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人教版2022届高中化学一轮复习 选修3 第3节 晶体结构与性质 课件
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这是一份人教版2022届高中化学一轮复习 选修3 第3节 晶体结构与性质 课件，共60页。PPT课件主要包含了必备知识自主预诊，关键能力考向突破，典型晶体模型，网络构建，核心速记，学科素养提升等内容，欢迎下载使用。
知识梳理1.晶体与非晶体(1)晶体与非晶体的比较。
(2)得到晶体的途径。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。(3)晶胞。①定义: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:所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
2.晶胞组成的计算——均摊法(1)原则。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,每个晶胞就占有这个原子的 。
(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非长方体晶胞中的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,每个六边形占顶点碳原子的 。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)具有规则几何外形的固体一定是晶体。( )(2)冰和固体碘晶体中相互作用力相同。( )(3)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。( )(4)通过X射线衍射实验的方法不能区分晶体和非晶体。( )(5)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。( )(6)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)×
2.如图甲、乙、丙是三种晶体的晶胞,则甲中x与y的个数比是 ,乙中a与b的个数比是 ,丙中有 个c和 个d。
答案 2∶1 1∶1 4 4
考向1 根据晶胞的结构求化学式、配位数、原子个数【典例1】 (1)(2020全国1,35节选)LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体,它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有 个。
电池充电时,LiFePO4脱出部分Li+,形成Li1-xFePO4,结构示意图如(b)所示,则x= ,n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。
(2)(2020全国2,35节选)CaTiO3的晶胞如图所示,其组成元素的电负性大小顺序是 ;金属离子与氧离子间的作用力为 ,Ca2+的配位数是 。
(3)(2019全国2,35节选)一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。
图中F-和O2-共同占据晶胞的上下底面位置,若两者的比例依次用x和1-x代表,则该化合物的化学式表示为 ;通过测定密度ρ和晶胞参数,可以计算该物质的x值,完成它们的关系表达式:ρ= g·cm-3。 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子分数坐标,例如图1中原子1的坐标为 ,则原子2和3的坐标分别为 、 。
(4)(2019全国3,35节选)NH4H2PO4和LiFePO4属于简单磷酸盐,而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐,如:焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如下图所示:
这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为 (用n代表磷原子数)。
(5)(2019江苏化学,21节选)一个Cu2O晶胞(见下图)中,铜原子的数目为 。
解析 (1)由题给信息知,图(a)LiFePO4的晶胞中,含有4个由O构成的正八面体(Fe存在于内部)和4个由O构成的正四面体(P存在于内部)。再由电池充电时,到图(c)全部变为FePO4,对比图(a)和(c)的差异可知,(a)图所示的LiFePO4的晶胞中,小球表示的即为Li+,其位于晶胞的8个顶点,4个侧面面心以及上、下底面各自的相对的两条棱心处,经计算一个晶胞中Li+的个数为 个;结合图(a)分别含有4个正八面体和4个正四面体,即一个晶胞中含有4个Fe和4个P,所以每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有4个。
对比(a)和(b)两个晶胞结构示意图可知,Li1-xFePO4相比于LiFePO4缺失一个面心的Li+以及一个棱心的Li+;结合前面的分析可知,LiFePO4晶胞的化学式为Li4Fe4P4O16,那么Li1-xFePO4晶胞的化学式为Li3.25Fe4P4O16,所以有
(2)根据Ca、Ti、O三种元素在周期表中的位置关系和电负性的变化规律可知电负性大小顺序为O>Ti>Ca。金属离子与氧离子之间的作用力是离子键。Ca2+的配位O2-位于12条棱上,Ca2+的配位数为12。(3)根据均摊法,晶胞中各原子的个数分别为
对点演练1碳、氮、氧、硫、氯和铝、铁、铜是中学化学中重要的元素,它们的单质和化合物在生活、生产中有广泛的应用。回答下列问题:(1)基态铜原子的价层电子排布式为 ;基态铝原子核外电子云形状有 (填名称)。 (2)C、H、O、N四种元素形成的丁二酮肟常用于检验Ni2+:在稀氨水介质中,丁二酮肟与Ni2+反应可生成鲜红色沉淀,其结构如图1所示。
①该结构中,碳原子之间的共价键类型是σ键,从轨道重叠方式来分析,碳、氮原子之间的共价键类型是 ;氮、镍原子之间形成的化学键是 。 ②该结构中,碳原子的杂化轨道类型为 。 (3)氮化铝是一种新型无机非金属材料,具有耐高温、耐磨等特性,立体构型如图2所示。铝的配位数为 。氮化铝的晶体类型是 。 (4)N和Cu形成的化合物的晶胞结构如图3所示,则该化合物的化学式为 。
答案 (1)3d104s1 球形、哑铃形(2)①σ键和π键 配位键 ②sp2、sp3(3)4 原子晶体 (4)Cu3N
解析 (1)Cu元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,其价层电子排布式为3d104s1。基态铝的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,电子占据s、p轨道,s轨道为球形,p轨道为哑铃形。(2)①1个双键是由1个σ键和1个π键组成的,所以碳、氮原子之间的共价键类型是σ键和π键;镍原子有空轨道,氮原子有孤电子对,因此二者之间形成配位键。②在该结构中有4个碳原子分别形成4个σ键,另外4个碳原子分别形成3个σ键和1个π键,因此杂化轨道类型分别是sp3和sp2。(3)由氮化铝的立体构型知,1个铝原子连接4个氮原子,则铝的配位数为4;根据氮化铝具有耐高温、耐磨等特性,推知它属于原子晶
易错警示 (1)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、面心原子依次被6、3、4、2个晶胞所共有。(2)在计算晶胞中粒子个数的过程中,不是任何晶胞都可用均摊法。
考向2 晶体密度和微粒间距离的计算【典例2】 (1)(2020全国2,35节选)一种立方钙钛矿结构的金属卤化物光电材料的组成为Pb2+、I-和有机碱离子CH3N ,其晶胞如图(b)所示,CaTiO3的晶胞如图(a)所示。其中Pb2+与图(a)中 的空间位置相同,有机碱CH3N 中,氮原子的杂化轨道类型是 ;若晶胞参数为a nm,则晶体密度为 g·cm-3(列出计算式)。
(2)(2020全国3,35节选)研究发现,氦硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm,α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。
氨硼烷晶体的密度ρ= g·cm-3(列出计算式,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(3)(2020山东化学,17节选)以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子的分数坐标。四方晶系CdSnAs2的晶胞结构如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。
一个晶胞中有 个Sn,找出距离Cd(0,0,0)最近的Sn (用分数坐标表示)。CdSnAs2晶体中与单个Sn键合的As有 个。
对点演练2(1)(2019全国1,35节选)图(a)是MgCu2的拉维斯结构,Mg以金刚石方式堆积,八面体空隙和半数的四面体空隙中,填入以四面体方式排列的Cu。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见,铜原子之间最短距离x= pm,镁原子之间最短距离y= pm。设阿伏加德罗常数的值为NA,则MgCu2的密度是 g·cm-3(列出计算表达式)。
(2)(2018全国2,35节选)FeS2晶体的晶胞如图(c)所示,晶胞边长为a nm、FeS2相对分子质量为M、阿伏加德罗常数的值为NA,其晶体密度的计算表达式为 g·cm-3;晶胞中Fe2+位于 所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为 nm。
(3)(2018全国1,35节选)①Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(d)的Brn-Haber循环计算得到。
可知,锂原子的第一电离能为 kJ·ml-1,O==O键键能为 kJ·ml-1,Li2O晶格能为 kJ·ml-1。
②Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(e)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,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)。
归纳总结 晶体结构的相关计算(1)晶胞计算公式(立方晶胞)。a3ρNA=nM(a为棱长;ρ为密度;NA为阿伏加德罗常数的数值;n为1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量;M为该粒子或特定组合的摩尔质量)。
(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)。
方法技巧 (1)计算晶体密度的方法。
(2)计算晶体中微粒间距离的方法。
知识梳理1.四种晶体类型的比较
3.混合型晶体——石墨晶体是一种典型的混合晶体。(1)石墨不同于金刚石,它的碳原子采取sp2杂化,形成平面六元并环结构。(2)石墨晶体是层状结构,层与层间没有化学键相连,是靠范德华力维系的。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体。( )(2)晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。( )(3)在分子晶体中一定有范德华力和化学键。( )(4)在NaCl晶体中,每个Na+周围与其距离最近的Na+有12个。( )(5)在CsCl晶体中,每个Cs+周围与其距离最近的Cl-有8个。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√
2.下图为几种晶体或晶胞的示意图。
请回答下列问题:(1)上述晶体中,粒子之间以共价键结合形成的晶体是 。 (2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为 。 (3)NaCl晶胞与MgO晶胞相似,NaCl晶体的晶格能 (填“大于”或“小于”)MgO晶体,原因是 。 (4)每个Cu晶胞中实际占有 个铜原子,CaCl2晶体中Ca2+的配位数为 。 (5)冰的熔点远高于干冰,除H2O是极性分子、CO2是非极性分子外,还有一个重要的原因是 。
答案 (1)金刚石晶体(2)金刚石、MgO、CaCl2、冰、干冰(3)小于 MgO晶体中离子的电荷数大于NaCl晶体中离子的电荷数,且r(Mg2+)
(5)SiI4:熔点120.5 ℃,沸点287.4 ℃,易水解: 。 (6)硼:熔点2 300 ℃,沸点2 550 ℃,硬度大: 。 (7)硒:熔点217 ℃,沸点685 ℃,溶于氯仿: 。 (8)锑:熔点630.74 ℃,沸点1 750 ℃,固体可导电: 。
答案 (1)原子晶体 (2)分子晶体 (3)分子晶体 (4)离子晶体 (5)分子晶体 (6)原子晶体 (7)分子晶体 (8)金属晶体解析 晶体的熔点高低、熔融态能否导电及溶解性等性质相结合是判断晶体类型的重要依据。原子晶体和离子晶体的熔点都很高或较高,两者最大的差异是熔融态的导电性不同。原子晶体熔融态一般不导电,离子晶体熔融时或其水溶液都能导电。原子晶体和分子晶体的区别则主要在于熔、沸点有很大差异。一般原子晶体和分子晶体熔融态时都不能导电。另外易溶于一些有机溶剂往往也是分子晶体的特征之一。金属晶体能导电。
对点演练1X和Y两种元素的核电荷数之和为22,X原子的核外电子数比Y的少6个。下列说法中不正确的是( )A.X的单质固态时为分子晶体B.Y的单质为原子晶体C.X与Y形成的化合物固态时为分子晶体D.X与碳形成的化合物固态时为分子晶体
答案 C 解析 由题意可知,X是O,Y是Si。固态O2及O与碳形成的化合物(CO、CO2)均为分子晶体,Si的单质为原子晶体,A、B、D正确;SiO2为原子晶体,C错误。
归纳总结 判断晶体类型的方法(1)主要是根据各类晶体的特征性质判断。熔、沸点低的物质为分子晶体;熔、沸点较高,且在水溶液中或熔融状态下能导电的物质为离子晶体;熔、沸点很高,不导电,不溶于一般溶剂的物质为原子晶体;能导电、传热,具有延展性的晶体为金属晶体。
(2)根据物质的类别判断。活泼金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)、气态氢化物、大多数非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体。常见的原子晶体中,单质有金刚石、晶体硅、晶体硼、锗(Ge)和灰锡(Sn)等,化合物有碳化硅、二氧化硅等。大多数金属单质与合金是金属晶体。
考向2 物质熔、沸点高低比较【典例2】 (2020河南六市第一次联考)第ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题:
(1)碳的一种单质的结构如图(a)所示。该单质的晶体类型为 ,依据电子云的重叠方式,原子间存在的共价键类型有 ,碳原子的杂化轨道类型为 。
(2)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单质碳原子组成的二维晶体。将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。下列判断错误的是 (填字母)。 A.石墨烯是一种强度很高的材料B.石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体C.石墨烯与石墨烷均为高分子化合物D.石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应
(3)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次 (填“升高”或“降低”),其原因是 。 (4)SiO2比CO2熔点高的原因是 。 (5)四卤化硅(SiX4)的沸点和二卤化铅(PbX2)的熔点如图(b)所示。
①SiX4的沸点按照F、Cl、Br、I次序升高的原因是 。 ②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律可推断,按照F、Cl、Br、I次序,PbX2中化学键的离子性 (填“增强”“不变”或“减弱”,下同),共价性 。
答案 (1)混合型晶体 σ键、π键 sp2 (2)C(3)升高 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(4)SiO2为原子晶体而CO2为分子晶体(5)①均为分子晶体,范德华力随相对分子质量增大而增大②减弱 增强
解析 (2)石墨烯单层原子间以共价键相结合,强度很高,A正确;石墨烯层与层之间有自由移动的电子,是电的良导体,而石墨烷中没有自由移动的电子,为绝缘体,B正确;石墨烯只含碳一种元素,为碳的单质,C错误;石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应,D正确。(5)①四卤化硅为分子晶体,沸点与相对分子质量有关,相对分子质量越大,沸点越高。F、Cl、Br、I的相对分子质量逐渐增大,则SiX4的沸点按照F、Cl、Br、I次序升高。②按F、Cl、Br、I的顺序,PbX2的熔点先降低后升高,其中PbF2为离子晶体,PbBr2、PbI2为分子晶体,所以按照F、Cl、Br、I次序,PbX2中化学键的离子性减弱、共价性增强。
对点演练2(1)(2020全国2,35节选)Ti的四卤化物熔点如下表所示,TiF4熔点高于其他三种卤化物,自TiCl4至TiI4熔点依次升高,原因是 。
(2)(2017全国1,35节选)K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子排布相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是 。
(3)(2017全国3,35改编)在CO2低压合成甲醇反应(CO2+3H2==CH3OH+H2O)所涉及的4种物质中,沸点从高到低的顺序为 ,原因是 。 (4)(2016全国3,37节选)GaF3的熔点高于1 000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是 。 (5)(2015·全国3,37改编)单质氧有两种同素异形体,其中沸点高的是 (填分子式),原因是 。
答案 (1)TiF4为离子化合物,熔点高,其他三种均为共价化合物,随相对分子质量的增大,分子间作用力增大,熔点逐渐升高(2)K的原子半径较大且价电子数较少,金属键较弱(3)H2O>CH3OH>CO2>H2 H2O与CH3OH均为极性分子,水中氢键比甲醇中多;CO2与H2均为非极性分子,CO2相对分子质量较大,范德华力较大(4)GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体(5)O3 O3相对分子质量较大,范德华力较大
归纳总结 比较物质熔、沸点高低的方法(1)首先看物质的状态,一般情况下,固体>液体>气体;二是看物质所属类型,一般是原子晶体>离子晶体>分子晶体(但是氧化铝的熔点大于晶体硅),类型相同时再根据同种类型晶体熔、沸点比较的规律进行判断。(2)同类型晶体熔、沸点比较的一般思路。原子晶体:共价键键能→键长→原子半径;分子晶体:分子间作用力→相对分子质量;离子晶体:离子键强弱→离子所带电荷数、离子半径。
1.晶体是由很多个晶胞堆积得到的。晶胞是晶体中最小的结构重复单元。2.晶胞中微粒个数的计算,其关键是正确分析晶胞中任意位置上的一个微粒被几个晶胞所共用。不同形状的晶胞,情况不同。3.通过分子间作用力相结合而形成的晶体叫分子晶体。 4.构成原子晶体的微粒是原子,其相互作用力是共价键。原子晶体中不存在单个分子,化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比的关系,而不是分子式。
5.金属键无方向性和饱和性。通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体,称为金属晶体。6.离子晶体是阴离子和阳离子通过离子键结合而形成的晶体。
物质结构与性质综合题难点突破素养解读对于《物质结构与性质》模块,在高考中学生的主要失分点在“分子结构与性质”和“晶体结构与性质”这两部分,这两部分内容比较抽象,要求学生有较强的理解能力和应用能力,主要考查学生的证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析等学科核心素养。
案例探究情境:铁、钴、镍三种元素的最外层都有2个4s电子,只是次外层的3d电子数不同,分别为6、7、8,它们的原子半径比较接近,所以它们的性质很相似,被称为铁系元素。由于第一过渡系列元素原子的电子填充过渡到第Ⅷ族时,3d电子已经超过5个,所以它们的价电子全部参加成键的可能性减少,因而铁系元素已经不再呈现出与族序数相当的最高化合价。一般情况下,铁的常见氧化态是+2价和+3价,与强氧化剂作用,铁可以生成不稳定的+6价氧化态的高铁酸盐。一般条件下,钴和镍的常见化合价都是+2价,与强氧化剂作用,钴可以生成不稳定的+3价,而镍的+3价则很少见。
【典例】 (2020湖北八校联考)铁、钴、镍并称铁系元素,性质具有相似性。(1)基态钴原子的核外电子排布式为 。 (2)铁氰化钾K3[Fe(CN)6]溶液可以检验Fe2+。1 ml CN-中含有π键的数目为 ,与CN-互为等电子体的分子有 ,铁氰化钾晶体中各种微粒间的相互作用不包括 。 a.离子键 b.共价键 c.配位键 d.金属键 e.氢键 f.范德华力
(3)纳米氧化钴可在室温下将甲醛(HCHO)完全催化氧化。甲醛分子的立体结构为 ,碳原子的杂化轨道类型为 。 (4)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同,Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69 pm和78 pm,则熔点NiO (填“<”或“>”)FeO,判断依据是 。
(5)某氮化铁的晶胞结构如图所示:
①原子坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置。如图晶胞中,原子坐标参数A为(0,0,0);B为 ( );C为(0,1,1)。则D原子的坐标参数为 。 ②若该晶体的密度是ρ g·cm-3,则晶胞中两个最近的Fe的核间距为 cm。(用含ρ的代数式表示,不必化简)
解析 (1)基态钴原子核外有27个电子,其电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2。(2)CN-中C、N之间以共价三键结合,根据1个三键中含有1个σ键和2个π键可知,1 ml CN-含有2NA个π键。K+、[Fe(CN)6]3-之间为离子键,Fe3+与CN-之间为配位键,CN-中C、N之间为共价键。
(3)HCHO的结构式为 ,碳原子上无孤电子对,立体结构为平面三角形,碳原子的杂化轨道数为3,杂化轨道类型为sp2杂化。(4)NiO、FeO都是离子晶体,氧离子半径相同,Ni2+半径比Fe2+半径小,半径越小,离子晶体的晶格能越大,熔点越高,故熔点为NiO>FeO。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2(2)2NA CO、N2 def(3)平面三角形 sp2杂化(4)> NiO、FeO都是离子晶体,氧离子半径相同,Ni2+半径比Fe2+半径小,所带电荷数相同的离子,其半径越小,离子晶体的晶格能越大,熔点越高
方法规律难点剖析1.判断σ键和π键及其个数共价单键全为σ键,双键中有一个σ键和一个π键,三键中有一个σ键和两个π键。
2.判断中心原子的杂化轨道类型(1)根据价层电子对数判断。
(3)根据等电子原理判断。等电子体不仅立体结构与化学键类型相同,中心原子的杂化轨道类型也相同。
3.判断分子或离子的立体结构(1)根据价层电子对互斥理论判断。(2)利用等电子原理判断陌生分子的立体结构。如N2O与CO2是等电子体,立体结构均为直线形,N2O的结构式也和CO2相似,为N==N==O。(3)根据中心原子的杂化方式判断,如:
③CH≡CH、BeCl2中碳原子、铍原子均为sp杂化,二者均为直线形结构。
4.晶体结构中的有关计算(1)根据晶体晶胞的结构特点确定晶体的化学式。晶胞中粒子数目的计算(均摊法)
注意:①当晶胞为六棱柱时,其顶点上的粒子被6个晶胞共用,每个粒子属于该晶胞的部分为 。
②审题时一定要注意是“分子结构”还是“晶胞结构”,若是分子结构,其化学式由图中所有实际存在的原子个数决定,且原子个数可以不互质(即原子个数比可以不约简)。
(2)根据晶体晶胞的结构特点和有关数据,求算晶体的密度、晶体晶胞的体积或晶胞参数a(晶胞边长)。对于立方晶胞,可建立如下求算途径:
得关系式:ρ= (a表示晶胞边长,ρ表示晶体密度,NA表示阿伏加德罗常数的值,n表示1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量,M表示摩尔质量)。
5.“原因解释”型试题解题模型
素养提升1.(2020山东潍坊二模)我国采用的Cu2O/TiO2–NaBiO3光催化氧化技术能深度净化工业含有机化合物的废水。回答下列问题:(1)钛(Ti)的基态原子M能层中能量不同的电子有 种。 (2)该技术能将含有机化合物废水中的农药、醇、油等有效降解为水、二氧化碳、硝酸根离子等小分子或离子。①H2O、CH3OH、 分子中O—H键的极性最强的是 。 ②C、N、O三种元素的电负性由大到小的顺序是 。
(3)将少量无水硫酸铜溶解在水中,形成蓝色溶液,再加入过量氨水,溶液变为深蓝色。深蓝色离子的结构如图所示,1 ml 该离子中所含σ键为 ml (包括配位键);向深蓝色溶液中缓慢加入乙醇,得到深蓝色晶体,加热该晶体先失去组分b的原因是 。
(4)铋合金具有凝固时不收缩的特性,用于铸造高精度铸型。金属铋的结构示意图如图1所示,其晶胞结构如图2所示。若铋原子的半径为r pm,则该晶体的密度为 g·cm-3(用含r和NA的数学表达式表示)。
解析 (1)钛(Ti)的基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2,M能层即为钛原子核外第三层,M能层中有3个能级,每个能级上的电子能量不同,则M能层能量不同的电子有3种。(2)①H2O、CH3OH、 都是极性分子,根据钠与水和醇的反应剧烈程度可知,水中的氢活性较大,更易电离,一般极性越大,越容易电离,则H2O中O—H的极性大于CH3OH中O—H的极性。水是中性液体,苯酚具有酸性,说明苯酚中羟基上的H比水更易电离,则分子中O—H的极性最强的是 。②C、N、O位于同周期,同周期主族元素,随核电荷数增大,电负性逐渐增强,三种元素的电负性由大到小的顺序是O>N>C。
(3)配位键和单键都是σ键,根据图示,a为铜离子,c为NH3,b为H2O,每个铜离子与NH3、H2O形成6个配位键,每个NH3中含有3个σ键,每个H2O中含有2个σ键,则1 ml该离子中所含σ键为1 ml ×(6+3×4+2×2)=22 ml;根据“相似相溶”的规律,乙醇为极性溶剂,H2O为极性分子,NH3与Cu2+的配位能力比H2O强,则乙醇将H2O夺走,降低了蓝色晶体的极性,则蓝色晶体的溶解度降低而析出。
2.(2020四川攀枝花模拟)含氮、磷的化合物如(CH3)3N、磷化硼(BP)、磷青铜(Cu3SnP)等在生活和生产中有许多重要用途。回答下列问题:
(1)锡(Sn)是第五周期第ⅣA元素。基态锡原子的价层电子排布式为 ,据此推测,锡的最高正化合价是 。 (2)与P同周期的主族元素中,电负性比P小的元素有 种,第一电离能比P大的元素有 种。 (3)PH3分子的立体结构为 。PH3的键角小于NH3的原因是 。
(4)化合物(CH3)3N能溶于水,试解析其原因: 。 (5)磷化硼是一种耐磨涂料,它可用作金属的表面保护层。磷化硼晶体晶胞如图a所示:
①在一个晶胞中磷原子空间堆积方式为 ,磷原子的配位数为 。 ②已知晶胞边长为a pm,阿伏加德罗常数的值为NA。则磷化硼晶体的密度为 g·cm-3。 ③磷化硼晶胞沿着体对角线方向的投影如图b,请将表示硼原子的圆圈涂黑。
答案 (1)5s25p2 +4价(2)4 1(3)三角锥形 电负性N>P,成键电子对离中心原子越近,成键电子对之间的排斥力越大,键角变大(4)(CH3)3N为极性分子且可与水分子间形成氢键(5)①面心立方最密堆积 4
解析 (1)锡(Sn)是第五周期第ⅣA族元素,则锡元素价电子排布式为5s25p2,最多可失去4个电子,所以锡的最高正化合价是+4价。(2)同周期主族元素,随着原子序数的增大,元素的电负性逐渐增大,与P同周期的主族元素有Na、Mg、Al、Si、S、Cl,比P电负性小的有Na、Mg、Al、Si,共有4种;同周期主族元素随着原子序数增大,元素的第一电离能呈增大趋势,磷原子的3p轨道半充满,电离能大于同周期相邻元素,则第一电离能比P大的只有氯元素1种。
(3)根据VSEPR理论,PH3的价层电子对数为3+ =4,VSEPR理论为正四面体,由于含有1个孤电子对,所以PH3的立体结构为三角锥形;由于电负性N>P,成键电子对离中心原子越近,成键电子对间斥力越大,键角越大,所以PH3的键角小于NH3。(4)化合物(CH3)3N能溶于水,是因为N与水中H形成氢键,增大了溶解度,且(CH3)3N本身也为极性分子,极性分子构成的物质易溶于由极性分子构成的物质中。
3.(2020山东济宁三模)多年来,储氢材料、光催化剂与硼酸盐材料的研究一直是材料领域的热点研究方向。回答下列问题:一种Ru络合物与g-C3N4符合光催化剂将CO2还原为HCOOH的原理,如图所示。
(2)基态碳原子的价层电子电子排布图为 ,HCOOH的沸点比CO2高的原因是 。
(3)2019年8月13日中国科学家合成了白光材料Ba2[Sn(OH)6][B(OH)4]2,[B(OH)4]-中B的价层电子对数为 ,[Sn(OH)6]2-中,Sn与O之间的化学键不可能是 。 a.π键 b.σ键c.配位键d.极性键
(4)镧镍合金是较好的储氢材料。储氢后所得晶体的化学式为LaNi5H6,晶胞结构如图所示,X、Y、Z表示储氢后的三种微粒,则图中Z表示的微粒为 (填化学式)。若原子分数坐标A为(0,0,0),则B(Y)的原子分数坐标为 ,已知LaNi5H6摩尔质量为440 g· ml -1,晶体密度为ρ g·cm-3,设NA为阿伏加德罗常数的值,则晶胞参数为a= pm(用代数式表示)。
(2)碳元素为6号元素,根据构造原理可写出基态碳原子的电子排布式为1s22s22p2,故基态碳原子的价层电子的电子排布图为 ;HCOOH和CO2都为分子晶体,但是HCOOH分子间可形成氢键,故HCOOH的沸点比CO2高。(3)[B(OH)4]-中硼原子连接四个羟基,其价层电子对数为4;[Sn(OH)6]2-的中心离子Sn4+与OH-之间形成配位键,配位键是一种特殊的共价键,则Sn与O之间形成的化学键属于σ键或极性键,不可能是π键。
知识梳理1.晶体与非晶体(1)晶体与非晶体的比较。
(2)得到晶体的途径。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。(3)晶胞。①定义: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:所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
2.晶胞组成的计算——均摊法(1)原则。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,每个晶胞就占有这个原子的 。
(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非长方体晶胞中的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,每个六边形占顶点碳原子的 。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)具有规则几何外形的固体一定是晶体。( )(2)冰和固体碘晶体中相互作用力相同。( )(3)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。( )(4)通过X射线衍射实验的方法不能区分晶体和非晶体。( )(5)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。( )(6)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)×
2.如图甲、乙、丙是三种晶体的晶胞,则甲中x与y的个数比是 ,乙中a与b的个数比是 ,丙中有 个c和 个d。
答案 2∶1 1∶1 4 4
考向1 根据晶胞的结构求化学式、配位数、原子个数【典例1】 (1)(2020全国1,35节选)LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体,它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有 个。
电池充电时,LiFePO4脱出部分Li+,形成Li1-xFePO4,结构示意图如(b)所示,则x= ,n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。
(2)(2020全国2,35节选)CaTiO3的晶胞如图所示,其组成元素的电负性大小顺序是 ;金属离子与氧离子间的作用力为 ,Ca2+的配位数是 。
(3)(2019全国2,35节选)一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。
图中F-和O2-共同占据晶胞的上下底面位置,若两者的比例依次用x和1-x代表,则该化合物的化学式表示为 ;通过测定密度ρ和晶胞参数,可以计算该物质的x值,完成它们的关系表达式:ρ= g·cm-3。 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子分数坐标,例如图1中原子1的坐标为 ,则原子2和3的坐标分别为 、 。
(4)(2019全国3,35节选)NH4H2PO4和LiFePO4属于简单磷酸盐,而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐,如:焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如下图所示:
这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为 (用n代表磷原子数)。
(5)(2019江苏化学,21节选)一个Cu2O晶胞(见下图)中,铜原子的数目为 。
解析 (1)由题给信息知,图(a)LiFePO4的晶胞中,含有4个由O构成的正八面体(Fe存在于内部)和4个由O构成的正四面体(P存在于内部)。再由电池充电时,到图(c)全部变为FePO4,对比图(a)和(c)的差异可知,(a)图所示的LiFePO4的晶胞中,小球表示的即为Li+,其位于晶胞的8个顶点,4个侧面面心以及上、下底面各自的相对的两条棱心处,经计算一个晶胞中Li+的个数为 个;结合图(a)分别含有4个正八面体和4个正四面体,即一个晶胞中含有4个Fe和4个P,所以每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有4个。
对比(a)和(b)两个晶胞结构示意图可知,Li1-xFePO4相比于LiFePO4缺失一个面心的Li+以及一个棱心的Li+;结合前面的分析可知,LiFePO4晶胞的化学式为Li4Fe4P4O16,那么Li1-xFePO4晶胞的化学式为Li3.25Fe4P4O16,所以有
(2)根据Ca、Ti、O三种元素在周期表中的位置关系和电负性的变化规律可知电负性大小顺序为O>Ti>Ca。金属离子与氧离子之间的作用力是离子键。Ca2+的配位O2-位于12条棱上,Ca2+的配位数为12。(3)根据均摊法,晶胞中各原子的个数分别为
对点演练1碳、氮、氧、硫、氯和铝、铁、铜是中学化学中重要的元素,它们的单质和化合物在生活、生产中有广泛的应用。回答下列问题:(1)基态铜原子的价层电子排布式为 ;基态铝原子核外电子云形状有 (填名称)。 (2)C、H、O、N四种元素形成的丁二酮肟常用于检验Ni2+:在稀氨水介质中,丁二酮肟与Ni2+反应可生成鲜红色沉淀,其结构如图1所示。
①该结构中,碳原子之间的共价键类型是σ键,从轨道重叠方式来分析,碳、氮原子之间的共价键类型是 ;氮、镍原子之间形成的化学键是 。 ②该结构中,碳原子的杂化轨道类型为 。 (3)氮化铝是一种新型无机非金属材料,具有耐高温、耐磨等特性,立体构型如图2所示。铝的配位数为 。氮化铝的晶体类型是 。 (4)N和Cu形成的化合物的晶胞结构如图3所示,则该化合物的化学式为 。
答案 (1)3d104s1 球形、哑铃形(2)①σ键和π键 配位键 ②sp2、sp3(3)4 原子晶体 (4)Cu3N
解析 (1)Cu元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,其价层电子排布式为3d104s1。基态铝的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,电子占据s、p轨道,s轨道为球形,p轨道为哑铃形。(2)①1个双键是由1个σ键和1个π键组成的,所以碳、氮原子之间的共价键类型是σ键和π键;镍原子有空轨道,氮原子有孤电子对,因此二者之间形成配位键。②在该结构中有4个碳原子分别形成4个σ键,另外4个碳原子分别形成3个σ键和1个π键,因此杂化轨道类型分别是sp3和sp2。(3)由氮化铝的立体构型知,1个铝原子连接4个氮原子,则铝的配位数为4;根据氮化铝具有耐高温、耐磨等特性,推知它属于原子晶
易错警示 (1)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、面心原子依次被6、3、4、2个晶胞所共有。(2)在计算晶胞中粒子个数的过程中,不是任何晶胞都可用均摊法。
考向2 晶体密度和微粒间距离的计算【典例2】 (1)(2020全国2,35节选)一种立方钙钛矿结构的金属卤化物光电材料的组成为Pb2+、I-和有机碱离子CH3N ,其晶胞如图(b)所示,CaTiO3的晶胞如图(a)所示。其中Pb2+与图(a)中 的空间位置相同,有机碱CH3N 中,氮原子的杂化轨道类型是 ;若晶胞参数为a nm,则晶体密度为 g·cm-3(列出计算式)。
(2)(2020全国3,35节选)研究发现,氦硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm,α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。
氨硼烷晶体的密度ρ= g·cm-3(列出计算式,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(3)(2020山东化学,17节选)以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子的分数坐标。四方晶系CdSnAs2的晶胞结构如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。
一个晶胞中有 个Sn,找出距离Cd(0,0,0)最近的Sn (用分数坐标表示)。CdSnAs2晶体中与单个Sn键合的As有 个。
对点演练2(1)(2019全国1,35节选)图(a)是MgCu2的拉维斯结构,Mg以金刚石方式堆积,八面体空隙和半数的四面体空隙中,填入以四面体方式排列的Cu。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见,铜原子之间最短距离x= pm,镁原子之间最短距离y= pm。设阿伏加德罗常数的值为NA,则MgCu2的密度是 g·cm-3(列出计算表达式)。
(2)(2018全国2,35节选)FeS2晶体的晶胞如图(c)所示,晶胞边长为a nm、FeS2相对分子质量为M、阿伏加德罗常数的值为NA,其晶体密度的计算表达式为 g·cm-3;晶胞中Fe2+位于 所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为 nm。
(3)(2018全国1,35节选)①Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(d)的Brn-Haber循环计算得到。
可知,锂原子的第一电离能为 kJ·ml-1,O==O键键能为 kJ·ml-1,Li2O晶格能为 kJ·ml-1。
②Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(e)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,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)。
归纳总结 晶体结构的相关计算(1)晶胞计算公式(立方晶胞)。a3ρNA=nM(a为棱长;ρ为密度;NA为阿伏加德罗常数的数值;n为1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量;M为该粒子或特定组合的摩尔质量)。
(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)。
方法技巧 (1)计算晶体密度的方法。
(2)计算晶体中微粒间距离的方法。
知识梳理1.四种晶体类型的比较
3.混合型晶体——石墨晶体是一种典型的混合晶体。(1)石墨不同于金刚石,它的碳原子采取sp2杂化,形成平面六元并环结构。(2)石墨晶体是层状结构,层与层间没有化学键相连,是靠范德华力维系的。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)由金属元素和非金属元素组成的晶体一定是离子晶体。( )(2)晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。( )(3)在分子晶体中一定有范德华力和化学键。( )(4)在NaCl晶体中,每个Na+周围与其距离最近的Na+有12个。( )(5)在CsCl晶体中,每个Cs+周围与其距离最近的Cl-有8个。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√
2.下图为几种晶体或晶胞的示意图。
请回答下列问题:(1)上述晶体中,粒子之间以共价键结合形成的晶体是 。 (2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为 。 (3)NaCl晶胞与MgO晶胞相似,NaCl晶体的晶格能 (填“大于”或“小于”)MgO晶体,原因是 。 (4)每个Cu晶胞中实际占有 个铜原子,CaCl2晶体中Ca2+的配位数为 。 (5)冰的熔点远高于干冰,除H2O是极性分子、CO2是非极性分子外,还有一个重要的原因是 。
答案 (1)金刚石晶体(2)金刚石、MgO、CaCl2、冰、干冰(3)小于 MgO晶体中离子的电荷数大于NaCl晶体中离子的电荷数,且r(Mg2+)
(5)SiI4:熔点120.5 ℃,沸点287.4 ℃,易水解: 。 (6)硼:熔点2 300 ℃,沸点2 550 ℃,硬度大: 。 (7)硒:熔点217 ℃,沸点685 ℃,溶于氯仿: 。 (8)锑:熔点630.74 ℃,沸点1 750 ℃,固体可导电: 。
答案 (1)原子晶体 (2)分子晶体 (3)分子晶体 (4)离子晶体 (5)分子晶体 (6)原子晶体 (7)分子晶体 (8)金属晶体解析 晶体的熔点高低、熔融态能否导电及溶解性等性质相结合是判断晶体类型的重要依据。原子晶体和离子晶体的熔点都很高或较高,两者最大的差异是熔融态的导电性不同。原子晶体熔融态一般不导电,离子晶体熔融时或其水溶液都能导电。原子晶体和分子晶体的区别则主要在于熔、沸点有很大差异。一般原子晶体和分子晶体熔融态时都不能导电。另外易溶于一些有机溶剂往往也是分子晶体的特征之一。金属晶体能导电。
对点演练1X和Y两种元素的核电荷数之和为22,X原子的核外电子数比Y的少6个。下列说法中不正确的是( )A.X的单质固态时为分子晶体B.Y的单质为原子晶体C.X与Y形成的化合物固态时为分子晶体D.X与碳形成的化合物固态时为分子晶体
答案 C 解析 由题意可知,X是O,Y是Si。固态O2及O与碳形成的化合物(CO、CO2)均为分子晶体,Si的单质为原子晶体,A、B、D正确;SiO2为原子晶体,C错误。
归纳总结 判断晶体类型的方法(1)主要是根据各类晶体的特征性质判断。熔、沸点低的物质为分子晶体;熔、沸点较高,且在水溶液中或熔融状态下能导电的物质为离子晶体;熔、沸点很高,不导电,不溶于一般溶剂的物质为原子晶体;能导电、传热,具有延展性的晶体为金属晶体。
(2)根据物质的类别判断。活泼金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)、气态氢化物、大多数非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体。常见的原子晶体中,单质有金刚石、晶体硅、晶体硼、锗(Ge)和灰锡(Sn)等,化合物有碳化硅、二氧化硅等。大多数金属单质与合金是金属晶体。
考向2 物质熔、沸点高低比较【典例2】 (2020河南六市第一次联考)第ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题:
(1)碳的一种单质的结构如图(a)所示。该单质的晶体类型为 ,依据电子云的重叠方式,原子间存在的共价键类型有 ,碳原子的杂化轨道类型为 。
(2)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单质碳原子组成的二维晶体。将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。下列判断错误的是 (填字母)。 A.石墨烯是一种强度很高的材料B.石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体C.石墨烯与石墨烷均为高分子化合物D.石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应
(3)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次 (填“升高”或“降低”),其原因是 。 (4)SiO2比CO2熔点高的原因是 。 (5)四卤化硅(SiX4)的沸点和二卤化铅(PbX2)的熔点如图(b)所示。
①SiX4的沸点按照F、Cl、Br、I次序升高的原因是 。 ②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律可推断,按照F、Cl、Br、I次序,PbX2中化学键的离子性 (填“增强”“不变”或“减弱”,下同),共价性 。
答案 (1)混合型晶体 σ键、π键 sp2 (2)C(3)升高 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(4)SiO2为原子晶体而CO2为分子晶体(5)①均为分子晶体,范德华力随相对分子质量增大而增大②减弱 增强
解析 (2)石墨烯单层原子间以共价键相结合,强度很高,A正确;石墨烯层与层之间有自由移动的电子,是电的良导体,而石墨烷中没有自由移动的电子,为绝缘体,B正确;石墨烯只含碳一种元素,为碳的单质,C错误;石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应,D正确。(5)①四卤化硅为分子晶体,沸点与相对分子质量有关,相对分子质量越大,沸点越高。F、Cl、Br、I的相对分子质量逐渐增大,则SiX4的沸点按照F、Cl、Br、I次序升高。②按F、Cl、Br、I的顺序,PbX2的熔点先降低后升高,其中PbF2为离子晶体,PbBr2、PbI2为分子晶体,所以按照F、Cl、Br、I次序,PbX2中化学键的离子性减弱、共价性增强。
对点演练2(1)(2020全国2,35节选)Ti的四卤化物熔点如下表所示,TiF4熔点高于其他三种卤化物,自TiCl4至TiI4熔点依次升高,原因是 。
(2)(2017全国1,35节选)K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子排布相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是 。
(3)(2017全国3,35改编)在CO2低压合成甲醇反应(CO2+3H2==CH3OH+H2O)所涉及的4种物质中,沸点从高到低的顺序为 ,原因是 。 (4)(2016全国3,37节选)GaF3的熔点高于1 000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是 。 (5)(2015·全国3,37改编)单质氧有两种同素异形体,其中沸点高的是 (填分子式),原因是 。
答案 (1)TiF4为离子化合物,熔点高,其他三种均为共价化合物,随相对分子质量的增大,分子间作用力增大,熔点逐渐升高(2)K的原子半径较大且价电子数较少,金属键较弱(3)H2O>CH3OH>CO2>H2 H2O与CH3OH均为极性分子,水中氢键比甲醇中多;CO2与H2均为非极性分子,CO2相对分子质量较大,范德华力较大(4)GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体(5)O3 O3相对分子质量较大,范德华力较大
归纳总结 比较物质熔、沸点高低的方法(1)首先看物质的状态,一般情况下,固体>液体>气体;二是看物质所属类型,一般是原子晶体>离子晶体>分子晶体(但是氧化铝的熔点大于晶体硅),类型相同时再根据同种类型晶体熔、沸点比较的规律进行判断。(2)同类型晶体熔、沸点比较的一般思路。原子晶体:共价键键能→键长→原子半径;分子晶体:分子间作用力→相对分子质量;离子晶体:离子键强弱→离子所带电荷数、离子半径。
1.晶体是由很多个晶胞堆积得到的。晶胞是晶体中最小的结构重复单元。2.晶胞中微粒个数的计算,其关键是正确分析晶胞中任意位置上的一个微粒被几个晶胞所共用。不同形状的晶胞,情况不同。3.通过分子间作用力相结合而形成的晶体叫分子晶体。 4.构成原子晶体的微粒是原子,其相互作用力是共价键。原子晶体中不存在单个分子,化学式仅仅表示的是物质中的原子个数比的关系,而不是分子式。
5.金属键无方向性和饱和性。通过金属阳离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体,称为金属晶体。6.离子晶体是阴离子和阳离子通过离子键结合而形成的晶体。
物质结构与性质综合题难点突破素养解读对于《物质结构与性质》模块,在高考中学生的主要失分点在“分子结构与性质”和“晶体结构与性质”这两部分,这两部分内容比较抽象,要求学生有较强的理解能力和应用能力,主要考查学生的证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析等学科核心素养。
案例探究情境:铁、钴、镍三种元素的最外层都有2个4s电子,只是次外层的3d电子数不同,分别为6、7、8,它们的原子半径比较接近,所以它们的性质很相似,被称为铁系元素。由于第一过渡系列元素原子的电子填充过渡到第Ⅷ族时,3d电子已经超过5个,所以它们的价电子全部参加成键的可能性减少,因而铁系元素已经不再呈现出与族序数相当的最高化合价。一般情况下,铁的常见氧化态是+2价和+3价,与强氧化剂作用,铁可以生成不稳定的+6价氧化态的高铁酸盐。一般条件下,钴和镍的常见化合价都是+2价,与强氧化剂作用,钴可以生成不稳定的+3价,而镍的+3价则很少见。
【典例】 (2020湖北八校联考)铁、钴、镍并称铁系元素,性质具有相似性。(1)基态钴原子的核外电子排布式为 。 (2)铁氰化钾K3[Fe(CN)6]溶液可以检验Fe2+。1 ml CN-中含有π键的数目为 ,与CN-互为等电子体的分子有 ,铁氰化钾晶体中各种微粒间的相互作用不包括 。 a.离子键 b.共价键 c.配位键 d.金属键 e.氢键 f.范德华力
(3)纳米氧化钴可在室温下将甲醛(HCHO)完全催化氧化。甲醛分子的立体结构为 ,碳原子的杂化轨道类型为 。 (4)NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同,Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69 pm和78 pm,则熔点NiO (填“<”或“>”)FeO,判断依据是 。
(5)某氮化铁的晶胞结构如图所示:
①原子坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置。如图晶胞中,原子坐标参数A为(0,0,0);B为 ( );C为(0,1,1)。则D原子的坐标参数为 。 ②若该晶体的密度是ρ g·cm-3,则晶胞中两个最近的Fe的核间距为 cm。(用含ρ的代数式表示,不必化简)
解析 (1)基态钴原子核外有27个电子,其电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2。(2)CN-中C、N之间以共价三键结合,根据1个三键中含有1个σ键和2个π键可知,1 ml CN-含有2NA个π键。K+、[Fe(CN)6]3-之间为离子键,Fe3+与CN-之间为配位键,CN-中C、N之间为共价键。
(3)HCHO的结构式为 ,碳原子上无孤电子对,立体结构为平面三角形,碳原子的杂化轨道数为3,杂化轨道类型为sp2杂化。(4)NiO、FeO都是离子晶体,氧离子半径相同,Ni2+半径比Fe2+半径小,半径越小,离子晶体的晶格能越大,熔点越高,故熔点为NiO>FeO。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2(2)2NA CO、N2 def(3)平面三角形 sp2杂化(4)> NiO、FeO都是离子晶体,氧离子半径相同,Ni2+半径比Fe2+半径小,所带电荷数相同的离子,其半径越小,离子晶体的晶格能越大,熔点越高
方法规律难点剖析1.判断σ键和π键及其个数共价单键全为σ键,双键中有一个σ键和一个π键,三键中有一个σ键和两个π键。
2.判断中心原子的杂化轨道类型(1)根据价层电子对数判断。
(3)根据等电子原理判断。等电子体不仅立体结构与化学键类型相同,中心原子的杂化轨道类型也相同。
3.判断分子或离子的立体结构(1)根据价层电子对互斥理论判断。(2)利用等电子原理判断陌生分子的立体结构。如N2O与CO2是等电子体,立体结构均为直线形,N2O的结构式也和CO2相似,为N==N==O。(3)根据中心原子的杂化方式判断,如:
③CH≡CH、BeCl2中碳原子、铍原子均为sp杂化,二者均为直线形结构。
4.晶体结构中的有关计算(1)根据晶体晶胞的结构特点确定晶体的化学式。晶胞中粒子数目的计算(均摊法)
注意:①当晶胞为六棱柱时,其顶点上的粒子被6个晶胞共用,每个粒子属于该晶胞的部分为 。
②审题时一定要注意是“分子结构”还是“晶胞结构”,若是分子结构,其化学式由图中所有实际存在的原子个数决定,且原子个数可以不互质(即原子个数比可以不约简)。
(2)根据晶体晶胞的结构特点和有关数据,求算晶体的密度、晶体晶胞的体积或晶胞参数a(晶胞边长)。对于立方晶胞,可建立如下求算途径:
得关系式:ρ= (a表示晶胞边长,ρ表示晶体密度,NA表示阿伏加德罗常数的值,n表示1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量,M表示摩尔质量)。
5.“原因解释”型试题解题模型
素养提升1.(2020山东潍坊二模)我国采用的Cu2O/TiO2–NaBiO3光催化氧化技术能深度净化工业含有机化合物的废水。回答下列问题:(1)钛(Ti)的基态原子M能层中能量不同的电子有 种。 (2)该技术能将含有机化合物废水中的农药、醇、油等有效降解为水、二氧化碳、硝酸根离子等小分子或离子。①H2O、CH3OH、 分子中O—H键的极性最强的是 。 ②C、N、O三种元素的电负性由大到小的顺序是 。
(3)将少量无水硫酸铜溶解在水中,形成蓝色溶液,再加入过量氨水,溶液变为深蓝色。深蓝色离子的结构如图所示,1 ml 该离子中所含σ键为 ml (包括配位键);向深蓝色溶液中缓慢加入乙醇,得到深蓝色晶体,加热该晶体先失去组分b的原因是 。
(4)铋合金具有凝固时不收缩的特性,用于铸造高精度铸型。金属铋的结构示意图如图1所示,其晶胞结构如图2所示。若铋原子的半径为r pm,则该晶体的密度为 g·cm-3(用含r和NA的数学表达式表示)。
解析 (1)钛(Ti)的基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2,M能层即为钛原子核外第三层,M能层中有3个能级,每个能级上的电子能量不同,则M能层能量不同的电子有3种。(2)①H2O、CH3OH、 都是极性分子,根据钠与水和醇的反应剧烈程度可知,水中的氢活性较大,更易电离,一般极性越大,越容易电离,则H2O中O—H的极性大于CH3OH中O—H的极性。水是中性液体,苯酚具有酸性,说明苯酚中羟基上的H比水更易电离,则分子中O—H的极性最强的是 。②C、N、O位于同周期,同周期主族元素,随核电荷数增大,电负性逐渐增强,三种元素的电负性由大到小的顺序是O>N>C。
(3)配位键和单键都是σ键,根据图示,a为铜离子,c为NH3,b为H2O,每个铜离子与NH3、H2O形成6个配位键,每个NH3中含有3个σ键,每个H2O中含有2个σ键,则1 ml该离子中所含σ键为1 ml ×(6+3×4+2×2)=22 ml;根据“相似相溶”的规律,乙醇为极性溶剂,H2O为极性分子,NH3与Cu2+的配位能力比H2O强,则乙醇将H2O夺走,降低了蓝色晶体的极性,则蓝色晶体的溶解度降低而析出。
2.(2020四川攀枝花模拟)含氮、磷的化合物如(CH3)3N、磷化硼(BP)、磷青铜(Cu3SnP)等在生活和生产中有许多重要用途。回答下列问题:
(1)锡(Sn)是第五周期第ⅣA元素。基态锡原子的价层电子排布式为 ,据此推测,锡的最高正化合价是 。 (2)与P同周期的主族元素中,电负性比P小的元素有 种,第一电离能比P大的元素有 种。 (3)PH3分子的立体结构为 。PH3的键角小于NH3的原因是 。
(4)化合物(CH3)3N能溶于水,试解析其原因: 。 (5)磷化硼是一种耐磨涂料,它可用作金属的表面保护层。磷化硼晶体晶胞如图a所示:
①在一个晶胞中磷原子空间堆积方式为 ,磷原子的配位数为 。 ②已知晶胞边长为a pm,阿伏加德罗常数的值为NA。则磷化硼晶体的密度为 g·cm-3。 ③磷化硼晶胞沿着体对角线方向的投影如图b,请将表示硼原子的圆圈涂黑。
答案 (1)5s25p2 +4价(2)4 1(3)三角锥形 电负性N>P,成键电子对离中心原子越近,成键电子对之间的排斥力越大,键角变大(4)(CH3)3N为极性分子且可与水分子间形成氢键(5)①面心立方最密堆积 4
解析 (1)锡(Sn)是第五周期第ⅣA族元素,则锡元素价电子排布式为5s25p2,最多可失去4个电子,所以锡的最高正化合价是+4价。(2)同周期主族元素,随着原子序数的增大,元素的电负性逐渐增大,与P同周期的主族元素有Na、Mg、Al、Si、S、Cl,比P电负性小的有Na、Mg、Al、Si,共有4种;同周期主族元素随着原子序数增大,元素的第一电离能呈增大趋势,磷原子的3p轨道半充满,电离能大于同周期相邻元素,则第一电离能比P大的只有氯元素1种。
(3)根据VSEPR理论,PH3的价层电子对数为3+ =4,VSEPR理论为正四面体,由于含有1个孤电子对,所以PH3的立体结构为三角锥形;由于电负性N>P,成键电子对离中心原子越近,成键电子对间斥力越大,键角越大,所以PH3的键角小于NH3。(4)化合物(CH3)3N能溶于水,是因为N与水中H形成氢键,增大了溶解度,且(CH3)3N本身也为极性分子,极性分子构成的物质易溶于由极性分子构成的物质中。
3.(2020山东济宁三模)多年来,储氢材料、光催化剂与硼酸盐材料的研究一直是材料领域的热点研究方向。回答下列问题:一种Ru络合物与g-C3N4符合光催化剂将CO2还原为HCOOH的原理,如图所示。
(2)基态碳原子的价层电子电子排布图为 ,HCOOH的沸点比CO2高的原因是 。
(3)2019年8月13日中国科学家合成了白光材料Ba2[Sn(OH)6][B(OH)4]2,[B(OH)4]-中B的价层电子对数为 ,[Sn(OH)6]2-中,Sn与O之间的化学键不可能是 。 a.π键 b.σ键c.配位键d.极性键
(4)镧镍合金是较好的储氢材料。储氢后所得晶体的化学式为LaNi5H6,晶胞结构如图所示,X、Y、Z表示储氢后的三种微粒,则图中Z表示的微粒为 (填化学式)。若原子分数坐标A为(0,0,0),则B(Y)的原子分数坐标为 ,已知LaNi5H6摩尔质量为440 g· ml -1,晶体密度为ρ g·cm-3,设NA为阿伏加德罗常数的值,则晶胞参数为a= pm(用代数式表示)。
(2)碳元素为6号元素,根据构造原理可写出基态碳原子的电子排布式为1s22s22p2,故基态碳原子的价层电子的电子排布图为 ;HCOOH和CO2都为分子晶体,但是HCOOH分子间可形成氢键,故HCOOH的沸点比CO2高。(3)[B(OH)4]-中硼原子连接四个羟基,其价层电子对数为4;[Sn(OH)6]2-的中心离子Sn4+与OH-之间形成配位键,配位键是一种特殊的共价键,则Sn与O之间形成的化学键属于σ键或极性键,不可能是π键。
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