第三节 晶体结构与性质（考点考法剖析）-【高考引领教学】高考化学一轮针对性复习方案（全国通用）

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第三节　晶体结构与性质【必备知识要求】1.了解原子晶体的特征,能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。2.了解分子晶体结构与性质的关系。3.了解晶体的类型,了解不同类型晶体中结构微粒、微粒间作用力的区别。4.理解金属键的含义,能用金属键理论解释金属的一些物理性质。了解金属晶体常见的堆积方式。5.理解离子键的形成,能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。6.了解晶胞的概念,能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算。7.了解晶格能的概念,了解晶格能对离子晶体性质的影响。【关键能力及高考要求】关键能力要求：理解辨析能力、分析推理能力、微观想象能力、探究创新能力。高考要求：高考对本节内容的考查主要从两方面切入：1.有关晶胞的计算，晶胞中粒子数目的计算；2.晶体微粒间的相互作用力以及物理性质的比较。3.主要涉及常见晶体的构型、金属晶体的堆积模型、晶体结构与性质。 【学科核心素养解析】1.宏观辨识与微观探析:认识晶胞及晶体的类型，能从不同角度分析晶体的组成微粒、结构特点，能从宏观和微观相结合的角分析与解决实际问题。2证据推理与模型认知:能运用典型晶体模型判断晶体的结构特点及组成并进行相关计算。3.变化观念与平衡思想:认识不同晶体类型的特点，能从多角度、动态地分析不同晶体的组成及相应物质的性质。必备知识点1 晶体与晶胞一.晶体与非晶体(1)晶体与非晶体比较 晶体非晶体结构特征结构微粒在三维空间里呈周期性有序排列结构微粒无序排列续表性质特征自范性有无熔点固定不固定异同表现各向异性无各向异性二者区别方法间接方法看是否有固定的熔点科学方法对固体进行X-射线衍射实验(2)获得晶体的途径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。二、晶胞1.概念:描述晶体结构的基本单元。2.晶体中晶胞的排列——无隙并置（1）无隙:相邻晶胞之间没有任何间隙;（2）并置:所有晶胞平行排列、取向相同。3.晶胞叁数：晶胞的长、宽、高等统称为晶胞叁数4.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,每个晶胞对这个原子分得的份额就是。（2）方法a.长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算,如图:b.非长方体:视具体情况而定,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,如三棱柱:六棱柱【知识理解提点】1.判断晶体类型的5种方法(1)依据构成晶体的粒子和粒子间的作用判断①离子晶体的构成粒子是阴、阳离子，粒子间的相互作用是离子键。②原子晶体(共价晶体)的构成粒子是原子，粒子间的相互作用是共价键。③分子晶体的构成粒子是分子，粒子间的相互作用为分子间作用力。④金属晶体的构成粒子是金属阳离子和自由电子，粒子间的相互作用是金属键。(2)依据物质的类别判断①活泼金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。②大多数非金属单质(除金刚石、石墨、晶体硅等)、气态氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。③常见的原子晶体(共价晶体)单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的原子晶体(共价晶体)化合物有碳化硅、二氧化硅等。④金属单质与合金是金属晶体。(3)依据晶体的熔点判断①离子晶体的熔点较高，常在数百至一千摄氏度以上。②原子晶体(共价晶体)熔点高，常在一千至几千摄氏度。③分子晶体熔点低，常在数百摄氏度以下至很低温度。④金属晶体多数熔点高，但也有相当低的，如汞。(4)依据导电性判断①离子晶体水溶液或熔融态时能导电。②原子晶体(共价晶体)一般为非导体。③分子晶体为非导体，而分子晶体中的电解质(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离子也能导电。④金属晶体是电的良导体。(5)依据硬度和机械性能判断①离子晶体的硬度较大或略硬而脆。②原子晶体(共价晶体)的硬度大。③分子晶体的硬度小且较脆。④金属晶体多数硬度大，但也有硬度较小的，且具有延展性。【惑点辨析】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.晶体内部的微粒按一定规律周期性地排列。(　　)3.晶体的熔点一定比非晶体的熔点高。(　　)4.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。(　　)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.晶胞是晶体中的最小的“平行六面体”。(　　)7.立方晶胞中,顶点上的原子被4个晶胞共用。(　　)8.区分晶体和非晶体最可靠的方法是测定其有无固定熔、沸点。(　　)【夯基例析·跟踪演练】【基础例析】常见晶体的比较与晶体类型判断例1.（2022·山西省长治市六中模拟）现有几组物质的熔点(℃)数据：A组B组C组D组金刚石：3 550 ℃Li：181 ℃HF：－83 ℃NaCl：801 ℃硅晶体：1 410 ℃Na：98 ℃HCl：－115 ℃KCl：776 ℃硼晶体：2 300 ℃K：64 ℃HBr：－89 ℃RbCl：718 ℃二氧化硅：1 723 ℃Rb：39 ℃HI：－51 ℃CsCl：645 ℃据此回答下列问题：(1)A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是________。(2)B组晶体共同的物理性质是________(填序号)。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组晶体的熔点由高到低的顺序为NaCl>KCl>RbCl>CsCl，其原因为____________________。 【跟踪演练】1.(2022·江苏省泗阳县众兴中学月考)下列各组物质的晶体中，化学键类型相同、晶体类型、物质发生状态变化所克服的粒子间的相互作用也相同的是(　　)A．SO3和HCl B．KCl和MgC．NaCl和H2O D．CCl4和SiO2必备知识点2 四类晶体的组成和性质一．四种晶体类型比较类型比较　　分子晶体原子晶体金属晶体离子晶体构成粒子分子原子金属阳离子和自由电子阴、阳离子粒子间的相互作用力分子间作用力共价键金属键离子键硬度较小很大有的很大，有的很小较大熔、沸点较低很高有的很高，有的很低较高溶解性相似相溶难溶于任何溶剂常见溶剂难溶大多易溶于水等极性溶剂导电、传热性一般不导电，溶于水后有的导电一般不具有导电性电和热的良导体晶体不导电，水溶液或熔融态导电二、.离子晶体的晶格能1.定义气态离子形成1 mol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。三、晶体熔、沸点的比较1.不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：原子晶体＞离子晶体＞分子晶体。2.相同类型晶体①金属晶体：金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属熔、沸点就越高。②离子晶体：a.晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，熔点越高，硬度越大。b.阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，熔、沸点就越高。③原子晶体：原子半径越小，键长越短，熔沸点越高。④分子晶体：组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔、沸点越高。【知识理解提点】1.不同类型晶体熔、沸点的比较(1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律:原子晶体>离子晶体>分子晶体。(2)金属晶体的熔、沸点差别很大,如钨、铂等熔、沸点很高,汞、铯等熔、沸点很低。2.同种晶体类型熔、沸点的比较(1)原子晶体原子半径越小→键长越短→键能越大→熔、沸点越高。如熔点:金刚石>碳化硅>硅。(2)离子晶体①一般地说,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用力就越强,其离子晶体的熔、沸点就越高,如熔点:MgO>NaCl>CsCl。②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、沸点越高,硬度越大。(3)分子晶体①分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高;具有氢键的分子晶体熔、沸点反常得高,如H2O>H2Te>H2Se>H2S。②组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔、沸点越高,如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。③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、沸点越高,如CO>N2、CH3OH>CH3CH3。④同分异构体支链越多,熔、沸点越低。如CH3CH2CH2CH2CH3>CH3CH(CH3)CH2CH3>CH3C(CH3)2CH3。(4)金属晶体金属离子半径越小,离子电荷数越多,其金属键越强,金属熔、沸点就越高,如熔、沸点:Na<Mg<Al。【惑点辨析】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.原子晶体一定含有共价键,而分子晶体可能不含共价键。(　　)3.晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。(　　)4.由原子形成的晶体一定是原子晶体。(　　)5.分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。(　　)6.原子晶体的熔点一定比离子晶体高。(　　)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。(　　)8.某晶体的熔点为112.8 ℃,溶于CS2、CCl4等溶剂,可推出该晶体可能为分子晶体。(　　)【夯基例析·跟踪演练】【基础例析】晶体熔沸点高低的比较例2.(2022·内蒙古通辽高三月考)下列数据是对应物质的熔点，有关的判断错误的是(　　)Na2ONaAlF3AlCl3Al2O3BCl3CO2SiO2920 ℃97.8 ℃1291 ℃190 ℃2073 ℃－107 ℃－57 ℃1723 ℃A.Na2O、AlF3是离子晶体；AlCl3、BCl3是分子晶体B．同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体C．Al2O3熔点高于AlF3，因为Al2O3晶格能大于AlF3D．在上面涉及的共价化合物分子中各原子都形成8电子结构 【跟踪演练】2.下列物质熔、沸点的高低顺序正确的是  A．金刚石>晶体硅>二氧化硅>碳化硅 B．HI＞HBr＞HCl＞HFC．邻羟基苯甲酸> 对羟基苯甲酸 D．CH3CH2CH2CH2CH3>CH3C(CH3)2CH3 必备知识点3 晶体中粒子间距离、晶体密度的计算五类晶体结构模型及计算晶体晶体结构晶体详解原子晶体金刚石(1)每个碳与相邻4个碳以共价键结合,形成正四面体结构(2)键角均为109°28′(3)最小碳环由6个C组成且六个原子不在同一平面内(4)每个C参与4条C—C键的形成,C原子数与C—C键数之比为1∶2二氧化硅SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个硅原子成键，最小的环是十二元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子，1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。分子晶体干冰(1)8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子(2)每个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有12个冰冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1 mol H2O的冰中，最多可形成2 mol“氢键”。离子晶体NaCl(型)(1)每个Na+(Cl-)周围等距且紧邻的Cl-(Na+)有6个。每个Na+周围等距且紧邻的Na+有12个(2)每个晶胞中含4个Na+和4个Cl-CsCl(型)(1)每个Cs+周围等距且紧邻的Cl-有8个,每个Cs+(Cl-)周围等距且紧邻的Cs+(Cl-)有6个(2)如图为8个晶胞,每个晶胞中含1个Cs+、1个Cl-金属晶体简单立方堆积典型代表Po,配位数为6,空间利用率52%，原子半径(r)和晶胞边长(a)的关系：2r＝a面对角线长=a、体对角线长=a一个晶胞内原子数目：1面心立方最密堆积又称为A1型或铜型,典型代表Cu、Ag、Au,配位数为12,空间利用率74%，原子半径(r)和晶胞边长(a)的关系：2r＝一个晶胞内原子数目：4体心立方堆积又称为A2型或钾型,典型代表Na、K、Fe,配位数为8,空间利用率68%，原子半径(r)和晶胞边长(a)的关系：2r＝一个晶胞内原子数目：2六方最密堆积又称为A3型或镁型,典型代表Mg、Zn、Ti,配位数为12,空间利用率74%，一个晶胞内原子数目：2混合晶体石墨(1)石墨层状晶体中,层与层之间的作用是范德华力(2)平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2,碳原子采取的杂化方式是sp2(3)每层中存在σ键和π键(4)C—C的键长比金刚石的C—C键长短,熔点比金刚石的高(5)硬度不大、有滑腻感、能导电【知识理解提点】1.金属键：金属阳离子与自由电子之间的作用。2.金属晶体的物理性质及解释3.(1)判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时，要注意运用三维想象法。如NaCl晶体中，Na＋周围的Na＋数目(Na＋用“○”表示)：每个面上有4个，共计12个。(2)常考的几种晶体主要有干冰、冰、金刚石、SiO2、石墨、CsCl、NaCl、K、Cu等，要熟悉以上代表物的空间结构。当题中信息给出与某种晶体空间结构相同时，可以直接套用某种结构。4.晶体密度及微粒间距离的计算(1)计算晶体密度的方法以一个晶胞为研究对象，根据m＝ρ·V，其一般的计算规律和公式可表示为：×n＝ρ×a3，其中M为晶体的摩尔质量，n为晶胞所占有的粒子数，NA为阿伏加德罗常数，ρ为晶体密度，a为晶胞参数。(2)计算晶体中微粒间距离的方法【惑点辨析】判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。1.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。(　　)2.氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等的Na+共有6个。(　　)3.氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl-。(　　)4.NiO具有与氯化钠晶胞相似的结构,则Ni和O的配位数均为12。(　　)【夯基例析·跟踪演练】【基础例析】晶胞组成的计算 例3.(2022·防城港市期中检测)氢气是重要而洁净的能源，要利用氢气作能源，必须安全有效地储存氢气。有报道称某种合金材料有较大的储氢容量，其晶体结构的最小单元如图所示。则这种合金的化学式为(　　)A．LaNi3                   B．LaNi4                 C．LaNi5            D．LaNi6 【跟踪演练】3.（2022·泰安市·山东宁阳县一中）最近发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性，因这三种元素都是常见元素，从而引起广泛关注。该新型超导晶体的一个晶胞如上图所示，则该晶体的化学式为（   ）A．Mg2CNi3 B．MgCNi2C．MgCNi3 D．MgC2Ni 【基础例析】晶体密度及粒子间距的计算例4．Cu与F形成的化合物的晶胞结构如下图所示，若晶体密度为a g·cm－3，则Cu与F最近距离为_______________________________________pm。(NA表示阿伏加德罗常数的值，列出计算表达式，不用化简；图中为Cu，为F) 【跟踪演练】4.CaF2主要用于冶金、化工和建材三大行业。其晶胞结构如下图所示，若晶体密度为，则Ca2+间最近的距离为___________nm。 【高考应用】高频考点1据原子个数比进行判断1.书写化学式：计算晶胞中原子个数比，确定化学式2.判断质点是什么微粒：已知化学式，确定各质点是什么微粒3.判断晶体中，同一晶胞中与阳离子连接最近且等距的阴离子的-数目，即配位数。与配合物中的配位数不同。高频考点2据晶胞计算1.计算密度：公式可表示为：×n＝ρ×a3，其中M为晶体的摩尔质量，n为晶胞所占有的粒子数，NA为阿伏加德罗常数，ρ为晶体密度，a为晶胞参数。2.计算空间占有率：(1)空间利用率=×100%。(2)密度公式应用中的易错点:一是漏掉NA;二是忽略pm、cm、m等不同单位间的换算。(3)在没给出晶胞模型时,要同熟悉的晶胞结构类比,3.微粒间的距离4.晶体的摩尔体积【高考实例】例1. （2022年广东省高考试题）硒()是人体必需微量元素之一，含硒化合物在材料和药物领域具有重要应用。自我国科学家发现聚集诱导发光()效应以来，在发光材料、生物医学等领域引起广泛关注。一种含的新型分子的合成路线如下：（6）我国科学家发展了一种理论计算方法，可利用材料的晶体结构数据预测其热电性能，该方法有助于加速新型热电材料的研发进程。化合物X是通过该方法筛选出的潜在热电材料之一，其晶胞结构如图1，沿x、y、z轴方向的投影均为图2。①X的化学式为_______。②设X的最简式的式量为，晶体密度为，则X中相邻K之间的最短距离为_______(列出计算式，为阿伏加德罗常数的值)。 【考点演练】1．（2021·湖南高考试题）硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。回答下列问题：（3）下图是、、三种元素形成的某化合物的晶胞示意图。①已知化合物中和的原子个数比为1：4，图中Z表示_______原子(填元素符号)，该化合物的化学式为_______；②已知该晶胞的晶胞参数分别为anm、bnm、cnm，，则该晶体的密度_______(设阿伏加德罗常数的值为，用含A．B．C．的代数式表示)。 2．（2021·全国甲卷试题）我国科学家研发的全球首套千吨级太阳能燃料合成项目被形象地称为“液态阳光”计划。该项目通过太阳能发电电解水制氢，再采用高选择性催化剂将二氧化碳加氢合成甲醇。回答下列问题：（4）我国科学家发明了高选择性的二氧化碳加氢合成甲醇的催化剂，其组成为ZnO/ZrO2固溶体。四方ZrO2晶胞如图所示。Zr4+离子在晶胞中的配位数是________，晶胞参数为a pm、a pm、c pm，该晶体密度为______g·cm-3（写出表达式）。在ZrO2中掺杂少量ZrO后形成的催化剂，化学式可表示为ZnxZr1-xOy，则y=________（用x表达）。 【高考实例】例2．（2021·全国乙卷试题）过渡金属元素铬是不锈钢的重要成分，在工农业生产和国防建设中有着广泛应用。回答下列问题：（4）在金属材料中添加颗粒，可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。具有体心四方结构，如图所示，处于顶角位置的是_______原子。设Cr和Al原子半径分别为和，则金属原子空间占有率为_______%(列出计算表达式)。 【考点演练】3.（2022年全国高考甲卷) 2008年北京奥运会的“水立方”，在2022年冬奥会上华丽转身为“冰立方”，实现了奥运场馆的再利用，其美丽的透光气囊材料由乙烯(CH2=CH2)与四氟乙烯(CF2=CF2)的共聚物(ETFE)制成。回答下列问题：（5）萤石(CaF2)是自然界中常见的含氟矿物，其晶胞结构如图所示，X代表的离子是_______；若该立方晶胞参数为a pm，正负离子的核间距最小为_______pm。 4.（2022年普通高等学校招生全国统一考试(全国乙卷)） 卤素单质及其化合物在科研和工农业生产中有着广泛的应用。回答下列问题：（4）晶体中离子作体心立方堆积(如图所示)，主要分布在由构成的四面体、八面体等空隙中。在电场作用下，不需要克服太大的阻力即可发生迁移。因此，晶体在电池中可作为_______。已知阿伏加德罗常数为，则晶体的摩尔体积_______(列出算式)。