2018版高考化学一轮复习物质结构与性质第3节晶体结构与性质教师用书新人教版选修

第三节晶体结构与性质考纲定位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整合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微粒在三维空间里呈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无各向异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)获得晶体的途径熔融态物质凝固。气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。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。无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙；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。长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算非长方体：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。ANaCl(含_个Na，_个Cl)B干冰(含_个CO2)CCaF2(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A44B4C48D8E2F4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：95812296】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形成的固体物理性质有各向异性C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。不会形成晶体。2(2014全国卷节选)准晶体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)131(3)8(4)124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：812G：88428Q：824R、G、Q的个数之比为142，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35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()A394B142C294 D384BA粒子数为6；B粒子数为632；C粒子数为1；故A、B、C粒子数之比为142。6Cu元素与H元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。则该化合物的化学式为_。解析Cu个数：12236，H个数：646。答案CuH7石墨晶体为层状结构，每层内每个六边形含有_个碳原子，_个CC键。解析C个数：62，CC键数：63。答案231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 gcm3，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MGagmol1和MAs gmol1，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81/861/24(个)，Ga和As的原子半径分别为rGa pmrGa1010cm，rAs pmrAs1010cm，则原子的总体积为V原子4(rGa1010cm)3(rAs1010cm)31030(rr)cm3。又知Ga和As的摩尔质量分别为MGa gmol1和MAs gmol1，晶胞的密度为 gcm3，则晶胞的体积为V晶胞4(MGaMAs)/NA 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 gcm3，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63，含有Ni原子的个数为81，故晶胞中Cu原子与Ni原子的数量比为31。(2)根据mV可得，1 mol晶胞的质量为(64359)ga3d gcm3NA，则acm107 nm。答案(1)31(2)107 或10710(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n81/861/248；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ra；然后可以确定原子的占有率为(8r3)/a3。答案811(2015全国卷节选)A和B能够形成化合物F，其晶胞结构如下图所示，晶胞参数a0.566 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(gcm3 )_。(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81/861/24，含有Na个数为8，故O2、Na离子个数之比为4812，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a0.566 nm0.566107cm，则晶胞的体积为(0.566107cm)3，从而可知晶体F的密度为2.27 gcm3。答案Na2O82.27 gcm3晶体结构的相关计算(1)晶胞计算公式(立方晶胞)a3NAnM(a：棱长，：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)面对角线长a。体对角线长a。体心立方堆积4ra(r为原子半径)。面心立方堆积4ra(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整合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，CC键之间的夹角是10928，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SiO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)“电子气理论”要点该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。(2)金属键的实质是金属阳离子与电子气间的静电作用。(3)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、Au12体心立方堆积Na、K、Fe8六方最密堆积(镁型)Mg、Zn、Ti12简单立方堆积Po6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)每层中存在键和键，还有金属键，(4)CC的键长比金刚石的CC键长短，熔点比金刚石的高。(5)能导电。应用体验1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)612(2)共价键、范德华力(3)2NA(4)126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() 【导学号：95812297】A超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K和4个OB晶体中每个K周围有8个O，每个O周围有8个KC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AB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：(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62。(2)由金刚石的结构可知，每个C可参与形成4条CC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，6212。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)32(2)124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整合1四种晶体类型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和自由电子阴、阳离子粒子间的相互作用力分子间作用力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2.晶格能(1)定义气态离子形成1 mol离子晶体释放的能量，单位kJ/mol，通常取正值。(2)大小及与其他量的关系晶格能是最能反映离子晶体稳定性的数据。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。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、C2H22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)考点多维探究角度1晶体类型判断1(1)(2015全国卷)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)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：4NH33F2NF33NH4F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)abd2(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()Na2ONaAlF3AlCl3Al2O3BCl3CO2SiO2920 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BA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。原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。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。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。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。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。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()AF2、Cl2、Br2、I2的熔点、沸点逐渐升高BHF、HCl、HBr、HI的熔、沸点顺序为HFHIHBrHClC金刚石的硬度、熔点、沸点都高于晶体硅DNaF、NaCl、NaBr、NaI的熔点依次降低CA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：ONB水溶性：CH3CH2OHCH3CH2OCH2CH3C沸点：HClHFD晶格能：NaClMgOE硬度：MgOCaOBaOF熔点：NaFMgF2AlF3G沸点：H2OHFNH3H熔点：金刚石晶体硅碳化硅I熔点：二氧化硅NaClI2冰答案BEGI5(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“”或“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。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：MgOMgCl2，NaClCsCl。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。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H2OH2TeH2SeH2S。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SnH4GeH4SiH4CH4。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CON2，CH3OHCH3CH3。d同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。如CH3CH2CH2CH2CH3CHCH3CH3CH2CH3CCH3CH3CH3CH3。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：NaMgAl。课堂小结反馈达标11全新理念探究高考明确考向1一组判断，展示高考易误点(1)只要有规则外形的固体就是晶体。()(2)分子晶体和离子晶体中分别只有分子间作用力和离子键。()(3)冰的晶胞结构与金刚石的晶胞结构相似。()(4)在晶体中只要有金属阳离子一定有阴离子。()(5)干冰、晶体O2和晶体I2的晶胞结构相似，均属于分子密堆积。()(6)金属晶体的熔点可能高于分子晶体也可能低于分子晶体。()(7)AlCl3不是离子晶体的事实是熔化时不导电。()(8)在石墨晶体中有共价键、金属键和范德华力，故石墨晶体为混合型晶体。()(9)石墨与金刚石晶体中碳原子均采用sp3杂化。()(10)离子晶体中离子间距越小，带的电荷越多，晶格能越大，熔点越高。()(11)AB型离子晶体中阴、阳离子的配位数相同。()(12)石墨晶体中碳碳键长比金刚石中碳碳键长短，故石墨熔点比金刚石的高。()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)2一题串知，覆盖高考考什么(1)(2016全国乙卷)比较下列锗卤化物的熔点和沸点，分析其变化规律及原因_，这些晶体类型为_。GeCl4GeBr4GeI4熔点/49.526146沸点/83.1186约400考查晶体类型判断和性质晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。已知Ge单晶的晶胞参数a565.76 pm，其密度为_gcm3(列出计算式即可)。考查晶体密度计算(2)(2014全国卷)Cu2O为半导体材料，在其立方晶胞内部有4个氧原子，其余氧原子位于面心和顶点，则该晶胞中有_个铜原子。考查晶胞结构粒子数的计算Al单质为面心立方晶体，其晶胞参数a0.405 nm，晶胞中铝原子的配位数为_。列式表示Al单质的密度_gcm3(不必计算出结果)。考查晶胞粒子配位数和密度有关计算(3)(2013全国卷)A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。(已知A、B、D分别为F、K、Ni元素)该化合物的化学式为_；D的配位数为_；考查晶体结构与组成列式计算该晶体的密度_gcm3。考查晶体密度计算解析(1)由锗卤化物的熔沸点由Cl到I呈增大的趋势且它们的熔沸点较低，可判断它们均为分子晶体，而相同类型的分子晶体，其熔沸点取决于相对分子质量的大小，因为相对分子质量越大，分子间的作用力就越大，熔沸点就越高。每个晶胞中含有锗原子81/861/248(个)，每个晶胞的质量为，晶胞的体积为(565.761010cm)3，所以晶胞的密度为。(2)Cu2O立方晶胞内部有4个氧原子，其余氧原子位于面心和顶点，则一个Cu2O晶胞含有氧原子个数为4688，那么该晶胞中含有铜原子个数为16。Al单质为面心立方晶体，则晶胞中Al原子的配位数为12。每个晶胞中含有Al原子个数为864个，晶胞参数a0.405 nm0.405107 cm，晶胞的体积为(0.405107 cm)3，因此晶胞的密度可表示为gcm3。(3)在该化合物中F原子位于棱、面心以及体内，故F原子个数为16428个，K原子位于棱和体内，故K原子个数为824个，Ni原子位于8个顶点上和体内，故Ni原子个数为812个，K、Ni、F原子的个数比为428214，所以化学式为K2NiF4；由图示可看出在每个Ni原子的周围有6个F原子，故配位数为6；结合解析，根据密度公式可知 gcm33.4 gcm3。答案(1)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是该类晶体为分子晶体，分子结构相似，相对分子质量依次增大，分子间相互作用力逐渐增强分子晶体107(2)1612(3)K2NiF463.419