2020届高考化学一轮复习晶体结构与性质学案(2)

2020届高考化学一轮复习晶体结构与性质学案(2)

第3讲　晶体结构与性质 ‎【2020·备考】‎ 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。‎ 考点一　晶体的常识和常见四种晶体性质 ‎(频数：★★★　难度：★★☆)‎ 名师课堂导语 本考点主要考查晶体类型判断，以及借助晶体类型比较熔沸点高低。‎ ‎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 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)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。‎ ‎①具有规则几何外形的固体不一定是晶体，如玻璃。‎ ‎②晶体与非晶体的本质区别：是否有自范性。‎ ‎③晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的“平行六面体”，但不一定是最小的“平行六面体”。‎ ‎2.四种晶体类型的比较 ‎ 比较 类型 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、‎ 阴、阳 自由电子 离子 粒子间的相 互作用力 范德华力 ‎(某些含氢键)‎ 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 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，个别为半导体 电和热 的良导体 晶体不导电，水溶液或熔融态导电 物质类 别及举例 大多数非金属单质、气态氢化物、酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物(有机盐除外)‎ 部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼)，部分非金属化合物(如SiC、SiO2)‎ 金属单质与合金(如Na、Al、Fe、青铜)‎ 金属氧化物(如K2O、Na2O)、强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl)‎ ‎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＜Mg＜Al。‎ ‎①原子晶体中一定含有共价键，而分子晶体中不一定有共价键，如稀有气体的晶体。‎ ‎②原子晶体熔化时破坏共价键，分子晶体熔化时破坏的是分子间作用力，分子内的共价键不被破坏。‎ ‎③原子晶体的熔点不一定比离子晶体高，如石英的熔点为1 710 ℃，MgO的熔点为2 852 ℃。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.(易混点排查)正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎(1)晶体的熔点一定比非晶体的熔点高(×)‎ ‎(2)冰和固体碘晶体中相互作用力相同(×)‎ ‎(3)固体SiO2一定是晶体(×)‎ ‎(4)通过X射线衍射实验的方法可以区分晶体和非晶体(√)‎ ‎(5)晶体和非晶体的本质区别是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列(√)‎ ‎2.(教材改编题)(RJ选修3·P848、9、10整合)下列说法正确的是(双选)(　　)‎ A.Na2O和SiO2熔化克服的作用力属于同种类型 B.氯化钠和HCl溶于水克服的作用力均是离子键 C.HF、HCl、HBr、HI中的熔点HF反常高的原因是HF分子之间能形成氢键 D.某晶体的熔点为112.8 ℃，溶于CS2、CCl4等溶剂，可推导该晶体可能为分子晶体 答案　CD ‎3.(思维探究题)判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序，并说明原因。‎ ‎______________________________________________________________。‎ 答案　CaO＞BaO＞NaCl＞KCl四种物质皆为离子晶体，晶格能越大，晶体熔、沸点越高；离子所带电荷数越多，半径越小，晶格能越大，因为r(K＋)＞r(Na＋)，r(Ba2＋)＞r(Ca2＋)，所以熔点的高低顺序为CaO＞BaO＞NaCl＞KCl ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.下列各组物质中，按熔点由低到高的顺序排列正确的是(　　)‎ ‎①O2、I2、Hg　②CO、KCl、SiO2　③Na、K、Rb　④Na、Mg、Al A.①③ B.①④ ‎ C.②③ D.②④‎ 解析　①中Hg在常温下为液态，而I2为固态，故①错；②中SiO2为原子晶体，其熔点最高，CO是分子晶体，其熔点最低，故②正确；③中Na、K、Rb价电子数相同，其原子半径依次增大，金属键依次减弱，熔点逐渐降低，故③错；④中Na、Mg、Al价电子数依次增多，原子半径逐渐减小，金属键依次增强，熔点逐渐升高，故④正确。‎ 答案　D ‎2.(2019·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________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______________________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________。‎ 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中含有分子间氢键，故其熔点反常。(4)D组属于离子晶体，具有②④两条性质。(5)D组属于离子晶体，其熔点与晶格能有关。‎ 答案　(1)原子　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 ‎【归纳总结】‎ 晶体的熔、沸点比较 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，一般是原子晶体>离子晶体>分子晶体(注意：不是绝对的，如氧化铝熔点大于晶体硅)，结构类型相同时再根据相应规律进行判断。‎ 同类晶体熔、沸点比较思路为：原子晶体→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。‎ ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎3.按要求完成以下题目 ‎(1)(2018·课标全国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________kJ·mol－1。‎ 解析　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 答案　2 908‎ ‎(2)(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_____________________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________。‎ 答案　K原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱 ‎(3)(2016·全国卷Ⅲ)GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是____________________________________________________________________。‎ 答案　GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体 ‎(4)(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________晶体。‎ 答案　分子 ‎(5)(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________(填分子式)，原因是_____________________________________________________________________；‎ A和B的氢化物所属的晶体类型分别为________和________。‎ 答案　O3　O3的相对分子质量较大，范德华力大　分子晶体　离子晶体 考点二　五类常见晶体模型与晶胞计算 ‎(频数：★★★　难度：★★★)‎ 名师课堂导语 本考点是高考必考点，主要考查晶体堆积方式和晶胞的计算，特别是晶胞的计算是考查重点，要重点落实。‎ ‎1.典型晶体模型 ‎(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°28′，最小的环是六元环。含有1 mol C的金刚石中，形成的共价键有2 mol。‎ ‎②SiO2晶体中，每个Si原子与4个O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，1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。‎ ‎(2)分子晶体 ‎①干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的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1 mol H2O的冰中，最多可形成2 mol“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 在使用均摊法计算晶胞中的微粒个数时，要注意晶胞的形状，不同形状的晶胞，应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有，如六棱柱晶胞中，顶点、侧棱、底面上的棱、面心的微粒依次被6、3、4、2个晶胞所共有。‎ 对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：a3×ρ×NA＝n×M，a表示晶胞的棱长，ρ表示密度，NA表示阿伏加德罗常数的值，n表示1 mol晶胞中所含晶体的物质的量，M表示摩尔质量，a3×ρ×NA表示1 mol晶胞的质量。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.(教材改编题)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＋周围距离相等且紧邻的Na＋共有6个 C.氯化铯晶体中，每个Cs＋周围等距且紧邻8个Cl－‎ D.干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻12个CO2分子 解析　氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等且紧邻的Na＋共有12个。‎ 答案　B ‎2.下列是几种常见的晶胞结构，填写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.4　4　B.4　C.4　8　D.8　E.2　F.4‎ ‎3.(思维探究题)列表比较金属晶体的简单立方、体心立方、六方和面心立方四种堆积模型的配位数，原子空间利用率、堆积方式和晶胞的区别以及列举代表物。‎ 答案　‎ 堆积模型 采用这种堆积 的典型代表 空间 利用率 配位数 晶胞 简单立方堆积 Po(钋)‎ ‎52%‎ ‎6‎ 体心立方堆积 Na、K、Fe ‎68%‎ ‎8‎ 六方最密堆积 Mg、Zn、Ti ‎74%‎ ‎12‎ 面心立方 最密堆积 Cu、Ag、Au ‎74%‎ ‎12‎ ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如右图所示。‎ ‎(1)在1个晶胞中，Zn离子的数目为________。‎ ‎(2)该化合物的化学式为________。‎ 解析　(1)从晶胞图分析，含有Zn离子为8×＋6×＝4。(2)S为4个，所以化合物中Zn与S数目之比为1∶1，则化学式为ZnS。‎ 答案　(1)4　(2)ZnS ‎2.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9.00 g·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，要求列式计算)。‎ 解析　设晶胞的边长为a cm，则a3·ρ·NA＝4×64‎ a＝ 面对角线为a 面对角线的为Cu原子半径r＝ ‎×cm≈1.28×10－8cm。‎ 答案　12　×≈1.28×10－8‎ ‎3.某离子晶体晶胞的结构如图所示。‎ X()位于立方体顶点，Y()位于立方体中心。试分析：‎ ‎(1)晶体的化学式为________。‎ ‎(2)晶体中距离最近的2个X与1个Y形成的夹角∠XYX是________。‎ ‎(3)设该晶体的摩尔质量为M g·mol－1，晶体的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中两个距离最近的X之间的距离为________cm。‎ 解析　(1)采用均摊法，X的个数＝4×＝，Y在体内，个数是1个，则X与Y的个数比是1∶2，晶体化学式为XY2或Y2X。‎ ‎(2)若将4个X连接，构成1个正四面体，Y位于正四面体的中心，可联系CH4的键角，知∠XYX＝109°28′。‎ ‎(3)由题意知，该晶胞中含有个XY2或Y2X，设晶胞的边长为a cm，则有ρa3NA＝M，a＝，则晶体中两个距离最近的X之间的距离为cm。‎ 答案　(1)XY2或Y2X　(2)109°28′　(3) ‎【方法技巧】‎ 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×。‎ ‎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)。‎ ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.按要求完成以下题目 ‎(1)(2018·课标全国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)。‎ 解析　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。‎ 答案　 ‎(2)(2018·课标全国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________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________nm。‎ 解析　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。‎ 答案　×1021　a ‎(3)(2018·课标全国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)。‎ 解析　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×a2cm2，六棱柱的体积＝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。‎ 答案　六方最密堆积(A3型)　 ‎(4)(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________ nm，与K紧邻的O个数为________。‎ ‎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________位置，O处于________位置。‎ 解析　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。‎ 答案　①0.315或×0.446　12　②体心　棱心 ‎(5)(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________nm。MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′＝0.448 nm，则r(Mn2＋)为________nm。‎ 解析　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。‎ 答案　0.148　 0.076‎ ‎(6)(2016·全国卷Ⅱ)某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。‎ ‎①晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________。‎ ‎②若合金的密度为d g·cm－3，晶胞参数a＝________ nm。‎ 解析　①根据均摊法计算，晶胞中铜原子个数为6×＝3，镍原子的个数为8×＝1，则铜原子和镍原子的数量比为3∶1；②根据上述分析，该晶胞的组成为Cu3Ni，若合金的密度为dg·cm－3，根据ρ＝，则晶胞参数a＝×107 nm。 ‎ 答案　①3∶1　 ②×107‎