高二化学物质结构与性质精品学案：微型专题(五) 晶体类型的判断及晶体结构的分析与计算
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高中化学《物质结构与性质》 微型专题(五) 晶体类型的判断及晶体结构的分析与计算 [学习目标定位] 1.能辨识常见物质的晶体类型，能从微观角度分析各种晶体的构成微粒及微粒间的作用力，并解释各类晶体性质的差异。2.熟知各类晶体的结构特点及堆积模型，能利用切割法对晶胞进行结构分析和计算。 一、晶体类型的判断 1 例 高中化学《物质结构与性质》 1性质如下表： 物质 单质硫 单质硼 氯化铝 苛性钾 熔点/℃ 120.5 2 300 190 300 沸点/℃ 271.5 2 550 182.7 1 320 (2018·上海杨浦区检测)四种物质的一些其他性质 — 硬度大 177.8 ℃升华 晶体不导电，熔融态导电 晶体类型：单质硫是__________________晶体；单质硼是__________晶体；氯化铝是__________________晶体；苛性钾是____________晶体。 【考点】 晶体类型的判断 【题点】 根据晶体性质判断 [答案] 分子 原子 分子 离子 [解析] 单质硫为非金属单质，其熔、沸点都较低，则晶体为分子晶体；单质硼为非金属单质，其熔、沸点都很高，则晶体为原子晶体；氯化铝为化合物，其熔、沸点都较低，并能在较低温度下升华，则晶体为分子晶体；苛性钾为化合物，其熔点较高，沸点很高，晶体不导电，熔融态导电，则晶体为离子晶体。 “三看”——确定晶体类型 (1)看构成微粒或作用力类型 四类晶体的构成微粒和微粒间作用力列表如下： 2 高中化学《物质结构与性质》 离子晶体 原子晶体 原子 分子晶体 分子 金属晶体 金属阳离子、自由电子 构成微粒 阴、阳离子 微粒间作用力 (2)看物质类别 离子键 共价键 分子间作用力 金属键 ①单质类：a.金属单质和合金属于金属晶体；b.大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)属于分子晶体。 ②化合物类：a.离子化合物一定为离子晶体；b.共价化合物绝大多数为分子晶体，但SiO2、SiC等为原子晶体。 (3)看物理性质 四类晶体的物理性质对比如下： 晶体类型 金属晶体 一般较高、但差异大 一般较大，但差异大 离子晶体 分子晶体 原子晶体 熔、沸点 较高 较低 高 硬度 较大 较小 大 导电性 固态能导电 固态不导电，熔融态或溶于水时能导电 固态不导电，某些溶于水后能导电 一般不导电，个别为半导体 变式1 (1)判断下列晶体类型。 ①SiI4：熔点为120.5 ℃，沸点为271.5 ℃，易水解，为____________________。 ②硒：熔点为217 ℃，沸点为685 ℃，溶于氯仿，为____________________。 ③锑：熔点为630.74 ℃，沸点为1 750 ℃，可导电，为______________________。 (2)三氯化铁常温下为固体，熔点为282 ℃，沸点为315 ℃，在300 ℃以上易升华。易溶于水，也易溶于乙醚、丙酮等有机溶剂。据此判断三氯化铁晶体为__________(填晶体类型)。 [答案] (1)①分子晶体 ②分子晶体 ③金属晶体 (2)分子晶体 3 高中化学《物质结构与性质》 [解析] (1)①SiI4为低熔点化合物，为分子晶体；②硒熔、沸点低，易溶于CHCl3，为分子晶体；③锑可导电，为金属晶体。(2)FeCl3熔、沸点低，易溶于水及有机溶剂，应为分子晶体。 二、晶体熔、沸点的比较 2排列的是( ) A．NH3、CH4、NaCl、Na B．H2O、H2S、MgSO4、SO2 C．CH4、H2O、NaCl、SiO2 D．Li、Na、K、Rb、Cs 【考点】 晶体结构与性质的综合考查 【题点】 晶体熔、沸点的比较 例 下列各组物质的沸点按由低到高的顺序4 高中化学《物质结构与性质》 [答案] C [解析] C项中SiO2是原子晶体，NaCl是离子晶体，CH4、H2O都是分子晶体，且常温下水为液态，CH4是气态。 比较不同晶体熔、沸点的基本思路 首先看物质的状态，一般情况下是固体>液体>气体；二看物质所属类型，一般是原子晶体>离子晶体>分子晶体(注意：不是绝对的，如氧化铝的熔点大于晶体硅)，结构类型相同时再根据相应规律进行判断。同类晶体熔、沸点比较思路：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；金属晶体→金属键→金属阳离子所带电荷、金属阳离子半径。 变式2 在解释下列物质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与化学键的强弱无关的是( ) A．钠、镁、铝的熔点和沸点逐渐升高，硬度逐渐增大 B．金刚石的硬度大于晶体硅的硬度，其熔点也高于晶体硅的熔点 C．KF、KCl、KBr、KI的熔点依次降低 D．F2、Cl2、Br2、I2的熔点和沸点逐渐升高 【考点】 晶体结构与性质的综合考查 【题点】 晶体的熔、沸点比较 [答案] D [解析] 钠、镁、铝的熔点和沸点逐渐升高，硬度逐渐增大，这是因为它们中的金属键逐渐增强，与化学键的强弱有关；金刚石的硬度大于晶体硅的硬度，其熔点也高于晶体硅的熔点，这是因为C—C键的键长比Si—Si键的键长短，C—C键的键能比Si—Si键的键能大，也与化学键的强弱有关；KF、KCl、KBr、KI的熔点依次降低，这是因为它们中的离子键的强度逐渐减弱，与化学键的强弱有关。 三、关于晶胞结构的分析与计算 5 高中化学《物质结构与性质》 例3 (1)镧系合金是稀土系储氢合金的典型代表，由荷兰菲利浦实验室首先研制出来。它的最大优点是容易活化。其晶胞结构如图所示： 6 高中化学《物质结构与性质》 则它的化学式为____________。 (2)晶胞有两个基本要素： ①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1111参数A为(0,0,0)；B为(，0，)；C为(，，0)。则D原子的坐标参数为________。 2222 ②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·cm3(列出计算式即可)。 (3)GaAs的熔点为1 238 ℃，密度为ρ g·cm3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为________，Ga与As以________键结合。Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·mol－1－－和MAs g·mol1，原子－半径分别为rGa pm和rAs pm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为___________________________________________________________。 【考点】 晶体结构和性质的综合考查 【题点】 晶体结构与相关计算 7 高中化学《物质结构与性质》 [答案] (1)LaNi5 8×731117(2)①(，，) ②3×10 4446.02×565.7634π×1030NAρr3Ga＋rAs(3)原子晶体 共价 ×100% 3MGa＋MAs－[解析] (1)根据晶胞结构图可知，晶面上的原子为2个晶胞所共有，顶角上的原子为6个晶胞所共有，内部的原子为整个晶胞所有，所以晶胞中La原子个数为3，Ni原子个数为15，则镧系合金的化学式为LaNi5。(2)①对照晶胞图示、坐标系以及A、B、C点坐标，选A点1为参照点，观察D点在晶胞中位置(体对角线处)，由B、C点坐标可以推知D点坐标。②锗48×73晶胞类似金刚石晶胞 ,1个晶胞含有8个锗原子，ρ＝×107 g·cm－3。(3)根据晶6.02×565.76311胞结构示意图用切割法计算出1个晶胞中含有As原子的个数：8×＋6×＝4，再通过观察824可知1个晶胞中含有4个Ga原子。4个As原子和4个Ga原子的总体积V1＝4×(π×10－30×r3As344MAs3＋π×10－30×r3Ga) cm；1个晶胞的质量为4个As原子和4个Ga原子的质量之和，即(3NA＋4MGa4) g，所以1个晶胞的体积V2＝(MAs＋MGa) cm3。最后由V1/V2即得结果。 NAρNA 1．晶胞计算的类型 (1)根据晶胞的结构，计算其组成微粒间的距离。 (2)根据晶胞的质量和晶体有关的摩尔质量间的关系，计算微粒个数、微粒间距、ρ等。 (3)计算晶体(晶胞)的空间利用率。 2．晶胞计算的原理与步骤 (1)首先确定晶胞的组成 利用切割法计算一个晶胞所含微粒的数目。 (2)计算晶体的密度或体积 N×M①关系式ρ＝(V表示晶胞体积，ρ表示晶体的密度，NA表示阿伏加德罗常数，N表示V×NA一个晶胞实际含有的微粒数，M表示微粒的摩尔质量)。 ②计算模式 8 高中化学《物质结构与性质》 一个晶胞中微粒数目求一个晶胞的质量摩尔质量晶体的密度阿伏加德罗常数求一个晶胞的体积——晶胞边长 或微粒半径③晶胞空间利用率(占有率)的计算表达式 晶胞所含粒子的体积晶胞的空间利用率＝×100%。 晶胞的体积 变式3 (1)Cu的一种氯化物晶胞结构如图所示(黑球表示铜原子，白球表示氯原子)，该氯化物的化学式是___________________________________________________。 若该晶体的密度为ρ g·cm________nm。 －3，以NA表示阿伏加德罗常数的值，则该晶胞的边长a＝ (2)用晶体的X射线衍射法对Cu的测定得到以下结果：Cu的晶胞为面心立方最密堆积(如图)，已知该晶体的密度为9.00 g·cm3，Cu的原子半径为________cm(阿伏加德罗常数的值为NA，只要求列式表示)。 － 9 高中化学《物质结构与性质》 (3)一种铜金合金晶胞如图所示(Au原子位于顶点，Cu原子位于面心)，则该合金中Au原子与Cu原子个数之比为________，若该晶胞的边长为a pm，则合金的密度为________g·cm3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏加德罗常数的值为NA)。 － [答案] (1)CuCl 33.98×10232 (2)×NAρ434×64197＋64×3×1030 (3)1∶3 a3NA9.00×NA11[解析] (1)晶胞中铜原子的个数是4，氯原子的个数是8×＋6×＝4，所以该氯化物的化学82式为CuCl。根据m＝Vρ可知(a×10－7 cm)3×ρ g·cm－3＝4×99.5 g·mol－1，解得a＝1－NA mol33.98×1023 nm。 NAρ1(2)Cu的晶胞为面心立方最密堆积，根据晶胞的结构图可知，晶胞中含有铜原子数为8×＋8 10 高中化学《物质结构与性质》 16×＝4，设晶胞的边长为a cm，则a3 cm3×ρ g·cm－3×NA mol－1＝4×64 g·mol－1，所以a＝234×6412，晶胞面对角线为2a cm，面对角线的为Cu原子半径，所以Cu原子半径为ρ·NA443×4×64 cm。 9.00×NA1(3)在晶胞中，Au原子位于顶点，Cu原子位于面心，该晶胞中Au原子个数为8×＝1，Cu81原子个数为6×＝3，所以该合金中Au原子与Cu原子个数之比为1∶3，晶胞体积V＝(a×10－10 cm)3，2197＋64×3197＋64×3×1030NA每个晶胞中铜原子个数是3、Au原子个数是1，则ρ＝ g·cm－3＝ g·cm－3N103－aAa×103。 11 高中化学《物质结构与性质》 1．(2019·南京高二期末)下列各组物质中都属于原子晶体的是( ) A．干冰、二氧化硅、金刚石 B．氧化钠、金刚石、氯化氢 C．碘、石墨、氯化钠 D．二氧化硅、金刚石、晶体硼 【考点】 晶体结构与性质的综合考查 【题点】 晶体构成微粒及作用力的判断 [答案] D [解析] 干冰是由二氧化碳分子构成的，不是直接由原子构成的，A项错误；Na2O是由离子构成的，HCl是由分子构成的，B项错误；I2为分子晶体，是由分子构成的，氯化钠是由离子构成的，C项错误；二氧化硅、金刚石、晶体硼均为原子晶体，均直接由原子构成，D项正确。 2．(2018·金华一中高二月考)下列有关晶体性质的比较正确的是( ) A．熔点：金刚石＞晶体硅＞碳化硅 B．沸点：NH3＞H2O＞HF C．硬度：白磷＞冰＞二氧化硅 D．熔点：SiI4＞SiBr4＞SiCl4 【考点】 晶体结构与性质的综合考查 【题点】 晶体物理性质的综合比较 [答案] D [解析] 金刚石、晶体硅、碳化硅都是原子晶体，在原子晶体中，键长越短，键能越大，熔 12 高中化学《物质结构与性质》 点越高，由于键能：C—C键＞C—Si键＞Si—Si键，故三种晶体中熔点最高的是金刚石，熔点最低的是晶体硅，A项错误；HF、H2O、NH3都是分子晶体，其沸点高低与分子间作用力大小有关，因为这三种晶体分子间都存在氢键，且水分子间氢键最强，氨分子间氢键最弱，故水的沸点最高，氨的沸点最低，B项错误；二氧化硅是原子晶体，硬度大，白磷和冰都是分子晶体，硬度较小，C项错误；卤化硅为分子晶体，它们的组成和结构相似，分子间不存在氢键，故相对分子质量越大，其熔点越高，D项正确。 3．(2019·厦门高二期中)如图是CaF2晶胞的结构图。下列说法正确的是( ) A．一个CaF2晶胞中含有8个Ca2 B．一个CaF2晶胞中含有8个F C．在CaF2晶胞中Ca2的配位数为4 D．在CaF2晶胞中F的配位数为8 【考点】 晶胞结构分析与计算 【题点】 晶胞结构的分析 [答案] B [解析] 根据晶胞结构可知，一个CaF2晶胞中含有的Ca2＋和F－的个数分别为4个、8个，所以A不正确、B正确；离子晶体中离子的配位数是指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。根据晶胞的结构可判断Ca2＋的配位数是8，F－的配位数是4，即选项C、D都是错误的。 4．(2019·福州高二期末)下列有关晶体结构的叙述正确的是( ) －＋－＋ 13 高中化学《物质结构与性质》 A．SiO2晶体中最小环上的原子个数为6 B．在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子 C．12 g石墨烯(如图1)中含有六元环的个数为0.5×6.02×1023 D．720 g C60晶体中含有0.5×6.02×1023个晶胞(如图2) 【考点】 晶体结构与性质的综合 【题点】 晶体结构的分析与计算 [答案] C [解析] A项，二氧化硅晶体结构中，每个硅原子结合4个氧原子，同时每个氧原子结合2个硅原子，最小环上有6个Si原子和6个O原子， 所以共有12个原子，错误；B项，含有阳离子的晶体不一定含有阴离子，错误；C项，12 g石墨烯为1 mol，石墨烯中平均每个六元环含有2个碳原子，则1 mol石墨烯中含有六元环的个数为0.5×6.02×1023，正确；D项，11C60为分子晶体，晶胞中含有C60的个数为8×＋6×＝4,720 g C60晶体中含有6.02×1023个82C60，所以720 g C60晶体中含有0.25×6.02×1023个晶胞，错误。 5．(2018·大连二十四中校级期中)F2和Xe在一定条件下可生成XeF2、XeF4和XeF6三种氟化氙，它们都是极强的氧化剂(其氧化性依次增强)，都极易与水反应。已知6XeF4＋12H2O===2XeO3＋4Xe↑＋24HF＋3O2↑，下列推测正确的是( ) 14 高中化学《物质结构与性质》 A．XeF2分子中各原子均达到8电子的稳定结构 B．某种氟化氙晶体的基本结构单元如图所示，可推知其化学式为XeF6 C．XeF4与水反应时，每生成2 mol Xe转移8 mol电子 D．XeF2加入水中，在水的作用下，将生成Xe和F2 【考点】 晶体结构与性质的综合考查 【题点】 晶体结构与性质的综合考查 [答案] C [解析] A项，Xe原子已经达到8电子稳定结构，故XeF2分子中各原子不可能均具有8电11子稳定结构；B项，该晶胞中Xe原子的个数为8×＋1＝2，F原子的个数为8×＋2＝4，84故该晶体的化学式为XeF2；C项，由于F的非金属性最强，在XeF4中Xe的化合价为＋4，故生成2 mol Xe转移8 mol电子；D项，F2有强氧化性，能够与水反应，故XeF2与水反应不可能生成F2。 6．(2018·安阳市期中)NaCl晶胞如图所示。在晶胞中， 15 高中化学《物质结构与性质》 表示Cl－，表示Na。已知NaCl晶体的密度为ρ g·cm3，NaCl的摩尔质量为M g·mol1，阿伏加德罗常数的值为NA，则在NaCl晶体中每个Na和与之等距且最近的Na之间的距离为( ) ＋－＋＋－ 16 高中化学《物质结构与性质》 A. 32M cm ρNA2NA cm ρM3B. 32Mcm ρNAM cm 8ρNAC. 3D. [答案] B M×4NA[解析] 设该立方体晶胞的边长为a cm，依题意可知：3＝ρ，解得a＝a胞中每个Na＋和与之等距且最近的钠离子之间的距离为34M，而在晶ρ·NA2a cm，故B项正确。 27．(2018·华师一附中期中)金属钾、铜的晶体的晶胞结构如图(请先判断对应的图)所示，钾、铜两种晶体晶胞中金属原子的配位数之比为________________________。金属钾的晶胞中，若设该晶胞的密度为a，阿伏加德罗常数为NA，钾原子的摩尔质量为M，则表示钾原子半径的计算式为__________。 17 高中化学《物质结构与性质》 3[答案] 2∶3 432M aNA[解析] 钾采用体心立方密堆积，铜采用面心立方最密堆积，故A为钾晶体晶胞，B为铜晶体晶胞。钾原子的配位数是8，铜原子的配位数是12，所以钾、铜两种晶体晶胞中金属原子1的配位数之比为8∶12＝2∶3。金属钾的晶胞中，钾原子数目＝1＋8×＝2，钾原子的摩尔82Mm2M质量为M，阿伏加德罗常数为NA，则晶胞质量＝，该晶胞的密度为a，则晶胞体积＝，NAρaNA晶胞棱长＝3r＝4332M，设钾原子半径为r，则晶胞体对角线长度＝4r，故3(aNA32M2)＝(4r)2，故aNA2M。 aNA8．(2019·郑州高二期末)氮元素可形成丰富多彩的物质。 (1)光化学烟雾易在PM2.5的催化作用下形成，其中含有NOx、O3、CH2==CHCHO、HCOOH等二次污染物。下列说法正确的是________(填字母)。 A．N2O与CO2互为等电子体，其结构式为N==N==O B．O3的沸点高于O2的沸点 C．CH2==CHCHO分子中碳原子采取sp2和sp3杂化 D．HCOOH在水中的溶解度大，与氢键有关 (2)在配合物中，微粒NH3、NH4、NH2OH中不能作为配体的是__________。 (3)图a为六方氮化硼晶体的结构示意图，该晶体中存在的作用力有______________。 (4)六方氮化硼在高温高压下可转化为立方氮化硼，立方氮化硼的晶胞结构如图b所示，晶胞边长为d cm，该晶胞中含有________个氮原子、________个硼原子，立方氮化硼晶体的密度 18 ＋高中化学《物质结构与性质》 为________ g·cm3(设阿伏加德罗常数的值为NA)。 － 【考点】 晶体结构与性质的综合考查 【题点】 晶体结构与性质的综合考查 [答案] (1)ABD (2)NH4 (3)共价键、范德华力 (4)4 4 100 d3·NA＋[解析] (1)N2O与CO2分子中均含有3个原子，价电子数均为16，二者互为等电子体，A项正确；O3、O2均为分子晶体，O3的相对分子质量较大，分子间作用力更强，所以O3的沸点高于O2的沸点，B项正确；CH2==CHCHO分子中每个碳原子均形成3个σ键，没有孤电子对，故碳原子采取sp2杂化，C项错误；HCOOH在水中与水分子之间形成氢键，故HCOOH在水中的溶解度大，D项正确。 (2)NH3、NH2OH中N均含有孤电子对，均可作为配体，而NH＋4中N没有孤电子对，不能作为配体。 (3)层内N原子与B原子之间形成共价键，层间作用力为范德华力。 4×2511(4)1个晶胞中所含N原子个数为4，B原子个数为8×＋6×＝4，则1个晶胞的质量为 82NA25100g，晶体的密度为4× g÷(d cm)3＝3 g·cm－3。 NAd·NA 19 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/9a4d5e3acf7931b765ce0508763231126edb770e.html