2021高三化学人教版一轮学案：第十一章 第三节　晶体结构与性质 Word版含解析

2021高三化学人教版一轮学案：第十一章 第三节　晶体结构与性质 Word版含解析

www.ks5u.com 第三节　晶体结构与性质 最新考纲：1.了解晶体的类型，了解不同类型晶体中结构微粒、微粒间作用力的区别。2.了解晶格能的概念，了解晶格能对离子晶体性质的影响。3.了解分子晶体结构与性质的关系。4.了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。5.理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。了解金属晶体常见的堆积方式。6.了解晶胞的概念，能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算。,核心素养：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微粒、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、动态的分析不同晶体的组成及相应物质的性质。‎ 知识点　晶体的常识和常见四种晶体 ‎1.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 自范性 有 无 熔点 固定 不固定 性质特征 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)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 a.无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。‎ b.并置：所有晶胞平行排列、取向相同。‎ ‎(3)晶格能 ‎①定义：气态离子形成1摩尔离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：kJ·mol－1。‎ ‎②影响因素 a.离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越大。‎ b.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。‎ ‎2.四种晶体类型的比较 ‎(续表)‎ ‎3.晶体熔、沸点的比较 ‎(1)不同类型晶体熔、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。‎ ‎②金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低。‎ ‎(2)同种晶体类型熔、沸点的比较 ‎①原子晶体：‎ ―→―→―→ 如熔点：金刚石>碳化硅>硅。‎ ‎②离子晶体：‎ a．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，其离子晶体的熔、沸点就越高，如熔点：MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。‎ b．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，硬度越大。‎ ‎③分子晶体：‎ a．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。‎ b．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。‎ c．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。‎ d．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，离子电荷数越多，金属阳离子与自由电子静电作用越强，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：Na晶体硅>二氧化硅>碳化硅 B．‎ C．MgO>H2O>O2>Br2‎ D．金刚石>生铁>纯铁>钠 解析：A项，同属于原子晶体，熔、沸点高低由共价键的强弱即键能大小决定，键能由小到大也是熔、沸点由低到高的顺序为晶体硅<碳化硅<二氧化硅<金刚石，错误；B项，形成分子间氢键的物质的熔、沸点高于形成分子内氢键的物质的熔、沸点，正确；C项，熔、沸点高低顺序为MgO>H2O>Br2>O2，错误；D项，生铁为铁合金，熔点低于纯铁，错误。‎ ‎6．(2020·新疆喀什模拟)现有几组物质的熔点(℃)数据：‎ A组 B组 C组 D组 金刚石：3 ‎‎550 ℃‎ Li：‎‎181 ℃‎ HF：－‎‎83 ℃‎ NaCl：‎‎801 ℃‎ 硅晶体：1 ‎‎410 ℃‎ Na：‎‎98 ℃‎ HCl：－‎‎115 ℃‎ KCl：‎‎776 ℃‎ 硼晶体：2 ‎‎300 ℃‎ K：‎‎64 ℃‎ HBr：－‎‎89 ℃‎ RbCl：‎‎718 ℃‎ 二氧化硅：1 ‎‎723 ℃‎ Rb：‎‎39 ℃‎ HI：－‎‎51 ℃‎ CsCl：‎‎645 ℃‎ 据此回答下列问题：‎ ‎(1)A组属于原子晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是共价键。‎ ‎(2)B组晶体共同的物理性质是①②③④(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)D组晶体可能具有的性质是②④(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D组晶体都为离子晶体，r(Na＋)Li2O，分子间作用力P4O6>SO2。‎ ‎(2)(2019·全国卷Ⅲ)苯胺的晶体类型是分子晶体。苯胺与甲苯的相对分子质量相近，但苯胺的熔点(－‎5.9 ℃‎)、沸点(‎184.4 ℃‎)分别高于甲苯的熔点(－‎95.0 ℃‎)、沸点(‎110.6 ℃‎)，原因是苯胺分子间存在氢键。‎ ‎(3)(2018·全国卷Ⅰ)Li2O是离子晶体，其晶格能可通过下图的BornHaber循环计算得到。‎ Li2O晶格能为2_908kJ·mol－1。‎ ‎(4)(2017·全国卷Ⅰ)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K原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱。‎ ‎(5)(2016·全国卷Ⅲ)GaF3的熔点高于1 ‎000 ℃‎，GaCl3的熔点为‎77.9 ℃‎，其原因是GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体。‎ ‎(6)(2015·全国卷Ⅰ)碳及其化合物广泛存在于自然界中。CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物熔点为253 K，沸点为376 K，该固体属于分子晶体。‎ ‎(7)(2015·全国卷Ⅱ)A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素，A2－和B＋具有相同的电子构型，C、D为同周期元素，C核外电子总数是最外层电子数的3倍；D元素最外层有一个未成对电子。‎ 回答下列问题：‎ 单质A有两种同素异形体，其中沸点高的是O3(填分子式)，原因是O3的相对分子质量较大，范德华力大；‎ A和B的氢化物所属的晶体类型分别为分子晶体和离子晶体。‎ 解析：(3)晶格能是指气态离子结合生成1 mol晶体所释放的能量或1 mol晶体断裂离子键形成气态离子所吸收的能量，则Li2O的晶格能为2 908 kJ·mol－1。‎ 素养　常见的晶体及晶胞相关计算 ‎1．典型晶体模型 ‎(1)典型晶体模型 晶体 晶体结构 晶体详解 原子 晶体 金刚石 ‎①每个碳与相邻4个碳以共价键结合，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键数之比为1∶2‎ 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“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 ‎①8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－)周围等距且紧邻的Cl－(Na＋)有6个，每个Na＋周围等距且紧邻的Na＋有12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8个，每个Cs＋(Cl－)周围等距且紧邻的Cs＋(Cl－)有6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，配位数为6，空间利用率52%‎ 面心立 方最密 堆积 典型代表Cu、Ag、Au，配位数为12，空间利用率74%‎ 体心立 方堆积 典型代表Na、K、Fe，配位数为8，空间利用率68%‎ 六方最 密堆积 典型代表Mg、Zn、Ti，配位数为12，空间利用率74%‎ ‎(2)石墨晶体 石墨层状晶体中，层与层之间的作用是分子间作用力，平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子采取的杂化方式是sp2。‎ ‎2．晶胞中微粒数的计算方法——均摊法 ‎(1)原则：晶胞任意位置上的一个原子如果是被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 ‎(3)图示：‎ ‎3．常见的晶胞计算类型 ‎(1)晶胞质量＝晶胞占有的微粒的质量＝晶胞占有的微粒数×。‎ ‎(2)空间利用率＝。‎ ‎(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)‎ ‎①面对角线长＝a。‎ ‎②体对角线长＝a。‎ ‎③体心立方堆积4r＝a(r为原子半径)。‎ ‎④面心立方堆积4r＝a(r为原子半径)。‎ ‎(4)晶体密度的求算方法 ‎1．NH4H2PO4和LiFePO4属于简单磷酸盐，而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐，如：焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如下图所示：‎ 这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为(PnO3n＋1)(n＋2)－(用n代表P原子数)。‎ 解析：可以根据磷酸根、焦磷酸根、三磷酸根的化学式推导：PO　P2O　P3O 磷原子的变化规律为：1,2,3,4，n 氧原子的变化规律为：4,7,10,3n＋1‎ 酸根的电荷数变化规律：3,4,5，n＋2；因此得出(PnO3n＋1)(n＋2)－。‎ ‎2．如图所示是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式，其对应的化学式正确的是(图中：—X，—Y，—Z)(　C　)‎ A．X2Y　 　 　　　　　 B．XY3‎ C．XY3Z D．XYZ 解析：A、B图中X、Y原(离)子的数目比均为1∶1，A、B错误；C图中X的数目为8×＝1，Y的数目为6×＝3，Z位于体心，数目为1，化学式为XY3Z，正确；D图中X的数目为8×＝1，Y的数目为12×＝3，Z位于体心，数目为1，化学式为XY3Z，错误。‎ ‎3．(2020·宜昌模拟)下列说法正确的是(　D　)‎ A．钛和钾都采取图(a)的堆积方式 B．图(b)为金属原子在二维空间里的非密置层放置，此方式在三维空间里堆积，仅得简单立方堆积 C．图(c)是干冰晶体的晶胞，晶胞棱长为a cm，则在每个CO2周围最近且等距离的CO2有8个 D．图(d)是一种金属晶体的晶胞，它是金属原子在三维空间以密置层采取ABCABC…堆积的结果 解析：图(a)表示的堆积方式为六方最密堆积，K采用体心立方堆积的方式，A错误；B在二维空间里的非密置层放置，在三维空间也可得到体心立方堆积，B错误；干冰晶体的晶胞属于面心立方晶胞，配位数为12，即每个CO2周围距离相等的CO2分子有12个，C错误；该晶胞类型为面心立方最密堆积，金属原子在三维空间里密置层采取ABCABC…的方式堆积，D正确。‎ ‎4．按要求完成以下题目 ‎(1)(2019·全国卷Ⅰ)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＝a pm，Mg原子之间最短距离y＝a 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)。‎ ‎(2)(2018·全国卷Ⅰ) Li2O具有反萤石结构，晶胞如图所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm，阿伏加德罗常数的值为NA，则Li2O的密度为 g·cm－3(列出计算式)。‎ ‎(3)(2018·全国卷Ⅱ)FeS2晶体的晶胞如图所示。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×‎1021 g·cm－3；晶胞中Fe2＋位于S 所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为a nm。‎ ‎(4)(2018·全国卷Ⅲ)金属Zn晶体中的原子堆积方式如图所示，这种堆积方式称为六方最密堆积(A3型)：六棱柱底边边长为a cm，高为c cm，阿伏加德罗常数的值为NA，Zn的密度为 g·cm－3(列出计算式)。‎ ‎(5)(2017·全国卷Ⅰ)①KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立体结构，边长为a＝0.446 nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K与O间的最短距离为0.315或×0.446nm，与K紧邻的O个数为12。‎ ‎②在KIO3‎ 晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于体心位置，O处于棱心位置。‎ ‎(6)(2017·全国卷Ⅲ) 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0.148 nm。MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′＝0.448 nm，则r(Mn2＋)为0.076 nm。‎ 解析：(1)根据晶胞结构可知Cu原子之间最短距离为面对角线的1/4，由于边长是a pm，则面对角线是a pm，则x＝a pm；Mg原子之间最短距离为体对角线的1/4，由于边长是a pm，则体对角线是a pm，则y＝a；根据晶胞结构可知晶胞中含有镁原子的个数是8×1/8＋6×1/2＋4＝8，则Cu原子个数16，晶胞的质量是 g。由于边长是a pm，则MgCu2的密度是 g·cm－3。‎ ‎(2)1个氧化锂晶胞含O的个数为8×＋6×＝4，含Li的个数为8,‎1 cm＝107 nm，代入密度公式计算可得Li2O的密度为 g·cm－3。‎ ‎(3)该晶胞中Fe2＋位于棱上和体心，个数为12×＋1＝4，S位于顶点和面心，个数为8×＋6×＝4，故晶体密度为×‎4 g÷(a×10－‎7 cm)3＝×‎1021 g·cm－3。根据晶胞结构，S 所形成的正八面体的边长为该晶胞中相邻面的面心之间的连线之长，即为晶胞边长的，故该正八面体的边长为a nm。‎ ‎(4)由图示，原子的堆积方式为六方最密堆积。六棱柱底部正六边形的面积＝6×a‎2 cm2，六棱柱的体积＝6×a‎2c cm3，该晶胞中Zn原子个数为12×＋2×＋3＝6，已知Zn的相对原子质量为65，阿伏加德罗常数的值为NA，则Zn的密度ρ＝＝ g·cm－3。‎ ‎(5)①根据晶胞结构可知，K与O间的最短距离为面对角线的一半，即 nm＝0.315 nm。K、O构成面心立方，配位数为12(同层4个，上、下层各4个)。由②可知K、I的最短距离为体对角线的一半，I处于顶角，K处于体心。由②可知I、O之间的最短距离为边长的一半，I处于顶角，O处于棱心。‎ ‎(6)由题意知在MgO中，阴离子作面心立方堆积，氧离子沿晶胞的面对角线方向接触，所以a＝2r(O2－)，r(O2－)＝0.148 nm；MnO的晶胞参数比MgO更大，说明阴离子之间不再接触，阴阳离子沿坐标轴方向接触，故2[r(Mn2＋)＋r(O2－)]＝a′，r(Mn2＋)＝0.076 nm。‎ ‎5．完成下列填空 ‎(1)一种四方结构的超导化合物的晶胞结构如图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SmFeAsO1－xFx，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(，，)，则原子2和3的坐标分别为、。‎ 解析：由图1可知，每个晶胞中含Sm原子：4×＝2，含Fe原子：4×＋1＝2，含As原子：4×＝2，含O原子：(8×＋2×)(1－x)＝2(1－x)，含F原子：(8×＋2×)x＝2x，所以该化合物的化学式为SmFeAsO1－xFx；‎ 根据该化合物的化学式为SmFeAsO1－xFx，一个晶胞的质量为，一个晶胞的体积为a‎2c×10－‎30 cm3，则密度ρ＝g/cm3，‎ 根据原子1的坐标(，，)，可知原子2和3的坐标分别为(，，0)，(0,0，)。‎ ‎6．按要求回答下列问题：‎ ‎(1)Fe单质的晶体在不同温度下有两种堆积方式，分别如图1、图2所示。面心立方晶胞和体心立方晶胞的边长分别为a、b，则铁单质的面心立方晶胞和体心立方晶胞的密度之比为2b3∶a3，铁原子的配位数之比为3∶2。‎ ‎(2)Mg为六方最密堆积，其晶胞结构如图3所示，若在晶胞中建立如图4所示的坐标系，以A为坐标原点，把晶胞的底边边长视作单位长度1，则C点的坐标：(0,0，)。‎ ‎(3)铁镁合金是目前已发现的储氢密度最高的储氢材料之一，其晶胞结构如图5所示，则铁镁合金的化学式为Mg2Fe。若该晶胞的边长为d nm，则该合金的密度为 g·cm－3(列出计算式即可，用NA表示阿伏加德罗常数的值)。‎ 解析：(1)面心立方晶胞边长为a，体积V＝a3，含有Fe原子数目为8×＋6×＝4，故m＝a3ρ(面心)＝4× g(NA为阿伏加德罗常数的值)，体心立方晶胞边长为b，体积V＝b3，含有Fe原子数目为8× ‎＋1＝2，故b3ρ(体心)＝2× g，故ρ(面心)∶ρ(体心)＝2b3∶a3。面心立方晶胞中每个Fe原子周围有12个Fe原子，体心立方晶胞中每个Fe原子周围有8个Fe原子，故Fe原子配位数之比为12∶8＝3∶2。(2)若建立如图4所示的坐标系，x轴与y轴的夹角为120°，以A为坐标原点，把晶胞的底边边长视作单位长度1，则D点与A点、B点以及F点构成一个正四面体，D点位于其顶点，其高度为晶胞高度的一半。由D点向底面作垂线，垂足到底面三角形各点的距离为，D点到垂足的距离为，则C点的坐标为(0,0，)。(3)根据均摊法可知晶胞中铁原子数为8×＋6×＝4，镁原子数为8，则铁镁合金的化学式是Mg2Fe。由题给条件知，1个晶胞的体积为(d×10－7)‎3 cm3,1个晶胞的质量为 g，根据ρ＝可得合金的密度是 g·cm－3。‎ 规律小结 ‎ 判断某种粒子周围等距且紧邻的粒子数目时，要注意运用三维想象法。如NaCl晶体中，Na＋周围的Na＋数目(Na＋用“”表示)：‎ 每个面上有4个，共计12个。‎