模板06 晶体结构的分析与计算-高考化学答题技巧与模板构建

模板06晶体结构的分析与计算识识·题型解读考情分析+命题预测/技巧解读明·模板构建答题模板+技巧点拨技法01常见晶体结构模型技法02有关晶胞的计算技法03晶胞中原子坐标与投影图技法04晶体的熔、沸点比较通·模板运用真题示例+模板答题+变式训练练·模板演练最新模拟、预测考向本节导航晶体结构分析及相关计算在高考考查中难度较大，命题时多以新技术、新发明为情景，以化学式或晶胞中微粒数确定为基础，考查晶体的密度、相对原子质量、晶体结构分析及相关计算在高考考查中难度较大，命题时多以新技术、新发明为情景，以化学式或晶胞中微粒数确定为基础，考查晶体的密度、相对原子质量、NA等计算、配位数确定等。晶体熔、沸点多结合元素的推断进行考查，题目难度较大。第一步：仔细审题阅读题目获取对解题有价值的信息，排除无效信息，并作标记。第二步：判断晶胞结构找出晶胞，确定晶胞内所有原子或离子的种类和位置。第三步：计算微粒数用“均摊法”计算晶胞中微粒的数目，确定晶体的化学式。第四步：进行晶体相关计算根据选项计算晶体的密度、空间利用率，确定原子分数坐标等。技法01常见晶体的结构模型1．4类典型晶体结构模型(1)典型离子晶体结构模型晶体NaClCsClZnSCaF2晶胞配位数684F-：4；Ca2+：8粒子数目4个Na＋4个Cl－1个Cs＋1个Cl－4个S2－4个Zn2＋4个Ca2＋8个F－(2)典型共价晶体结构模型晶体晶体结构结构分析金刚石①每个碳原子与周围紧邻的4个碳原子以共价键结合成正四面体结构，向空间伸展形成空间网状结构②最小碳环由6个碳原子组成，且6个碳原子不在同一平面内，每个碳原子被12个六元环共用③每个金刚石晶胞中含有8个C原子，C原子个数与C—C的个数之比为1∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4×\f(1,2)))＝1∶2。石英(SiO2)①每个Si原子与4个O原子形成4个共价键，Si原子位于正四面体的中心，O原子位于正四面体的顶点，同时每个O原子被2个硅氧正四面体共用，晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2②最小环上有12个原子，包括6个O原子和6个Si原子③1molSiO2晶体中含Si—O数目为4NA④每个SiO2晶胞中含有8个Si原子和16个O原子SiC、BN、AlN等①每个原子与另外4个不同原子形成正四面体结构②每个晶胞中含有各4个不同原子③1mol晶体中含有的共价键数目为4NA(3)典型分子晶体——干冰晶体结构模型①CO2分子位于立方体晶胞的顶点和面心②干冰中的CO2分子间只存在范德华力，不存在氢键③每个晶胞有4个CO2分子，12个原子。每个CO2分子周围有12个紧邻分子，密度比冰的高(4)混合型晶体——石墨晶体①同层内，碳原子采用sp2杂化，以共价键相结合形成平面六元并环结构。所有碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，使p轨道中电子可在整个平面中运动②层与层之间以范德华力相结合③石墨的二维平面结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面④石墨晶体中C原子数与C—C数之比为2∶3，即12g石墨晶体中含1.5NA个C—C共价键⑤石墨的典型物理性质是导电性、润滑性和高熔、沸点，其熔点比金刚石的还高2．常见金属晶体的4种堆积模型堆积模型晶胞模型配位数晶胞中粒子个数晶胞棱长(a)与粒子半径(r)关系简单立方堆积61a＝2r体心立方堆积82eq\r(3)a＝4r面心立方堆积124eq\r(2)a＝4r六方最密堆积122a＝2r晶体NaClCsClZnSCaF2金刚石晶体结构粒子数目4个Na＋，4个Cl－1个Cs＋，1个Cl－4个S2－，4个Zn2＋4个Ca2＋，8个F－8个C晶体简单立方体心立方面心立方氮化硼干冰晶体结构粒子数目1个原子2个原子4个原子4个B,4个N4个CO2技法02有关晶胞的计算1．用“均摊法”计算晶胞中的微粒数(1)平行六面体晶胞中微粒计算方法(2)非长方体晶胞中微粒数目的计算方法——均摊法三棱柱六棱柱平面型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)2．有关晶胞各物理量之间的关系(1)晶体密度与微观晶胞参数的关系(2)晶体中粒子间距离的计算技法03晶胞中原子的分数坐标与投影图1．常见典型晶体原子的分数坐标(1)金属Po立方体模型原子分数坐标若1(0，0，0)，2(0，1，0)，则确定3的原子分数坐标为(1，1，0)，7为(1，1，1)。2．钾型晶胞结构模型原子分数坐标与投影图若1(0，0，0)，3(1，1，0)，5(0，0，1)，则确定6的原子分数坐标为(0，1，1)，7为(1，1，1)，9为(1/2、1/2、1/2)。(3)铜型晶胞结构模型原子分数坐标若1(0，0，0)，13(1/2，1/2，0)，12(1，1/2，1/2)，则确定15的原子分数坐标为(1/2，1，1/2)，11为(1/2，1/2，1)。(4)金刚石型晶胞结构模型原子分数坐标若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(1/4，1/4，1/4)，3(1/4，3/4，3/4)，(3/4，1/4，3/4)，(3/4，3/4，1/4)。2．常见典型晶体的投影晶胞类型三维图二维图正视图沿体对角线剖面图沿体对角线的投影图简单立方体心立方面心立方GaF2晶胞金刚石晶胞NaCl晶胞技法04晶体的熔、沸点比较1．不同类型晶体：一般为共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点有的很高(如钨)，有的很低(如钠)。2．共价晶体：一般组成晶体的原子半径越小，熔、沸点越高。如熔点：金刚石(C—C)>碳化硅(Si—C)>晶体硅(Si—Si)。3．离子晶体：离子所带电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，熔、沸点越高。如熔点：MgO>NaCl>CsCl。4．金属晶体：金属原子的价电子数越多，半径越小，金属键越强，熔、沸点越高。如熔点：Al>Mg>Na。5．分子晶体：分子间作用力越强，熔、沸点越高。(1)组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，分子间作用力越强，熔、沸点越高。如熔点：I2>Br2>Cl2>F2。(2)相对分子质量相同或相近的物质，分子的极性越大，熔、沸点越高。如沸点：CO>N2。(3)同分异构体之间：a.一般是支链越多，熔、沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。b.结构越对称，熔、沸点越低。如沸点：邻二甲苯>间二甲苯>对二甲苯。(4)分子间有氢键，熔、沸点较高：HF>HI>HBr>HCl。类型01立方晶胞图像1．（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MNPQ点的截面图，晶胞的边长为apm，NA为阿伏加德罗常数的值。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C．该晶体的密度为D．晶体中与铋离子最近且等距的氟离子有6个【答案】D【第一步判断晶体结构】该晶胞为立方晶胞。以晶胞体心处铋离子为分析对象，距离其最近且等距的氟离子位于晶胞体内，为将晶胞均分为8个小立方体后，每个小立方体的体心的F-，即有8个，D错误。【第二步计算微粒数】Bi位于棱心（12个）和体心（1个），每个晶胞中含有个Bi，F位于顶点（8个）、面心（6个）、体内（8个），每个晶胞中含有个F，故化学式为BiF3，A正确。【第三步进行晶体相关计算】将晶胞均分为8个小立方体，由晶胞中MNPQ点的截面图可知，晶胞体内的8个F-位于8个小立方体的体心，以M为原点建立坐标系，令N的原子分数坐标为，与Q、M均在同一条棱上的F-的原子分数坐标为，则T的原子分数坐标为，S的原子分数坐标为，所以粒子S、T之间的距离为，B正确。由A项分析可知，每个晶胞中有4个Bi3+、12个F-，晶胞体积为，则晶体密度为=，C正确。1．（2024·安徽卷）研究人员制备了一种具有锂离子通道的导电氧化物()，其立方晶胞和导电时迁移过程如下图所示。已知该氧化物中为价，为价。下列说法错误的是A．导电时，和的价态不变B．若，与空位的数目相等C．与体心最邻近的O原子数为12D．导电时、空位移动方向与电流方向相反2．（2024·湖南卷）Li2CN2是一种高活性的人工固氮产物，其合成反应为2LiH+C+N2eq\o(=,\s\up7(高温))Li2CN2+H2，晶胞如图所示，下列说法错误的是A．合成反应中，还原剂是和CB．晶胞中含有的个数为4C．每个周围与它最近且距离相等的有8个D．为V型结构类型02其他晶体结构图像2．(2024·北京东城区二模)一种由硼镁元素组成的离子化合物具有超导性能。该化合物晶体中硼通过共价键形成平面a层，镁形成平面b层，a层和b层等距交错排列(abab……)，俯视图(部分)如图。下列说法正确的是()A．硼层中硼的杂化类型为sp3B．该化合物的化学式为MgB2C．镁周围最近且等距的硼有6个D．镁层内存在离子键【答案】B【第一步判断晶体结构】该晶体为平面结构，晶体中硼通过共价键形成平面a层，镁形成平面b层。【第二步计算微粒数】由投影图可知，每个镁原子上层距离其最近的硼原子有6个，下层距离其最近的硼原子也有6个，共12个，每个硼原子上层距离其最近的镁原子有3个，下层距离其最近的镁原子也有3个，共6个，则Mg、B原子个数比为1∶2，化学式为MgB2，故B正确，C错误。【第三步进行晶体有关计算】由投影图可知，硼层中硼原子连接3个σ键，B原子价电子有3个，全部用于形成σ键，无孤电子对，价层电子对数为3＋0＝3，杂化类型为sp2，故A错误。Mg层内存在金属键，不存在离子键，故D错误。1．（2024·贵州卷）我国科学家首次合成了化合物[K(2，2，2-crypt)][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．锑(Sb)位于第五周期第ⅤA族，则其基态原子价层电子排布式是5s25p32．（2024·甘肃卷）晶体中，多个晶胞无隙并置而成的结构如图甲所示，其中部分结构显示为图乙，下列说法错误的是A．电负性： B．单质是金属晶体C．晶体中存在范德华力 D．离子的配位数为31．（2024·湖北卷）黄金按质量分数分级，纯金为。合金的三种晶胞结构如图，Ⅱ和Ⅲ是立方晶胞。下列说法错误的是A．I为金B．Ⅱ中的配位数是12C．Ⅲ中最小核间距D．I、Ⅱ、Ⅲ中，与原子个数比依次为、、2．（2024·黑吉辽卷）某锂离子电池电极材料结构如图。结构1是钴硫化物晶胞的一部分，可代表其组成和结构；晶胞2是充电后的晶胞结构；所有晶胞均为立方晶胞。下列说法错误的是A．结构1钴硫化物的化学式为B．晶胞2中S与S的最短距离为当C．晶胞2中距最近的S有4个D．晶胞2和晶胞3表示同一晶体3．常用于制备磁芯、磁盘和传感器等，它的晶胞(如图)为等轴晶系。下列叙述错误的是已知：晶胞参数为，为阿伏加德罗常数的值。A．的分数坐标为B．氧离子构成正八面体形C．和之间的距离为D．晶体密度为4．下图是氮化镓的一种晶体结构，表示阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是A．每个原子周围距离最近的原子数目为4B．氮化镓分子式为C．a、b原子坐标参数依次为、、则c原子坐标参数为D．已知该晶体密度为，则镓氮原子间最短距离为5．镧镍合金是一种储氢材料，其晶胞可认为由两种结构不同的层交替堆积而成，如下图所示。已知该合金的密度为，该合金的晶胞中最多可容纳9个氢原子。下列叙述错误的是A．基态Ni原子的价电子排布式为B．该合金的化学式为C．假定吸氢后体积不变，则合金中氢的最大密度为D．设A处La的原子坐标为，则晶胞底面上Ni的原子坐标为或6．砷化镓是重要的半导体材料，用于制作微波集成电路、红外线发光二极管等元件，砷化镓立方晶胞结构如图所示，晶胞参数为apm。下列说法正确的是()A．每个Ga周围距离最近的Ga原子个数为8B．Ga原子与As原子的最短距离为eq\f(\r(3),2)apmC．该晶胞的质量为eq\f(580,NA)g(NA为阿伏加德罗常数的值)D．一个晶胞中含有4个As原子和14个Ga原子7．超导现象一直吸引着广大科学家的关注。某超导材料的晶体结构属于四方晶系，其晶胞如图所示。下列说法错误的是()A．第一电离能：I1(Cu)>I1(Ba)B．与Ba2＋等距且最近的Cu2＋有12个C．该超导材料的化学式为HgBa2CuO4D．该晶体的密度为eq\f(6.02×1032,a2cNA)g·cm－38．砷化镓是一种新型半导体材料，应用广泛。图甲为它的立方晶胞结构，图乙为该晶胞沿y轴的投影图。该晶胞的边长为dpm，在三维坐标系中a、b两点的原子坐标分别为(0,1,0)，(1,0,1)。下列说法错误的是()A．As和Ga原子间的最近距离为eq\f(\r(2),2)dpmB．Ga原子的配位数为4C．c点的原子坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)，\f(1,4)，\f(3,4)))D．As原子填充在Ga原子围成的“正四面体空隙”中9．晶体世界丰富多彩、复杂多样，各类晶体具有的不同结构特点，决定着它们具有不同的性质和用途。氢化铝钠(NaAlH4)是一种新型轻质储氢材料，其晶胞结构如图所示，为长方体。设阿伏加德罗常数的值为NA。下列说法错误的是()A．AlHeq\o\al(－,4)中中心原子Al的杂化方式为sp3杂化B．NaAlH4晶体中，与AlHeq\o\al(－,4)紧邻且等距的Na＋有4个C．NaAlH4晶体的密度为eq\f(1.08×1023,a3NA)g·cm－3D．若NaAlH4晶胞上下面心处的Na＋被Li＋取代，得到的晶体的化学式为Na3Li(AlH4)410．某晶体立方晶胞如图所示。已知图中微粒1的分数坐标是eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0，\f(1,2)，\f(1,2)))，阿伏加德罗常数的值为NA。下列说法正确的是()A．Ag＋周围距离最近且相等的Neq\o\al(－,5)个数是6B．微粒2的分数坐标是eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)，\f(1,4)，\f(3,4)))C．已知银与铜位于同一族，银元素位于元素周期表的d区D．若晶胞边长为apm，则晶体密度为eq\f(178×4,NA×a×10－103)g·cm－311．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°。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，下列说法不正确的是()A．该晶体的密度为eq\f(3.38×1032,a2cNA)g/cm3B．B点原子的分数坐标为(0,0，r)C．晶胞中A、B间距离d＝eq\r(\f(1,2)a2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(c,2)－r))2)pmD．基态F原子的核外电子空间运动状态有5种12．镧La和H可以形成一系列晶体材料LaHn，在储氢和超导等领域具有重要应用。LaHn属于立方晶系，晶胞结构和参数如图所示。高压下，LaH2中的每个H结合4个H形成类似CH4的结构，即得到晶体LaHx。下列说法错误的是()A．LaH2晶体中La的配位数为8B．晶体中H和