2023版创新设计高考化学（新教材鲁科版）总复习一轮课件第5章　物质结构与性质　元素周期律

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【课标要求】　1.能说出晶体与非晶体的区别；了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞。2.借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点。3.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的。4.了解物质的聚集状态，及晶体结构的测定。
一、晶体的常识1.晶体与非晶体 (1)晶体与非晶体的比较
(2)区分晶体和非晶体的方法
(1)概念晶体结构中基本的重复单元。(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形状：一般而言晶胞都是平行六面体。
【诊断1】 判断叙述的正误(正确的划√，错误的划×)。　(1)固态物质一定是晶体(　　)　(2)二氧化硅和干冰晶体熔化时所克服的作用力类型相同(　　)　(3)冰晶体中，分子之间存在两种相互作用力(　　)
二、常见晶体的类型与结构1.几种常见的晶体类型　(1)分子晶体——干冰和冰　①干冰的晶体结构　干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有______个，属于分子密堆积。晶胞中含有____个CO2分子。同类晶体还有晶体I2、晶体O2等。
②冰的晶体结构冰的结构模型中，每个水分子与相邻的____个水分子以氢键相连接，含1 ml H2O的冰中，最多可形成____ ml“氢键”。晶胞结构与金刚石相似，含有8个H2O。(2)共价晶体——金刚石与SiO2
①金刚石晶体a.金刚石晶体中，每个C与另外____个C形成共价键，碳原子采取________杂化，C—C—C夹角是109°28′，最小的环是____元环。每个C被______个六元环共用。含有1 ml C的金刚石中形成的C—C有____ ml。b.在金刚石的晶胞中，内部的C在晶胞的体对角线的____处。每个晶胞含有____个C。
②SiO2晶体SiO2晶体中，每个Si原子与____个O原子成键，每个O原子与____个Si原子成键，最小的环是______元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是______原子。 1 ml SiO2晶体中含Si—O键数目为________，在SiO2晶体中Si、O原子均采取________杂化。低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结构，具有______。
(3)金属晶体金属晶体的四种堆积模型分析
(4)离子晶体①NaCl型：在晶体中，每个Na＋同时吸引____个Cl－，每个Cl－同时吸引____个Na＋，配位数为____。每个晶胞含____个Na＋和____个Cl－。②CsCl型：在晶体中，每个Cl－吸引____个Cs＋，每个Cs＋吸引____个Cl－，配位数为____。
(5)混合型晶体——石墨①石墨层状晶体中，层与层之间的作用是__________。②平均每个正六边形拥有的碳原子个数是____，C原子采取的杂化方式是________。③C—C的键长比金刚石的C—C的键长短，熔点比金刚石的____。④导电性：石墨晶体中，每个碳原子的配位数为____，有一个未参与杂化的2p电子，p电子在整个平面中运动。但电子不能从一个平面跳跃到另一平面。故在电场中，p电子只能沿石墨平面方向定向移动。
2.四种类型晶体的比较
【诊断2】 判断下列叙述的正误(正确的划“√”，错误的划“×”)。　(1)分子晶体中分子之间存在范德华力，分子内部都存在共价键(　　)　(2)分子晶体中，共价键的键能越大，该分子晶体的熔、沸点越高(　　)　(3)金刚石、晶体硅、碳化硅均为共价晶体，其熔点：金刚石>晶体硅>碳化硅(　　)　(4)SiO2、金刚石、硅、MgO熔点都很高，均属于共价晶体(　　)
三、液晶、纳米材料与超分子1.液晶　(1)定义：在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体的各向异性的物质。　(2)结构特点　液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列，使液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现出类似晶体的各向异性。
2.纳米材料　(1)定义：三维空间尺寸至少有一维处于纳米(1 nm＝10－9 m)尺度的、具有特定功能的材料。　(2)结构特点　①纳米材料由纳米颗粒和颗粒间的界面两部分组成。纳米颗粒内部具有__________，界面则为无序结构。　②组成微粒为原子排列成纳米量级的原子团。
(1)概念超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。(2)超分子内分子间的作用力超分子内部分子之间通过非共价键相结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。(3)超分子的两个重要特征——分子识别、自组装。
(4)超分子的应用在分子水平上进行分子设计，有序组装甚至复制出一些新型的分子材料。①分离C60和C70将C60和C70的混合物加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”中，再加入甲苯溶剂，将C70溶解，过滤后分离________，再向不溶物中加入氯仿，氯仿溶解“杯酚”而将不溶解的________释放出来并沉淀。②冠醚识别碱金属离子冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子。如冠醚—18可识别______。
【诊断3】 判断下列叙述的正误(正确的划“√”，错误的划“×”)。　(1)非晶体基本构成微粒的排列是长程无序和短程无序(　　)　(2)液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性(　　)　(3)纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分都是长程有序(　　)　(4)超分子就是有机大分子(　　)
考点二　晶胞组成与结构的计算
考点一　晶体类型的判断和熔、沸点高低的比较
题组一　晶体类型的判断1.下列性质适合于分子晶体的是(　　)
A.熔点为1 070 ℃，易溶于水，水溶液导电B.熔点为3 500 ℃，不导电，质硬，难溶于水和有机溶剂C.能溶于CS2，熔点为112.8 ℃，沸点为444.6 ℃D.熔点为97.82 ℃，质软，导电，密度为0.97 g·cm－3
解析　熔点高、易溶于水，水溶液能导电的晶体是离子晶体；熔点高、硬度大、不导电，难溶于水和有机溶剂的晶体是共价晶体；熔沸点低，能溶于有机溶剂的晶体是分子晶体，熔点低、质软、能导电的晶体是金属晶体。
2.(2021·浙江选考)(1)用质谱仪检测气态乙酸时，谱图中出现质荷比(相对分子质量)为120的峰，原因是__________________________________。 (2)金属镓(Ga)位于元素周期表中第4周期ⅢA族，其卤化物的熔点如下表： GaF3熔点比GaCl3熔点高很多的原因是_____________________________。
晶体类型的判断方法❶依据物质的分类判断①金属氧化物(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)、非金属氢化物、非金属氧化物(除SiO2外)、几乎所有的酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。
③常见的单质类共价晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的化合物类共价晶体有碳化硅、二氧化硅等。④金属单质是金属晶体。❷根据各类晶体的特征性质判断一般来说，低熔、沸点的化合物属于分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物为离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质属于共价晶体；能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。
题组二　晶体熔、沸点高低的比较3.下列排序不正确的是(　　)
A.熔点由高到低：Na>Mg>AlB.硬度由大到小：金刚石>碳化硅>晶体硅C.晶体熔点由低到高：CONaCl>NaBr>NaI
解析　金属离子的电荷数越多，半径越小，金属键越强，其熔点越高，则熔点由高到低的顺序为Al>Mg>Na，A项错误；键长越短，共价键越强，硬度越大，键长C—C碳化硅>晶体硅，B项正确；一般情况下，晶体熔点的高低顺序为分子晶体<离子晶体<共价晶体，故熔点CO(分子晶体)NaCl>NaBr>NaI，D点正确。
4.(1)Mn与Re属于同一族，研究发现，Mn的熔点明显高于Re的熔点，原因可能是___________________________________________________________。 (2)CuSO4的熔点为560 ℃，Cu(NO3)2的熔点为115 ℃，CuSO4熔点更高的原因是__________________________________________________________。 (3)根据下表提供的数据判断，熔点最高、硬度最大的是_________(填化学式)。已知晶格能是阴、阳离子形成1 ml离子晶体放出的能量。
(4)已知金刚石结构中C—C比石墨结构中C—C的键长长，则金刚石的熔点________(填“高于”“低于”或“等于”)石墨的熔点，理由是____________________________________________________________。
③分子晶体a.分子间范德华力越大，物质的熔、沸点越高；具有氢键的分子晶体熔、沸点反常高。如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、沸点越高，如SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。c.组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，其分子的极性越大，熔、沸点越高，如CH3Cl＞CH3CH3。d.同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。
(一)晶胞中微粒数目及晶体化学式的计算【典例1】　
(1)一个Cu2O晶胞(如图)中，Cu原子的数目为________。(2)某FexNy的晶胞如图1所示，Cu可以完全替代该晶体中a位置Fe或者b位置Fe，形成Cu替代型产物Fe(x－n)CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如图2所示，其中更稳定的Cu替代型产物的化学式为________。
图1　FexNy晶胞结构示意图　图2　转化过程的能量变化答案　(1)4　(2)Fe3CuN
❷“均摊法”在其他结构组成计算中的应用(1)计算一个结构中微粒的数目非平行六面体形结构中微粒数目的计算同样可用“均摊法”，其关键仍是确定一个微粒为几个结构所共有。例如，石墨晶体：
(2)(2020·天津等级考)CO的面心立方晶胞如下图所示。设阿伏加德罗常数的值为NA，则CO晶体的密度为________ g·cm－3。
(三)晶体中微粒半径或距离的计算【典例3】　(2019·全国卷Ⅰ)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，Cu原子之间最短距离x＝________pm，Mg原子之间最短距离y＝________pm。
(四)空间利用率的计算【典例4】　GaAs的熔点为1 238 ℃，密度为ρ g·cm－3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为________，Ga与As以________键键合。Ga和As的摩尔质量分别为MGa g·ml－1和MAs g·ml－1，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_____________________________________。
❶阿伏加德罗常数与微粒数之间的关系
【题组训练】1.(2021·全国甲卷)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ZnO后形成的催化剂，化学式可表示为ZnxZr1－xOy，则y＝________(用x表达)。
2.(1)氮化铁晶体的晶胞结构如图1所示。该晶体中Fe、N的个数比为________。
(2)氧化亚铁晶体的晶胞如图2所示。已知：氧化亚铁晶体的密度为ρ g·cm－3，NA代表阿伏加德罗常数的值。在该晶胞中，与Fe2＋紧邻且等距离的Fe2＋数目为________；Fe2＋与O2－的最短核间距为________ pm。
3.(2021·全国乙卷)(1)三价铬离子能形成多种配位化合物。[Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2＋中提供电子对形成配位键的原子是________________，中心离子的配位数为________。
(2)在金属材料中添加AlCr2颗粒，可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。AlCr2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rCr和rAl，则金属原子空间占有率为________%(列出计算表达式)。
微专题17　原子分数坐标与投影图
【核心归纳】1.原子分数坐标　(1)概念：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，称为原子分数坐标。　(2)原子分数坐标的表示方法　晶胞中的任一个原子的中心位置均可用3个分别小于1的数在立体坐标系中表示出来，如位于晶胞原点A(顶角)的原子的坐标为(0，0，0)；
【典例】　已知金刚石的晶胞如下：
确定目标原子分数坐标参数的思维模板
题组一　原子分数坐标的确定1.锗(Ge)是典型的半导体元素，在电子、　材料等领域应用广泛，锗单质具有金刚　石型结构，如下图所示：　晶胞有两个基本要素：一是原子分数坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。上图中A点的原子分数坐标为(0，0，0)，则B、C两点的原子分数坐标为________、________。　二是晶胞参数，描述晶胞的大小和形状，已知Ge的晶胞参数a＝565.76 pm，其密度为________ g·cm－3(列出计算式即可)
2.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。CsSiB2O7属于正交晶系(长方体形)。晶胞参数为a pm、b pm、c pm。如图为沿y轴投影的晶胞中所有Cs原子的分布图和原子分数坐标。据此推断该晶胞中Cs原子的数目为________。CsSiB2O7的摩尔质量为M g·ml－1，设NA为阿伏加德罗常数的值，则CsSiB3O7晶体的密度为________ g·cm－3(用代表式表示)。
长方体系原子分数坐标与原子处于晶胞位置间的关系依据坐标点0或1.0两个数值出现的次数判断；①若两个数值共出现三次，则该坐标点位于长方体的顶点位置。②若两个数值共出现两次，则该坐标点位于长方体的棱上。③若两个数值只出现一次，则该坐标点位于长方体的面上。④若两个数值一次也未出现，则该坐标点位于长方体的体内。
题组二　晶胞投影图3.以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中含原子的位置，称作原子分数坐标。如图1所示为磷化硼晶体的晶胞，图2是晶胞沿着体对角线方向的投影图。
1.(2021·湖南卷)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：　(1)晶体硅和碳化硅熔点较高的是________(填化学式)；　(2)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。SiX4的熔、沸点　0 ℃时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是______________________________　(填化学式)，沸点依次升高的原因是___________________________________；
答案　(1)SiC(2)SiCl4　SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4都是分子晶体，且结构相似，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大
(3)下图是Mg、Ge、O三种元素形成的某化合物的晶胞示意图。
①已知化合物中Ge和O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a nm、b nm、c nm，α＝β＝γ＝90°，则该晶体的密度ρ＝________g·cm－3(设阿伏加德罗常数的值为NA，用含a、b、c、NA的代数式表示)。
3.(2021·广东卷)理论计算预测，由汞(Hg)、锗(Ge)、锑(Sb)形成的一种新物质X为潜在的拓扑绝缘体材料。X的晶体可视为Ge晶体(晶胞如图a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。　①图b为Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一种单元结构，它不是晶胞单元，理由是_________________________________________。　②图c为X的晶胞，X的晶体中与Hg距离最近的Sb的数目为________；该晶胞中粒子个数比Hg∶Ge∶Sb＝________。　③设X的最简式的式量为Mr，则X晶体的密度为________g·cm－3(列出算式)。
1.下列说法错误的是(　　)
A.分子晶体中一定存在分子间作用力B.共价晶体中只含有共价键C.任何晶体中，若含有阳离子就一定含有阴离子D.单质的晶体中一定不存在离子键解析　相邻原子之间只通过强烈的共价键结合而成的空间网状结构的晶体叫作共价晶体，共价晶体中只含有共价键，故B正确；金属晶体中，含有阳离子却不含有阴离子，故C错误；金属单质中只有金属键，非金属单质中可能存在共价键，单质的晶体中一定不存在离子键，故D正确。
2.(2021·威海模拟)下列关于熔沸点的说法错误的是(　　)
A.沸点：H2O＞H2Te＞H2Se＞H2SB.熔点：钠＜生铁＜纯铁＜碳化硅C.沸点：C(CH3)4＞CH3(CH2)3CH3D.熔点：SrO＜CaO＜MgO
解析　A.结构相似，相对分子质量越大，沸点越高，水分子间形成氢键，沸点较高，则沸点：H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S，故A正确；B. 生铁是合金，熔点比纯铁低，碳化硅是共价晶体，熔点较高，熔点：钠＜生铁＜纯铁＜碳化硅，故B正确；C.碳原子相同的烃，支链越多，沸点越低，沸点：C(CH3)4＜CH3(CH2)3CH3，故C错误；D. 离子晶体中离子的半径越大，离子间作用力越小，熔点越低，熔点：SrO＜CaO＜MgO，故D正确。
3.(2021·辽宁卷)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料，其晶胞 　如图。下列说法错误的是(　　)　A.S位于元素周期表p区　B.该物质的化学式为H3S　C.S位于H构成的八面体空隙中　D.该晶体属于分子晶体
4.根据下表中给出的有关数据，判断下列说法中错误的是(　　)
A.SiCl4是分子晶体B.晶体硼是共价晶体C.AlCl3是分子晶体，加热能升华D.金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键弱
解析　SiCl4、AlCl3的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCl3的沸点低于其熔点，即在低于熔化的温度下它就能汽化，故AlCl3加热能升华，A、C正确；晶体硼的熔、沸点高，所以晶体硼是共价晶体，B正确；由金刚石与晶体硅的熔、沸点相对高低可知，金刚石中的C—C键比晶体硅中的Si—Si键强。
5.(2021·肇庆模拟)我国科学家发现“杯酚”能与C60形成超分子，从而识别C60和C70，下列说法正确的是(　　)
A.“杯酚”中的8个羟基之间能形成氢键B.“杯酚”与C60之间通过共价键形成超分子C.溶剂氯仿和甲苯均为非极性分子D.“杯酚”不能与C70形成包合物是由于C70是非极性分子
解析　由流程图可知：“杯酚” 是8个酚和8个甲醛分子形成的环状分子，其空腔可以容纳C60分子，从而实现C60与C70的分离。A.在“杯酚”中存在8个羟基，由于O原子半径小元素的电负性大，因此羟基之间能形成氢键，A正确；B.“杯酚”与C60之间没有形成共价键而是通过分子间作用力结合形成超分子，B错误；C.CHCl3不是正四面体，结构不对称，属于极性分子；甲苯相当于甲基取代了苯上的一个氢原子，这导致其结构不对称，故为极性分子，C错误；D.“杯酚”不能与C70形成包合物是由于C70不能与“杯酚”通过分子间作用力形成超分子，并非是由于C70是非极性分子，D错误。
6.金晶体是面心立方最密堆积，已知立方体的每个面上5个金原子紧密堆积，金原子半径为r cm，则金晶体的空间利用率为(　　)
7.(2021·漳州模拟)超硬材料氮化硼常用于制作刀具和磨料，一种纳米立方氮化硼晶体的晶胞结构如图所示。下列有关该晶体的说法不正确的是(　　)　A.其化学式为BN　B.与金刚石成键、结构均相似，具有很高的硬度　C.B原子周围距离最近且相等的N原子有2个　D.X射线衍射是区分晶体和非晶体最可靠的科学方法
8.(2021·襄阳模拟)由Mn、Sn、C元素构成的一种磁性材料，它的晶胞结构及部分原子的坐标参数如图所示。
9.(2021·菏泽模拟)水合硫酸四氨合铜[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4在工业上用途广泛，主要用于印染、纤维、杀虫剂及制备某些含铜的化合物。下列叙述错误的是(　　)　A.[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4中SO的空间构型为正四面体　B.[Cu(NH3)4(H2O)2]2＋的配位数是6　C.NH3分子中H—N—H键的键角小于H2O分子中H—O—H键的键角　D.NH3和H2O与Cu2＋的配位能力：NH3＞H2O
11.(2021·莆田模拟)氯化亚铜(CuCl)广泛应用于冶金工业，也用作催化剂和杀菌剂。 (1)CuCl晶胞如图1所示，图2为晶胞沿y轴的投影1∶1平面图，注：a pm表示 两个原子在投影平面上的核间距离，而非实际距离。　　①晶胞中Cl原子的配位数为________。　②晶胞中最近的两个Cu原子之间的距离为________pm(用a来表示)。
12.(2021·天津卷)铁单质及其化合物的应用非常广泛。　(1)基态Fe原子的价层电子排布式为________________________。　(2)用X射线衍射测定，得到Fe的两种晶胞A、B，其结构如图所示。晶胞A中每个Fe原子紧邻的原子数为________。每个晶胞B中含Fe原子数为________。　答案　(1)3d64s2　(2)8　4　
13.(2021·保定模拟)“原子坐标参数”可以表示晶胞内部各原子的相对位置。CaF2是典型的离子晶体，A、B两点坐标如图所示，晶胞边长为a cm。下列说法错误的是(　　)
14.(双选)(2021·泰安模拟)常见的铜的硫化物有CuS和Cu2S两种。已知：晶胞中S2－的位置如图1所示，铜离子位于硫离子所构成的四面体中心，它们的晶胞具有相同的侧视图如图2所示。Cu2S的晶胞参数a pm，阿伏加德罗常数的值为NA。下列说法正确的是(　　)
15.(2021·1月湖南适应性考试)ⅤA族元素及其化合物在生产、生活中用途广泛。　(1)①P4S3常用于制造火柴，P和S的第一电离能较大的是____________。　②As4S4俗称雄黄，其中基态As原子的核外电子排布式为[Ar]__________，有__________个未成对电子。　③P、S、As电负性由大到小的顺序是__________________________________。　(2)NH3、PH3、AsH3中沸点最高的是____________，其主要原因是________________________________________________________________。
答案　(1)①P　②3d104s24p3　3　③S>P>As　(2)NH3　NH3分子间存在氢键　解析　(1)①P元素3p能级轨道半满，更稳定，第一电离能大于相邻元素，所以第一电离能较大的是P；②As元素为33号元素，位于第四周期第ⅤA族，原子核外电子排布式为[Ar]3d104s24p3；核外有4p轨道上3个未成对电子； ③非金属性：S>P>As，所以电负性：S>P>As。(2)PH3、AsH3分子间只存在范德华力，而NH3分子间还存在氢键，所以NH3沸点最高。
(3)①白磷在氯气中燃烧可以得到PCl3和PCl5，其中气态PCl3分子的立体构型为____________。②研究发现固态PCl5和PBr5均为离子晶体，但其结构分别为[PCl4]＋、[PCl6]－和[PBr4]＋、Br－，分析PCl5和PBr5结构存在差异的原因是______________________________。
(4)锑酸亚铁晶胞如图所示，其晶胞参数分别为a nm、b nm、c nm，α＝β＝r＝90°，则：①锑酸亚铁的化学式为__________________________________。②晶体的密度为____________________g·cm－3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。