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文档介绍
2018届高考一轮复习鲁科版第12章物质结构与性质鸭第3节物质的聚集状态与物质性质学案21
第3节 物质的聚集状态与物质性质 考纲定位 1.理解离子键的形成,能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。 2.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。 3.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。 4.了解晶体类型,了解不同类型晶体中结构微粒及微粒间作用力的区别。 5.了解晶胞概念,能根据晶胞确定晶体组成并进行相关的计算。 6.了解晶格能的概念及其对离子晶体性质的影响。 7.了解分子晶体结构与性质关系。 考点1| 晶体与晶胞 [基础知识自查] 1.晶体与非晶体 (1)晶体与非晶体比较 (2)获得晶体的途径 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。 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。 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)一般形状为平行六面体。 (4)晶胞中粒子数目的计算——均摊法 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。 ①长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算 粒子位于顶点同为8个晶胞所共有, 粒子属于该晶胞位于棱上同为4个晶胞所共有, 粒子属于该晶胞位于面上同为2个晶胞所共有, 粒子属于该晶胞位于内部整个粒子都属于该晶胞 ②非长方体:如三棱柱 [应用体验] 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) [提示] A.4 4 B.4 C.4 8 D.8 E.2 F.4 [考点多维探究] 角度1 晶体的概念及其性质 1.如图是某固体的微观结构示意图,请认真观察两图,判断下列说法正确的是( ) 【导学号:99682410】 A.两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体 B.Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性 C.Ⅱ形成的固体一定有固定的熔、沸点 D.二者的X-射线图谱是相同的 B [Ⅰ会自动形成规则几何外形的晶体,具有各向异性,X-射线图谱有明锐的谱线。Ⅱ不会形成晶体。] 2.(2014·全国卷Ⅰ节选)准晶是一种无平移周期序,但有严格准周期位置序的独特晶体,可通过_________________________________________________ 方法区分晶体、准晶体和非晶体。 [解析] 晶体是内部质点(原子、分子或离子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质,而非晶体内部质点在三维空间无规律地排列,因此可以通过X-射线衍射的方法进行区分,晶体能使X-射线发生衍射,而非晶体、准晶体则不能。 [答案] X-射线衍射 角度2 晶胞中粒子数及其晶体化学式的判断 3.如图为甲、乙、丙三种晶体的晶胞: 试写出:(1)甲晶体化学式(X为阳离子)为________。 (2)乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是________。 (3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是________。 (4)乙晶体中每个A周围结合B的个数为________。 [答案] (1)X2Y (2)1∶3∶1 (3)8 (4)12 4.右图是由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________。 [解析] R:8×+1=2 G:8×+8×+4×+2=8 Q:8×+2=4 R、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。 [答案] +3 5.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∶2 C.2∶9∶4 D.3∶8∶4 B [A粒子数为6×=;B粒子数为6×+3×=2;C粒子数为1;故A、B、C粒子数之比为1∶4∶2。] 6.Cu元素与H元素可形成一种红色化合物,其晶体结构单元如图所示。则该化合物的化学式为________。 [解析] Cu个数:12×+2×+3=6,H个数:6×+4=6。 [答案] CuH 7.石墨晶体为层状结构,每层内每个六边形含有________个碳原子,________个C—C键。 [解析] C个数:6×=2,C—C键数:6×=3。 [答案] 2 3 (1)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)在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时,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、面心依次被6、3、4、2个晶胞所共有。 角度3 利用晶胞结构进行晶体密度的有关计算 8. (2016·全国丙卷节选)GaAs的熔点为1 238 ℃,密度为ρ g·cm-3,其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为________,Ga与As以________键键合。Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol-1和MAs g·mol-1,原子半径分别为rGa pm和rAs pm,阿伏加德罗常数值为NA,则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为________。 [解析] GaAs的熔点为1 238 ℃,其熔点较高,据此推知GaAs为原子晶体,Ga与As原子之间以共价键键合。分析GaAs的晶胞结构,4个Ga原子处于晶胞体内,8个As原子处于晶胞的顶点、6个As原子处于晶胞的面心,结合“均摊法”计算可知,每个晶胞中含有4个Ga原子,含有As原子个数为8×1/8+6×1/2=4(个),Ga和As的原子半径分别为rGa pm=rGa×10-10cm,rAs pm=rAs×10-10cm,则原子的总体积为V原子=4×π×[(rGa×10-10cm)3+(rAs×10-10cm)3]=×10-30(r+r)cm3。又知Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol-1和MAs g·mol-1,晶胞的密度为ρ g·cm-3,则晶胞的体积为V晶胞=4(MGa+MAs)/ρNA cm3,故GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为 ×100%=×100%= ×100%。 [答案] 原子晶体 共价 ×100% 9.(2016·全国甲卷节选)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)由晶胞结构图可知,Ni原子处于立方晶胞的顶点,Cu原子处于立方晶胞的面心,根据均摊法,每个晶胞中含有Cu原子的个数为6×=3,含有Ni原子的个数为8×=1,故晶胞中Cu原子与Ni原子的数量比为3∶1。 (2)根据m=ρV可得,1 mol晶胞的质量为(64×3+59)g=a3×d g·cm-3×NA,则a=cm=×107 nm。 [答案] (1)3∶1 (2)×107 或×107 10.(2014·海南高考节选)金刚石晶胞含有________个碳原子。若碳原子半径为r,金刚石晶胞的边长为a,根据硬球接触模型,则r=________a,列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率_________________________(不要求计算结果)。 [解析] 金刚石晶胞中各个顶点、面上和体内的原子数目依次为8、6、4,然后依据晶胞计算确定在晶体中碳原子数目,碳原子数目为n=8×1/8+6×1/2+4=8;根据硬球接触模型可以确定,体对角线四分之一处的原子与顶点上的原子紧贴,因此有·(a)=2r,则r=a;然后可以确定原子的占有率为(8×πr3)/a3=。 [答案] 8 = 11.(2015·全国卷Ⅱ节选)A和B能够形成化合物F,其晶胞结构如图所示,晶胞参数a=0.566 nm,F的化学式为_______;晶胞中A原子的配位数为________;列式计算晶体F的密度(g·cm-3 )________。(已知A为O元素,B为Na元素) [解析] O2-半径大于Na+半径,由F的晶胞结构可知,大球代表O2-,小球代表Na+,每个晶胞中含有O2-个数为8×1/8+6×1/2=4,含有Na+个数为8,故O2-、Na+离子个数之比为4∶8=1∶2,从而推知F的化学式为Na2O。由晶胞结构可知,每个O原子周围有8个Na原子,故O原子的配位数为8。晶胞参数a=0.566 nm=0.566×10-7cm,则晶胞的体积为(0.566×10-7cm)3,从而可知晶体F的密度为 ≈2.27 g·cm-3。 [答案] Na2O 8 ≈2.27 g·cm-3 晶体结构的相关计算 (1)晶胞计算公式(立方晶胞) a3ρNA=nM(a:棱长,ρ:密度,NA:阿伏加德罗常数的数值,n:1 mol晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量,M:组成的摩尔质量)。 (2)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)。 (3)空间利用率=。 考点2| 常见晶体模型的微观结构分析 [基础知识自查] 1.原子晶体——金刚石与SiO2 (1)金刚石晶体中,每个C与另外4个C形成共价键,碳原子采取sp3杂化,C—C键之间的夹角是109°28′,最小的环是6元环。含有1 mol C的金刚石中,形成的共价键有 2 mol。每个晶胞含有8个C原子。 (2)SiO2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12元环,在“硅氧”四面体中,处于中心的是硅原子。1 mol SiO2晶体中含Si—O键数目为4NA,在SiO2晶体中Si、O原子均采取sp3杂化。 2.分子晶体——干冰和冰 (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,属于分子密堆积。晶胞中含有4个CO2分子。同类晶体还有晶体I2、晶体O2等。 (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。晶胞结构与金刚石相似,含有8个H2O。 3.金属晶体 (1)金属键的实质是金属阳离子与电子气间的静电作用。 (2)金属晶体的常见堆积 结构型式 常见金属 配位数 晶胞 面心立方最密堆积(铜型) Cu、Ag、Au 12 体心立方堆积 Na、K、Fe 8 六方最密堆积(镁型) Mg、Zn、Ti 12 简单立方堆积 Po 6 说明:六方最密堆积是按ABABAB……的方式堆积,面心立方最密堆积是按ABCABCABC……的方式堆积。 4.离子晶体 (1)NaCl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-。 (2)CsCl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。 (3)CaF2型:在晶体中,F-的配位数为4,Ca2+的配位数为8,晶胞中含4个Ca2+,含8个F-。 5.石墨晶体——混合型晶体 (1)石墨层状晶体中,层与层之间的作用是范德华力。 (2)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。 (3)每层中存在σ键和π键,还有金属键。 (4)C—C的键长比金刚石的C—C键长短,熔点比金刚石的高。 (5)能导电。 [应用体验] 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1 mol H2O的冰中形成氢键的数目为________。 (4)在NaCl晶体中,每个Na+周围有________个距离最近且相等的Na+,每个Na+周围有________个距离最近且相等的Cl-,在空间构成的构型为________。 (5)在CaF2晶体中,每个Ca2+周围距离最近且等距离的F-有________个,在空间构成的构型为________;每个F-周围距离最近且等距离的Ca2+有________个,在空间构成的构型为________。 [提示] (1)6 12 (2)共价键、范德华力 (3)2NA (4)12 6 正八面体形 (5)8 正方体形 4 正四面体形 [考点多维探究] 角度 晶体的结构分析 1.高温下,超氧化钾晶体呈立方体结构,晶体中氧的化合价部分为0,部分为-2。如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞,则下列说法正确的是( ) A.超氧化钾的化学式为KO2,每个晶胞含有4个K+和4个O B.晶体中每个K+周围有8个O,每个O周围有8个K+ C.晶体中与每个K+距离最近的K+有8个 D.晶体中与每个K+距离最近的K+有6个 A [B项,晶体中每个K+周围有6个O,每个O周围有6个K+。C、D项,晶体中每个K+周围最近的K+有12个。] 2.(2016·全国乙卷节选)原子坐标参数,表示晶胞内部各原子的相对位置。下图为Ge单晶的晶胞,其中原子坐标参数A为(0,0,0);B为;C为。则D原子的坐标参数为________。 [解析] 根据题给图示可知,D原子的坐标参数为。 [答案] 3.(2015·全国卷Ⅰ节选)碳有多种同素异形体,其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示: 【导学号:99682411】 (1)在石墨烯晶体中,每个C原子连接________个六元环,每个六元环占有________个C原子。 (2)在金刚石晶体中,C原子所连接的最小环也为六元环,每个C原子连接________个六元环,六元环中最多有________个C原子在同一平面。 [解析] (1)由石墨烯的结构可知,每个C原子连接3个六元环,每个六元环占有的C原子数为×6=2。 (2)由金刚石的结构可知,每个C可参与形成4条C—C键,其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环。根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组,6×2=12。因此每个C原子连接12个六元环。六元环中C原子采取sp3杂化,为空间六边形结构,最多有4个C原子位于同一平面。 [答案] (1)3 2 (2)12 4 立方体中粒子周围粒子的个数判断 考点3| 四种晶体的性质与判断 [基础知识自查] 1.四种晶体类型比较 2.晶格能 (1)定义 将1 mol离子晶体中的阴、阳离子完全气化而远离所吸收的能量,单位kJ/mol,通常取正值。 (2)大小及与其他量的关系 ①晶格能是最能反映离子晶体稳定性的数据。 ②在离子晶体中,离子半径越小,离子所带电荷数越多,则晶格能越大。 ③晶格能越大,形成的离子晶体就越稳定,而且熔点越高,硬度越大。 [应用体验] 1.在下列物质中:NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、(NH4)2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石。 (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原子晶体是__________________________; (6)其中属于分子晶体的是______________________________。 [提示] (1)NaCl、Na2S (2)NaOH、(NH4)2S (3)(NH4)2S (4)Na2S2 (5)SiO2、SiC (6)H2O2、CO2、CCl4、C2H2 2.比较下列晶格能大小 (1)NaCl________KCl (2)CaF2________MgO (3)Na2S________Na2O (4)CaO________KCl [提示] (1)> (2)< (3)< (4)> [考点多维探究] 角度1 晶体类型判断 1.(1)(2015·全国卷Ⅰ)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物的熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于______________________晶体。 (2)(2015·全国卷Ⅱ)O和Na的氢化物所属的晶体类型分别为________和________。 (3)(2013·福建高考)NF3可由NH3和F2在Cu催化剂存在下反应直接得到: 4NH3+3F2NF3+3NH4F 上述化学方程式中的5种物质所属的晶体类型有________(填序号)。 a.离子晶体 b.分子晶体 c.原子晶体 d.金属晶体 [答案] (1)分子 (2)分子晶体 离子晶体 (3)abd 2.(2017·揭阳模拟)下列数据是对应物质的熔点,有关的判断错误的是( ) Na2O Na AlF3 AlCl3 Al2O3 BCl3 CO2 SiO2 920 ℃ 97.8 ℃ 1 291 ℃ 190 ℃ 2 073 ℃ -107 ℃ -57 ℃ 1 723 ℃ A.含有金属阳离子的晶体不一定是离子晶体 B.在共价化合物中各原子都形成8电子结构 C.同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体 D.金属晶体的熔点不一定比分子晶体的高 B [A项,金属晶体也含有金属阳离子;B项,BCl3不属于8电子结构;C项,CO2为分子晶体,SiO2为原子晶体;D项,Na为金属晶体,熔点比分子晶体AlCl3的低。] 三角度判断晶体类型 (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,微粒间的作用力为分子间作用力。 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、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。 ②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、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,常见的化合物类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。 ④金属单质是金属晶体。 (3)根据各类晶体的特征性质判断 一般来说,低熔、沸点的化合物属于分子晶体;熔、沸点较高,且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物为离子晶体;熔、沸点很高,不导电,不溶于一般溶剂的物质属于原子晶体;能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。 角度2 晶体的主要性质(熔、沸点、硬度等) 3.下列物质性质的变化规律,与共价键的键能大小有关的是( ) 【导学号:99682412】 A.F2、Cl2、Br2、I2的熔点、沸点逐渐升高 B.HF、HCl、HBr、HI的熔、沸点顺序为HF>HI>HBr>HCl C.金刚石的硬度、熔点、沸点都高于晶体硅 D.NaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低 C [A项、B项中分子晶体熔、沸点高低与分子间的作用力有关,含有氢键时会出现反常现象,与分子内共价键无关。D项离子晶体内存在的是离子键。] 4.(2015·浙江高考改编)下列有关性质的比较,正确的是________。 A.第一电离能:O>N B.水溶性:CH3CH2OH>CH3CH2OCH2CH3 C.沸点:HCl>HF D.晶格能:NaCl>MgO E.硬度:MgO>CaO>BaO F.熔点:NaF>MgF2>AlF3 G.沸点:H2O>HF>NH3 H.熔点:金刚石>晶体硅>碳化硅 I.熔点:二氧化硅>NaCl>I2>冰 [答案] BEGI 5.(1)冰的熔点远高于干冰,除因为H2O是极性分子、CO2 是非极性分子外,还有一个重要的原因是________________________________________________ ______________________________________________________________。 (2)NaF的熔点________(填“>”“=”或“<”)BF的熔点,其原因是 ______________________________________________________________ ______________________________________________________________。 (3)CO熔点________(填“>”或“<”)N2的熔点,原因是 ______________________________________________________________ ______________________________________________________________。 (4)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次________(填“增大”或“减小”),其原因是______________________________________________________________ ______________________________________________________________。 (5)SiO2比CO2熔点高的原因是_______________________________________ ______________________________________________________________。 [答案] (1)H2O分子间形成氢键 (2)> 两者均为离子化合物,且阴、阳离子的电荷数均为1,但后者的离子半径较大,离子键较弱,因此其熔点较低 (3)> CO为极性分子而N2为非极性分子,CO分子间作用力较大 (4)增大 三种物质均为分子晶体,结构与组成相似,相对分子质量越大,范德华力越大,熔、沸点越高 (5)SiO2为原子晶体而CO2为分子晶体 熔、沸点的比较方法 (1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律为:原子晶体>离子晶体>金属晶体>分子晶体。 (2)同种类型晶体,晶体内粒子间的作用力越大,熔、沸点越高。 ①离子晶体:一般地说,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,离子晶格能越大,其离子晶体的熔、沸点就越高,如熔点:MgO>MgCl2,NaCl>CsCl。 ②原子晶体:原子半径越小、键长越短、键能越大,晶体的熔、沸点越高,如熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅。 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、沸点反常的高。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:一般来说,金属阳离子半径越小,离子所带电荷数越多,其金属键越强,金属熔、沸点就越高,如熔、沸点:Na查看更多
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