2021-2022学年高中化学新人教版选择性必修2 第3章晶体结构与性质复习学案

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这是一份2021-2022学年高中化学新人教版选择性必修2 第3章晶体结构与性质复习学案，共6页。

第三章

主题整合·践行素养

以碳的同素异形体为例，复习晶体结构与性质

主题目标	1.以金刚石、石墨、C60等碳的同素异形体为载体，系统复习晶体的结构特征，晶胞及不同晶体类型的结构主要性质。 2．通过石墨烯、超分子等在生产、生活中的应用，培养学生的科学探究精神和创新意识。

金刚石、石墨、活性炭等是人们熟悉且应用广泛的碳的同素异形体，随着科技的进步，科学家陆续获得了C60、C30、石墨烯、碳纳米管等新材料，让我们通过碳的同素异形体感受物质的聚集状态对物质性质的影响、典型晶体的结构特性以及介于其间的过渡晶体、混合型晶体的结构与性质。

(1)碳的一种同素异形体—C60，又名足球烯，是一种高度对称的球碳分子。立方烷(分子式为C8H8，结构是立方体：)是比C60约早20年合成出的一种对称型烃类分子，而现如今已合成出立方烷与C60的一种复合型分子晶体，该晶体的晶胞结构如图①所示，立方烷分子填充在原C60晶体的分子间八面体空隙中。则该复合型分子晶体的组合用二者的分子式可表示为_____________________________________________________________。

(2)碳的另一种同素异形体石墨，其晶体结构如图②所示，则石墨晶胞含碳原子个数为________个。已知石墨的密度为ρ g·cm－3，C－C键键长为r cm，阿伏加德罗常数的值为NA，则石墨晶体的层间距为________cm(用含ρ、NA、r的式子表示)。

(3)金刚石和石墨的物理性质差异很大，其中熔点较高的是________，试从结构分析：________________________；硬度大的是________，试从结构分析：______________________________________________________________。

【解析】(1)晶胞中C60数目为8×＋6×＝4，立方烷分子填充在原C60晶体的分子间八面体空隙中，晶胞中立方烷数目为4，则该复合型分子晶体的组成可表示为C8H8·C60。(2)根据石墨的晶胞结构，设晶胞的底面边长为a cm，晶胞的高为h cm，层间距为d cm，则h＝2d，底面图为，则＝r×

sin 60°，可得a＝r，则底面面积为(r)2×sin60° cm2，晶胞中C原子数目为1＋2×＋8×＋4×＝4，晶胞质量为 g，则ρ g·cm－3＝

，整理可得d＝。(3)石墨为混合型晶体，金刚石为共价晶体，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，而金刚石硬度取决于碳碳共价键，所以硬度大的是金刚石。

答案：(1)C8H8·C60　(2)4　　(3)石墨　石墨为混合型晶体，金刚石为共价晶体，二者熔点均取决于碳碳共价键，前者键长短，则熔点高　金刚石　石墨硬度取决于分子间作用力，而金刚石硬度取决于碳碳共价键

应用实践·提升素养

1．在20世纪90年代末期，科学家发现并证明碳有新的单质形态C60存在，后来人们又相继得到了C70、C76、C84、C90、C94等另外一些球碳分子。21世纪初，科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰富了碳元素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是(　　)

A．金刚石和石墨的熔点肯定要比C60高

B．熔点比较：C60＜C70＜C90

C．球碳分子、管状碳分子、洋葱状碳分子都是分子晶体，都是碳的同素异形体

D．金刚石、石墨晶体属共价晶体；C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子均属分子晶体。两类不是同素异形体

【解析】选D。球碳分子为分子晶体，金刚石为共价晶体，石墨为混合型晶体，金刚石与石墨的熔点高于C60；相对分子量越大，熔点越高，故熔点：C60＜C70＜C90；球碳分子、管状碳分子、洋葱状碳分子都是分子晶体，都是碳的同素异形体；金刚石、石墨、C60、C70、管状碳分子、洋葱状碳分子都是碳的同素异形体。

2.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

【解析】(1)由图示可知，该单质为石墨，属于混合晶体，石墨晶体中，同层的一个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，六个碳原子在同一平面上形成了正六边形的环，同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，一个2p电子，形成大π键。

(2)选C。在石墨烯中，每个碳原子通过共价键结合，是一种强度很高的材料，A正确；石墨烯结构中碳原子形成三个共价键，原子核外存在一个未成键的电子，通过定向移动导电，而石墨烷原子核外不存在未成键的电子，不导电，B正确；石墨烯为单质，石墨烷为高分子化合物，C错误；石墨烯与H2发生加成反应生成石墨烷，D正确。

答案：(1)混合型晶体　σ键、π键　sp2　(2)C

3．2019年诺贝尔化学奖授予美、英、日三位化学家，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。铋化锂被认为是很有潜力的正极材料，晶胞结构如图所示。

(1)晶胞可以看作是由铋原子构成的面心立方晶胞，锂原子填充在其中的四面体和八面体空隙处。晶体的化学式为______________________，图中铋原子坐标参数：A为(0，0，0)，B为(0，1，1)，C为________。

(2)若晶胞参数为a nm，则铋原子的半径为______nm，八面体间隙中的锂原子与四面体间隙中的锂原子之间的最短距离为________nm。

【解析】(1)Bi位于顶点和面心，个数为8×＋6×＝4，Li(1)位于棱上和体心，个数为12×＋1＝4，Li(2)位于体内，个数为8， Bi、Li个数比为4∶(8＋4)＝1∶3，故晶体的化学式为BiLi3。C处于侧面的面心，原子坐标参数为(，1，)。(2)Bi为面心立方堆积，设Bi的原子半径为x nm，则4x＝a，解得x＝a。八面体空隙中锂原子与四面体间隙中的锂原子之间的最短距离为体对角线距离的，即a。