届高考化学一轮复习晶体结构与性质学案.docx
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届高考化学一轮复习晶体结构与性质学案
晶体结构与性质
命题规律:
1.题型:
Ⅱ卷填空题(选做)。
2.考向:
常见的命题角度有晶体类型判断,结构与性质的关系,晶体熔、沸点高低的比较,配位数、晶胞模型分析及有关计算等是必考点。
方法点拨:
1.晶体熔沸点比较:
(1)晶体类型不同时熔、沸点的一般规律为:
原子晶体>离子晶体>分子晶体,金属晶体有高有低。
(2)原子晶体中键长越短,键越稳定,物质熔、沸点越高,反之越低。
(3)离子晶体中电荷数越多,阴、阳离子半径和越小,离子键越强,熔、沸点越高,反之越低。
(4)金属晶体中金属原子的价电子数越多,原子半径越小,金属阳离子与自由电子间的静电作用越强,熔、沸点越高,反之越低。
(5)分子晶体中分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高,反之越低(具有分子间氢键的分子晶体的熔、沸点反常,较高)。
①组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高。
②在高级脂肪酸甘油酯中,不饱和程度越大,熔、沸点越低。
③烃、卤代烃、醇、醛、羧酸等有机物,一般随着分子里碳原子数的增多,熔、沸点升高。
④链烃及其衍生物的同分异构体随着支链的增多,熔、沸点降低。
2.立方晶胞中粒子数目的计算
图示:
1.
(1)(2018·全国卷Ⅲ)①ZnF2具有较高的熔点(872℃),其化学键类型是!
!
!
__离子键__###;ZnF2不溶于有机溶剂而ZnCl2、ZnBr2、ZnI2能够溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,原因是!
!
!
__ZnF2为离子化合物,ZnCl2、ZnBr2、ZnI2的化学键以共价键为主、极性较小__###。
②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acm,高为ccm,阿伏加德罗常数的值为NA,Zn的密度为!
!
!
###g·cm-3(列出计算式)。
(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0.4665nm,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anm、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)(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=0.420nm,则r(O2-)为!
!
!
__0.148__###nm。
MnO也属于NaCl型结构,晶胞参数为a′=0.448nm,则r(Mn2+)为!
!
!
__0.076__###nm。
(5)(2016·全国卷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。
下图为Ge单晶的晶胞,其中原子坐标参数A为(0,0,0);B为(,0,);C为(,,0)。
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=565.76pm,其密度为!
!
!
×107 ###g·cm-3(列出计算式即可,Ge相对原子质量为73)。
突破点拨
(1)“1mol晶胞”体积是单个晶胞体积NA倍,质量是晶体物质的量与摩尔质量乘积;
(2)离子晶体、原子晶体、金属晶体晶胞中“硬球接触模型”分析直径与晶胞参数。
解析
(1)①根据氟化锌的熔点可以判断其为离子化合物,所以一定存在离子键。
作为离子化合物,氟化锌在有机溶剂中应该不溶,而氯化锌、溴化锌和碘化锌都是共价化合物,分子的极性较小,能够溶于乙醇等弱极性有机溶剂。
②由图示,堆积方式为六方最紧密堆积。
为了计算的方便,选取该六棱柱结构进行计算。
六棱柱顶点的原子是6个六棱柱共用的,面心是两个六棱柱共用,所以该六棱柱中的锌原子为12×+2×+3=6个,所以该结构的质量为6×65/NAg。
该六棱柱的底面为正六边形,边长为acm,底面的面积为6个边长为acm的正三角形面积之和,根据正三角形面积的计算公式,该底面的面积为6×a2cm2,高为ccm,所以体积为6×a2ccm3。
所以密度为:
=g·cm-3。
(2)根据晶胞结构可知锂全部在晶胞中,共计是8个,根据化学式可知氧原子个数是4个,则Li2O的密度是ρ==g/cm3。
(3)根据晶胞结构可知含有铁原子的个数是12×+1=4,S个数是8×1/8+6×1/2=4,晶胞边长为anm,FeS2相对式量为M,阿伏加德罗常数的值为NA,则其晶体密度的计算表达式为ρ==g/cm3=×1021g/cm3;晶胞中Fe2+位于S所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长是面对角线的一半,则为anm。
(4)因为O2-是面心立方最密堆积方式,面对角线是O2-半径的4倍,即4r=a,解得r=×0.420nm=0.148nm;MnO也属于NaCl型结构,根据晶胞的结构,晶胞参数=2r(O2-)+2r(Mn2+),r(Mn2+)=(0.448nm-2×0.148nm)/2=0.076nm。
(5)①根据各个原子的相对位置可知,D在x、y、z轴三个方向的处,所以其坐标是(,,);根据晶胞结构可知,在晶胞中含有的Ge原子数是8×1/8+6×+4=8,所以晶胞的密度ρ===×107g/cm3。
【变式考法】
(1)(2018·周口期末)某晶体的晶胞结构如图所示(在该晶体中通过掺入适量的Ga以替代部分In就可以形GIGS晶体),该晶体的化学式为!
!
!
__CuInSe2__###。
图中A原子和B原子坐标分别为(0,0,0),(0,0,),则C原子坐标为!
!
!
(,,) ###。
(2)(2018·泉州期末)①冰晶石(Na3AlF6)由两种微粒构成,它的晶胞结构如图甲所示,小黑点“●”位于大立方体的顶点和面心,小圆圈“○”位于大立方体的12条棱的中点和8个小立方体的体心,那么大立方体的体心处小三角“△”所代表的是!
!
!
__小圆圈__###(填“小黑点”或“小圆圈”),它代表的是!
!
!
__Na+__###(填微粒化学式)。
②Al单质的晶体中原子的堆积方式如图乙所示,其晶胞特征如图丙所示,原子之间相互位置关系的平面图如图丁所示:
甲 乙 丙 丁
若已知Al的原子半径为d,NA代表阿伏加德罗常数,Al的相对原子质量为M,则一个晶胞中Al原子的数目为!
!
!
__4__###个;Al晶体的密度为!
!
!
###(用字母表示)。
(3)(2018·安徽六校联考)①碳酸盐在一定温度下会发生分解,实验证明碳酸盐的阳离子不同,分解温度不同,如下表所示:
碳酸盐
MgCO3
CaCO3
BaCO3
SrCO3
热分解温度/℃
402
900
1172
1360
阳离子半径/pm
66
99
112
135
试解释为什么随着阳离子半径的增大,碳酸盐的分解温度逐步升高?
!
!
!
__碳酸盐分解实际过程是晶体中阳离子结合碳酸根离子中氧离子,使碳酸根离子分解为二氧化碳的过程,阳离子所带电荷相同时,阳离子半径越小,金属氧化物的晶格能越大,对应的碳酸盐就越容易分解__###。
②碳的另一种同素异形体——石墨,其晶体结构如图所示,则石墨晶胞含碳原子个数为!
!
!
__4__###个.已知石墨的密度为ρg·cm﹣3,C—C键长为rcm,阿伏加德罗常数的值为NA,计算石墨晶体的层间距为!
!
!
###cm。
③金刚石和石墨的物理性质差异很大,其中:
熔点较高的是!
!
!
__石墨__###,试从结构分析!
!
!
__石墨为混合型晶体,金刚石为原子晶体,二者熔点均取决于碳碳共价键,前者键长短,则熔点高__###;硬度大的是!
!
!
__金刚石__###,其结构原因是!
!
!
__石墨硬度取决于分子间作用力,而金刚石取决于碳碳共价键__###。
(4)(2018·鄂东南联考)氮与铝之间形成化合物X,具有耐高温抗冲击等性能。
X的晶体结构如图所示。
①已知氮化硼与X晶体类型相同,推测氮化硼的熔点比X的熔点!
!
!
__高__###(填“高”或“低”),可能的原因是!
!
!
__氮化硼中的共价键能大于氮化铝中的键能__###。
②若X的密度为ρg·cm-3,则晶体中最近的两个Al原子的距离为!
!
!
×× ###cm。
(阿伏加德罗常数的值用NA表示)
解析
(1)由晶胞图可知,该晶胞中含有Cu原子数为4×+6×=4,In原子数为8×+4×+1=4,Se原子数为8,3种原子个数比为1∶1∶2,所以该晶体的化学式为CuInSe2。
该晶胞由两个立方组成,C位于其中一个立方体内的八分之一立方(左下外侧的)的体心。
由A原子和B原子坐标分别为(0,0,0),(0,0,)可知,晶胞的底边为1、高为2,则C原子坐标为(,,)。
(2)①冰晶石中Na+与AlF的个数比应为3∶1,由晶胞图分析,“●”个数为8×+6×=4,“○”个数为12×+8=11,故晶胞中心还应有1个,据此可推知,“△”为Na+;那么大立方体的体心处小三角“△”所代表的是小圆圈,它代表的是Na+;②铝晶胞的原子处于晶胞顶点和面心,故一个晶胞含有的Al原子数目为8×+6×=4;设Al晶胞的边长为a,则有:
2a2=(4d)2,a=2d,Al晶胞的体积为V=16d3,故Al晶体的密度为。
(3)①碳酸盐分解过程实际上是晶体中阳离子与碳酸根中氧离子结合,使碳酸根离子分解为二氧化碳的过程,阳离子所带电荷相同时,半径越小金属氧化物的晶格能越大,对应的碳酸盐就越容易分解。
②由图可知石墨的晶胞结构为
,设晶胞的底边长为acm,晶胞的高为hcm,层间距为dcm,则h=2d,底面图为
,则a/2=r×sin60°,可得a=r,则底面面积为(r)2×Sin60°,晶胞中C原子数目为1+2×+8×+4×=4,晶胞质量为4×12/NAg,则:
ρg·cm-3=(4×12/NA)g÷[(r)2×sin60°×2d]cm3,整理可得d=cm。
③石墨为混合型晶体,金刚石为原子晶体,二者熔点均取决于碳碳共价键,前者键长短,则熔点高。
石墨硬度取决于分子间作用力,而金刚石取决于碳碳共价键,所以硬度大的是金刚石。
(4)①根据X耐高温的性质及氮化硼与X晶体类型相同,可知它们都是原子晶体,根据X的晶体结构图可知,晶胞中含有氮原子数为4,含有铝原子数为:
8×+6×=4,所以X为AlN,氮化硼与AlN相比,硼原子半径比铝原子半径小,所以键能就大,所以氮化硼的熔点比AlN高。
②由前面分析,计算可得,晶胞中含有4个N和4个Al,所以晶胞质量为g=g,因为密度为ρg·cm-3,所以晶胞棱长为;以立方体上面面心的Al原子(白球)为例,该Al原子所在面上的顶点处Al原子与其距离都是最近的,为晶胞棱长的倍,所以晶体中最近的两个Al原子的距离为×cm。
2.
(1)(2018·呼和浩特一模)①一定条件下,水分子间可通过氢键将H2O分子结合成三维骨架结构,其中的多面体孔穴中可包容气体小分子,形成笼形水合包合物晶体。
如图是一种由水分子构成的正十二面体骨架(“o”表示水分子),其包含的氢键数为!
!
!
__30__###;实验测得冰中氢键的作用能为18.8kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0kJ·mol-1,其原因可能是!
!
!
__液态水中仍然存在大量氢键__###。
②与Mn同周期相邻的元素X,价电子层有2对成对电子,其离子型氧化物晶胞如图所示。
它由A、B方块组成。
则该氧化物中X2+、X3+、O2-的个数比为!
!
!
__1∶2∶4__###(填最简整数比);已知该晶体的密度为dg/cm3,阿伏伽德罗常数的值为NA,则晶胞参数a为!
!
!
×107 ###nm(用含d和NA的代数式表示)
(2)(2018·南充二模)①晶体硼拥有多种变体,但其基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体,如图,每个顶点为1个硼原子,构成的三角形均为等边三角形,若该结构单元中有10个原子为10B(其余为11B),那么该结构单元有!
!
!
__3__###种不同类型。
②铜的某氧化物晶体结构如图。
每个阴离子周围等距离且最近的阴离子数为!
!
!
__12__###,其晶胞的棱长为xcm,则该晶体距离最近的两个阴离子的核间距为!
!
!
###cm(用含有x的代数式表示)。
(3)(2018·黄冈调考)如图为20个碳原子组成的空心笼状分子C20,该笼状结构是由许多正五边形构成如图。
C20分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键;则:
C20分子共有!
!
!
__12__###个正五边形,共有!
!
!
__30__###条棱边。
(4)(2016·全国卷Ⅱ)①CaF3的熔点高于1000℃,GaCl3的熔点为77.9℃,其原因是!
!
!
__GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体__###。
②GaAs的熔点为1238℃,密度为ρg·cm-3,其晶胞结构如图所示。
该晶体的类型为!
!
!
__原子晶体__###,Ga与As以!
!
!
__共价__###键键合。
Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol-1和MAsg·mol-1,原子半径分别为rGapm和rAspm,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!
!
!
×100% ###。
(5)(2018·齐齐哈尔一模)①金、银、铜都有良好的延展性,但金刚石和食盐易碎解释其原因:
!
!
!
__金、银、铜受到外力作用时,晶体中的各原子层就会发生相对滑动,但不会改变原来的排列方式,金属键仍然存在;但是金刚石为原子晶体,共价键有方向性,形变后共价键破坏,所以易碎;食盐属于离子晶体,阴离子周围是阳离子。
但层与层会发生相对滑动后,阴离子与阴离子、阳离子与阳离子接近,互相排斥,所以易碎__###。
②金、银的一种合金具有较强的储氢能力。
该合金的晶胞为面心立方结构,银原子位于面心,金原子位于顶点。
若该晶胞边长为anm,金、银原子的半径分别为bnm、cnm。
则该晶胞的空间利用率(φ)为!
!
!
×100% ###(用含a、b、c和圆周率π的式子表示)。
解析
(1)①由正十二面体结构可知,此单元中含有水分子的个数为20,其中每个水分子形成的氢键属于2个五元环,故每个水分子形成氢键个数为,故总共形成氢键数为:
20×=30;冰中氢键的作用能为18.8kJ·mol-1,而冰熔化热为5.0kJ·mol-1,说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,并且液态水中仍在氢键;②与Mn同周期相邻的元素X,价电子层有2对成对电子,价电子层排布式为3d64s2,X为铁元素,由A、B方块的结构可知,A中含有O2-的数目为4,含有Fe2+的数目为4×+1=,B中含有O2-的数目为4,含有Fe2+的数目为4×=,Fe3+的数目为4,则晶胞中含有O2-的数目为(4+4)×4=32,Fe2+的数目为(+)×4=8,Fe3+的数目为4×4=16,Fe2+、Fe3+、O2-的个数比为8∶16∶32=1∶2∶4;该晶体的化学式为Fe3O4,则该晶体的密度为dg/cm3=g/cm3,解得a=cm=×107nm。
(2)①若该结构单元中有10个原子为10B(其余为11B),当选定1个顶点后,与它最近的顶点数为5个,然后就是5个和1个,即二取代物有3种,即结构单元有3种不同类型;②观察晶胞可知,每个阴离子周围等距离且最近的阴离子数为12;晶体距离最近的两个阴离子的核间距为acm,即
,根据勾股定律得:
x2+x2=(2a)2,解得a=x。
(3)根据图片知,每个顶点上有1个碳原子,所以顶点个数等于碳原子个数为20,每个顶点含有棱边数×3=1.5,每个面含有顶点个数×5=,则面数为=12。
(4)①GaF3的熔点高于1000℃,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。
②GaAs的熔点为1238℃,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×+6×=4(个),Ga和As的原子半径分别为rGapm=rGa×10-10cm,rAspm=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MGag·mol-1和MAsg·mol-1,晶胞的密度为ρg·cm-3,则晶胞的体积为V晶胞=4(MGa+MAs)/ρNAcm3,故CaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为×100%=×100%=×100%。
(5)①金、银、铜受到外力作用时,晶体中的各原子层就会发生相对滑动,但不会改变原来的排列方式,金属键仍然存在,故金、银、铜都有良好的延展性;但原子晶体中共价键有方向性,所以易碎;离子晶体中发生层间滑动,会使同种电性离子接近而破碎;②合金的晶胞为面心立方结构,银原子位于面心,金原子位于顶点,所以晶胞中银原子数为6×=3,金原子数为8×=1,金、银原子的半径分别为bnm、cnm,则晶胞中金、银原子的体积为×πb3(nm)3+3××πc3(cm)3=,晶胞的体积为a3(nm)3;所以该晶胞的空间利用率为:
=。
千万差别貌相似,谨防马虎大错误
(1)CO2和SiO2尽管有相似的化学组成,但二者物理性质有较大差异,原因是二者的晶体类型不同,CO2属于分子晶体,SiO2属于原子晶体,二者不能混淆。
(2)离子晶体中不一定都含有金属元素,如NH4Cl是离子晶体;金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体,如AlCl3是分子晶体;含有金属离子的晶体不一定是离子晶体,如金属晶体中含有金属离子。
(3)含阴离子的晶体中一定含有阳离子,但含阳离子的晶体中不一定含阴离子,如金属晶体。
(4)误认为金属晶体的熔点比分子晶体的熔点高,其实不一定,如Na的熔点为97℃,尿素的熔点为132.7℃。
享资源 练类题 弯道超越显功力
晶胞的计算
考向预测
晶胞的计算,主要包括晶体化学式的确定、密度、空间利用率以及晶胞体积、粒子间距的计算,既能考查考生的空间想象能力,又能考查综合分析并解决问题的能力
解题关键
根据不同的晶胞形状确定晶胞中粒子的个数,一般采用均摊法。
最关键的是确定一个粒子为几个晶胞共有,从而确定物质的化学式及晶胞的质量。
另外,通过几何关系弄清晶胞的体积与晶胞边长、微粒间距离的关系
失分防范
在晶胞中微粒个数的计算过程中,不要形成思维定势,不能对任何形状的晶胞使用相同的均摊。
不同形状的晶胞,应先分析任意位置上的一个粒子是几个晶胞共用,如六棱柱晶胞中,顶点、侧棱、底面上的棱、面依次被6、3、4、2个晶胞共用。
“气态团簇”分子不是晶胞,不能分摊
【预测】
某离子晶体晶胞结构如图所示,X(●)位于立方体的顶点,Y(○)位于立方体的中心。
试分析:
(1)晶体中每个Y同时吸引着!
!
!
__________###个X。
(2)该晶体的化学式为!
!
!
__________###。
(3)设该晶体的摩尔质量为Mg·mol-1,晶体密度为ρg·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。
思维导航
——
↓
——
↓
——
↓
——
↓
——
规范答题:
(1)从晶胞结构图中可直接看出,每个Y同时吸引着4个X。
(2)1个晶胞中,平均包含X的个数为4×=,平均包含Y的个数为1,所以晶体中X和Y的个数比为1∶2,因此晶体的化学式为XY2或Y2X。
(3)由题意知,该晶胞中含有1/2个XY2或Y2X,设该晶胞的边长为acm,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)4
(2)XY2或Y2X
(3)
【变式考法】
(1)(2018·河南天一大联考)下图是Cu-Au合金的一种立方晶体结构:
已知该合金的密度分dg/cm3,阿伏加德罗常数的值为NA,若Au原子的半径为bpm(1pm=10-10cm),则铜原子的半径为!
!
!
(×-b×10-10) ###cm(写出计算表达式)。
(2)(2018·湖北四月调研)①金属钛的原子堆积方式如图1所示,则金属钛晶胞俯视图为!
!
!
__D__###。
A B C D
图1 图2 图3
②M的晶胞结构如图2,M化学式为!
!
!
__TiO2__###。
③石墨烯是单个原子厚度的二维碳纳米材料(如图3),其比表面积大(比表面积指单位质量物料所具有的总面积)。
石墨烯与M的结合使用,极大地提高了M的光催化效果。
在石墨烯晶体中,每个最小的六元环占有!
!
!
__2__###个C原子。
已知石墨烯中C-C键长为apm,则单层石墨烯的比表面积为!
!
!
a2NA×10-24 ###m2/g(NA表示阿伏伽德罗常数的数值,忽略碳原子的厚度)。
(3)F、K和Ni三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。
①该化合物的化学式为!
!
!
__K2NiF4__###;Ni的配位数为!
!
!
__6__###;
②列式计算该晶体的密度:
!
!
!
≈3.4 ###g·cm-3。
解析
(1)由Cu-Au合金的晶体结构可知,其晶胞中Cu、Au原子分别位于晶胞的面心和顶点,所以晶胞中Cu、Au原子数分别为3和1。
已知该合金的密度分dg/cm3,阿伏加德罗常数的值为NA,若Au原子的半径为bpm(1pm=10-10cm),设Cu原子的半径为xpm、晶胞的边长为apm,则2a2=(2x+2b)2,a=(x+b)pm。
NA个晶胞的质量和体积分别为389g和NA[(x+b)×10-10cm]3,所以d=,则铜原子的半径x=(×-b×10-10)cm。
(3)①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×16+×4+2=8,K原子位于棱和体内,故K原子个数为×8+2=4,Ni原子位于8个顶点上和体内,故Ni原子个数为×8+1=2,K、Ni、F原子的个数比为4∶2∶8=2∶1∶4,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;②结合解析 ①,根据密度公式可知ρ==g·cm-3≈3.4g·cm-3。
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- 高考 化学 一轮 复习 晶体结构 性质