晶体结构与性质2

常见晶体的结构与性质真题训练：1.(2022·湖北卷)C60在高温高压下可转变为具有一定导电性、高硬度的非晶态碳玻璃。下列关于该碳玻璃的说法错误的是()A.具有自范性B.与C60互为同素异形体C.含有sp3杂化的碳原子D.化学性质与金刚石有差异答案A解析A.自范性是晶体的性质，碳玻璃为非晶态，所以没有自范性，A错误；B.碳玻璃和C60均是由碳元素形成的不同的单质，所以是同素异形体，B正确；C.碳玻璃具有高硬度，物理性质与金刚石类似，因而结构具有一定的相似性，所以含有sp3杂化的碳原子形成化学键，C正确；D.金刚石与碳玻璃属于同素异形体，性质差异主要表现在物理性质上，化学性质上也有着活性的差异，D正确。2.(2022·湖北卷)某立方卤化物可用于制作光电材料，其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是()A.Ca2＋的配位数为6B.与F－距离最近的是K＋C.该物质的化学式为KCaF3D.若F－换为Cl－，则晶胞棱长将改变答案B解析A.Ca2＋配位数为与其距离最近且等距离的F－的个数，如图所示，Ca2＋位于体心，F－位于面心，所以Ca2＋配位数为6，A正确；B.F－与K＋的最近距离为棱长的eq\f(\r(2),2)，F－与Ca2＋的最近距离为棱长的eq\f(1,2)，所以与F－距离最近的是Ca2＋，B错误；C.K＋位于顶点，所以K＋个数＝eq\f(1,8)×8＝1，F－位于面心，F－个数＝eq\f(1,2)×6＝3，Ca2＋位于体心，所以Ca2＋个数＝1，综上，该物质的化学式为KCaF3，C正确；D.F－与Cl－半径不同，替换后晶胞棱长将改变，D正确。3.(2021·辽宁卷)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料，其晶胞如图。下列说法错误的是()A.S位于元素周期表p区B.该物质的化学式为H3SC.S位于H构成的八面体空隙中D.该晶体属于分子晶体答案D解析S为16号元素，是第ⅥA族元素，在元素周期表中位于p区，A项正确；根据均摊法可知，该晶胞中含S原子数为1＋eq\f(1,8)×8＝2，含H原子数为eq\f(1,2)×6＋eq\f(1,4)×12＝6，故该物质的化学式为H3S，B项正确；以体心的S为研究对象，其位于面心上的6个H原子构成的八面体空隙中，C项正确；该物质为超导材料，而分子晶体不导电，D项错误。4.(2021·全国乙卷)在金属材料中添加AlCr2颗粒，可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。AlCr2具有体心四方结构，如图所示。处于顶角位置的是原子。答案Al解析已知AlCr2具有体心四方结构，如图所示，黑球个数为8×eq\f(1,8)＋1＝2，白球个数为8×eq\f(1,4)＋2＝4，结合化学式AlCr2可知，白球为Cr，黑球为Al，即处于顶角位置的是Al原子。5.(2021·湖南卷)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。回答下列问题：(1)晶体硅和碳化硅熔点较高的是(填化学式)。(2)硅和卤素单质反应可以得到SiX4，SiX4的熔、沸点如下表：SiF4SiCl4SiBr4SiI4熔点/K183.0203.2278.6393.7沸点/K187.2330.8427.2560.70℃时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是(填化学式)，沸点依次升高的原因是____________________________________________________________________________________________。答案(1)SiC(2)SiCl4SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大解析(1)共价晶体的熔点取决于共价键的强弱，晶体硅和碳化硅都是共价晶体，碳原子的原子半径小于硅原子，碳硅键的键长小于硅硅键、键能大于硅硅键，则碳化硅的熔点高于晶体硅。(2)由题给熔、沸点数据可知，0℃时，四氟化硅为气态，四氯化硅为液态，四溴化硅、四碘化硅为固态；分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小，SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大，则SiX4的沸点依次升高。6．(2022·浙江1月选考，26)(1)两种有机物的相关数据如下表：物质HCON(CH3)2HCONH2相对分子质量7345沸点/℃153220HCON(CH3)2的相对分子质量比HCONH2的大，但其沸点反而比HCONH2的低，主要原因是_______________________________________________________________________________。(2)四种晶体的熔点数据如下表：物质CF4SiF4BF3AlF3熔点/℃－183－90－127>1000CF4和SiF4熔点相差较小，BF3和AlF3熔点相差较大，原因是___________________________。答案(1)HCON(CH3)2分子间只有一般的分子间作用力，HCONH2分子间存在氢键，所以HCON(CH3)2的沸点低(2)CF4和SiF4都是分子晶体，结构相似，分子间作用力相差较小，所以二者熔点相差较小；BF3通过分子间作用力形成分子晶体，AlF3通过离子键形成离子晶体，破坏离子键需要的能量要多得多，所以二者熔点相差较大7．(1)[2021·广东，20(2)]H2S、CH4、H2O的沸点由高到低顺序为________。(2)[2021·山东，16(2)]OF2的熔、沸点______(填“高于”或“低于”)Cl2O，原因是____________________________________________________________________________________。答案(3)H2O>H2S>CH4(4)低于OF2相对分子质量小，分子间作用力小【旧知回顾】考点一常见的晶体类型及晶体性质1.晶体与非晶体(1)晶体与非晶体的区别比较晶体非晶体结构特征结构粒子周期性有序排列结构粒子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二者区别方法间接方法测定其是否有固定的熔点科学方法对固体进行单晶X射线衍射实验各向异性：不同方向性质不同。(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)（碘晶体）。③溶质从溶液中析出。考点二晶体类型、结构和性质类型比较分子晶体共价晶体金属晶体离子晶体构成微粒分子原子金属阳离子、自由电子阴、阳离子粒子间的相互作用力范德华力(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难溶于常见溶剂大多易溶于水等极性溶剂导电、导热性一般不导电，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)金属氧化物(如K2O、Na2O)、强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl)【重难点突破】晶体熔、沸点高低的比较(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)相同类型晶体①金属晶体：金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属熔、沸点就越高。②离子晶体：a.晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。b.阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，熔、沸点就越高。③共价晶体：原子半径越小，键长越短，熔沸点越高。④分子晶体：氢键，相对分子质量越大，熔、沸点越高。考点三典型晶体的结构模型(1)共价晶体——金刚石和二氧化硅①金刚石晶体中，每个C与另外相邻4个C形成共价键，C—C键之间的夹角是109°28′，最小的环是六元环。含有1molC的金刚石中，形成的共价键有2mol。②SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个硅原子成键，最小的环是十二元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子，1molSiO2中含有4molSi—O键。(2)分子晶体——干冰和冰①干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个。②冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1molH2O的冰中，最多可形成2mol“氢键”。(3)离子晶体——NaCl型和CsCl型①NaCl型：在晶体中，每个Na＋同时吸引6个Cl－，每个Cl－同时吸引6个Na＋，配位数为6。每个晶胞含4个Na＋和4个Cl－。②CsCl型：在晶体中，每个Cl－吸引8个Cs＋，每个Cs＋吸引8个Cl－，配位数为8。(4)金属晶体金属晶体的四种堆积模式堆积模式简单立方堆积体心立方堆积六方最密堆积面心立方最密堆积晶胞配位数681212一个晶胞内原子数目1224常见金属PoNa、K、FeMg、Zn、TiCu、Ag、Au(5)石墨晶体（混合晶体）石墨层状晶体中，层与层之间的作用力是分子间作用力，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子采取的杂化方式是sp2。能力提升：1.硫、钴及其化合物用途非常广泛。回答下列问题：(1)基态Co原子价电子排布图为，第四电离能I4(Co)<I4(Fe)，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________；Co与Ca同周期且最外层电子数相同，单质钴的熔、沸点均比钙大，其原因是______________________________________________________________________________________________________________________________。(2)K和Na位于同主族，K2S的熔点为840℃，Na2S的熔点为950℃，前者熔点较低的原因是________________________________________________________________________________________________________。(3)S与O、Se、Te位于同一主族，它们的氢化物的沸点如下图所示，沸点按图像所示变化的原因是_______________________________________________________________________________________________________________。(4)已知金刚石结构中C—C比石墨结构中C—C的键长长，则金刚石的熔点(填“高于”“低于”或“等于”)石墨的熔点，理由是________________。(5)金属镓(Ga)位于元素周期表中第4周期ⅢA族，其卤化物的熔点如下表：GaF3GaCl3GaBr3熔点/℃>100077.75122.3GaF3熔点比GaCl3熔点高很多的原因是____________________________________________________________________________________________。答案(1)铁失去的是较稳定的3d5上的一个电子，钴失去的是3d6上的一个电子钴的原子半径比钙小，价电子数比钙多，钴中金属键比钙中强(2)K＋的半径比Na＋大，K2S的晶格能比Na2S小(3)H2O分子间存在较强的氢键，其他三种分子间不含氢键，所以H2O沸点最高；H2S、H2Se及H2Te的结构相似，随着相对分子质量的增大，范德华力增强，所以沸点逐渐升高(4)低于键长越长，键能越小，键越不稳定，熔点越低(5)GaF3是离子晶体，GaCl3是分子晶体；离子键强于分子间作用力解析(1)基态Co原子价电子排布式为3d74s2，价电子排布图为。2.石墨、石墨烯及金刚石是碳的同素异形体。(1)以Ni—Cr—Fe为催化剂，一定条件下可将石墨转化为金刚石。基态Fe原子未成对电子数为。设石墨晶体中碳碳键的键长为am，金刚石晶体中碳碳键的键长为bm，则ab(填“>”“<”或“＝”)，原因是___________________________________________________________________________。(2)比较表中碳卤化物的熔点，分析其熔点变化的原因是____________________________________________________________________________。CCl4CBr4(α型)CI4熔点/℃－22.9248.4168(分解)(3)金刚石的晶胞如图1所示。已知ZnS晶胞与金刚石晶胞排列方式相同，若图1中a与ZnS晶胞中Zn2＋位置相同，则S2－在ZnS晶胞中的位置为。(4)石墨烯中部分碳原子被氧化后，转化为氧化石墨烯。①在图3所示的氧化石墨烯中，采取sp3杂化形式的原子有(填元素符号)。②石墨烯转化为氧化石墨烯时，1号C与相邻C原子间键能的变化是(填“变大”“变小”或“不变”)。(5)石墨烯具有很大的比表面积，有望用于制超级电容器。若石墨烯中碳碳键的键长为am，12g单层石墨烯单面的理论面积约为m2(列出计算式即可)。答案(1)4<石墨晶体中的碳碳键除σ键外还有大π键，金刚石晶体中碳碳键只有σ键(2)分子组成和结构相似，随相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增强，故CCl4、CBr4、CI4熔点依次升高(3)顶点、面心(4)①C、O②变小(5)eq\f(1,2)×NA×eq\f(3\r(3),2)a2解析(1)基态Fe原子的核外电子排布式为[Ar]3d64s2，未成对电子数为4，在金刚石晶体中，C原子采用sp3杂化，碳原子之间只存在σ键，而石墨晶体中的C原子采用sp2杂化，碳原子之间除了σ键外还有大π键，使得石墨晶体中的碳碳键的键长比金刚石晶体中碳碳键的键长小。(2)碳卤化物都是分子晶体，分子间通过范德华力相结合，对于组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，其分子间范德华力越强，熔点越高，由于相对分子质量：CCl4<CBr4<CI4，则熔点：CCl4<CBr4<CI4。(3)若图1中a与ZnS晶胞中Zn2＋位置相同，则ZnS晶胞中所含Zn2＋的个数为4，根据ZnS的化学式可知，只有S2－处于顶点和面心时，ZnS晶胞中S2－的个数为8×1/8＋6×1/2＝4。(4)①氧化石墨烯中所标的1号碳原子形成3个碳碳单键和一个碳氧单键，C原子为sp3杂化，氧化石墨烯中羟基上的氧原子形成一个碳氧单键和一个氧氢单键，还有2个孤电子对，所以羟基上的氧原子为sp3杂化。②石墨烯转化为氧化石墨烯时，1号C与相邻C原子间的大π键被氧化破坏变成了单键，键能变小。(5)已知石墨烯中碳碳键的键长为am，则其所在正六边形的面积为eq\f(3\r(3)×a2,2)m2，根据均摊法可以计算出每个正六边形所占有的碳原子数为6×1/3＝2，所以12g(1mol)单层石墨烯实际占有的正六边形个数为eq\f(1,2)×NA，则单层石墨烯单面的理论面积约为eq\f(1,2)×NA×eq\f(3\r(3),2)a2m2。3.钙钛矿是以俄罗斯矿物学家Perovski的名字命名的，最初单指钛酸钙这种矿物[如图(a)]，此后，把结构与之类似的晶体(化学式与钛酸钙相同)统称为钙钛矿物质。某钙钛矿型太阳能光伏电池的有机半导材料的结构如图(b)所示，其中A为CH3NHeq\o\al(＋,3)，另两种离子为I－和Pb2＋。下列说法错误的是()A.钛酸钙的化学式为CaTiO3B.图(b)中，X为Pb2＋C.CH3NHeq\o\al(＋,3)中含有配位键D.晶胞中与每个Ca2＋紧邻的O2－有12个答案B解析A.Ca2＋位于8个顶点，故为8×eq\f(1,8)＝1个，Ti4＋位于体心，故为1个，O2－位于6个面心，故为6×eq\f(1,2)＝3个，所以化学式为CaTiO3，故A正确；B.图(b)中，A、B、X分别位于晶胞的顶点、体心和面心，根据均摊法可以确定其中有1个A、1个B和3个X，根据晶体呈电中性确定，CH3NHeq\o\al(＋,3)和Pb2＋均为1个，有3个I－，故X为I－，故B错误；C.类比NHeq\o\al(＋,4)成键情况可知，CH3NHeq\o\al(＋,3)中含有H＋与—NH2形成的配位键，故C正确；D.Ca2＋位于顶点，与邻近的3个面的面心上的O2－紧邻，每个顶点参与形成8个晶胞，每个面参与形成2个晶胞，因此与每个Ca2＋紧邻的O2－有3×8÷2＝12个，故D正确。4.现有几组物质的熔点(℃)数据：A组B组C组D组金刚石：3550℃Li：181℃HF：－83℃NaC