2020年高考化学一轮总复习文档：第十二章第38讲晶体结构与性质 学案

第38讲　晶体结构与性质

1.晶体和晶胞

(1)晶体与非晶体

(2)获得晶体的三条途径

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概念：描述晶体结构的基本单元。

②晶体与晶胞的关系：数量巨大的晶胞“无隙并置”构成晶体。

③晶胞中粒子数目的计算——均摊法：如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。

2．四种类型晶体的比较

3．离子晶体的晶格能

(1)定义：气态离子形成1摩尔离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：kJ·mol－1。

(2)影响因素

①离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越大。

②离子的半径：离子的半径越小，晶格能越大。

(3)与离子晶体性质的关系

晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大。

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。

(1)具有规则几何外形的固体一定是晶体。(×)

错因：自发地呈现多面体外形的才是晶体，人为制造出的具有规则几何外形的固体如玻璃、木材、陶瓷等均不是晶体。

(2)冰中包含的作用力有范德华力、氢键和共价键。(√)

错因：__________________________________________________________

(3)区分晶体和非晶体最可靠的方法是测定其有无固定熔点。(×)

错因：区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体进行X­射线衍射实验。

(4)1 mol金刚石和SiO2中含有的共价键数目均为4NA。(×)

错因：1_mol金刚石含有的共价键数目为2NA。

(5)金刚石网状结构中，由共价键形成的碳原子环中，最小的环上有6个碳原子。(√)

错因：__________________________________________________________

(6)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。 (×)

错因：分子晶体硫、碘等的熔点比金属晶体汞的熔点高。

(7)碳有三种同素异形体：金刚石、石墨和C60，其熔点由高到低的顺序为：C60>金刚石>石墨。(×)

错因：石墨的熔点高于金刚石，金刚石的熔点又比C60的熔点高很多。

(8)通过X­射线衍射实验的方法可以区分晶体和非晶体。(√)

错因：__________________________________________________________

2．教材改编题

(据人教选修三P84 T4)下列各组物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是(　　)

A．Si和CO2   B．NaBr和O2

C．CH4和H2O   D．HCl和KCl

答案　C

考点　四类晶体的组成和性质

[典例1]　现有几组物质的熔点(℃)数据：

据此回答下列问题：

(1)由表格可知，A组熔点普遍偏高，据此回答：

①A组属于________晶体，其熔化时克服的粒子间的作用力是________。

②二氧化硅的熔点高于硅，是由于_______________________________。

③硼晶体的硬度与硅晶体相对比：________。

(2)B组晶体中存在的作用力是________，其共同的物理性质是________(填序号)，可以用________理论解释。

①有金属光泽　②导电性　③导热性　④延展性

(3)C组中HF熔点反常是由于____________________。

(4)D组晶体可能具有的性质是________(填序号)。

①硬度小　②水溶液能导电　③固体能导电　④熔融状态能导电

(5)D组晶体中NaCl、KCl、RbCl的熔点由高到低的顺序为________________，MgO晶体的熔点高于三者，其原因解释为_____________________________。

解析　(1)A组由非金属元素组成，熔点很高，属于原子晶体，熔化时需破坏共价键。由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔点高，硬度大。

(2)B组都是金属，存在金属键，具有金属晶体的性质，可以用电子气理论解释相关物理性质。

(3)C组卤化氢晶体属于分子晶体，HF熔点高是由于分子之间形成了氢键。

(4)D组是离子化合物，熔点高，具有离子晶体的性质。

(5)晶格能与离子电荷数和离子半径有关，电荷数越多，半径越小，晶格能越大，晶体熔点越高。

答案　(1)①原子　共价键　②O的原子半径小于Si的原子半径，Si—O键的键长小于Si—Si键的键长，Si—O键的键能大于Si—Si键的键能　③硼晶体大于硅晶体

(2)金属键　①②③④　电子气

(3)HF分子间能形成氢键　(4)②④

(5)NaCl>KCl>RbCl　MgO晶体为离子晶体，离子晶体中离子所带电荷数越多，半径越小，晶格能越大，熔点越高

名师精讲

(1)原子晶体一定含有共价键，而分子晶体可能不含共价键。

(2)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。

(3)原子晶体的熔点不一定比离子晶体高，如石英的熔点为1710 ℃，MgO的熔点为2852 ℃。

(4)金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高，如Na的熔点为97 ℃，尿素的熔点为132.7 ℃。

(5)同种晶体熔、沸点高低的比较

①原子晶体

→→→

如熔点：金刚石>碳化硅>硅。

②离子晶体

a．一般地说，离子所带的电荷数越多(主要因素)，离子半径越小，熔、沸点就越高，如熔点：Al2O3>MgO>NaCl>CsCl。

b．衡量离子晶体稳定性的物理量是晶格能。晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。

③分子晶体

a．具有氢键的分子晶体熔、沸点反常地高。如熔、沸点：H2O>H2Te>H2Se> H2S。

b．组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔点越高，如熔点：SnH4>GeH4>SiH4>CH4。

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，其熔点越高，如熔点：CO>N2。

d．对于有机物的同分异构体，支链越多，熔点越低。如熔点：CH2CH2CH3CH2CH3>

④金属晶体

金属原子半径越小，价电子数越多，其金属键越强，金属熔点越高，如熔点：Na<Mg<Al。

(6)晶体类型的几种判断方法

①依据晶体的熔点判断

a．离子晶体的熔点较高。

b．原子晶体熔点很高。

c．分子晶体熔点低。

d．金属晶体多数熔点高，但也有少数熔点相当低。

②依据导电性判断

a．固体不导电，熔融状态时能导电的晶体是离子晶体。

b．原子晶体一般为非导体。

c．分子晶体为非导体，而部分分子晶体中的物质(主要是酸和强极性非金属氢化物)溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子，也能导电。

d．金属晶体是电的良导体。

③依据硬度和机械性能判断

a．离子晶体硬度较大且脆。

b．原子晶体硬度大。

c．分子晶体硬度小且较脆。

d．金属晶体多数硬度大，但也有较低的，且具有延展性。

1．下面的排序不正确的是(　　)

A．熔点由高到低：Na>Mg>Al

B．硬度由大到小：金刚石>碳化硅>晶体硅

C．晶体熔点由低到高：CF4<CCl4<CBr4<CI4

D．晶格能由大到小：NaF>NaCl>NaBr>NaI

答案　A

解析　金属离子的电荷越多、半径越小，其熔点越高，则熔点由高到低为Al>Mg>Na，A错误；键长越短，其价键越强，硬度越大，键长C—C<C—Si<Si—Si，则硬度由大到小为金刚石>碳化硅>晶体硅，B正确；组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，范德华力越大，晶体的熔点越高，则晶体熔点由低到高顺序为CF4<CCl4 <CBr4 <CI4，C正确；电荷相同的离子，离子半径越小，晶格能越大，F、Cl、Br、I的离子半径由小到大，则晶格能：NaF>NaCl>NaBr>NaI，D正确。

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晶胞相同，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________。

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晶体中离子电荷数；且r(Mg2＋)<r(Na＋)、r(O2－)<r(Cl－)

(4)4  8

解析　(1)冰晶体、干冰晶体均为分子晶体，粒子间通过分子间作用力结合成晶体，Cu晶体中微粒间通过金属键结合形成晶体，MgO和CaCl2晶体中微粒之间通过离子键结合形成晶体。

(2)离子晶体的熔点与离子半径及离子所带电荷有关，离子半径越小，离子所带电荷越大，则离子晶体熔点越高。金刚石是原子晶体，熔点最高，冰、干冰均为分子晶体，冰中存在氢键，冰的熔点高于干冰。

(4)铜晶胞实际占有铜原子数用均摊法分析：8×＋6×＝4；氯化钙晶体中Ca2＋的配位数为8，Cl－的配位数为4。

考点　常见晶体模型与晶胞计算

[典例2]　(1)(2018·全国卷Ⅰ)①Li2O是离子晶体，其晶格能可通过图a的Born­Haber循环计算得到。

可知，Li原子的第一电离能为________kJ·mol－1，O===O 键键能为________kJ·mol－1，Li2O晶格能为________kJ·mol－1。

②Li2O具有反萤石结构，晶胞如图b所示，已知晶胞参数为0.4665 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)。

(2)(2017·全国卷Ⅱ)R的晶体密度为d g·cm－3，其立方晶胞参数为a nm，晶胞中含有y个

[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]单元，该单元的相对质量为M，则y的计算表达式为_______________________________________________________________。

(3)(2016·全国卷Ⅰ)锗(Ge)是典型的半导体元素，在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题：

①比较下列锗卤化物的熔点和沸点，分析其变化规律及原因__________________________________________________________________。

②晶胞有两个基本要素：

a．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________。

b．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＝565.76 pm，其密度为________________________g·cm－3(列出计算式即可)。

(4)(2016·全国卷Ⅱ)①单质铜及镍都是由________键形成的晶体；元素铜与镍的第二电离能分别为：ICu＝1958 kJ·mol－1、INi＝1753 kJ·mol－1，ICu>INi的原因是____________________________________________________________________。

②某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。

a．晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________。

b．若合金的密度为d g·cm－3，晶胞参数a＝______________nm。

解析　(1)①根据示意图可知Li原子的第一电离能是1040 kJ·mol－1÷2＝520 kJ·mol－1；0.5 mol氧气转化为氧原子时吸热249 kJ，所以O===O键键能是249 kJ·mol－1×2＝498 kJ·mol－1；根据晶格能的定义结合示意图可知Li2O的晶格能是2908 kJ·mol－1。

②根据晶胞结构可知锂全部在晶胞中，共计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·cm－3。

(2)晶胞的质量为d g·cm－3×(a×10－7 cm)3＝a3d×10－21 g，NA个该单元的质量为M g，则＝，故y＝。

(3)①对于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，熔、沸点越高。

②b.该晶胞中含有Ge的个数为8×＋6×＋4＝8，晶胞参数a即为晶胞边长，则有ρ＝＝ g·cm－3＝×107 g·cm－3。

(4)①金属单质形成的晶体均为金属晶体，金属晶体中只含有金属键。

②a.晶胞中含Cu原子数为×6＝3，含Ni原子数为×8＝1，两者数量比为3∶1；b.由题意可得：d＝，

解得a＝ ×107 nm。

答案　(1)①520　498　2908

②

(2)

(3)①GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是分子结构相似，分子量依次增大，分子间相互作用力逐渐增强

②a.　b.×107

(4)①金属　铜失去的是全充满的3d10电子，镍失去的是4s1电子

②a.3∶1　b. ×107

名师精讲

1．“均摊法”计算晶胞中的粒子数

(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。

名师精讲

2．晶胞中的有关物理量的计算

对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：a3×ρ×NA＝n×M，a表示晶胞的棱长，ρ表示密度，NA表示阿伏加德罗常数的值，n表示1 mol晶胞中所含晶体的物质的量，M表示晶体的摩尔质量。具体地有：

(1)晶胞质量＝晶胞占有的微粒的质量＝晶胞占有的微粒数×。

(2)空间利用率＝。

(3)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)。

①面对角线长＝a。

②体对角线长＝a。

③体心立方堆积4r＝a(r为原子半径)。

④面心立方堆积4r＝a(r为原子半径)。

(4)根据晶体晶胞的结构特点和有关数据，求算晶体的密度或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：

3. (2018·赣州模拟)某离子晶体的晶体结构中最小重复单元如图所示。A为阴离子，在正方体内，B为阳离子，分别在顶点和面心，则该晶体的化学式为(　　)

A．B2A  B．BA2  C．B7A4  D．B4A7

答案　B

解析　A在正方体内，晶胞中的8个A离子完全被这1个晶胞占有；B分别在顶点和面心，所以1个晶胞实际占有的B离子为8×＋6×＝4，则该晶体的化学式为BA2。

4．(2018·成都诊断)碳元素的单质有多种形式，如图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：

回答下列问题：

(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为________。

(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。

(3)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。

(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142 pm，而金刚石中C—C键的键长为154 pm。其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在________共价键，还有________键。

(5)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)。

答案　(1)同素异形体　(2)sp3　sp2　(3)分子　混合

(4)σ　σ　π(或大π或p­p π)

(5)8　　＝

解析　(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互称为同素异形体。

(2)金刚石中碳原子与相邻四个碳原子形成4个共价单键，C原子采取sp3杂化方式；石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合。

(3)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨的层内原子间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合，所以石墨属于混合晶体。

(5)由金刚石的晶胞结构可知，晶胞内部有4个C原子，面心上有6个C原子，顶点有8个C原子，晶胞中C原子数目为4＋6×＋8×＝8；若C原子半径为r，金刚石晶胞的边长为a，根据硬球接触模型，则正方体对角线长度的就是C—C键的键长，即a＝2r，所以r＝a，碳原子在晶胞中的空间占有率w＝＝＝。