化所需的能量越多，故熔点：si60n60c60；而破坏分子需断开化学键，元素电负性越强其形成的化学键越稳定，断裂时所需能量越多，故破坏分子需要的能量大小顺序为n60c60si60。考点二1知识梳理141092861：241：21212124486612812回扣判断答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)2对点速练1答案：a.44b4c48d8e2f42解析：在a中，含m、n的个数相等，故组成为mn；在b中，含m：41(个)，含n：424(个)，m：n：1：3；在c中含m：4(个)，含n为1个。答案：mnmn3mn23解析：(1)每个mg周围有6个b，而每个b周围有3个mg，所以其化学式为mgb2。(2)从图可看出，每个单元中，都有一个b和一个o完全属于这个单元，剩余的2个o分别被两个结构单元共用，所以b：o1：(12/2)1：2，化学式为bo。答案：(1)mgb2(2)bo4解析：能量低的晶胞稳定性强，即cu替代a位置fe型晶胞更稳定。每个晶胞均摊fe原子数：63，cu原子数：81，n原子数是1，则cu替代a位置fe型产物的化学式为fe3cun。答案：fe3cun5解析：(1)由金刚石形成的晶胞可知结构，c原子位于8个顶点、6个面心、体内还有4个碳原子，所以晶胞中平均含有的碳原子数为8648个，由晶胞示意图可知：8ra，即ra/8；晶胞中碳原子的占有率为。(2)设晶胞的棱长为x cm，在晶胞中，cu：864；f：4，其化学式为cuf。ax3na4m(cuf)，x。最短距离为小立方体对角线的一半，小立方体的对角线为 x。所以最短距离为x1010pm。(3)由晶胞结构可知，一个晶胞中小球个数为8，大球个数为4，小球代表离子半径较小的na，大球代表离子半径较大的o2，故f的化学式为na2o；晶胞中与每个氧原子距离最近且相等的钠原子有8个；晶胞的质量为4，晶胞的体积为(0.566107)3cm3，晶体密度为2.27 gcm3。答案：(1)8(2) 1010pm(3)na2o82.27 gcm36解析：根据晶胞结构示意图可以看出，as原子与ga原子形成了空间网状结构的晶体，结合gaas的熔点知gaas是原子晶体。首先用均摊法计算出1个晶胞中含有as原子的个数：81/861/24，再通过观察可知1个晶胞中含有4个ga原子。4个as原子和4个ga原子的总体积v14(1030r1030r)cm3；1个晶胞的质量为4个as原子和4个ga原子的质量之和，即()g，所以1个晶胞的体积v2(masmga)cm3。最后v1/v2即得结果。答案：100%真题全体验1解析：(全国卷)：(4)由图(b)可知，x等于立方体面对角线长度的，即4xa，则xa；根图(a)、(b)分析可知，y等于立方体体对角线长度的，即4ya，则ya；据图(a)可知，该晶胞占用cu原子数目为4416，据mgcu2可知，mg原子数目为8，一个晶胞的体积为(a1010)3 cm3，质量为g，则mgcu2的密度为 gcm3。(全国卷)：(4)根据原子在长方体晶胞中位置可知，晶胞中as、fe、sm各有两个原子，f和o的原子数之和为2，则该化合物的化学式为smfeaso1xfx。每个晶胞中有“两个分子”，每个晶胞质量为g；该晶胞为长方体，其体积为a2c1030 cm3，则gcm3。根据坐标系和原子1的坐标可知，底面左后方的o或f原子为坐标系原点，其坐标是(0,0,0)，则原子2的坐标为，原子3的坐标为。(全国卷)：(3) 中只含有共价键，根据其熔、沸点数据可知，苯胺的晶体类型为分子晶体。苯胺分子间存在氢键，导致其熔、沸点高于甲苯。(5)磷酸根离子为po，焦磷酸根离子为p2o，三磷酸根离子为p3o。结合图示可知，每增加1个p原子，o原子数增加3，离子所带负电荷数增加1，故可推出离子通式为(pno3n1)(n2)。答案：(全国卷)：(4)aa (全国卷)：(4)smfeaso1xfx(全国卷)：(3)分子晶体苯胺分子之间存在氢键(5)(pno3n1)(n2)2解析：(全国卷)：(4)锂原子的第一电离能是指1 mol气态锂原子失去1 mol电子变成1 mol气态锂离子所吸收的能量，即为520 kjmol1。o=o键键能是指1 mol氧气分子断裂生成气态氧原子所吸收的能量，即为249 kjmol12498 kjmol1。晶格能是指气态离子结合生成1 mol晶体所释放的能量或1 mol晶体断裂离子键形成气态离子所吸收的能量，则li2o的晶格能为2 908 kjmol1。(5)1个氧化锂晶胞含o的个数为864，含li的个数为8,1 cm107 nm，代入密度公式计算可得li2o的密度为 gcm3。(全国卷)：(5)该晶胞中fe2位于棱上和体心，个数为1214，s位于顶点和面心，个数为864，故晶体密度为4 g(a107 cm)31021 gcm3