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文档介绍
2018届高考一轮复习人教版第45讲晶体结构与性质学案56
第45讲 晶体结构与性质 【考纲要求】 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。3.了解晶格能的概念，了解晶格能对离子晶体性质的影响。4.了解分子晶体结构与性质的关系。5.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。6.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。7.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。 考点一|晶体和晶胞(重点保分型——师生共研) 授课提示：对应学生用书第226页 [核心知识大通关] 1．晶体与非晶体 (1)晶体与非晶体比较 晶体 非晶体 结构特征 结构粒子在三维空间里呈周期性有序排列 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 无各向异性 区别方法 熔点法 有固定熔点 无固定熔点 X射线 对固体进行X射线衍射实验 (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)晶胞：晶胞是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)晶胞中粒子数目的计算——均摊法：如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。 小题热身 正误判断，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)具有规则几何外形的固体一定是晶体。( ) (3)固态物质一定是晶体。( ) (4)冰和固体碘晶体中相互作用力相同。( ) (5)固体SiO2一定是晶体。( ) (6)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体块。( ) (7)通过X射线衍射实验的方法可以区分晶体和非晶体。( ) (8)晶胞是晶体中的最小的“平行六面体”。( ) (9)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。( ) (10)立方晶胞中，顶点上的原子被4个晶胞共用。( ) 答案：(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)× (9)√ (10)× [考向精练提考能] 考向一 晶胞中粒子个数的计算 均摊法 1．原则：晶胞任意位置上的一个粒子如果是被n个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个粒子分得的份额就是。 2．方法：(1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算 (2)非长方体晶胞中粒子视具体情况而定，如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。 1．如图为离子晶体空间构型示意图：(阳离子，阴离子)以M代表阳离子，以N表示阴离子，写出各离子晶体的组成表达式： A________、B________、C________。 答案：MN MN3 MN2 2.如图所示晶体结构是一种具有优良的压电、光电等功能的晶体材料的最小结构单元(晶胞)。晶体内与每个“Ti”紧邻的氧原子数和这种晶体材料的化学式分别是(各元素所带电荷均已略去)( ) A．8；BaTi8O12 B．8；BaTi4O9 C．6；BaTiO3 D．3；BaTi2O3 解析：由图可知，晶体中钛原子位于立方体的顶点，为8个晶胞所共用，每个晶胞中与钛原子紧邻的氧原子数为3，且每个氧原子位于晶胞的棱上，为4个晶胞所共用，故晶体内与每个“Ti”紧邻的氧原子数为3×8×＝6；再据均摊法可计算出晶体中每个晶胞中各元素原子的数目：“Ba”为1，“Ti”为8×＝1，“O”为12×＝3，故此晶体材料的化学式为BaTiO3。 答案：C 3.硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高纪录。如图所示为该化合物的晶体结构单元；镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子；6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为( ) A．Mg2B3 B．MgB2 C．Mg2B D．Mg3B2 解析：晶胞中Mg原子的个数为12×＋2×＝3；B原子个数为6，因此该化合物中Mg、B原子个数比为1∶2，B项符合题意。 答案：B 4.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 解析：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。 答案：B 5.如图是由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价 6.如图是金属原子M和非金属原子N构成的气态团簇分子，则其分子式为________。 解析：由于M、N原子并不存在共用关系，而是形成一个独立的气态团簇分子，其分子式可由原子个数来确定，而不能用均摊法。 答案：M14N13 7．(1)硼化镁晶体在39 K时呈超导性。在硼化镁晶体中，镁原子和硼原子是分层排布的，如图是该晶体微观结构的透视图，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。则硼化镁的化学式为________。 (2)在硼酸盐中，阴离子有链状、环状等多种结构形式。如图是一种链状结构的多硼酸根，则多硼酸根离子符号为________。 答案：(1)MgB2 (2)BO 考向二 晶体的密度及粒子间距离的计算 若1个晶胞中含有x个粒子，则1 mol晶胞中含有x mol粒子，其质量为xM g(M为粒子的相对“分子”质量)；1个晶胞的质量为ρa3 g(a3为晶胞的体积)，则1 mol晶胞的质量为ρa3NA g，因此有xM＝ρa3NA。 8.(2016·全国高考卷Ⅰ)晶胞有两个基本要素： (1)原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图为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________。 (2)晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。已知Ge单晶的晶胞参数a＝565.76 pm，其密度为____________ g·cm－3(列出计算式即可)。 解析：(1)根据题给图示可知，D原子的坐标参数为。 (2)每个晶胞中含有锗原子8×1/8＋6×1/2＋4＝8(个)，每个晶胞的质量为，晶胞的体积为 (565.76×10－10 cm)3，所以晶胞的密度为 。 答案：(1) (2)×107 9.ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛。立方ZnS晶体结构如图所示，其晶胞边长为540.0 pm，密度为________g·cm－3(列式并计算)，a位置S2－离子与b位置Zn2＋离子之间的距离为________pm(列式表示)。 解析：1个ZnS晶胞中N(S2－)＝8×＋6×＝4(个)， N(Zn2＋)＝4个，故ρ＝＝ ＝4.1 g·cm－3。 仔细观察ZnS的晶胞结构不难发现，S2－位于ZnS晶胞中8个小立方体中互不相邻的4个小立方体的体心，Zn2＋与S2－间的距离就是小立方体体对角线的一半，即： ××＝135 pm。 答案：＝4.1 135 10.(2016·全国高考卷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：①3∶1 ②×107 11．(2016·全国高考卷Ⅲ) (1)GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是________________________________________________________________________。 (2)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MGa g·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：(1)GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是GaF3是离子晶体，GaCl3是分子晶体，而离子晶体的熔点高于分子晶体。(2)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×10－10 cm，rAs pm＝rAs×10－10 cm，则原子的总体积为V原子＝4×π×[(rGa×10－10 cm)3＋(rAs×10－10 cm)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＝ 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：(1)GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体 (2)原子晶体 共价 ×100% 考点二|四类常见晶体的比较(基础送分型——自主学习) 授课提示：对应学生用书第227页 [巩固教材知识] 1．四类晶体的比较 类型 比较 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、自由电子 阴、阳离子 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 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) 2.离子晶体的晶格能 (1)定义：气态离子形成1摩尔离子晶体释放的能量；单位：kJ·mol－1。 (2)影响因素： 离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越大。 3．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。( ) (2)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。( ) (3)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高。( ) (4)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。( ) (5)离子晶体一定都含有金属元素。( ) (6)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。( ) 答案：(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ [练透基础小题] 题点一 晶体类型的判断 1．下列物质：①水晶；②冰醋酸；③氧化钙；④白磷；⑤晶体氩；⑥氢氧化钠；⑦铝；⑧金刚石；⑨过氧化钠；⑩碳化钙；⑪碳化硅；⑫干冰；⑬过氧化氢； (1)属于原子晶体的化合物________。 (2)直接由原子构成的晶体________。 (3)直接由原子构成的分子晶体________。 (4)由极性分子构成的晶体是________，含有非极性键的离子晶体是________，属于分子晶体的单质是________。 (5)在一定条件下能导电而不发生化学变化的是__________，受热熔化后化学键不发生变化的是________________________________________________________________________， 受热熔化后需克服共价键的是________。 解析：属于原子晶体的化合物是碳化硅和水晶；属于分子晶体的有：氩(无化学键)、白磷(非极性分子)、干冰(极性键构成的非极性分子)、过氧化氢和冰醋酸(由极性键和非极性键构成的极性分子)；属于离子晶体的有：CaO(离子键)、NaOH(既存在离子键又存在极性共价键)、Na2O2和CaC2(既存在离子键又存在非极性共价键)。金属导电过程不发生化学变化，晶体熔化时，分子晶体只需克服分子间作用力，不破坏化学键，而原子晶体、离子晶体、金属晶体熔化需破坏化学键。 答案：(1)①⑪ (2)①⑤⑧⑪ (3)⑤ (4)②⑬ ⑨⑩ ④⑤ (5)⑦ ②④⑤⑫⑬ ①⑧⑪ 2．有A、B、C三种晶体，分别由H、C、Na、Cl四种元素中的一种或几种组成，对这三种晶体进行实验，结果见下表： 序号 熔点/℃ 硬度 水溶性 导电性 水溶液与Ag＋反应 A 811 较大 易溶 水溶液或熔融导电 白色沉淀 B 3 500 很大 不溶 不导电 不反应 C －114.2 很小 易溶 液态不导电 白色沉淀 (1)晶体的化学式分别为A__________、B___________、C__________。 (2)晶体的类型分别是A__________、B_____________、C__________。 (3)晶体中粒子间作用力分别是A________、B________、C________。 答案：(1)NaCl C HCl (2)离子晶体 原子晶体 分子晶体 (3)离子键 共价键 范德华力 [备考提醒] 晶体类型的5种判断方法 1．依据构成晶体的粒子和粒子间的作用判断 (1)离子晶体的构成粒子是阴、阳离子，粒子间的作用是离子键。 (2)原子晶体的构成粒子是原子，粒子间的作用是共价键。 (3)分子晶体的构成粒子是分子，粒子间的作用为分子间作用力。 (4)金属晶体的构成粒子是金属阳离子和自由电子，粒子间的作用是金属键。 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．依据晶体的熔点判断 (1)离子晶体的熔点较高。 (2)原子晶体熔点很高。 (3)分子晶体熔点低。 (4)金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点相当低。 4．依据导电性判断 (1)离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。 (2)原子晶体一般为非导体。 (3)分子晶体为非导体，而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 (1)离子晶体硬度较大、硬而脆。 (2)原子晶体硬度大。 (3)分子晶体硬度小且较脆。 (4)金属晶体多数硬度大，但也有较低的，且具有延展性。 题点二 晶体熔、沸点高低比较 3．离子晶体熔点的高低取决于晶体中晶格能的大小。判断KCl、NaCl、CaO、BaO四种晶体熔点的高低顺序是( ) A．KCl>NaCl>BaO>CaO B．NaCl>KCl>CaO>BaO C．CaO>BaO>NaCl>KCl D．CaO>BaO>KCl>NaCl 解析：离子晶体中，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。 答案：C 4．下列物质的熔、沸点高低顺序正确的是( ) A．金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅 B．CI4>CBr4>CCl4>CH4 C．MgO>H2O>O2>Br2 D．金刚石>生铁>纯铁>钠 解析：对于A选项，同属于原子晶体，熔沸点高低主要看共价键的强弱，显然对键能而言，晶体硅<碳化硅，A错误；B选项，同为组成、结构相似的分子晶体，熔沸点高低要看相对分子质量大小，正确；C选项，对于不同晶体类型熔沸点高低一般为原子晶体>离子晶体>分子晶体，MgO>(H2O、O2、Br2)，H2O>(Br2、O2)，Br2>O2，C项错误；D选项，生铁为铁合金，熔点要低于纯铁，D项错误。 答案：B 5．(2015·全国高考课标卷Ⅰ)碳及其化合物广泛存在于自然界中。回答下列问题： (1)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，其固体属于________晶体。 (2)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： 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)该化合物熔点为253 K，沸点为376 K，说明熔沸点较低，所以为分子晶体；(2)根据均摊法来计算。①石墨烯晶体中，每个C原子被3个6元环共有，每个六元环占有的C原子数是6×＝2；②每个C原子周围形成4个共价键，每2个共价键即可形成1个六元环，则可形成6个六元环，每个共价键被2个六元环共用，所以一个C原子可连接12个六元环；根据数学知识，3个C原子可形成一个平面，而每个C原子都可构成1个正四面体，所以六元环中最多有4个C原子共面。 答案：(1)分子 (2)①3 2 ②12 4 [备考提醒] 分类比较晶体的熔、沸点 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： ①一般地说，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。 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，硬度越大。 (3)分子晶体： ①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。 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> 。 支链相同时，位置越近，熔沸点越高。 (4)金属晶体： 金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：Na查看更多