2024高考化学一轮复习第5章物质结构与性质元素周期律第18讲晶体结构与性质学案

PAGE15-第18讲晶体结构与性质目标要求1.能说出晶体与非晶体的区分；了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，相识简洁的晶胞。2.借助分子晶体、原子晶体、离子晶体、金属晶体等模型相识晶体的结构特点。3.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。知道在肯定条件下，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。知道金属键的特点与金属某些性质的关系。知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过变更物质的聚集状态可能获得特别的材料。1．晶体与非晶体(1)晶体与非晶体的比较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分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-射线衍射试验(2)得到晶体的途径①熔融态物质凝固。②气态物质冷却不经液态干脆凝固(凝华)。③溶质从溶液中析出。(3)晶胞①概念：描述晶体结构的基本单元。②晶体中晶胞的排列——无隙并置无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。并置：全部晶胞平行排列、取向相同。2．晶胞组成的计算——切割法(1)原则晶胞随意位置上的一个原子假如是被n个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是eq\f(1,n)。(2)方法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详细状况而定，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)。理解应用(1)如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞，则甲晶体中x与y的个数比是________，乙中a与b的个数比是________，丙中一个晶胞中有________个c离子和________个d离子。答案2∶11∶144解析甲中N(x)∶N(y)＝1∶(4×eq\f(1,8))＝2∶1；乙中N(a)∶N(b)＝1∶(8×eq\f(1,8))＝1∶1；丙中N(c)＝12×eq\f(1,4)＋1＝4，N(d)＝8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4。(2)下图为离子晶体空间构型示意图：(●阳离子，○阴离子)以M代表阳离子，以N表示阴离子，写出各离子晶体的组成表达式：A________、B________、C________。答案MNMN3MN2解析在A中，含M、N的个数相等，故组成为MN；在B中，含M：eq\f(1,8)×4＋1＝eq\f(3,2)(个)，含N：eq\f(1,2)×4＋2＋4×eq\f(1,8)＝eq\f(9,2)(个)，M∶N＝eq\f(3,2)∶eq\f(9,2)＝1∶3；在C中含M：eq\f(1,8)×4＝eq\f(1,2)(个)，含N为1个。(1)冰和碘晶体中相互作用力相同()(2)晶体内部的微粒按肯定规律周期性排列()(3)凡有规则外形的固体肯定是晶体()(4)固体SiO2肯定是晶体()(5)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会渐渐变为完备的立方体块()(6)晶胞是晶体中最小的“平行六面体”()(7)区分晶体和非晶体最牢靠的方法是对固体进行X-射线衍射试验()答案(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√(6)×(7)√1．下图是由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________。答案＋3价解析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。2.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答案B解析A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。3．(2024·苏州高三月考)已知镧镍合金LaNin的晶胞结构如下图，则LaNin中n＝________。答案5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。4．Cu元素与H元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。则该化合物的化学式为________。答案CuH解析依据晶胞结构可以推断：Cu(eq\a\vs4\al\co1(●))：2×eq\f(1,2)＋12×eq\f(1,6)＋3＝6；H(○)：6×eq\f(1,3)＋1＋3＝6，所以化学式为CuH。5．(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________。答案(1)MgB2(2)BOeq\o\al(－,2)解析(1)每个Mg四周有6个B，而每个B四周有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B∶O＝1∶(1＋eq\f(2,2))＝1∶2，化学式为BOeq\o\al(－,2)。6．已知下图所示晶体的硬度很可能比金刚石大，且原子间以单链结合，试依据下图确定该晶体的化学式为________________。答案B3A41．四种晶体类型的概念与特点(1)分子晶体：分子间通过分子间作用力结合形成的晶体，此类晶体熔点、沸点低，硬度小。(2)原子晶体：原子通过共价键形成的晶体，整块晶体是一个三维的共价键网状(立体网状)结构；其物理性质的突出特点是高硬度、高熔点、高沸点。(3)离子晶体①阴、阳离子通过离子键形成的晶体，此类晶体的熔点、沸点较高。②配位数：指一个离子四周最邻近的异电性离子的数目，晶体阴离子、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。(4)金属晶体①含义：金属原子通过金属键形成的晶体，金属单质形成的晶体就是金属晶体。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”，被全部原子共用，从而将全部的金属原子维系在一起；金属键无饱和性、方向性。2．四种晶体类型的比较类型比较分子晶体原子晶体金属晶体离子晶体构成粒子分子原子金属阳离子和自由电子阴、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像相溶难溶于任何溶剂常见溶剂难溶大多易溶于水等极性溶剂导电、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理解应用在下列物质中：NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、(NH4)2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石、晶体氩。(1)其中只含有离子键的离子晶体是_____________________________________________。(2)其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是_____________________________。(3)其中既含有离子键又含有极性共价键和配位键的离子晶体是_____________________。(4)其中既含有离子键又含有非极性共价键的离子晶体是___________________________。(5)其中含有极性共价键的非极性分子是_________________________________________。(6)其中含有极性共价键和非极性共价键的非极性分子是________。(7)其中含有极性共价键和非极性共价键的极性分子是_____________________________。(8)其中含有极性共价键的原子晶体是___________________________________________。(9)不含共价键的分子晶体是__________，只含非极性共价键的原子晶体是____________。答案(1)NaCl、Na2S(2)NaOH、(NH4)2S(3)(NH4)2S(4)Na2S2(5)CO2、CCl4、C2H2(6)C2H2(7)H2O2(8)SiO2、SiC(9)晶体氩晶体硅、金刚石3．相识几种常见的晶体模型(1)原子晶体(金刚石和二氧化硅)①金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，C—C键之间的夹角是109.5°，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①干冰晶体中，每个CO2分子四周等距且紧邻的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)石墨晶体石墨层状晶体中，层与层之间的作用是范德华力，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子实行的杂化方式是sp2。理解应用按要求回答问题(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＋四周有________个距离最近且相等的Na＋，每个Na＋四周有________个距离最近且相等的Cl－，其空间构型为____________。(5)在CaF2晶体中，每个Ca2＋四周距离最近且等距离的F－有________个；每个F－四周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(1)在晶体中只要有阴离子就肯定有阳离子(√)(2)在晶体中只要有阳离子就肯定有阴离子(×)(3)原子晶体的熔点肯定比金属晶体的高(×)(4)分子晶体的熔点肯定比金属晶体的低(×)(5)金属元素和非金属元素组成的晶体不肯定是离子晶体(√)题组一常见晶体的分析(不定项选择题)1．已知干冰晶胞结构属于面心立方最密积累，晶胞中最近的相邻两个CO2分子间距为apm，阿伏加德罗常数为NA，下列说法正确的是()A．晶胞中一个CO2分子的配位数是12B．晶胞的密度表达式是eq\f(44×4,NA2\r(2)a3×10－30)g·cm－3C．一个晶胞中平均含6个CO2分子D．CO2分子的空间构型是直线形，中心C原子的杂化类型是sp3杂化答案AB解析晶胞中一个CO2分子的配位数为12，故A正确；该晶胞中相邻最近的两个CO2分子间距为apm，即晶胞面心上的二氧化碳分子和其同一面上顶点上的二氧化碳之间的距离为apm，则晶胞棱长＝eq\r(2)apm＝eq\r(2)a×10－10cm，晶胞体积＝(eq\r(2)a×10－10cm)3，该晶胞中二氧化碳分子个数＝8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，晶胞密度＝eq\f(\f(M,NA)×4,V)＝eq\f(\f(44,NA)×4,\r(2)a×10－103)g·cm－3＝eq\f(44×4,NA2\r(2)a3×10－30)g·cm－3，故B正确，C错误；二氧化碳分子是直线形分子，C原子价层电子对数是2，依据价层电子对互斥理论推断C原子杂化类型为sp1，故D错误。2．石英晶体的平面示意图如图，它事实上是立体的网状结构(可以看作是晶体硅中的每个Si—Si键中插入一个O)，其中硅、氧原子数比是m∶n，有关叙述正确的是()A．m∶n＝2∶1B．6g该晶体中含有0.1NA个分子C．原硅酸根(SiOeq\o\al(4－,4))的结构为[]4－，则二聚原硅酸根离子Si2Oeq\o\al(6－,x)中的x＝7D．石英晶体中由硅、氧原子构成的最小的环上含有的Si、O原子个数和为12答案CD解析每个Si原子占有O原子个数＝4×eq\f(1,2)＝2；该晶体是原子晶体，不存在分子；原硅酸(H4SiO4)的结构可表示为，两个原硅酸分子可发生分子间脱水生成二聚原硅酸：，二聚原硅酸电离出6个H＋后，形成带6个负电荷的二聚原硅酸根离子；在SiO2晶体中，由Si、O构成的最小单元环中共有12个原子。3．(2024·长沙模拟)下面有关晶体的叙述中，不正确的是()A．金刚石网状结构中，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子B．氯化钠晶体中，每个Na＋四周距离相等的Na＋共有6个C．氯化铯晶体中，每个Cs＋四周紧邻8个Cl－D．干冰晶体中，每个CO2分子四周紧邻12个CO2分子答案B解析氯化钠晶体中，每个Na＋四周距离相等的Na＋共12个。每个Na＋四周距离相等且最近的Cl－共有6个。题组二晶体类型的推断4．NF3可由NH3和F2在Cu催化剂存在下反应干脆得到：4NH3＋3F2eq\o(=,\s\up7(Cu))NF3＋3NH4F。上述化学方程式中的5种物质所属的晶体类型有_________________________(填字母)。a．离子晶体 b．分子晶体c．原子晶体 d．金属晶体答案abd5．(1)用“>”或“<”填空：第一电离能离子半径熔点酸性Si____SO2－____Na＋NaCl____SiH2SO4____HClO4(2)MgCl2在工业上应用广泛，可由MgO制备。①MgO的熔点比BaO的熔点________(填“高”或“低”)。②SiO2的晶体类型为________________。(3)对于钠的卤化物(NaX)和硅的卤化物(SiX4)，下列叙述正确的是________(填字母)。A．SiX4难水解B．SiX4是共价化合物C．NaX都易水解D．NaX的熔点一般高于SiX4答案(1)<><<(2)①高②原子晶体(3)BD解析(1)同周期元素的第一电离能随原子序数的递增呈增大趋势，但s、p、d等轨道处于全空、半充溢、全充溢的稳定状态时，则出现反常现象。Si、S元素基态原子的价电子排布式分别为3s23p2、3s23p4，其中3p轨道均处于不稳定状态，因此Si的第一电离能小于S。O2－与Na＋的核外电子排布相同，其电子排布式均为1s22s22p6，离子核外电子排布相同时，原子序数越大，离子半径越小，因此O2－的离子半径大于Na＋。NaCl为离子晶体，Si为原子晶体，因此Si的熔点高于NaCl。一般来说，元素的非金属性越强，该元素的最高价氧化物对应水化物的酸性越强，Cl元素的非金属性强于S元素，则HClO4的酸性强于H2SO4。(2)①Mg、Ba同主族，Mg2＋的半径小于Ba2＋，MgO的离子键比BaO强，故MgO的熔点比BaO高。②SiO2为空间立体网状结构，其熔、沸点很高，属于原子晶体。(3)A项，硅的卤化物(SiX4)的水解比较剧烈，如SiCl4＋3H2O=H2SiO3↓＋4HCl、SiF4＋3H2O=H2SiO3↓＋4HF，错误；B项，硅的卤化物(SiX4)全部由非金属元素构成，属于共价化合物，正确；C项，钠的卤化物(NaX)除NaF外均属于强酸强碱盐，不发生水解，错误；D项，钠的卤化物(NaX)是由离子键构成的，属于离子晶体，SiX4属于分子晶体，所以NaX的熔点一般高于SiX4，正确。6．(2024·重庆模拟)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熔融状态能导电答案(1)原子共价键(2)①②③④(3)HF分子间能形成氢键，其熔化时须要消耗的能量更多(只要答出HF分子间能形成氢键即可)(4)②④解析(1)A组熔点很高，为原子晶体，是由原子通过共价键形成的。(2)B组为金属晶体，具有①②③④四条共性。(3)HF含有分子间氢键，故其熔点反常。(4)D组属于离子晶体，具有②④两条性质。题组三晶体的性质及应用7．下列性质适合于分子晶体的是()A．熔点为1070℃，易溶于水，水溶液导电B．熔点为3500℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂C．能溶于CS2，熔点为112.8℃，沸点为444.6℃D．熔点为97.82℃，质软，导电，密度为0.97g·cm－3答案C解析A、B选项中的熔点高，不是分子晶体的性质，D选项是金属钠的性质，钠不是分子晶体。8．(2024·河南六市第一次联考)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(a)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)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单质碳原子组成的二维晶体。将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。下列推断错误的是________(填字母)。A．石墨烯是一种强度很高的材料B．石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体C．石墨烯与石墨烷均为高分子化合物D．石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应(3)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次________(填“增大”或“减小”)，其缘由是_______。(4)SiO2比CO2熔点高的缘由是____________________________________________________。(5)四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图(b)所示。①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序上升的缘由是__________________________________。②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变更规律，可推断：依F、Cl、Br、I次序，PbX2中的化学键的离子性________、共价性________。(填“增加”“不变”或“减弱”)答案(1)混合型晶体σ键、π键sp2(2)C(3)增大三种物质均为分子晶体，结构与组成相像，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高(4)SiO2为原子晶体而CO2为分子晶体(5)①均为分子晶体，范德华力随相对分子质量增大而增大②减弱增加解析(2)石墨烯单层原子间以共价键相结合，强度很高，A正确；石墨烯层与层之间有自由移动的电子，是电的良导体，而石墨烷中没有自由移动的电子，为绝缘体，B正确；石墨烯只含一种碳元素，为碳的单质，C错误；石墨烯与H2间的反应属于加成反应，D项正确。(5)①四卤化硅为分子晶体，F、Cl、Br、I的相对分子质量渐渐增大，沸点与相对分子质量有关，相对分子质量越大，沸点越高。②PbX2的熔点先降低后上升，其中PbF2为离子晶体，PbBr2、PbI2为分子晶体，可知依F、Cl、Br、I次序，PbX2中的化学键的离子性减弱、共价性增加。题组一2024全国卷高考试题集训1．[2024·全国卷Ⅰ，35(4)]图(a)是MgCu2的拉维斯结构，Mg以金刚石方式积累，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)解析视察图(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。镁原子积累方式类似金刚石，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。2．[2024·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＋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)))解析由晶胞结构中各原子所在位置可知，该晶胞中Sm个数为4×eq\f(1,2)＝2，Fe个数为1＋4×eq\f(1,4)＝2，As个数为4×eq\f(1,2)＝2，O或F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＋161－x＋19x],NA)g，1个晶胞的体积为a2cpm3＝a2c×10－30cm3，故密度ρ＝eq\f(2[281＋161－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)))。题组二往年高考试题分类汇编3．晶体类型的推断(1)[2024·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。(2)[2024·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(1)分子(2)分子晶体离子晶体4．晶体微粒间作用力(1)[2024·全国卷Ⅲ，35(3)节选]ZnF2具有较高的熔点(872℃)，其化学键类型是__________。(2)[2024·全国卷Ⅲ，35(4)节选]Mn(NO3)2中的化学键除了σ键外，还存在________________。(3)[2024·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__________。(4)[2024·全国卷Ⅱ，37(3)节选]单质铜及镍都是由________键形成的晶体。答案(1)离子键(2)离子键和π键(Πeq\o\al(6,4)键)(3)共价键(4)金属5．晶体熔、沸点凹凸的比较(1)[2024·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，缘由是_________________________________________。(2)[2024·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，沸点从高到低的依次为_________________________________