2023届新高考新教材化学鲁科版一轮学案-第5章第18讲　不同聚集状态的物质与性质

第18讲不同聚集状态的物质与性质复习目标核心素养1.了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞。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。知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。2．知道在一定条件下，物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料。1.宏观辨识与微观探析：认识晶胞及晶体的类型，能从不同角度分析晶体的组成粒子、结构特点，能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。2．证据推理与模型认知：能运用典型晶体模型判断晶体的结构特点及组成并进行相关计算。3．变化观念与平衡思想：认识不同晶体类型的特点，能从多角度、动态地分析不同晶体的组成及相应物质的性质。考点一认识晶体1．晶体与非晶体晶体非晶体结构特征结构微粒周期性有序排列结构微粒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看是否有固定的熔点科学方法对固体进行X射线衍射实验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)晶胞：晶胞是描述晶体结构的基本单元。(2)晶体中晶胞的排列——无隙并置①无隙：相邻晶胞之间没有间隙。②并置：所有晶胞平行排列、取向相同。(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\f(1,n)属于这个晶胞。(1)冰和碘晶体中相互作用力相同。()(2)晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列。()(3)凡有规则外形的固体一定是晶体。()(4)固体SiO2一定是晶体。()(5)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。()(6)区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验。()答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√(6)√[典例]如图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为。[解析]R：8×eq\f(1,8)＋1＝2G：8×eq\f(1,4)＋8×eq\f(1,4)＋4×eq\f(1,2)＋2＝8Q：8×eq\f(1,4)＋2＝4R、G、Q的个数之比为1∶4∶2，则其化学式为RQ2G4。由于R为＋2价，G为－2价，所以Q为＋3价。[答案]＋3[方法归纳]“切割法”突破晶胞组成的计算(1)原则：晶胞任意位置上的一个粒子如果是被n个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个粒子分得的份额就是eq\f(1,n)。(2)方法：长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算[对点练1]某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是()A．3∶9∶4 B．1∶4∶2C．2∶9∶4 D．3∶8∶4解析：BA粒子数为6×eq\f(1,12)＝eq\f(1,2)；B粒子数为6×eq\f(1,4)＋3×eq\f(1,6)＝2；C粒子数为1；故A、B、C粒子数之比为1∶4∶2。[对点练2]已知镧镍合金LaNin的晶胞结构如图，则LaNin中n＝。解析：La：2×eq\f(1,2)＋12×eq\f(1,6)＝3Ni：12×eq\f(1,2)＋6×eq\f(1,2)＋6＝15所以n＝5。答案：5[对点练3](1)硼化镁晶体在39K时呈超导性。在硼化镁晶体中，镁原子和硼原子是分层排布的，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。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N(B)∶N(O)＝1∶(1＋2/2)＝1∶2，化学式为BOeq\o\al(－,2)。答案：(1)MgB2(2)BOeq\o\al(－,2)考点二几种简单的晶体结构模型晶体晶体结构晶体详解共价晶体金刚石(1)每个C与相邻4个C以共价键结合，形成正四面体结构(2)键角均为①109°28′(3)最小碳环由②6个C组成且③六原子不在同一平面内(4)每个C参与4条C—C键的形成，C原子数与C—C键之比为④1∶2SiO2(1)每个Si与⑤4个O以共价键结合，形成⑥正四面体结构(2)每个正四面体占有1个Si,4个“eq\f(1,2)O”，n(Si)∶n(O)＝1∶2(3)最小环上有⑦12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⑧12个离子晶体NaCl(型)(1)每个Na＋(Cl－)周围等距且紧邻的Cl－(Na＋)有⑨6个。每个Na＋周围等距且紧邻的Na＋有⑩12个(2)每个晶胞中含4个Na＋和4个Cl－CsCl型(1)每个Cs＋周围等距且紧邻的Cl－有⑪8个，每个Cs＋(Cl－)周围等距且紧邻的Cs＋(Cl－)有⑫6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，空间利用率52%，配位数为⑬6体心立方堆积典型代表Na、K、Fe，空间利用率68%，配位数为⑭8六方最密堆积典型代表Mg、Zn、Ti，空间利用率74%，配位数为⑮12，面心立方最密堆积典型代表Cu、Ag、Au，空间利用率74%，配位数为⑯12石墨晶体层状晶体石墨层状晶体中，层与层之间的作用是⑰分子间作用力，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是⑱2，C原子采取的杂化方式是⑲sp2题点一常见晶体模型的辨识1．判断下列物质的晶胞结构，将对应序号填在线上。(1)干冰晶体；(2)氯化钠晶体；(3)金刚石；(4)钠；(5)冰晶体；(6)铜晶体。答案：(1)②(2)①(3)③(4)④(5)⑤(6)⑥2．下列是几种常见的晶胞结构，填写每个晶胞中含有的粒子数。A．NaCl(含个Na＋，个Cl－)B．干冰(含个CO2)C．CaF2(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)答案：A．44 B．4C．48 D．8E．2 F．43．(1)在金刚石晶体中最小碳环含有个C原子；每个C原子被个最小碳环共用。(2)在干冰中粒子间作用力有。(3)含1molH2O的冰中形成氢键的数目为。(4)在NaCl晶体中，每个Na＋周围有个距离最近且相等的Na＋，每个Na＋周围有个距离最近且相等的Cl－，其空间结构为。(5)在CaF2晶体中，每个Ca2＋周围距离最近且等距离的F－有个；每个F－周围距离最近且等距离的Ca2＋有个。答案：(1)612(2)共价键、范德华力(3)2NA(4)126正八面体形(5)84题点二晶胞的有关计算4．Cu与F形成的化合物的晶胞结构如图所示，若晶体密度为ag·cm－3，则Cu与F最近距离为pm。(NA表示阿伏加德罗常数的值，列出计算表达式，不用化简：图中○为Cu，为F)解析：设晶胞的棱长为xcm，在晶胞中，Cu：8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，F：4，其化学式为CuF。a·x3·NA＝4M(CuF)，x＝eq\r(3,\f(4MCuF,a·NA))。最短距离为小立方体体对角线的一半，小立方体的体对角线为eq\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x,2)))2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x,2)))2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x,2)))2)＝eq\f(\r(3),2)x。所以最短距离为eq\f(\r(3),2)x×eq\f(1,2)＝eq\f(\r(3),4)×eq\r(3,\f(4×83,a·NA))×1010pm。答案：eq\f(\r(3),4)eq\r(3,\f(4×83,a·NA))×1010[练后归纳]晶体结构的相关计算(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，原子半径为r)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。④面心立方堆积4r＝eq\r(2)a。考点三晶体的类型、组成与性质类型比较分子晶体共价晶体金属晶体离子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分子间作用力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中导电、传热性一般不导电，溶于水后有的导电一般不具有导电性电和热的良导体晶体不导电，水溶液或熔融态导电(1)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。()(2)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。()(3)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高。()(4)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。()(5)离子晶体一定都含有金属元素。()(6)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。()(7)共价晶体的熔点一般比离子晶体的高。()答案：(1)√(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√(7)×题点一晶体类型与性质综合判断1．分析下列物质的物理性质，判断其晶体类型。(1)碳化铝，黄色晶体，熔点2200℃，熔融态不导电：。(2)溴化铝，无色晶体，熔点98℃，熔融态不导电：。(3)五氟化矾，无色晶体，熔点19.5℃，易溶于乙醇、氯仿、丙酮等：。(4)溴化钾，无色晶体，熔融时或溶于水中都能导电：。(5)SiI4：熔点120.5℃，沸点287.4℃，易水解：。(6)硼：熔点2300℃，沸点2550℃，硬度大：。(7)硒：熔点217℃，沸点685℃，溶于氯仿：。(8)锑：熔点630.74℃，沸点1750℃，导电：。答案：(1)共价晶体(2)分子晶体(3)分子晶体(4)离子晶体(5)分子晶体(6)共价晶体(7)分子晶体(8)金属晶体[练后归纳]判断晶体类型的方法(1)主要是根据各类晶体的特征性质判断如低熔、沸点的化合物形成分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物形成离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质形成共价晶体；晶体能导电、传热、具有延展性的为金属晶体。(2)根据物质的分类判断金属氧化物(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(除金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼外)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机化合物(除有机盐外)是分子晶体。常见的共价晶体中单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的共价晶体中化合物有碳化硅、二氧化硅等。金属单质(注：汞在常温为液体)与合金是金属晶体。题点二物质的熔、沸点高低比较2．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℃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℃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)。①有金属光泽②导电性③导热性④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)。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(5)D组晶体的熔点由高到低的顺序为NaCl>KCl>RbCl>CsCl，其原因为。答案：(1)共价共价键(2)①②③④(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)②④(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[练后归纳]比较物质的熔、沸点高低的方法(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：共价晶体>离子晶体>分子晶体。(2)同类晶体熔、沸点比较思路：共价晶体→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。题点三结构决定性质简答题专练3．碳和硅的有关化学键键能如下所示，简要分析和解释下列有关事实：化学键C—CC—HC—OSi—SiSi—HSi—O键能/kJ·mol－1356413336226318452(1)硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是。(2)SiH4的稳定性小于CH4，更易生成氧化物，原因是。答案：(1)硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能小于烷烃分子中C—C键和C—H键的键能，稳定性差，易断裂，导致长链硅烷难以形成，所以硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多(2)C—H键的键能大于C—O键，C—H键比C—O键稳定。而Si—H键的键能却小于Si—O键，所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键4．(1)冰的熔点远高于干冰，除因为H2O是极性分子、CO2是非极性分子外，还有一个重要的原因是。(2)NaF的熔点(填“>”“＝”或“<”)BFeq\o\al(－,4)的熔点，其原因是。(3)CO熔点(填“>”或“<”)N2的熔点，原因是。(4)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次(填“增大”或“减小”)，其原因是。(5)SiO2比CO2熔点高的原因是。答案：(1)H2O分子间形成氢键(2)>两者均为离子化合物，且阴、阳离子的电荷数均为1，但后者的离子半径较大，离子键较弱，因此其熔点较低(3)>CO为极性分子而N2为非极性分子，CO分子间作用力较大(4)增大三种物质均为分子晶体，结构与组成相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高(5)SiO2为共价晶体而CO2为分子晶体考点四液晶、纳米材料与超分子一、液晶1．定义：在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面又表现出类似晶体的各向异性的物质称为液态晶体，简称液晶。2．原因：液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列。[微思考]为什么液晶具有显示功能？提示：液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切有关，在施加电压时，液晶分子能够沿电场方向排列，而在移去电场后，液晶分子又恢复到原来的状态，所以液晶具有显示功能。二、纳米材料1．结构纳米材料由直径为几或几十纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。纳米颗粒内部具有晶状结构，原子排列有序，而界面则为无序结构，因此纳米材料具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特性质。2．构成粒子(1)纳米材料的结构粒子是排列成了纳米量级的原子团。(2)通常，组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶粒界面的无序原子各约占原子总数的50%，从而形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。纳米材料的粒子细化和界面原子比例较高。[微思考]纳米材料有什么特性？提示：粒子细化、界面原子比例较高，使纳米材料在光、声、电、磁、热、力、化学反应等方面具有特性。三、超分子1．定义若两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体，能表现出不同于单个分子的性质，可以把这种聚集体看成分子层次之上的分子，称为超分子。2．形成超分子的作用力超分子内部分子之间通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。3．超分子的应用(1)冠醚识别阳离子(2)分子梭的转化在链状分子A上同时含有两个不同的识别位点。在碱性情况下，环状分子B与带有正电荷的位点1的相互作用较强；在酸性情况下，由于位点2的烷基铵结合H＋而带正电荷，与环状分子B的作用增强。因此，通过加入酸和碱，可以实现分子梭在两个不同状态之间的切换。(3)分子组装在分子水平上进行分子设计，有序组装甚至复制出一些新型分子材料。(1)超分子的性质与组成超分子的单个分子的性质相同。()(2)液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性。()(3)富勒烯、石墨棒、碳纳米管均属于纳米材料。()答案：(1)×(2)√(3)×[典例]下列关于物质特殊聚集状态的叙述中，错误的是()A．等离子体的基本构成微粒是带电的离子和电子及不带电的分子或原子B．非晶体基本构成微粒的排列是长程无序和短程有序C．液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性D．纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分的排列都是长程有序[解析]纳米材料由直径为几或几十纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。纳米颗粒内部是长程有序的晶体结构，界面则是无序结构，因此纳米材料具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特性质。[答案]D[对点练1]电子表、电子计算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。有关其显示原理的叙述中正确的是()A．施加电压时，液晶分子沿垂直于电场方向排列B．移去电场后，液晶分子恢复到原来的状态C．施加电压时，液晶分子恢复到原来的状态D．移去电场后，液晶分子沿电场方向排列解析：B液晶的显示原理为施加电压时，液晶分子沿电场方向排列；移去电场后，液晶分子恢复到原来的状态，B正确。[对点练2]纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一，世界各国对这一新材料给予了极大的关注。纳米粒子是指直径为1～100nm的超细粒子(1nm＝10－9m)。由于表面效应和体积效应，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料。下列有关纳米粒子的叙述不正确的是()A．因纳米粒子半径太小，故不能将其制成胶体B．一定条件下纳米粒子可催化水的分解C．一定条件下，纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲，可塑性好D．纳米粒子半径小，表面活性高解析：A根据纳米粒子微粒大小，判断出其分散质微粒大小刚好处在胶体分散质大小的范围内，所以纳米材料可以形成胶体。[对点练3]我国科学家成功合成了3nm长的管状纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(只有钢的\f(1,4)))、熔点高、化学性质稳定性好的特点，因而被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法不正确的是()A．它是制造飞机的理想材料B．它的主要组成元素是碳C．它的抗腐蚀能力强D．碳纤维复合材料不易导电解析：D纳米材料有其独特的功能，我们都知道：一般飞机是用铝合金及钢制造的，由于碳纤维的“强度高、刚度高、密度小”，它也可以作为制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料其主要组成元素是碳，但由于合成的是纳米级材料，也可类似于石墨结构，存在着自由电子。一、构建坐标原点、坐标轴和单位长度立体几何模型从最简单的晶胞——简单立方堆积的晶胞模型入手，构建坐标原点、坐标轴和单位长度立体几何模型。简单立方堆积的晶胞中8个顶点的微粒是完全一致的，因此可以任意选择一个原子为坐标原点。以立方体的三个棱延长线构建坐标轴，以晶胞边长为1个单位长度。由此可得如图所示的坐标系。其他晶胞也可以采用这种方式构建。如六方最密堆积模型的晶胞按此法构建x轴和y轴，只不过夹角不是90°，而是120°。二、典型晶胞结构模型的原子坐标参数与投影图1．简单立方体模型粒子坐标与投影图(1)粒子坐标：若1(0,0,0)，2(0,1,0)，则确定3(1,1,0)，7(1，1,1)。(2)x、y平面上的投影图：。2．体心晶胞结构模型的原子坐标与投影图(1)粒子坐标：若1(0,0,0)，3(1,1,0)，5(0,0,1)，则6(0,1,1)，7(1,1,1)，9eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，\f(1,2)))。(2)x、y平面上的投影图：。3．面心立方晶胞结构模型的原子坐标与投影图(1)粒子坐标：若1(0,0,0)，13eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))，12eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1，\f(1,2)，\f(1,2)))，则15eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，1，\f(1,2)))，11eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，1))。(2)x、y平面上的投影图：。4．金刚石晶胞结构模型的原子坐标与投影图(1)若a原子为坐标原点，晶胞边长的单位为1，则原子1,2,3,4的坐标分别为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(1,4)))、eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(3,4)，\f(3,4)))、eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)，\f(1,4)，\f(3,4)))、eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)，\f(3,4)，\f(1,4)))。(2)x、y平面上的投影图：1．如图所示为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0,0,0)，B为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，0，\f(1,2)))，C为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))。则D原子的坐标参数为。解析：Ge单晶的晶胞中，原子的堆积方式为面心六方最密堆积。由B、C两原子的坐标参数可知，B、C两原子分别处于立方体中xz、xy方向上两个面的中心，晶胞的边长为1。A、B、C与yz方向上的面心原子围成以D原子为中心、边长为eq\f(\r(2),2)的正四面体结构，将晶胞拆解为8个小立方的正四面体结构，则小立方体的边长为eq\f(1,2)，参照立方体中互不相邻的四个顶点围成的空间结构为正四面体结构(如图所示)，确定D的坐标参数为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(1,4)))，其中A、D两原子间的距离为体对角线长度的eq\f(1,4)，即A、D两原子间的距离为eq\f(\r(3),4)，也可以通过A、D两点的坐标参数，利用两点间的距离公式计算两点间的距离。答案：eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(1,4)))2．某金属晶体中原子的堆积方式如图所示，已知该金属的原子半径为acm，晶胞的高为bcm，A、C、D三点原子的坐标参数分别为A(0,0,0)、C(2a,0,0)、D(0,0，b)，则B点原子的坐标参数为。解析：该金属晶体中原子的堆积方式为六方最密堆积，结构呈六棱柱型。结合A、C、D三点原子坐标系参数，六棱柱中以A为原点所建立的三维坐标系如图所示。图中A、C、E三点构成边长为a的正三角形，该正三角形的高为eq\r(3)a。结合A、C两点的原子坐标参数，可以确定E点的原子坐标参数为(a，eq\r(3)a,0)。根据原子的堆积方式可知，B点x轴坐标参数为a，Z轴参数为b。B点的z轴投影点位于A、C、E三点组成的正三角形的中心，由正三角形的高为eq\r(3)a，可确定投影点的y轴参数为eq\f(\r(3)a,3)，因此B点的原子坐标参数为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a，\f(\r(3)a,3)，\f(b,2)))。答案：eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(a，\f(\r(3)a,3)，\f(b,2)))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，称为原子分数坐标。CsSiB3O7属于正交晶系(长方体形)，晶胞参数为anm、bnm和cnm。如图为沿y轴投影的晶胞中所有Cs原子的分布图和原子分数坐标。据此推断该晶胞中Cs原子的数目为；CsSiB3O7的摩尔质量为Mg·mol－1，设NA为阿伏加德罗常数的值，则CsSiB3O7晶体的密度为g·cm－3(用含字母的代数式表示)。解析：原子分数坐标为(0.5,0.2,0.5)的Cs原子位于晶胞体内，原子分数坐标为(0,0.3,0.5)及(1.0,0.3,0.5)的Cs原子分别位于晶胞的左侧面、右侧面上，原子分数坐标为(0.5,0.8，1.0)及(0.5,0.8,0)的Cs原子分别位于晶胞的上底面、下底面，原子分数坐标为(0,0.7,1.0)及(1.0,0.7,1.0)(0,0.7,0)及(1.0,0.7,0)的Cs原子位于晶胞平行于y轴的棱上，则晶胞中Cs原子数目为：1＋4×eq\f(1,2)＋4×eq\f(1,4)＝4，由化学式CsSiB3O7可知，每个晶胞相当于含有4个“CsSiB3O7”，故晶胞的质量＝4×eq\f(M,NA)g，则晶体密度＝eq\f(4×\f(M,NA),a×10－7cm×b×10－7cm×c×10－7cm)＝eq\f(4M,abcNA)×1021g·cm－3。答案：4eq\f(4M,abcNA)×10214．(1)甲烷是重要的清洁能源，其晶胞结构如图所示，晶胞参数为anm。常温常压下不存在甲烷晶体。从微粒间相互作用的角度解释，其理由是。甲烷分子的配位数为。A分子中碳原子的坐标参数为(0,0,0)，则B分子中碳原子的坐标参数为。甲烷晶体的密度为g·cm－3。(2)S与Zn所形成化合物晶体的晶胞如图所示。在该晶胞中，Zn的配位数为。原子坐标参数可表示晶胞内部各原子的相对位置。如图晶胞中，原子坐标参数a为(0,0,0)；b为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，0，\f(1,2)))；c为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))。则d的坐标参数为。已知该晶胞的密度为ρg·cm－3，则其中两个S原子之间的距离为pm。(列出计算式即可)解析：(1)甲烷是分子晶体，分子间作用力很小，导致其熔、沸点低于25℃；甲烷分子的配位数为12。晶胞中甲烷分子个数＝8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，晶胞体积V＝(a×10－7cm)3，ρ＝eq\f(m,V)＝eq\f(\f(M,NA)×4,V)＝eq\f(4×16,NAa×10－73)g·cm－3＝eq\f(64×1021,a3NA)g·cm－3。(2)该晶胞中Zn的原子个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，S的原子个数为4，故Zn、S的配位数相同，根据S的配位数为4，可知Zn的配位数为4；根据d的位置，可知其坐标参数为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1，\f(1,2)，\f(1,2)))；根据S原子的位置可知，两个S原子之间的距离为晶胞边长的eq\f(\r(2),2)，设晶胞边长为apm，则该晶胞的质量为eq\f(65×4＋32×4,NA)g＝ρg·cm－3×(a×10－10cm)3，解得eq\r(3,\f(4×97,ρNA))×1010，故两个S原子之间的距离为eq\f(\r(2),2)×eq\r(3,\f(4×97,ρNA))×1010pm。答案：(1)甲烷是分子晶体，分子间作用力很小，导致其熔、沸点低，常温时为气态12eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，1))eq\f(64×1021,a3NA)(2)4eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1，\f(1,2)，\f(1,2)))eq\f(\r(2),2)×eq\r(3,\f(4×97,ρNA))×10105．由浙江大学饶灿教授课题组发现的一种新矿物LiAl5O8，被国际矿物学协会命名为“竺可桢石”，英文名为Chukochenite。回答下列问题：(1)某锂钴复合氧化物晶胞如图1所示。该化合物的化学式为。Co3＋和NH3形成配离子[Co(NH3)6]3＋，游离态NH3中键角∠HNH(填“大于”“小于”或“等于”)[Co(NH3)6]3＋中键角∠HNH。(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。LiCl·3H2O属于正交晶系(长方体形)。晶胞参数为0.75nm、1.0nm、0.56nm。如图2为沿z轴投影的晶胞中所有氯原子的分布图和原子分数坐标。①据此推断该晶胞中氯原子数目为。LiCl·3H2O的摩尔质量为Mg·mol－1，晶胞密度为dg·cm－3，则阿伏加德罗常数NA为mol－1(列出计算表达式)。②图2中A、B两原子核间距离为nm(只列计算式)。解析：(1)观察图1可知，Li原子数为12×eq\f(1,6)＋2×eq\f(1,2)＋6＝9，Co原子数为6×eq\f(1,3)＋6＋1＝9，O原子数为12×eq\f(1,3)＋14＝18，故该化合物中Li、Co、O个数之比为1∶1∶2，该化合物的化学式为LiCoO2；[Co(NH3)6]3＋中NH3的N原子价层孤电子对与钴离子形成配位键，孤电子对对成键电子对排斥力减小，故键角较大；(2)①观察图2知，yz面上有4个氯原子，体内有2个氯原子，所以1个该晶胞含4个氯原子。1cm＝107nm，由密度公式知，NA＝eq\f(4M,d×0.75×10－7×0.56×10－7×1.0×10－7)mol－1；②观察A、B原子坐标参数，它们在x轴参数都是0.5，相当于A、B原子在yz面上。可以建立直角三角形，AB距离是这个三角形的斜边。根据三角形勾股定理可知，AB＝eq\r([0.72－0.28×1.0]2＋[0.75－0.25×0.56]2)nm。答案：(1)LiCoO2小于(2)①4eq\f(4M,d×0.75×10－7×0.56×10－7×1.0×10－7)②eq\r([0.72－0.28×1.0]2＋[0.75－0.25×0.56]2)一、了解利用晶体测定分子结构的意义我国研究人员从1973年初开始测定青蒿素的组成与结构。首先，研究人员利用高分辨质谱仪测定出青蒿素的相对分子质量为282.33。结合元素分析，确定其分子式为C15H22O5。然后，研究人员经过一系列复杂的氧化还原反应实验，推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构。红外光谱实验结果表明，青蒿素分子中确实含有酯基和过氧基团。结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，研究人员推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段。然而，单纯依靠这些研究方法还不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接形成骨架。1975年，研究人员采用晶体X射线衍射的方法，确定了青蒿素的分子结构。[微思考](1)假设一个实验样品尺寸的数量级为10－4m、原子直径的数量级为10－10m，请估算这个实验样品中的原子数目。(2)上述材料中用到了哪些方法测定青蒿素分子的组成和结构？这些方法主要有什么用途？提示：(1)晶胞一般是立方体，原子为球体，忽略原子间隙，则该样品中的原子数目约为eq\f(10－43,\f(4,3)π\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)×10－10))3)＝eq\f(6,π)×1018个≈2×1018个。(2)质谱法测定相对分子质量红外光谱法测定官能团核磁共振谱测定有机化合物分子中原子的种类和数目比晶体X射线衍射确定分子空间结构二、借助原子位置确定分子空间结构科学家测定青蒿素分子结构进行的主要工作流程归纳：1．下列可用于判断某物质为晶体的方法是()A．质谱法 B．红外光谱法C．核磁共振法 D．X射线衍射法解析：DA．质谱法用于测定有机化合物的相对分子质量，不能判断某物质为晶体，故A错误；B.红外光谱仪能测定出有机化合物的官能团和化学键，不能判断某物质为晶体，故B错误；C．核磁共振氢谱用于测定有机化合物分子中氢原子的种类和数目比，不能判断某物质为晶体，故C错误；D.晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的微粒在微观空间是否有序排列，X射线衍射可以看到微观结构，可以鉴别晶体与非晶体，故D正确。2．南京理工大学团队成功合成了能在室温稳定存在的五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，经X射线衍射测得晶体结构，其局部结构如图所示(其中Neq\o\al(－,5)的立体结构是平面五元环)。下列说法正确的是()A．所有N原子的价电子层均有孤对电子B．氮氮键的键能：Neq\o\al(－,5)>H2N—NH2C．两种阳离子是等电子体D．阴、阳离子之间只存在离子键解析：BNHeq\o\al(＋,4)中N原子N形成4个σ键，没有孤对电子，故A错误；N5中氮氮原子间除形成σ键外，还形成一个大π键，氮氮键的键能：Neq\o\al(－,5)>H2N－NH2，故B正确；H3O＋、NHeq\o\al(＋,4)原子数不同，不是等电子体，故C错误；由图可知，除阴、阳离子间形成离子键外，氯离子与铵根离子中H原子、H3O＋中H原子与Neq\o\al(－,5)中N原子、NHeq\o\al(＋,4)中H原子与Neq\o\al(－,5)中N原子形成氢键，故D错误。3．我国女科学家屠呦呦发现青蒿素(青蒿素的化学式：C15H22O5)，它是一种用于治疗疟疾的药物，曾经挽救了数百万人的生命，2015年获得诺贝尔生理学或医学奖。下列关于青蒿素的叙述错误的是()A．青蒿素的一个分子中含有42个原子B．青蒿素能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关C．青蒿素的摩尔质量为282D．青蒿素中碳元素的质量分数约为63.8%解析：C由青蒿素的化学式可知，每个青蒿素分子中含有15个碳原子、22个氢原子和5个氧原子，共42个原子，故A正确；在青蒿素分子中含有过氧基团，其他含有酯基及醚键的物质不具有治疗疟疾的功能，而青蒿素可以，说明其能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关，故B正确；青蒿素的相对分子质量为12×15＋1×22＋16×5＝282，故摩尔质量为282g·mol－1，故C错误；青蒿素中碳元素的质量分数为12×15÷282×100%≈63.8%，故D正确。4．用晶体的X射线衍射法对Cu的测定得到以下结果：Cu的晶胞为面心立方最密堆积(如图)，已知该晶体的密度为9.00g·cm－3，晶胞中该原子的配位数为；Cu的原子半径为cm(阿伏加德罗常数为NA，列出计算表达式，不用化简)。解析：根据该晶胞示意图，该晶胞为面心立方，配位数为12；设晶胞的边长为acm，则a3·ρ·NA＝4×64，a＝eq\r(3,\f(4×64,ρ·NA))，面对角线为eq\r(2)acm，面对角线的eq\f(1,4)为Cu原子半径，r＝eq\f(\r(2),4)×eq\r(3,\f(4×64,9.00×6.02×1023))。答案：12eq\f(\r(2),4)×eq\r(3,\f(4×64,9.00×6.02×1023))1．[2021·浙江1月选考，26(2)]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。解析：F的非金属性比Cl强，比较GaF3和GaCl3的熔点可知，GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体，离子晶体中主要的作用力为离子键，分子晶体中主要的作用力为分子间作用力，离子键强于分子间作用力，故GaF3的熔点高于GaCl3。答案：GaF3是离子晶体，GaCl3是分子晶体；离子键强于分子间作用力2．[2021·湖南卷，18(1)(3)](1)晶体硅和碳化硅熔点较高的是(填化学式)；(3)下图是Mg、Ge、O三种元素形成的某化合物的晶胞示意图。①已知化合物中Ge和O的原子个数比为1∶4，图中Z表示原子(填元素符号)，该化合物的化学式为；②已知该晶胞的晶胞参数分别为anm、bnm、cnm，α＝β＝γ＝90°，则该晶体的密度ρ＝g·cm－3(设阿伏加德罗常数的值为NA，用含a、b、c、NA的代数式表示)。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，非金属性强于硅原子，C—Si键的键能大于Si—Si键、键长小于Si—Si键，则C—Si键强于Si—Si键，碳化硅的熔点高于晶体硅；(3)①由晶胞结构图可知，晶胞中位于顶点、面心、棱上和体内的X原子为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＋4×eq\f(1,4)＋3＝8(个)，位于体内的Y原子和Z原子分别为4和16，由Ge和O原子的个数比为1∶4可知，X为Mg原子、Y为Ge原子、Z为O原子，则晶胞的化学式为Mg2GeO4;②由晶胞的质量公式可得：eq\f(4×185,NA)＝abc×10－21×ρ，解得ρ＝eq\f(740,abcNA)×1021g/cm3。答案：(1)SiC(3)①OMg2GeO4②eq\f(740,abcNA)×10213．[2021·河北卷，17(7)]分别用eq\a\vs4\al(○)、•表示H2POeq\o\al(－,4)和K＋，KH2PO4晶体的四方晶胞如图(a)所示，图(b)、图(c)分别显示的是H2POeq\o\al(－,4)、K＋在晶胞xz面、yz面上的位置：①若晶胞底边的边长均为apm、高为cpm，阿伏加德罗常数的值为NA，晶体的密度g·cm－3(写出表达式)。②晶胞在x轴方向的投影图为(填标号)。解析：①由晶胞结构可知，H2POeq\o\al(－,4)位于晶胞的顶点、面上和体心，顶点上有8个、面上有4个，体心有1个，故晶胞中H2POeq\o\al(－,4)的数目为8×eq\f(1,8)＋4×eq\f(1,2)＋1＝4；K＋位于面上和棱上，面上有6个，棱上4个，故晶胞中K＋的数目为6×eq\f(1,2)＋4×eq\f(1,4)＝4。因此，平均每个晶胞中占有的H2POeq\o\al(－,4)和K＋的数目均为4，若晶胞底边的边长均为apm、高为cpm，则晶胞的体积为a2c×10－30cm3，阿伏加德罗常数的值为NA，晶体的密度为eq\f(4×136,NAa2c×10－30)g·cm－3。②由图(a)、(b)、(c)可知，晶胞在x轴方向的投影图为，选B。答案：①eq\f(4×136,NAa2c10－30)②B4．[2021·广东卷，20(6)]理论计算预测，由汞(Hg)、锗(Ge)、锑(Sb)形成的一种新物质X为潜在的拓扑绝缘体材料。X的晶体可视为Ge晶体(晶胞如图a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。①图b为Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一种单元结构，它不是晶胞单元，理由是。②图c为X的晶胞，X的晶体中与Hg距离最近的Sb的数目为；该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb＝。③设X的最简式的式量为Mr，则X晶体的密度为g/cm3(列出算式)。解析：①对比图b和图c可得X晶体的晶胞中上下两个单元内的原子位置不完全相同，不符合晶胞是晶体的最小重复单位要求。②以晶胞上方立方体中右侧面心中Hg原子为例，同一晶胞中与Hg距离最近的Sb的数目为2，右侧晶胞中有2个Sb原子与Hg原子距离最近，因此X的晶体中与Hg距离最近的Sb的数目为4；该晶胞中Sb原子均位于晶胞内，因此1个晶胞中含有Sb原子数为8，Ge原子位于晶胞顶点、面心、体心，因此1个晶胞中含有Ge原子数为1＋8×eq\f(1,8)＋4×eq\f(1,4)＝4，Hg原子位于棱边、面心，因此1个晶胞中含有Hg原子数为6×eq\f(1,2)＋4×eq\f(1,4)＝4，则该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb＝4∶4∶8＝1∶1∶2。③1个晶胞的质量m＝eq\f(4×M,6.02×1023)g,1个晶胞的体积V＝(x×10－7cm)2×(y×10－7cm)＝x2y×10－21cm3，则X晶体的密度为eq\f(m,V)＝eq\f(\f(4×Mr,6.02×1023)g,x2y×10－21cm3)＝eq\f(2×Mr,301×x2y)g/cm3。答案：①由图c可知，图b中Sb、Hg原子取代位置除图b外还有其它形式②41∶1∶2③eq\f(2×Mr,301×x2y)5．[2021·山东卷，16(4)]XeF2晶体属四方晶系，晶胞参数如图所示，晶胞棱边夹角均为90°，该晶胞中有个XeF2分子。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，称为原子的分数坐标，如A点原子的分数坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，\f(1,2)))。已知Xe—F键长为rpm，则B点原子的分数坐标为；晶胞中A、B间距离d＝pm。解析：图中大球的个数为8×eq\f(1,8)＋1＝2，小球的个数为8×eq\f(1,4)＋2＝4，根据XeF2的原子个数比知大球是Xe原子，小球是F原子，该晶胞中有2个XeF2分子；由A点坐标知该原子位于晶胞的中心，且每个坐标系的单位长度都记为1，B点在棱的eq\f(r,c)处，其坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0，0，\f(r,c)))；图中y是底面对角线的一半，y＝eq\f(\r(2),2)a，x＝eq\f(c,2)－r，所以d＝eq\r(x2＋y2)＝eq\r(\f(1,2)a2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(c,2)－r))2)pm。答案：2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0，0，\f(r,c)))eq\r(\f(1,2)a2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(c,2)－r))2)6．[2021·全国甲卷，35(4)]我国科学家发明了高选择性的二氧化碳加氢合成甲醇的催化剂，其组成为ZnO/ZrO2固溶体。四方ZrO