秘籍29-物质结构与性质综合题之晶体结构与性质及相关计算(教师版)-高考化学抢分秘籍(全国通用)

备战2021年高考之抢分秘籍秘籍29物质结构与性质综合题之晶体结构与性质及相关计算1．[2015·全国卷Ⅰ，37（4）]CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物的熔点为253K，沸点为376K，其固体属于________晶体。【答案】分子2．[2015·全国卷Ⅱ，37（2）改编]氧和钠的氢化物所属的晶体类型分别为____________和____________。【答案】分子晶体离子晶体3．[2018·全国卷Ⅰ，35（3）改编]LiAlH4中，存在的微粒间作用力有________________________。【答案】离子键、σ键4．[2018·全国卷Ⅲ，35（3）节选]ZnF2具有较高的熔点(872℃)，其化学键类型是_________。【答案】离子键5．[2016·全国卷Ⅰ，37（5）改编]Ge单晶具有金刚石型结构，其微粒之间存在的作用力是______________。【答案】共价键6．[2016·全国卷Ⅱ，37（3）节选]单质铜及镍都是由______键形成的晶体。【答案】金属7．[2017·全国卷Ⅰ，35（2）节选]K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是________________________________________________________________________________________________________________。【答案】K原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱8．[2017·全国卷Ⅲ，35（3）改编]在CO2低压合成甲醇反应(CO2＋3H2=CH3OH＋H2O)所涉及的4种物质中，沸点从高到低的顺序为_______________，原因是_________________。【答案】H2O>CH3OH>CO2>H2H2O与CH3OH均为极性分子，H2O中氢键数目比甲醇中多；CO2与H2均为非极性分子，CO2相对分子质量较大，范德华力大9．[2016·全国卷Ⅲ，37（4）]GaF3的熔点高于1000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是__________________________________________________________________________。【答案】GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体10．[2015·全国卷Ⅱ，37（2）改编]单质氧有两种同素异形体，其中沸点高的是________(填分子式)，原因是_____________________________________________________________。【答案】O3O3相对分子质量较大且是极性分子，范德华力较大1．晶体类型的2种判断方法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。如①由分子通过分子间作用力(范德华力、氢键)形成的晶体属于分子晶体；②由原子通过共价键形成的晶体属于原子晶体；③由阴、阳离子通过离子键形成的晶体属于离子晶体；④由金属阳离子和自由电子通过金属键(或由金属原子)形成的晶体属于金属晶体。据各类晶体的特征性质判断如①低熔、沸点的晶体属于分子晶体；②熔、沸点较高，且在水溶液中或熔化状态下能导电的晶体属于离子晶体；③熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的晶体属于原子晶体；④能导电、传热、具有延展性的晶体属于金属晶体。2．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；金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔点很高，汞、铯等熔点很低。（2）原子晶体由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高。如熔点：金刚石＞碳化硅＞硅。（3）离子晶体一般地说，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，其晶体的熔、沸点就越高，如熔点：MgO＞NaCl＞CsCl。（4）分子晶体①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常地高。如H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S。②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。如SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。③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，其熔、沸点越高。如CO＞N2，CH3OH＞CH3CH3。（5）金属晶体金属离子半径越小，离子电荷数越多，金属键越强，金属熔、沸点就越高。如Al＞Mg＞Na。11．[2020·全国卷Ⅰ，35（4）]LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有________个。电池充电时，LiFeO4脱出部分Li＋，形成Li1－xFePO4，结构示意图如(b)所示，则x＝_______，n(Fe2＋)∶n(Fe3＋)＝________。【答案】4eq\f(3,16)或0.187513∶3【解析】根据(a)图，小圆点为Li＋，位于顶点的Li＋有8个，位于棱上的Li＋有4个，位于面心的Li＋有4个，晶胞中共含有Li＋的个数为8×eq\f(1,8)＋4×eq\f(1,4)＋4×eq\f(1,2)＝4，所以每个晶胞中含有LiFePO4的单元数为4。由(b)图与(a)图相比知，(b)图中少了2个Li＋，一个是棱上的，一个是面心上的，所以(b)图中物质含Li＋的个数为8×eq\f(1,8)＋3×eq\f(1,4)＋3×eq\f(1,2)＝eq\f(13,4)，eq\f(1－x,1)＝eq\f(13,4×4)，x＝eq\f(3,16)。设化合物中Fe2＋为y，Fe3＋为1－y，由化合物呈电中性，(1－eq\f(3,16))×1＋2y＋3(1－y)＝3，解得y＝eq\f(13,16)，1－y＝eq\f(3,16)，n(Fe2＋)∶n(Fe3＋)＝13∶3。12．[2020·新高考全国卷Ⅰ(山东)，17（4）]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，称作原子的分数坐标。四方晶系CdSnAs2的晶胞结构如下图所示，晶胞棱边夹角均为90°，晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。坐标原子xyzCd000Sn000.5As0.250.250.125一个晶胞中有________个Sn，找出距离Cd(0,0,0)最近的Sn________(用分数坐标表示)。CdSnAs2晶体中与单个Sn键合的As有__________个。【答案】4(0.5,0,0.25)、(0.5,0.5,0)4【解析】由题给原子的分数坐标和晶胞图示可知，小白球表示的是Sn原子，Sn原子位于面心和棱上，因此一个晶胞中含Sn原子的个数＝6×eq\f(1,2)＋4×eq\f(1,4)＝4。由Sn和As的分数坐标可知，x、y轴上apm长的分数坐标为1，z轴上2apm长的分数坐标为1。小黑球表示的是Cd原子，与Cd(0,0,0)最近的Sn有两个，其分数坐标分别为(0.5,0,0.25)和(0.5,0.5,0)。灰球表示的是As原子，每个Sn周围与Sn等距离的As原子有4个，即与单个Sn键合的As有4个。13．[2019·全国卷Ⅰ，35（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________g·cm－3(列出计算表达式)。【答案】eq\f(\r(2),4)aeq\f(\r(3),4)aeq\f(8×24＋16×64,NAa3×10－30)【解析】观察图(a)和图(b)知，4个铜原子相切并与面对角线平行，有(4x)2＝2a2，x＝eq\f(\r(2),4)a。镁原子堆积方式类似金刚石，有y＝eq\f(\r(3),4)a。已知1cm＝1010pm，晶胞体积为(a×10－10)3cm3，代入密度公式计算即可。14．[2019·全国卷Ⅱ，35（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1－x代表，则该化合物的化学式表示为________；通过测定密度ρ和晶胞参数，可以计算该物质的x值，完成它们关系表达式：ρ＝________g·cm－3。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eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，\f(1,2)))，则原子2和3的坐标分别为________、________。【答案】SmFeAsO1－xFxeq\f(2[281＋16(1－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)))【解析】由晶胞结构中各原子所在位置可知，该晶胞中Sm的原子个数为4×eq\f(1,2)＝2，Fe的原子个数为1＋4×eq\f(1,4)＝2，As的原子个数为4×eq\f(1,2)＝2，O或F的原子个数为8×eq\f(1,8)＋2×eq\f(1,2)＝2，即该晶胞中O和F的个数之和为2，F－的比例为x，O2－的比例为1－x，故该化合物的化学式为SmFeAsO1－xFx。1个晶胞的质量为eq\f(2×[150＋56＋75＋16×(1－x)＋19x],NA)g＝eq\f(2[281＋16(1－x)＋19x],NA)g，1个晶胞的体积为a2cpm3＝a2c×10－30cm3，故密度ρ＝eq\f(2[281＋16(1－x)＋19x],a2cNA×10－30)g·cm－3。原子2位于底面面心，其坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))；原子3位于棱上，其坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0，0，\f(1,2)))。1．晶胞中微粒数目的计算方法——均摊法（1）均摊法图示（2）熟记几种常见的晶胞结构及晶胞含有的粒子数目2．晶胞求算（1）晶胞参数①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，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。如立方晶胞中，晶胞参数a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°。②晶胞参数的计算（2）晶体密度的计算方法（3）金属晶体空间利用率的计算方法空间利用率＝eq\f(球体积,晶胞体积)×100%，球体积为金属原子的总体积。①简单立方堆积如图1所示，原子的半径为r，立方体的棱长为2r，则V球＝eq\f(4,3)πr3，V晶胞＝(2r)3＝8r3，空间利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(\f(4,3)πr3,8r3)×100%≈52%。②体心立方堆积如图2所示，原子的半径为r，体对角线c为4r，面对角线b为eq\r(2)a，由(4r)2＝a2＋b2得a＝eq\f(4,\r(3))r。1个晶胞中有2个原子，故空间利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,a3)×100%＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,\r(3))r))3)×100%≈68%。③六方最密堆积如图3所示，原子的半径为r，底面为菱形(棱长为2r，其中一个角为60°)，则底面面积＝2r×eq\r(3)r＝2eq\r(3)r2，h＝eq\f(2\r(6),3)r，V晶胞＝S×2h＝2eq\r(3)r2×2×eq\f(2\r(6),3)r＝8eq\r(2)r3,1个晶胞中有2个原子，则空间利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,8\r(2)r3)×100%≈74%。④面心立方最密堆积如图4所示，原子的半径为r，面对角线为4r，a＝2eq\r(2)r，V晶胞＝a3＝(2eq\r(2)r)3＝16eq\r(2)r3,1个晶胞中有4个原子，则空间利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(4×\f(4,3)πr3,16\r(2)r3)×100%≈74%。1．FeF3具有较高的熔点(熔点高于1000℃)，其化学键类型是________，FeBr3的式量大于FeF3，但其熔点只有200℃，原因是______________________________________________________________________________________________________________________。【答案】离子键FeF3为离子晶体，FeBr3的化学键以共价键为主，属于分子晶体2．配合物Fe(CO)x常温下呈液态，熔点为－20.5℃，沸点为103℃，易溶于非极性溶剂，据此可判断Fe(CO)x晶体属于______________(填晶体类型)。【答案】分子晶体3．已知：K2O的熔点为770℃，Na2O的熔点为1275℃，二者的晶体类型均为____________，K2O的熔点低于Na2O的原因是___________________________________________。【答案】离子晶体K＋的半径大于Na＋的，K2O的晶格能小于Na2O的4．钛比钢轻，比铝硬，是一种新兴的结构材料。钛的硬度比铝大的原因是________________________________________________________________________。【答案】Ti原子的价电子数比Al原子的多，金属键更强5．已知MgO与NiO的晶体结构相同，其中Mg2＋和Ni2＋的离子半径分别为66pm和69pm。则熔点：MgO______NiO(填“>”“<”或“＝”)，理由是_____________________________________________________________________________________________。【答案】＞Mg2＋的半径比Ni2＋的小，MgO的晶格能比NiO的大6．LiFeAs可组成一种新型材料，其立方晶胞结构如图所示。若晶胞参数为anm，A、B处的两个As原子之间距离为______nm，请在z轴方向投影图中画出铁原子的位置，用“·”表示________。【答案】eq\f(\r(2)a,2)7．砷化硼是近期受到广泛关注的一种Ⅲ—Ⅴ半导体材料。砷化硼为立方晶系晶体，该晶胞中原子分数坐标为：B：(0,0,0)；(eq\f(1,2)，eq\f(1,2)，0)；(eq\f(1,2)，0，eq\f(1,2))；(0，eq\f(1,2)，eq\f(1,2))……As：(eq\f(1,4)，eq\f(1,4)，eq\f(1,4))；(eq\f(1,4)，eq\f(3,4)，eq\f(3,4))；(eq\f(3,4)，eq\f(1,4)，eq\f(3,4))；(eq\f(3,4)，eq\f(3,4)，eq\f(1,4))请在图中画出砷化硼晶胞的俯视图，已知晶体密度为dg·cm－3，As半径为apm，假设As、B原子相切，则B原子的半径为________pm(写计算表达式)。【答案】eq\f(\r(3),4)×eq\r(3,\f(344,d·NA))×1010－a【解析】由各原子分数坐标可知，晶胞中B原子处于晶胞的顶点、面心位置，而As原子处于晶胞内部，处于B原子形成的正四面体体心位置，晶胞三维结构如图所示：(注：小球大小不代表原子大小)，投影时顶点原子形成正方形的顶点，左、右侧面及前、后面的面心原子投影处于正方形棱心，而上、下底面面心原子投影重合处于正方形的中心，As原子投影处于正方形内部且处于正方形对角线上(As原子投影、上下底面面心B原子投影将对角线4等分)，故砷化硼晶胞俯视图为；根据晶胞三维结构示意图可知，位于体对角线上的原子相切，即As原子和B原子的半径之和的四倍即体对角线的长度；根据均摊法，一个晶胞中As原子个数为4，B原子个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，所以晶胞的质量为eq\f(75×4＋11×4,NA)g＝eq\f(344,NA)g，晶胞密度为dg·cm－3，则晶胞的体积为eq\f(344,dNA)cm3，则晶胞的边长为eq\r(3,\f(344,dNA))cm＝eq\r(3,\f(344,dNA))×1010pm，则晶胞的体对角线长度为eq\r(3)×eq\r(3,\f(344,dNA))×1010pm，所以B原子的半径为(eq\f(\r(3),4)×eq\r(3,\f(344,d·NA))×1010－a)pm。8．氮化镓是一种半导体材料。晶胞结构可看作金刚石晶胞内部的碳原子被N原子代替，顶点和面心的碳原子被Ga原子代替。（1）与同一个Ga原子相连的N原子构成的立体构型为____________。（2）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。若沿y轴投影的晶胞中所有原子的分布图如图，则2、3、4原子的分数坐标不可能是________(填字母)。a．(0.75,0.25,0.25)b．(0.25,0.75,0.75)c．(0.25,0.75,0.25)d．(0.75,0.75,0.75)（3）GaN原子中N和N原子核间距为apm，GaN摩尔质量为Mg·mol－1，阿伏加德罗常数的值为NA，则GaN晶体的密度为________g·cm－3(1pm＝10－12m)。【答案】（1）正四面体形（2）b（3）eq\f(\r(2)M×1030,a3NA)【解析】（1）与同一个Ga原子相连的N原子，与4个顶点的距离相等，构成的立体构型为正四面体形。（2）根据1原子的分数坐标可知2、3、4原子的分数坐标分别为(0.25，0.75，0.25)、(0.75,0.25,0.25)、(0.75,0.75，0.75)，故选b。（3）设晶胞参数为x，则GaN晶体中N和N的原子核间距为面上对角线长度的一半，即eq\f(\r(2),2)x＝apm，x＝eq\r(2)apm＝eq\r(2)a×10－10cm。在晶胞中，含有4个“GaN”，则GaN晶体的密度为eq\f(4M,\r(2)a×10－103NA)＝eq\f(\r(2)M×1030,a3NA)g·cm－3。9．硫化锂是目前正在研发的锂离子电池的新型固体电解质，为立方晶系晶体，其晶胞参数为apm。该晶胞中离子的分数坐标为：硫离子：(0,0,0)；(eq\f(1,2)，eq\f(1,2)，0)；(eq\f(1,2)，0，eq\f(1,2))；(0，eq\f(1,2)，eq\f(1,2))；……锂离子：(eq\f(1,4