备战2021 高考化学 考点59 晶体结构与性质（原卷版）

备战2021 高考化学 考点59 晶体结构与性质（原卷版）

考点 59 晶体结构与性质 一、晶体常识 1．晶体与非晶体 比较 晶体 非晶体 结构特征 结构粒子周期 性有序排列 结构粒子无序排列 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 ①间接方法：测定其是否有固定的熔点； ②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）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 ①无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。 ②并置：所有晶胞平行排列、取向相同。 ③形状：一般而言晶胞都是平行六面体。 4．晶格能 （1）定义：气态离子形成 1 摩离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：kJ·mol−1。 （2）影响因素 ①离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越大。 ②离子的半径：离子的半径越小，晶格能越大。 （3）与离子晶体性质的关系 晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大。 易错警示： （1）具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如切割整齐的玻璃。 （2）晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的最小部分，而不一定是最小的“平行六面体”。 二、四类晶体的组成和性质 四种类型晶体的比较 类型 比较 离子晶体 金属晶体 分子晶体 原子晶体 概念 离子间通过离子 键结合而成的晶 体 金属原子通过金属键相 互结合形成的单质晶体 分子间以分子间作用 力相结合而形成的晶 体 相邻原子间以共价键 相结合而形成的具有 空间网状结构的晶体 构成晶体微粒 阴、阳离子 金属阳离子、自由电子 分子 原子 微粒之间的作用 力 离子键 金属键 分子间作用力 共价键 物理性 质 熔、沸点 较高 有的高(如钨)、有的低 (如汞) 较低 很高 硬度 较大 有的高(如铬)、有的低 (如钠) 较小 很大 导电性 熔融或在水溶液 中导电 良 本身不导电，溶于水时 发生电离后可导电 绝缘体(或半导体) 延展性 无 良 无 无 溶解性 易溶于极性溶剂， 难溶于有机溶剂 一般不溶于溶剂，钠等活 泼金属可与水、醇、酸反 应 极性分子易溶于极性 溶剂；非极性分子易溶 于非极性溶剂 不溶于任何溶剂 典型实例 强碱(如 NaOH)、 绝 大 部 分 盐 ( 如 NaCl)、金属氧化 金属单质(如钠、铝、铁 等)与合金 大多数非金属单质(如 P4、硫等)、非金属氧 化物(如 CO2、SO2 等， 金刚石、晶体硅、二氧 化硅等 物(如 Na2O) SiO2 除 外 ) 、 酸 ( 如 H2SO4)、所有非金属氢 化物(如甲烷、硫化氢 等)、绝大多数有机物 (有机盐除外) 典型晶体模型 晶体 晶体结构 晶体详解 原子 晶体 金刚石 （1）每个 C 与相邻的 4 个 C 以共价键结合，形成正四面体结构； （2）键角均为 109°28'； （3）最小碳环由 6 个 C 组成且 6 个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 键数之比为 1∶2 原子 晶体 SiO2 （1）每个 Si 与 4 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“ 1 2 O”，n(Si)∶n(O)=1∶2； （3）最小环上有 12 个原子，即 6 个 O，6 个 Si 分子 晶体 干冰 （1）每 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 分子周围等距离且紧邻的 CO2 分子有 12 个 离子 晶体 NaCl 型 （1）每个 Na+(Cl−)周围等距离且紧邻的 Cl−(Na+)有 6 个。每个 Na+周围 等距离且紧邻的 Na+有 12 个； （2）每个晶胞中含 4 个 Na+和 4 个 Cl− 离子 晶体 CsCl 型 （1）每个 Cs+(Cl−)周围等距离且紧邻的 Cs+(Cl−)有 6 个；每个 Cs+周围 等距离且紧邻的 Cl−有 8 个； （2）每个晶胞中含 1 个 Cs+和 1 个 Cl− 金属 晶体 简单立 方堆积 典型代表为 Po，配位数为 6，空间利用率为 52% 面心立 方最密 堆积 又称为 A1 型或铜型，典型代表为 Cu、Ag、Au，配位数为 12，空间利 用率为 74% 体心立 方堆积 又称为 A2 型或钾型，典型代表为 Na、K、Fe，配位数为 8，空间利用 率为 68% 六方最 密堆积 又称为 A3 型或镁型，典型代表为 Mg、Zn、Ti，配位数为 12，空间利 用率为 74% 三、晶体类型的判断及熔、沸点比较 1．晶体类型的判断方法 （1）依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断 ①离子晶体的构成微粒是阴、阳离子，微粒间的作用力是离子键。 ②原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。 ③分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用力是范德华力。 ④金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子，微粒间的作用力是金属键。 （2）依据物质的分类判断 ①金属氧化物(如 K2O、Na2O 等)、强碱(NaOH、KOH 等)和绝大多数的盐是离子晶体。 ②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等外)、非金属氢化物、非金属氧化物(除 SiO2 外)、绝大 多数酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。 ③常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的化合类原子晶体有碳化硅、二氧化硅 等。 ④金属单质及合金是金属晶体。 （3）依据晶体的熔点判断 离子晶体的熔点较高；原子晶体的熔点很高；分子晶体的熔点较低；金属晶体多数熔点高，但也有比 较低的。 （4）依据导电性判断 ①离子晶体溶于水或处于熔融状态时能导电。 ②原子晶体一般为非导体。 ③分子晶体为非导体，但分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)溶于水，使分子内的化 学键断裂形成自由移动的离子，也能导电。 ④金属晶体是电的良导体。 （5）依据硬度和机械性能判断 离子晶体硬度较大(或硬而脆)；原子晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆；金属晶体多数硬度大且具有 延展性，但也有硬度较低的。 2．不同类型晶体的熔、沸点的比较 （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。 但应注意原子晶体的熔点不一定比离子晶体高，如 MgO 具有较高的熔点，金属晶体的熔点不一定比分 子晶体的熔点高，如汞常温时为液态。 （2）金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等金属的熔、沸点很高，汞、铯等金属的熔、沸点很低。 3．同种类型晶体的熔、沸点的比较 （1）原子晶体 原子半径越小→键长越短→键能越大→熔、沸点越高 如熔点：金刚石>碳化硅>硅。 （2）离子晶体 ①一般地，离子所带的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越强，其离子晶体的熔、沸 点就越高，如熔点：MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。 ②衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度也 越大。 （3）分子晶体 ①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；能形成氢键的分子晶体熔、沸点反常得高，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物质(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。 ④同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。 如 CH3—CH2—CH2—CH2—CH3> > （4）金属晶体 金属离子半径越小，离子所带电荷数越多，其金属键越强，金属的熔、沸点越高，如熔、沸点：Na600（分解） −75.5 16.8 10.3 沸点/℃ −60.3 444.6 −10.0 45.0 337.0 回答下列问题： （1）基态Fe原子价层电子的电子排布图（轨道表达式）为__________，基态S原子电子占据最高能级的 电子云轮廓图为_________形。 （2）根据价层电子对互斥理论，H2S、SO2、SO3的气态分子中，中心原子价层电子对数不同其他分子 的是_________。 （3）图（a）为S8的结构，其熔点和沸点要比二氧化硫的熔点和沸点高很多，主要原因为__________。 （4）气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的立体构型为_____形，其中共价键的类型有______种； 固体三氧化硫中存在如图（b）所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为________。 （5）FeS2晶体的晶胞如图（c）所示。晶胞边长为a nm、FeS2相对式量为M，阿伏加德罗常数的值为NA， 其晶体密度的计算表达式为___________g·cm−3；晶胞中Fe2+位于 2 2S  所形成的正八面体的体心，该 正八面体的边长为______nm。 10．[2017 江苏，节选] 铁氮化合物(FexNy)在磁记录材料领域有着广泛的应用前景。某 FexNy 的制备需铁、 氮气、丙酮和乙醇参与。 （5）某 FexNy 的晶胞如题 21 图−1 所示，Cu 可以完全替代该晶体中 a 位置 Fe 或者 b 位置 Fe，形成 Cu 替代型产物 Fe(x−n) CunNy。FexNy 转化为两种 Cu 替代型产物的能量变化如题 21 图−2 所示，其中更 稳定的 Cu 替代型产物的化学式为___________。 11．[2017 新课标Ⅲ] 研究发现，在 CO2 低压合成甲醇反应（CO2+3H2=CH3OH+H2O）中，Co 氧化物负载的 Mn 氧化物纳米粒子催化剂具有高活性，显示出良好的应用前景。回答下列问题： （1）Co 基态原子核外电子排布式为_____________。元素 Mn 与 O 中，第一电离能较大的是_________， 基态原子核外未成对电子数较多的是_________________。 （2）CO2 和 CH3OH 分子中 C 原子的杂化形式分别为__________和__________。 （3）在 CO2 低压合成甲醇反应所涉及的 4 种物质中，沸点从高到低的顺序为_________________，原因 是______________________________。 （4）硝酸锰是制备上述反应催化剂的原料，Mn(NO3)2 中的化学键除了σ键外，还存在________。 （5）MgO 具有 NaCl 型结构（如图），其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X 射线衍射实验测得 MgO 的晶胞参数为 a=0.420 nm，则 r(O2−)为________nm。MnO 也属于 NaCl 型结构，晶胞参数为 a' =0.448 nm，则 r(Mn2+)为________nm。