2021新高考化学选择性考试B方案一轮复习学案第十一章第35讲晶体结构与性质

第35讲晶体结构与性质1．晶体和晶胞(1)晶体与非晶体(2)获得晶体的三条途径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eq\o(□,\s\up2(11))基本单元。②晶体与晶胞的关系：数量巨大的晶胞“eq\o(□,\s\up2(12))无隙并置”构成晶体。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eq\o(□,\s\up2(13))eq\f(1,n)属于这个晶胞。2．四种类型晶体的比较类型比较分子晶体共价晶体金属晶体离子晶体构成粒子eq\o(□,\s\up2(01))分子eq\o(□,\s\up2(02))原子金属阳离子、自由电子eq\o(□,\s\up2(03))阴、阳离子粒子间的相互作用力eq\o(□,\s\up2(04))范德华力(某些含氢键)eq\o(□,\s\up2(05))共价键eq\o(□,\s\up2(06))金属键eq\o(□,\s\up2(07))离子键续表类型比较分子晶体共价晶体金属晶体离子晶体硬度eq\o(□,\s\up2(08))较小eq\o(□,\s\up2(09))很大有的eq\o(□,\s\up2(10))很大，有的eq\o(□,\s\up2(11))很小eq\o(□,\s\up2(12))较大熔、沸点eq\o(□,\s\up2(13))较低eq\o(□,\s\up2(14))很高有的eq\o(□,\s\up2(15))很高，有的eq\o(□,\s\up2(16))很低eq\o(□,\s\up2(17))较高导电、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物质类别及举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)活泼金属氧化物(如K2O、Na2O)、强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl)3．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：eq\o(□,\s\up2(01))kJ·mol－1。(2)影响因素①离子所带电荷数：离子所带电荷数越eq\o(□,\s\up2(02))多，晶格能越eq\o(□,\s\up2(03))大。②离子的半径：离子的半径越eq\o(□,\s\up2(04))小，晶格能越eq\o(□,\s\up2(05))大。可结合物理上的库仑力公式来讨论：F＝keq\f(q1q2,r2)，显然，离子间的作用力与离子所带电量(正比于电荷数)乘积成正比，与距离平方成反比。(3)与离子晶体性质的关系晶格能越大，形成的离子晶体越eq\o(□,\s\up2(06))稳定，且熔点越eq\o(□,\s\up2(07))高，硬度越eq\o(□,\s\up2(08))大。1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。(1)具有规则几何外形的固体一定是晶体。(×)错因：自发地呈现多面体外形的才是晶体，人为制造出的具有规则几何外形的固体如玻璃、木材、陶瓷等均不是晶体。(2)冰中包含的作用力有范德华力、氢键。(×)错因：冰中还包含共价键。(3)区分晶体和非晶体最可靠的方法是测定其有无固定熔点。(×)错因：区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体进行X­射线衍射实验。(4)1mol金刚石和SiO2中含有的共价键数目均为4NA。(×)错因：1_mol金刚石含有的共价键数目为2NA。(5)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。(×)错因：分子晶体硫、碘等的熔点比金属晶体汞的熔点高。(6)碳有三种同素异形体：金刚石、石墨和C60，其熔点由高到低的顺序为：C60>金刚石>石墨。(×)错因：石墨的熔点高于金刚石，金刚石的熔点又比C60的熔点高很多。2．教材改编题(据人教选修三P84T4)下列各组物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是()A．Si和CO2 B．NaBr和O2C．CH4和H2O D．HCl和KCl答案C考点eq\a\vs4\al(一)四类晶体的组成和性质[解析](1)A组由非金属元素组成，熔点很高，属于共价晶体，熔化时需破坏共价键。由共价键形成的共价晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔点高，硬度大。(2)B组都是金属，存在金属键，具有金属晶体的性质，可以用电子气理论解释相关物理性质。(3)C组卤化氢晶体属于分子晶体，HF熔点高是由于分子之间形成了氢键。(4)D组是离子化合物，熔点高，具有离子晶体的性质。(5)晶格能与离子电荷数和离子半径有关，电荷数越多，半径越小，晶格能越大，晶体熔点越高。[答案](1)①共价共价键②O的原子半径小于Si的原子半径，Si—O键的键长小于Si—Si键的键长，Si—O键的键能大于Si—Si键的键能③硼晶体大于硅晶体(2)金属键①②③④电子气(3)HF分子间能形成氢键(4)②④(5)NaCl>KCl>RbClMgO晶体为离子晶体，离子晶体中离子所带电荷数越多，半径越小，晶格能越大，熔点越高(1)共价晶体一定含有共价键，而分子晶体可能不含共价键，如稀有气体分子形成的晶体。(2)含阴离子的晶体中一定含有阳离子，但含阳离子的晶体中不一定含阴离子，如金属晶体。(3)共价晶体的熔点不一定比离子晶体高，如石英的熔点为1710℃，MgO的熔点为2852(4)金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高，如Na的熔点为97℃，尿素的熔点为132.7(5)同种晶体熔、沸点高低的比较①共价晶体eq\x(原子半径越小)→eq\x(键长越短)→eq\x(键能越大)→eq\x(熔、沸点越高)如熔点：金刚石>碳化硅>硅。②离子晶体a．一般地说，离子所带的电荷数越多(主要因素)，离子半径越小，熔、沸点就越高，如熔点：Al2O3>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a．具有氢键的分子晶体熔、沸点反常地高。如熔、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，熔点越高，如熔点：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，其熔点越高，如熔点：CO>N2。d．对于有机物的同分异构体，支链越多，熔点越低。如熔点：CH2CH2CH3CH2CH3>。④金属晶体金属原子半径越小，价电子数越多，其金属键越强，金属熔点越高，如熔点：Na<Mg<Al。(6)晶体类型的几种判断方法①根据物质类别判断a．离子晶体都是离子化合物，多为盐类、强碱等。b．金属单质都是金属晶体。c．非金属单质和共价化合物可能属于分子晶体和共价晶体，可根据其物理性质进行区分。②依据晶体的熔点判断a．离子晶体的熔点较高。b．共价晶体熔点很高。c．分子晶体熔点低。d．金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点相当低。③依据导电性判断a．固体不导电，熔融状态时能导电的晶体是离子晶体。b．共价晶体一般为非导体，少数为半导体，如硅。c．分子晶体为非导体，而部分分子晶体中的物质(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。d．金属晶体是电的良导体。④依据硬度和机械性能判断a．离子晶体硬度较大且脆。b．共价晶体硬度大。c．分子晶体硬度小且较脆。d．金属晶体多数硬度大，但也有较低的，且具有延展性。1．下面的排序不正确的是()A．熔点由高到低：Na>Mg>AlB．硬度由大到小：金刚石>碳化硅>晶体硅C．晶体熔点由低到高：CF4<CCl4<CBr4<CI4D．晶格能由大到小：NaF>NaCl>NaBr>NaI答案A解析金属离子的电荷越多、半径越小，其熔点越高，则熔点由高到低为Al>Mg>Na，A错误；键长越短，其价键越强，硬度越大，键长C—C<C—Si<Si—Si，则硬度由大到小为金刚石>碳化硅>晶体硅，B正确；组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，晶体的熔点越高，则晶体熔点由低到高顺序为CF4<CCl4<CBr4<CI4，C正确；电荷相同的离子，离子半径越小，晶格能越大，F、Cl、Br、I的离子半径由小到大，则晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaI，D正确。2．按要求完成下列试题。(1)(2019·全国卷Ⅰ)一些氧化物的熔点如下表所示：氧化物Li2OMgOP4O6SO2熔点/℃1570280023.8－75.5解释表中氧化物之间熔点差异的原因：____________________________。(2)(2018·全国卷Ⅰ)Li2O是离子晶体，其晶格能可通过下图的Born­Haber循环计算得到。Li2O晶格能为________kJ·mol－1。答案(1)Li2O、MgO为离子晶体，P4O6、SO2为分子晶体。晶格能MgO>Li2O，分子间作用力(相对分子质量)P4O6>SO2(2)2908解析(1)晶体的熔点高低与晶体类型以及晶体微粒间的作用力有关。Li2O、MgO是离子晶体，离子晶体的晶格能大小影响了晶体熔点的高低，晶格能越大，晶体熔点越高；P4O6、SO2为分子晶体，分子晶体的熔点高低取决于分子间作用力的大小，分子间作用力越大，晶体熔点越高。(2)晶格能是指气态离子结合生成1mol晶体所释放的能量或1mol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2908kJ·mol－1。3．下图为几种晶体或晶胞的示意图：请回答下列问题：(1)上述晶体中，粒子之间以共价键结合形成的晶体是________。(2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为____________________________。(3)NaCl晶胞与MgO晶胞相同，NaCl晶体的晶格能________(填“大于”或“小于”)MgO晶体，原因是__________________________________________。答案(1)金刚石晶体(2)金刚石、MgO、CaCl2、冰、干冰(3)小于'MgO晶体中离子的电荷数大于NaCl晶体中离子电荷数；且r(Mg2＋)<r(Na＋)、r(O2－)<r(Cl－)解析(1)冰晶体、干冰晶体均为分子晶体，粒子间通过分子间作用力结合成晶体，Cu晶体中微粒间通过金属键结合形成晶体，MgO和CaCl2晶体中微粒之间通过离子键结合形成晶体。(2)离子晶体的熔点与离子半径及离子所带电荷有关，离子半径越小，离子所带电荷越大，则离子晶体熔点越高。金刚石是共价晶体，熔点最高，冰、干冰均为分子晶体，冰中存在氢键，冰的熔点高于干冰。考点eq\a\vs4\al(二)常见晶体模型与晶胞计算[解析]由图b可知，立方格子面对角线长为eq\r(2)apm，即为4个Cu原子直径之和，则Cu原子之间最短距离为eq\f(\r(2),4)apm。由图b可知，若将每个晶胞分为8个小立方体，则Mg原子之间最短距离y为晶胞内位于小立方体体对角线中点的Mg原子与顶点Mg原子之间的距离(如图所示)，即小立方体体对角线长的一半，则y＝eq\f(a,2)pm×eq\r(3)×eq\f(1,2)＝eq\f(\r(3),4)apm。由图a可知，每个晶胞含Mg原子8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＋4＝8个，含Cu原子16个，则MgCu2的密度ρ＝eq\f(8×24＋16×64,a×10－103NA)g·cm－3。[答案]eq\f(\r(2),4)aeq\f(\r(3),4)aeq\f(8×24＋16×64,NAa3×10－30)[解析]由题图可知，As、Sm都在晶胞的面上，该晶胞中As的原子个数＝4×eq\f(1,2)＝2，Sm的原子个数＝4×eq\f(1,2)＝2，Fe在晶胞的棱上和体心，Fe的原子个数＝1＋4×eq\f(1,4)＝2，F－和O2－在晶胞的顶点和上下底面，F－和O2－的个数和＝2×eq\f(1,2)＋8×eq\f(1,8)＝2，已知F－和O2－的比例依次为x和1－x，所以该物质的化学式为SmFeAsO1－xFx。1个晶胞的质量＝eq\f(2[281＋161－x＋19x],NA)g，晶胞的体积＝a2c×10－30cm3，所以晶胞的密度＝eq\f(2[281＋161－x＋19x],a2cNA×10－30)g·cm－3。根据图1中原子1的坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，\f(1,2)))，可看出原子2的z轴为0，x、y轴均为eq\f(1,2)，则原子2的坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))；原子3的x、y轴均为0，z轴为eq\f(1,2)，则原子3的坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0，0，\f(1,2)))。[答案]SmFeAsO1－xFxeq\f(2[281＋161－x＋19x],a2cNA×10－30)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0，0，\f(1,2)))1．“均摊法”计算晶胞中的粒子数(1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算(2)非长方体晶胞中粒子视具体情况而定，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)被三个六边形共有，每个六边形占eq\f(1,3)。(3)六方(六棱柱含三个晶胞)晶体中不同位置的粒子的计算：以六棱柱为基本单元。2．晶胞中的有关物理量的计算对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：a3×ρ×NA＝n×M，a表示晶胞的棱长，ρ表示密度，NA表示阿伏加德罗常数的值，n表示1mol晶胞中所含晶体的物质的量，M表示晶体的摩尔质量。具体地有：(1)晶胞质量＝晶胞占有的微粒的质量＝晶胞占有的微粒数×eq\f(M,NA)。(2)空间利用率＝eq\f(晶胞占有的微粒体积,晶胞体积)。(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＝eq\r(2)a。②体对角线长＝eq\r(3)a。③体心立方堆积4r＝eq\r(3)a(r为原子半径)。④面心立方堆积4r＝eq\r(2)a(r为原子半径)。(4)根据晶体晶胞的结构特点和有关数据，求算晶体的密度或晶体晶胞的体积或晶胞参数a(晶胞边长)对于立方晶胞，可建立如下求算途径：4.(2019·福州模拟)元素X的某价态离子Xn＋中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它与N3－形成晶体的晶胞结构如图所示。下列说法错误的是()A．X元素的原子序数是19B．该晶体中阳离子