第5講晶體結構與性質第五章內容索引0102強基礎增分策略增素能精準突破研專項前沿命題03【課程標準】1.了解晶體中微粒的空間排布存在周期性,認識簡單的晶胞。2.借助分子晶體、共價晶體、離子晶體、金屬晶體等模型認識晶體的結構特點。3.知道介于典型晶體之間的過渡晶體及混合型晶體是普遍存在的。4.知道在一定條件下,物質的聚集狀態隨構成物質的微粒種類、微粒間相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。5.知道物質的聚集狀態會影響物質的性質,通過改變物質的聚集狀態可能獲得特殊的材料。強基礎增分策略一、物質的聚集狀態與晶體的常識1.物質的聚集狀態(1)物質三態間的相互轉化

物理變化、分子間距離發生變化(2)等離子體和離子液體

氣態和液體物質不一定都由分子構成等離子體是由

電子

、陽離子和

電中性

粒子(分子或原子)組成的整體上呈電中性的氣態物質。離子液體是熔點不高的僅由

離子

組成的液體物質。

2.晶體與非晶體(1)晶體與非晶體的比較

類型晶體非晶體結構特征結構微粒周期性有序排列結構微粒

無序

排列

性質特征自范性

有

無

熔點

固定

不固定

異同表現

各向異性

各向同性

二者區別方法間接方法看是否有固定的

熔點

科學方法對固體進行

X射線衍射

實驗

(2)得到晶體的三種途徑(3)晶胞①定義:描述晶體結構的

基本單元

。

②晶體中晶胞的排列——“無隙并置”旁欄邊角

選擇性必修2第三章第一節和第三節閱讀教材“科學·技術·社會—等離子體、液晶和離子液體”,判斷下列說法的正誤。(1)氣態物質在高溫或者在外加電場激發下,分子發生分解,產生等離子體。(

√

)(2)在日光燈和霓虹燈的燈光、蠟燭火焰、雷電里,都能找到等離子體。

(

√

)(3)液晶就是液態晶體,具有液體的流動性和形變性。(

×

)(4)離子液體難揮發是由于離子液體的粒子全都是帶電荷的離子。(

√

)應用提升

列表比較等離子體、液晶和離子液體

類別等離子體液晶離子液體構成或存在狀態電子、陽離子和電中性粒子(分子或原子)介于液態和晶態之間的物質狀態體積很大的陰離子、陽離子特性具有良好的導電性和流動性具有液體的流動性、黏度、形變性等,具有類似晶體的各向異性難揮發、良好導電性、可作溶劑和催化劑易錯辨析

判斷正誤:正確的畫“√”,錯誤的畫“×”。(1)冰和碘固體都是晶體,內部存在的相互作用力完全相同。(

×

)(2)晶體內部的微粒按一定規律周期性排列。(

√

)(3)缺角的NaCl晶體在飽和NaCl溶液中會慢慢變為完美的立方體塊,說明晶體具有自范性。(

√

)(4)區分晶體和非晶體最可靠的方法是對固體進行X射線衍射實驗。(

√

)二、晶體類型與微粒間作用力1.四種晶體類型的比較晶體類型分子晶體共價晶體金屬晶體離子晶體構成粒子

分子

原子

金屬陽離子

和

自由電子

陰、陽離子

粒子間的相互作用力分子間作用力共價鍵

金屬鍵

離子鍵

硬度較小

很大

有的很大,有的很小較大熔、沸點較低

很高

有的很高,有的很低較高溶解性相似相溶難溶于一般溶劑常見溶劑難溶大多易溶于水等極性溶劑導電、傳熱性一般不導電,溶于水后有的導電一般不具有導電性電和熱的

良

導體

晶體

不導

電,水溶液或熔融態

導

電

2.金屬鍵的本質——“電子氣理論”3.典型晶體的結構及分析(1)共價晶體金剛石晶體中,每個C與另外

4

個C形成共價鍵,C—C之間的夾角是109°28',最小的環是

六

元環。含有1mol碳的金剛石中,形成的共價鍵為

2

mol。

(2)分子晶體①干冰晶體中,每個CO2分子周圍等距且緊鄰的CO2分子有

12

個。

②冰的結構模型中,每個水分子與相鄰的

4

個水分子以氫鍵相連接,含1molH2O的冰中,最多可形成“氫鍵”數目為

2NA

個。

(3)離子晶體①NaCl型:在晶體中,每個Na+同時吸引

6

個Cl-,每個Cl-同時吸引

6

個Na+,配位數為

6

。每個晶胞含

4

個Na+和

4

個Cl-。

②CsCl型:在晶體中,每個Cl-吸引

8

個Cs+,每個Cs+吸引

8

個Cl-,配位數為

8

。

(4)混合型晶體—石墨晶體

石墨晶體結構石墨層狀晶體中,每個碳原子的配位數為

3

,有1個未參與雜化的2p軌道,平均每個正六邊形擁有的碳原子個數是

2

;石墨的導電性只能沿著

石墨平面

的方向。

旁欄邊角

選擇性必修2第三章第二節閱讀教材“資料卡片·某些共價晶體的熔點和硬度”,判斷下列說法的正誤。(1)天然金剛石是自然界中硬度最大的物質,其硬度與共價鍵有關。(

√

)(2)熔點:金剛石>碳化硅>硅,其原因是鍵能和鍵長:C—C>C—Si>Si—Si。(

×

)(3)金剛石受較大外力作用會發生原子錯位而破碎,與共價鍵的方向性有關。(

√

)(4)高溫、高壓、催化劑條件下,石墨轉化為金剛石,碳原子的雜化方式由sp2轉變為sp3。(

√

)應用提升

共價晶體的硬度和熔點及影響因素(1)共價晶體的硬度、熔點都與共價鍵的強弱有關,一般來說,共價鍵的鍵長越短、鍵能越大,共價晶體的硬度越大,熔點越高。(2)分析思路:原子半徑越小→鍵長越短→鍵能越大→共價鍵越強→共價晶體的熔點越高、硬度越大。易錯辨析

判斷正誤:正確的畫“√”,錯誤的畫“×”。(1)金屬元素和非金屬元素組成的晶體一定是離子晶體。(

×

)(2)在晶體中只要有陽離子就一定有陰離子。(

×

)(3)共價晶體的熔點一定比金屬晶體的高。(

×

)(4)共價晶體的熔點不一定比離子晶體的高,如MgO的熔點高于SiO2。(

√

)(5)干冰晶體和碘晶體中分子均有4種不同的取向。(

×

)(6)CO2由分子晶體轉變為共價晶體,碳原子的雜化方式發生變化。(

√

)(7)NaCl晶體和CsCl晶體的結構相似,配位數均為6。(

×

)(8)金剛石晶體中,最小環上有6個原子。(

√

)增素能精準突破考點一晶胞的結構及相關計算【能力概述】【新教材·新高考】新教材變化

新教材增加了“思考與討論”“探究·準晶”等,其余內容基本未變化新高考高頻考點

從近兩年新高考試題來看,晶胞的結構及計算等仍是新高考命題的熱點,涉及晶體的密度、空間利用率等計算預測考向

預測2023年高考仍會重點考查晶胞的結構及相關計算,側重考查空間想象能力及簡單計算能力考向1.計算晶胞中粒子數及晶體的密度典例突破(2021廣東卷,20節選)理論計算預測,由汞(Hg)、鍺(Ge)、銻(Sb)形成的一種新物質X為潛在的拓撲絕緣體材料。X的晶體可視為Ge晶體(晶胞如圖a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。(1)圖b為Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一種單元結構,它不是晶胞單元,理由是

。(2)圖c為X的晶胞,X的晶體中與Hg距離最近的Sb的數目為

;該晶胞中粒子個數比Hg∶Ge∶Sb=

。

(3)設X的最簡式的式量為Mr,則X晶體的密度為

g·cm-3(列出算式)。

答案

(1)圖b不具有“無隙并置”的特點(2)4

1∶1∶2

(3)×1021解析

(1)對比圖b和圖c可知,圖b不符合晶胞是晶體的最小重復單元的要求。(2)以晶胞上方立方體中右側面心中Hg原子為對象,同一晶胞中與Hg距離最近的Sb的數目為2,同時右側晶胞中有2個Sb與該Hg距離最近,因此X的晶體中與Hg距離最近的Sb的數目為4。該晶胞中Sb均位于晶胞內,因此1個晶胞中含有Sb原子數為8,Ge原子位于晶胞頂點、面心、體心,則1個晶胞中含有Ge的個數為

;Hg原子位于棱邊、面心,則1個晶胞中含有Hg的個數為

,則該晶胞中粒子個數比Hg∶Ge∶Sb=4∶4∶8=1∶1∶2?？碱}點睛

針對訓練1.(2022山東日照三模,節選)一種鈦硅碳新型材料可用作高鐵車體與供電網的連接材料。該材料的晶胞屬于六方晶系(x、y方向的夾角為120°,z方向垂直于x、y方向,底面棱長均為anm,側面棱長為cnm),其晶胞結構如圖甲所示;晶胞中碳原子的投影位置如圖乙所示。(1)該鈦硅碳新型材料的化學式為

。

(2)已知該材料的摩爾質量為Mg·mol-1,密度為dg·cm-3,阿伏加德羅常數的值用NA表示,則c=

(用含a、b、NA的計算式表示)。

2.(2021湖南卷,18節選)下圖是Mg、Ge、O三種元素形成的某化合物的晶胞示意圖。(1)已知化合物中Ge和O的原子個數比為1∶4,圖中Z表示

原子(填元素符號),該化合物的化學式為

。

(2)已知該晶胞的晶胞參數分別為anm、bnm、cnm,α=β=γ=90°,則該晶體的密度ρ=

g·cm-3(設阿伏加德羅常數的值為NA,用含a、b、c、NA的代數式表示)。

歸納總結

利用“均攤法”進行晶胞的相關計算(1)長方體(包括立方體)晶胞中不同位置粒子數的計算:(2)“三棱柱”晶胞和“六棱柱”晶胞中不同位置粒子數的計算:三棱柱

六棱柱(3)確定晶體的化學式

(4)計算晶體的密度

考向2.計算原子的空間利用率典例突破(2021全國乙卷,35節選)在金屬材料中添加AlCr2顆粒,可以增強材料的耐腐蝕性、硬度和機械性能。AlCr2具有體心四方結構,如圖所示。(1)處于頂角位置的是

原子。

(2)設Cr和Al原子半徑分別為rCr和rAl,則金屬原子空間占有率為

%(列出計算表達式)。

針對訓練1.GaAs的熔點為1238℃,密度為ρg·cm-3,其晶胞結構如圖所示。(1)該晶體的類型為

,Ga與As以

鍵鍵合。

(2)Ga和As的摩爾質量分別為MGag·mol-1和MAsg·mol-1,原子半徑分別為rGapm和rAspm,設阿伏加德羅常數的值為NA,則GaAs晶胞中原子的體積占晶胞體積的百分率為

。

2.(2021河北石家莊二模)As與Co形成的某種化合物的晶胞如圖a所示,其中部分晶胞中As的位置如圖b所示。(1)該化合物的化學式為

。

(2)若化合物的摩爾質量為Mg·mol-1,密度為ρg·cm-3。Co和As的原子半徑分別為r1pm和r2pm,設阿伏加德羅常數的值為NA,則晶胞中原子的體積占晶胞體積的百分率為

(列出表達式即可)。

歸納總結計算原子的空間利用率考點二晶體類型的判斷及性質比較【能力概述】【新教材·新高考】新教材變化

刪去“金屬晶體”的堆積方式;新教材增加“過渡晶體”;改“原子晶體”為“共價晶體”。增加欄目,介紹“離子液體”;刪去CaF2晶胞和晶格能的介紹新高考高頻考點

從近兩年新高考試題來看,晶體類型的判斷、晶體的熔、沸點比較等仍是新高考命題的熱點預測考向

預測2023年高考仍會重點考查晶體類型的判斷、晶體的熔、沸點比較考向1.晶體類型的判斷典例突破(2021天津卷,2)下列各組物質的晶體類型相同的是(

)

A.SiO2和SO3

B.I2和NaClC.Cu和Ag D.SiC和MgO答案

C解析

SiO2的晶體類型為共價晶體,SO3的晶體類型為分子晶體,晶體類型不同,A錯誤;I2的晶體類型為分子晶體,NaCl的晶體類型為離子晶體,晶體類型不同,B錯誤;Cu和Ag的晶體類型都為金屬晶體,晶體類型相同,C正確;SiC的晶體類型為共價晶體,MgO的晶體類型為離子晶體,晶體類型不同,D錯誤。針對訓練1.分析下列物質的物理性質,判斷其晶體類型。(1)碳化鋁,黃色晶體,熔點2200℃,熔融態不導電:

。

(2)溴化鋁,無色晶體,熔點98℃,熔融態不導電:

。

(3)五氟化礬,無色晶體,熔點19.5℃,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等:

。(4)溴化鉀,無色晶體,熔融狀態或溶于水中都能導電:

。

(5)SiI4,熔點120.5℃,沸點287.4℃,易水解:

。

(6)硼,熔點2300℃,沸點2550℃,硬度大:

。

(7)硒,熔點217℃,沸點685℃,溶于氯仿:

。

(8)銻,熔點630.74℃,沸點1750℃,導電:

。

答案

(1)共價晶體(2)分子晶體(3)分子晶體(4)離子晶體(5)分子晶體(6)共價晶體(7)分子晶體(8)金屬晶體解析

共價晶體和離子晶體的熔點一般較高,兩者最大的差異是熔融態的導電性不同。共價晶體熔融態不導電,離子晶體熔融時或其水溶液能導電。共價晶體和分子晶體的區別則主要在于熔、沸點有很大差異。一般共價晶體和分子晶體熔融態時都不能導電。另外易溶于某有機溶劑往往也是分子晶體的特征之一。通常金屬晶體都能導電。2.(1)(2021全國甲卷,35節選)太陽能電池板主要材料為單晶硅或多晶硅。單晶硅的晶體類型為

。

(2)(2020山東卷,17節選)Sn為第ⅣA族元素,單質Sn與干燥Cl2反應生成SnCl4。常溫常壓下SnCl4為無色液體,其固體的晶體類型為

。

答案

(1)共價晶體(2)分子晶體

歸納總結判斷晶體類型的“兩種”常用方法(1)依據構成晶體的微粒和微粒間作用力判斷由陰、陽離子形成離子鍵構成的晶體為離子晶體;由原子形成的共價鍵構成的晶體為共價晶體;由分子依靠分子間作用力形成的晶體為分子晶體;由金屬陽離子、自由電子以金屬鍵形成的晶體為金屬晶體。(2)依據晶體的熔點判斷不同類型晶體熔點的一般規律:共價晶體>離子晶體>分子晶體。金屬晶體的熔點差別很大,如鎢、鉑等熔點很高,銫等熔點很低?？枷?.晶體的熔、沸點比較及原因分析典例突破(1)(2021山東卷,16節選)OF2的熔、沸點

(填“高于”或“低于”)Cl2O,原因是

。

(2)(2021湖南卷,18節選)硅、鍺(Ge)及其化合物廣泛應用于光電材料領域,晶體硅和碳化硅熔點較高的是

(填化學式)。

(3)(2021廣東卷,20節選)H2S、CH4、H2O的沸點由高到低順序為

。

答案

(1)低于OF2相對分子質量小,分子間作用力小(2)SiC

(3)H2O>H2S>CH4解析

(1)OF2和Cl2O的晶體都是分子晶體,范德華力影響其熔、沸點,而相對分子質量越大,范德華力越強,其熔、沸點越高。(2)晶體硅和碳化硅都是共價晶體,硅原子半徑大于碳原子,則鍵長:Si—Si>Si—C,鍵能:Si—Si<Si—C,而鍵能越大,共價晶體的熔點越高,故熔點較高的是SiC。(3)固態H2S、CH4、H2O都屬于分子晶體,H2O分子間存在氫鍵,H2S、CH4分子間只存在范德華力,且H2S的相對分子質量大,范德華力大,其沸點高于CH4,故沸點由高到低的順序為H2O>H2S>CH4?？碱}點睛

針對訓練1.(2021湖北黃岡中學6月適應考)元素X位于第四周期,其基態原子的內層軌道全部排滿電子,且最外層電子數為2;元素Y基態原子的3p軌道上有1對成對電子。X與Y形成的化合物的晶胞結構如圖所示,下列關于該晶體的說法正確的是(

)A.該晶體屬于共價晶體B.X2+的配位數為8,Y2-的配位數為4C.與每個X2+距離最近且相等的X2+共有12個D.該晶體的熔點比氧化鋅高答案

C解析

元素X位于第四周期,其基態原子的內層軌道全部排滿電子,則內層電子數=2+8+18=28,且最外層電子數為2,所以該原子有30個電子,為Zn元素;元素Y基態原子的3p軌道上有1對成對電子,說明3p軌道上有4個電子,核外電子排布為1s22s22p63s23p4,則Y是S元素,則晶體的化學式為ZnS。ZnS含有Zn2+和S2-,屬于離子晶體,A錯誤;晶體的化學式為ZnS,Y2-的配位數為4,則X2+的配位數也為4,B錯誤;由晶胞可知,與每個X2+距離最近的X2+有12個,C正確;離子晶體ZnO的離子鍵比ZnS的離子鍵強,則ZnO的熔點比ZnS高,D錯誤。2.(1)(2020天津卷,17節選)Fe、Co、Ni是三種重要的金屬元素。三種元素二價氧化物的晶胞類型相同,其熔點由高到低的順序為

。

(2)(2020全國Ⅱ卷,35節選)Ti的四鹵化物熔點如下表所示,TiF4熔點高于其他三種鹵化物,自TiCl4至TiI4熔點依次升高,原因是

。

化合物TiF4TiCl4TiBr4TiI4熔點/℃377-24.1238.3155(3)①K和Cr屬于同一周期,且核外最外層電子構型相同,但金屬K的熔、沸點等都比金屬Cr低,原因是

。

②在CO2低壓合成甲醇反應(CO2+3H2══CH3OH+H2O)所涉及的4種物質中,沸點從高到低的順序為

,原因是

。

答案

(1)NiO>CoO>FeO(2)TiF4為離子化合物,熔點高,其他三種均為共價化合物,隨相對分子質量的增大分子間作用力增大,熔點逐漸升高(3)①K原子半徑較大且價電子數較少,金屬鍵較弱②H2O>CH3OH>CO2>H2

H2O與CH3OH均為極性分子,H2O中氫鍵數目比甲醇中多;CO2與H2均為非極性分子,CO2相對分子質量較大,分子間作用力較大解析

(1)三種元素二價氧化物的晶胞類型相同,離子半徑Fe2+>Co2+>Ni2+,離子鍵按FeO、CoO、NiO的順序依次增強,而離子鍵越強,離子晶體的熔點越高,故其熔點由高到低的順序為NiO>CoO>FeO。(2)根據題表數據,可以得出TiF4的熔點最高,其晶體類型應該為離子晶體,其他三種鹵化物晶體類型應該為分子晶體,根據影響晶體熔點的因素,離子鍵強度大于分子間作用力,所以TiF4熔點最高,其他三種鹵化物隨相對分子質量的增大,分子間作用力增大,熔點逐漸升高。歸納總結不同晶體熔點高低的比較(1)看物質所屬晶體類型,一般情況下,晶體的熔點:共價晶體>離子晶體>分子晶體。(2)同類晶體熔點比較思路研專項前沿命題坐標參數、晶胞投影圖的分析與應用

題型考查內容非選擇題考查知識考查原子坐標參數(或分數坐標),結合晶胞投影圖推測晶胞的結構,并進行相關計算核心素養證據推理與模型認知考向1確定原子的分數坐標例1.(1)(2021山東卷,16節選)XeF2晶體屬四方晶系,晶胞參數如圖所示,晶胞棱邊夾角均為90°,該晶胞中有

個XeF2分子。以晶胞參數為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置,稱為原子的分數坐標,如A點原子的分數坐標為

。已知Xe—F鍵長為rpm,則B點原子的分數坐標為

;晶胞中A、B間距離d=

pm。

(2)(2020山東卷,17節選)以晶胞參數為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置,稱作原子的分數坐標。四方晶系CdSnAs2的晶胞結構如圖所示,晶胞棱邊夾角均為90°,晶胞中部分原子的分數坐標如下表所示。坐標xyzCd000Sn000.5As0.250.250.125一個晶胞中有

個Sn,找出距離Cd(0,0,0)最近的Sn

(用分數坐標表示)。CdSnAs2晶體中與單個Sn鍵合的As有

個。

思路指導(1)(2)解析

(2)坐標原點是黑球Cd(0,0,0),又知晶體的化學式為CdSnAs2,結合晶胞結構推知,Sn是白球,As是灰球。有4個Sn位于棱上(折合為1個),另外有6個Sn位于面上(折合為3個),共4個Sn。距離Cd(0,0,0)最近的Sn有兩個,分數坐標分別為(0.5,0,0.25)、(0.5,0.5,0)。觀察圖中白球和灰球的關系,可知與單個Sn結合的As有4個。(2)4

(0.5,0,0.25)、(0.5,0.5,0)

4突破方法“三步法”確定晶胞中原子的分數坐標針對訓練1.(2022山東濟南高三模擬)CsSiB3O7屬正交晶系(長方體形)。晶胞參數為apm、bpm、cpm。下圖為沿y軸投影的晶胞中所有Cs原子的分布圖和原子坐標。據此推斷該晶胞中Cs原子的數目為

。CsSiB3O7的摩爾質量為Mg·mol-1,設NA為阿伏加德羅常數的值,則CsSiB3O7晶體的密度為

g·cm-3(用代數式表示)。

解析

原子坐標為(0.5,0.2,0.5)的Cs原子位于晶胞體內,原子坐標為(0,0.3,0.5)及(1.0,0.3,0.5)的Cs原子分別位于晶胞的左側面、右側面上,原子坐標為(0.5,0.8,1.0)及(0.5,0.8,0)的Cs原子分別位于晶胞的上底面、下底面,原子坐標為(0,0.7,1.0)、(1.0,0.7,1.0)、(0,0.7,0)及(1.0,0.7,0)的Cs原子位于晶胞平2.(2021山東各地模擬節選)(1)ZnGeP2晶胞結構如圖所示。①Ge的配位數為

,以Ge為頂點的晶胞中,Zn