05第25讲晶体结构与性质配合物与超分子【正文】听课手册

第25讲晶体结构与性质配合物与超分子1.能说出晶体与非晶体的区别;了解晶体中微粒的空间排布存在周期性,认识简单的晶胞。

2.借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点。

3.知道配位键的特点,认识简单的配位化合物的成键特征,了解配位化合物的存在与应用。考点一物质的聚集状态与晶体的常识1.物质的聚集状态(1)物质三态间的相互转化(2)等离子体和离子液体①等离子体是由、和电中性粒子(分子或原子)组成的整体上呈电中性的气态物质。

②离子液体是熔点不高的仅由组成的液体物质。

2.晶体与非晶体(1)二者比较晶体非晶体结构特征(本质区别)内部粒子(原子、离子或分子)在三维空间里呈排列

内部原子或分子的排列相对

性质特征自范性

熔点

某些物理性质的各向异性

能否发生X射线衍射(最科学的区分方法)能不能(能发生散射)举例金刚石、食盐、干冰等橡胶、玻璃(玻璃体)、炭黑(无定形体)、松香、石蜡、蜂蜡、沥青、塑料、非晶体SiO2等[微点拨]①物理性质的各向异性,即在不同的方向上表现出不同的强度、导热性、光学性质,称之为晶体的各向异性。例如,在水晶柱面上滴一滴熔化的石蜡,用一根红热的铁针刺中凝固的石蜡,石蜡在不同方向熔化的快慢不同,这是由于水晶导热性的各向异性造成的。②可以用测熔点和X射线衍射实验的方法区分晶体和非晶体,X射线衍射实验是区分晶体和非晶体的最可靠的科学方法。(2)获得晶体的三条途径3.晶胞(1)概念晶胞是描述晶体结构的,是从晶体中“截取”出来具有代表性的最小重复单元。

(2)晶胞的特点4.晶体结构的测定(1)测定晶体结构最常用的仪器是。

(2)晶体结构的测定原理在晶体的X射线衍射实验中,当单一波长的X射线通过晶体时,X射线和晶体中的电子相互作用,会在记录仪上产生或者明锐的。

(3)经过计算可以从衍射图形获得晶胞和、分子或原子在微观空间有序排列呈现的类型、原子在晶胞里的和等,以及结合晶体化学组成的信息推出原子之间的相互关系等晶体结构的信息。【对点自测】判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)[2024·湖南卷]由R4N+与PF6-组成的离子液体常温下呈液态,与其离子的体积较大有关 ((2)二氧化硅和干冰晶体熔化时所克服的作用力类型相同 ()(3)晶胞是晶体中最小的“平行六面体” ()(4)[2024·湖南卷]用玻璃棒摩擦烧杯内壁,可从明矾过饱和溶液中快速析出晶体 ()(5)[2024·安徽卷]鉴别水晶和玻璃:X射线衍射实验 ()(6)冰晶体中,分子之间存在两种相互作用力 ()题组一物质的聚集状态1.下列关于物质的聚集状态的叙述,不正确的是 ()A.固态物质由离子构成,气态和液态物质都由分子构成B.等离子体是由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的物质聚集体C.等离子体具有良好的导电性和流动性,与其含有带电且能自由移动的粒子有关D.液晶是介于液态和晶态之间的物质状态,表现出类似晶体的各向异性2.准晶体里的原子排列有序,但不具备普通晶体的长程平移对称性,而且原子位置之间有间隙(如图所示)。下列说法中正确的是 ()A.与类似普通晶体相比,准晶体延展性较强B.普通玻璃属于晶体,其成分中存在共价键C.与类似普通晶体相比,准晶体密度较小D.准晶体和晶体是固体物质的同一种存在形态,具有相同的性质归纳总结(1)等离子体常被称为“超气态”,是一种电离的气体,是物质的一种奇特的聚集状态,又被称为物质的第四态或等离子态。(2)液晶在一定范围内既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,这是因为其内部分子沿分子长轴方向取向一致,但无位置序。题组二晶体与非晶体的区别3.[2025·吉林白城统考]固体分为晶体和非晶体,下列关于晶体的叙述正确的是 ()A.块状固体一定是晶体,粉末状固体一定是非晶体B.破损的晶体经过重结晶后能够变成规则的多面体,体现了晶体的自范性C.晶体和非晶体的本质区别是晶体的衍射图谱有明锐的衍射峰D.不能通过熔融态物质凝固的方式得到晶体4.[2024·河北邯郸十校联考]玻璃是常见的非晶体,在生产生活中有着广泛的用途,如图所示是玻璃的结构示意图,下列有关玻璃的说法错误的是 ()A.玻璃内部微粒排列是无序的B.玻璃熔化时吸热,温度不断上升C.光导纤维和玻璃的主要成分都可看成是SiO2,二者都是非晶体D.利用X射线衍射实验可以鉴别石英玻璃和水晶归纳总结关于晶体与非晶体的认识误区(1)同一物质可以是晶体,也可以是非晶体,如晶体SiO2和非晶体SiO2。(2)有着规则几何外形或者美观、对称外形的固体,不一定是晶体。例如,玻璃制品可以塑造出规则的几何外形,也可以具有美观对称的外观。(3)具有固定组成的物质也不一定是晶体,如某些无定形体也有固定的组成。(4)晶体不一定都有规则的几何外形,如肉眼看不到晶体外形的固体粉末。题组三晶胞中微粒数目的计算5.[2024·天津东丽区质检]钴的一种化合物的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是 ()A.钛元素在周期表中的位置为第四周期第ⅡB族B.每个晶胞中含有1个Co2+和1个O2-C.晶体中与Co2+距离最近的Ti4+有4个D.该化合物的化学式为CoTiO36.(1)[2024·江苏卷节选]铁酸铋晶胞如图所示(图中有4个Fe原子位于晶胞体对角线上,O原子未画出),其中原子数目比N(Fe)∶N(Bi)=。

(2)[2024·贵州卷节选]NaFeO2的晶胞结构示意图如图所示。每个晶胞中含有NaFeO2的单元数有个。

(3)[2024·广东卷节选]一种含Ga、Ni、Co元素的记忆合金的晶体结构可描述为Ga与Ni交替填充在Co构成的立方体体心,形成如图所示的结构单元。该合金的晶胞中,粒子个数最简比Co∶Ga∶Ni=,其立方晶胞的体积为nm3。

归纳总结晶胞中粒子数目的计算方法——均摊法(1)原理:晶胞中任意位置上的一个原子如果被n个晶胞所共有,则每个晶胞对这个原子分得的份额就是1n(2)方法①平行六面体(正方体或长方体)晶胞不同位置的粒子对晶胞的贡献②晶体结构中六棱柱不同位置的粒子对六棱柱的贡献考点二晶体类型和性质1.几种常见晶体类型及性质对比类型比较分子晶体共价晶体金属晶体离子晶体概念分子间通过分子间作用力结合形成的晶体原子通过共价键形成的晶体金属原子通过金属键形成的晶体阴、阳离子通过离子键形成的晶体构成粒子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(某些也含氢键)共价键金属键离子键硬度较小很大有的很大,有的很小较大熔点、沸点较低很高有的很高,有的很低一般较高溶解性相似相溶一般难溶于任何溶剂难溶于常见溶剂大多数易溶于水等极性溶剂导电、传热性一般不导电,有的溶于水后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、几乎所有的酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物(有机盐除外);稀有气体部分非金属单质(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)[微点拨]①高硬度、高熔点是许多有共价键三维骨架结构的共价晶体的特性。②金属键的形成:晶体中金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子所共用,从而将所有的金属原子维系在一起;金属键无饱和性、方向性。2.过渡晶体纯粹的典型晶体是不多的,大多数晶体是四类典型晶体之间的过渡晶体。偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近,因而通常当作离子晶体来处理,如Na2O等。同样,偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理,如Al2O3、SiO2等。3.混合型晶体石墨晶体是一种混合型晶体。(1)石墨不同于金刚石,它的碳原子呈杂化,形成结构。

(2)石墨晶体是结构的,层间没有化学键相连,是靠维系的。

【对点自测】判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)[2024·黑吉辽卷]SiO2的晶体类型:分子晶体 ()(2)[2023·江苏卷]碳单质、晶体硅、SiC均为共价晶体 ()(3)[2023·广东卷]“深地一号”为进军万米深度提供核心装备,制造钻头用的金刚石为金属晶体 ()(4)[2024·安徽卷]熔点:NH2OH>[NH3OH]Cl ()(5)[2023·湖北卷]熔点:AlF3(1040℃)远高于AlCl3(178℃升华),与晶体类型有关 ()题组一常见晶体类型判断1.[2024·贵州卷改编]我国科学家首次合成了化合物[K(2,2,2-crypt)]5[K@Au12Sb20]。其阴离子[K@Au12Sb20]5-为全金属富勒烯(结构如图),具有与富勒烯C60相似的高对称性。下列说法错误的是 ()A.富勒烯C60是分子晶体B.图示中的K+位于Au形成的二十面体笼内C.全金属富勒烯和富勒烯C60互为同素异形体D.全金属富勒烯属于金属晶体2.现有四组物质及熔点数据:Ⅰ组Ⅱ组Ⅲ组Ⅳ组金刚石:3550℃Li:181℃HF:-83℃NaCl:801℃硅晶体:1410℃Na:98℃HCl:-115℃KCl:776℃硼晶体:2300℃K:64℃HBr:-89℃RbCl:718℃二氧化硅:1723℃Rb:39℃HI:-51℃CsCl:645℃回答下列问题:(1)Ⅰ组属于晶体,其熔化时克服的微粒间的作用力是。

(2)Ⅱ组晶体共同的物理性质是(填序号)。

①有金属光泽②导电性③导热性④延展性(3)Ⅲ组中HF的熔点反常,其原因是。

(4)Ⅳ组晶体可能具有的性质是(填序号)。

①硬度小②水溶液能导电③固体能导电④熔融状态能导电方法技巧晶体类型的判断方法(1)主要根据各类晶体的特征性质判断。熔点、沸点低的物质一般为分子晶体;熔点、沸点较高,且在水溶液里或熔融状态下能导电的化合物一般为离子晶体;熔点、沸点很高,通常不导电,不溶于一般溶剂的物质为共价晶体;能导电、传热,具有延展性的晶体为金属晶体。(2)根据物质的类别判断。活泼金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)、气态氢化物、大多数非金属氧化物、稀有气体、几乎所有的酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体。常见的共价晶体中,单质有金刚石、晶体硅、晶体硼、锗(Ge)和灰锡(Sn)等,化合物有碳化硅、二氧化硅等。大多数金属单质与合金是金属晶体。题组二晶体熔沸点的比较3.[2024·山东卷]下列物质均为共价晶体且成键结构相似,其中熔点最低的是 ()A.金刚石(C) B.单晶硅(Si)C.金刚砂(SiC) D.氮化硼(BN,立方相)4.第ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题:(1)碳的一种单质的结构如图所示。该单质的晶体类型为,依据电子云的重叠方式,原子间存在的共价键类型有,碳原子的杂化轨道类型为。

(2)CH4、SiH4、GeH4的熔点、沸点依次(填“增大”或“减小”),其原因是

。

(3)SiO2的熔点比CO2的高,其原因是

。

(4)四卤化硅的沸点和四卤化锡的熔点如下表所示。四卤化硅SiF4SiCl4SiBr4SiI4沸点/℃-85.756.9153287.5四卤化锡SnF4SnCl4SnBr4SnI4熔点/℃705-3331144.5SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是 。

结合SnX4的熔点的变化规律,可推断:依F、Cl、Br、I次序,SnX4中的化学键的离子性(填“增强”“不变”或“减弱”,下同)、共价性。请从原子结构角度解释所推断的结论:

。

考点三典型晶体结构分析典型晶体结构分析晶体晶体结构晶体详解共价晶体金刚石(1)每个碳原子与个碳原子以共价键结合,形成正四面体结构;

(2)键角均为;

(3)最小碳环由个C构成且所有原子不在同一平面内;

(4)每个C参与4个C—C的形成,C原子数与C—C个数之比为

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“12O”,n(Si)∶n(O)=;(3)最小环上有个原子,即个O,个Si

分子晶体干冰CO2(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

冰H2O(1)每个水分子与个水分子相邻;

(2)分子以氢键相连接,含1molH2O的冰中,最多可形成mol“氢键”离子晶体NaCl(型)(1)每个Na+(Cl-)周围等距且紧邻的Cl-(Na+)有个,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Cl-

CsCl(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)如图为个晶胞,每个晶胞中含1个Cs+、1个Cl-

混合型晶体石墨(1)石墨晶体是混合型晶体,呈层状结构。同层内碳原子以

形成平面六元并环结构,平均每个正六边形拥有的碳原子个数是,C原子采取的杂化方式是;

(2)层与层之间以结合。所以石墨晶体熔点、沸点很高,但硬度不大,有滑腻感,能导电

[微点拨]离子晶体中离子的配位数:指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目,晶体中阴离子、阳离子的配位数之比等于组成中的阴离子与阳离子数目的反比。【对点自测】判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”,设NA为阿伏伽德罗常数的值)(1)[2024·湖北卷]冰晶体中水分子的空间利用率相对较低,故冰的密度小于干冰 ()(2)[2024·湖北卷]石墨能导电的原因是未杂化的p轨道重叠使电子可在整个碳原子平面内运动 ()(3)[2024·河北卷]Cs+比Na+的半径大,故CsCl晶体中Cs+与8个Cl-配位,而NaCl晶体中Na+与6个Cl-配位 ()(4)[2024·浙江卷]石墨呈层状结构,层间以范德华力结合,故石墨可用作润滑剂 ()(5)[2024·浙江卷]晶体硅用碳原子取代部分硅原子,导电性增强 ()题组一典型晶体结构分析1.[2024·辽宁锦州四校联考]我国科学家合成了富集11B的非碳导热材料立方氮化硼晶体,晶胞结构如图所示。下列说法不正确的是 ()A.氮化硼晶体有较高的熔点、沸点B.该晶体具有良好的导电性C.该晶胞中含有4个B原子、4个N原子D.B原子周围等距且最近的B原子数为122.如图表示一些晶体中的某些结构,它们分别是NaCl、CsCl、干冰、金刚石、石墨晶体结构中的某一种的某一部分。(1)其中代表金刚石的是(填字母),其中每个碳原子与个碳原子最近且距离相等。金刚石属于晶体。

(2)其中代表石墨的是(填字母),其中每个正六边形占有碳原子数平均为个。

(3)其中代表NaCl晶体的是(填字母),每个Na+周围与它最近且距离相等的Na+有个。

(4)代表CsCl晶体的是(填字母),它属于晶体,每个Cs+与个Cl-紧邻且距离相等。

(5)代表干冰晶体的是(填字母),它属于晶体,每个CO2分子与个CO2分子紧邻且距离相等。

归纳总结判断某种粒子周围等距且紧邻的粒子数目时,要注意运用三维想象法。如NaCl晶体中,Na+周围的Na+数目(Na+用“”表示):每个面上有4个Na+与中心Na+距离最近,共计12个。题组二晶胞参数计算3.[2024·河北卷]金属铋及其化合物广泛应用于电子设备、医药等领域。如图是铋的一种氟化物的立方晶胞及晶胞中M、N、P、Q点的截面图,晶胞的边长为apm,NA为阿伏伽德罗常数的值。下列说法错误的是 ()A.该铋氟化物的化学式为BiF3B.粒子S、T之间的距离为114aC.该晶体的密度为1064NA×a3D.晶体中与铋离子最近且等距的氟离子有6个4.(1)Cu与F形成的某化合物的晶胞结构如图甲所示,若晶体密度为ag·cm-3,则Cu与F的最近距离为pm(设NA表示阿伏伽德罗常数的值,列出计算表达式,不用化简;图中为Cu,为F,Cu的相对原子质量是64,F的相对原子质量是19)。(2)萤石(化学式为CaF2)是唯一一种可以提炼大量氟元素的矿物,晶胞结构如图乙所示。已知晶胞参数为0.545nm,设阿伏伽德罗常数的值为NA,则萤石的密度为g·cm-3(列出计算式)。

归纳总结1.晶胞参数晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示,包括晶胞的3组棱长a、b、c和3组棱相互间的夹角α、β、γ,即晶格特征参数,简称晶胞参数。2.(1)计算晶体密度的思维流程(其中关于晶胞参数单位换算也需注意:1m=10dm=102cm=103mm=106μm=109nm=1012pm)(2)计算晶体中微粒间距离的方法晶胞的体积=M×晶胞中的微粒个数NA×考点四配合物与超分子1.配位键(1)概念由一个原子单方面提供而跟另一个原子共用的共价键,即“电子对给予—接受”键,是一类特殊的键。

如在[Cu(H2O)4]2+中,铜离子与水分子之间的化学键是由水分子提供给予铜离子,铜离子接受水分子的孤电子对形成的。

(2)表示例如,[Cu(NH3)4]2+中NH3的N给出孤电子对,Cu2+接受电子对,其结构为。2.配位化合物(1)定义通常把(称为中心离子或原子)与某些(称为)以结合形成的化合物,简称配合物。

(2)配合物的组成及形成条件①配合物的组成配体:含有孤电子对的分子或离子,如NH3、H2O、Cl-、Br-、I-、SCN-等。中心离子(或原子):一般是金属离子,特别是过渡金属离子,如Cu2+、Fe3+等。配位数:直接同中心原子(或离子)配位的含有孤电子对的原子数目。中心原子(或离子)的配位数一般为2、4、6、8等。②形成条件(3)配合物的形成举例实验操作实验现象有关离子方程式滴加氨水后,试管中首先出现,氨水过量后沉淀逐渐,得到色的透明溶液;滴加乙醇后并用玻璃棒摩擦试管壁,析出

Cu2++2NH3·H2OCu(OH)2↓+2NH4Cu(OH)2+4NH3[Cu(NH3)4]2++2OH-[Cu(NH3)4]2++SO42-+H2O[Cu(NH3)4]SO4·H2向NaCl溶液中依次滴加AgNO3溶液和氨水向NaCl溶液中滴加AgNO3溶液,产生沉淀,再滴入氨水,沉淀消失,得到澄清的溶液

Ag++Cl-AgCl↓AgCl+2NH3[Ag(NH3)2]++Cl-3.超分子(1)定义由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的。其中的分子是广义的,包括离子。

(2)超分子内分子间的作用力多数人认为,超分子内部分子之间通过非共价键相结合,包括、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的等。

(3)重要特征①;

②。

题组一配位键和配合物1.已知AlBr3可二聚为下图的二聚体:(1)该二聚体中存在的化学键类型为。

A.极性键 B.非极性键 C.离子键 D.金属键(2)将该二聚体溶于CH3CN生成[Al(CH3CN)2Br2]Br(结构如图所示),已知其配离子为四面体形,中心原子杂化方式为,其中配体是,1mol该配合物中有σ键mol。

2.(1)硼元素的简单氢化物BH3不能游离存在,常倾向于形成较稳定的B2H6或与其他分子结合。①B2H6分子的空间结构如图所示,则B原子的杂化方式为。

②氨硼烷(NH3BH3)被认为是最具潜力的新型储氢材料之一,分子中存在配位键,提供孤电子对的成键原子是。

(2)Co(NH3)5BrSO4可形成两种钴的配合物,已知Co3+的配位数为6,为确定钴的配合物的结构,现对两种配合物进行如下实验:在第一种配合物溶液中加入硝酸银溶液产生白色沉淀,则第一种配合物的配体为。在第二种配合物溶液中加入硝酸银溶液产生淡黄色沉淀,则第二种配合物的配体为。

归纳总结判断配体及配位原子的方法(1)分析配合物的内界,提供孤电子对的离子或分子为配体,可以是中性分子或阴离子,如H2O、NH3、Cl-、OH-等。(2)分析配体的组成元素,一般是电负性较小的原子提供孤电子对。配位原子必须是含有孤电子对的原子,通常是第ⅤA族、第ⅥA族、第ⅦA族元素的原子,例如NH3中的N原子、H2O中的O原子等。题组二配合物的性质3.[2024·北京海淀区统考]已知:铜离子的配位数通常为4,[Cu(OH)4]2-和[Cu(NH3)4]2+均为深蓝色。某化学小组设计如下实验制备铜的配合物。下列说法不正确的是 ()A.b中得到配合物Na2[Cu(OH)4],其配体为OH-B.硫酸铜溶液呈蓝色是[Cu(H2O)4]2+的颜色所致C.由实验可知,NH3的配位能力比OH-弱D.加热c中溶液有可能得到蓝色浑浊液4.[2024·湖北黄冈中学调研]Fe3+由于核外有空的d轨道,可与一些配体形成配位数为6的配离子。某同学将淡紫色的Fe(NO3)3·9H2O晶体溶于水后再依次加KSCN溶液和NaF溶液,发现溶液出现下列变化:已知:[Fe(H2O)6]3+为浅紫色,[Fe(SCN)6]3-为红色,[FeF6]3-为无色。下列说法错误的是 ()A.Fe(NH3)3·9H2O晶体溶于水后溶液不是浅紫色而是黄色,是因为Fe3+水解生成Fe(OH)3B.SCN-与Fe3+形成配位键时,S原子提供孤电子对C.溶液Ⅱ加NaF后溶液由红色变为无色,说明SCN-与Fe3+配位键强度不及F-与Fe3+配位键强度D.焰色试验中可用无锈铁丝替代铂丝,说明铁灼烧时无焰色且不会产生发射光谱归纳总结配合物的稳定性及影响因素(1)配合物的稳定性与配位键的强弱有关,配位键越强,配合物越稳定。(2)当中心离子相同时,配合物的稳定性与配体中提供孤电子对的原子对应元素的电负性强弱有关。例如,电负性:O>N,则配位键的牢固程度:Cu2+—NH3>Cu2+—OH2,故加热配合物[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4时,首先失去H2O。题组三超分子5.[2024·河北邯郸模拟]“超分子”已经在很多领域广泛应用。下列关于超分子的说法正确的是()甲乙丙丁A.冠醚的空穴结构对离子有选择作用,在有机反应中可作催化剂,图甲中K+与冠醚形成离子键B.“杯酚”具有“分子识别”特征,图乙中“杯酚”与C60形成氢键C.可燃冰(图丙)可看作由水和甲烷等分子通过非共价键形成的超分子,硫化氢分子间也能通过与水分子间类似的相互作用形成分子笼D.烷基磺酸钠在水中聚集形成胶束(图丁),这反映了超分子的“自组装”特征6.[2024·湖南永州三模]通过给电子主体Y和吸电子客体Z作用,可制备