2023年高考化学二轮复习（新高考版） 专题10　晶体类型　晶体结构

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考点一 晶体类型与微粒间相互作用力
1．不同晶体的特点比较
2.晶体类别的判断方法
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间作用力判断
由阴、阳离子形成的离子键构成的晶体为离子晶体；由原子形成的共价键构成的晶体为共价晶体；由分子依靠分子间作用力形成的晶体为分子晶体；由金属阳离子、自由电子以金属键构成的晶体为金属晶体。
(2)依据物质的分类判断
①活泼金属氧化物和过氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)、绝大多数的盐是离子晶体。
②部分非金属单质、所有非金属氢化物、部分非金属氧化物、几乎所有的酸、绝大多数有机物的晶体是分子晶体。
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SiC、SiO2、AlN、BP、GaAs等。
④金属单质、合金是金属晶体。
(3)依据晶体的熔点判断
不同类型晶体熔点大小的一般规律：共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔点差别很大，如钨、铂等熔点很高，铯等熔点很低。
(4)依据导电性判断
①离子晶体溶于水和熔融状态时均能导电。
②共价晶体一般为非导体。
③分子晶体为非导体，但分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属氢化物)溶于水时，分子内的化学键断裂形成自由移动的离子，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
一般情况下，硬度：共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体多数硬度大，但也有较小的，且具有较好的延展性。
3．晶体熔、沸点的比较
(1)共价晶体
eq \x(原子半径越小)→eq \x(键长越短)→eq \x(键能越大)→eq \x(熔、沸点越高)
如熔点：金刚石>碳化硅>晶体硅。
(2)离子晶体
一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，离子间的作用力就越强，离子晶体的熔、沸点就越高，如熔点：MgO>NaCl>CsCl。
(3)分子晶体
①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；具有分子间氢键的分子晶体熔、沸点反常得高，如沸点：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，如熔、沸点：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，如熔、沸点：CO>N2。
④在同分异构体中，一般支链越多，熔、沸点越低，如熔、沸点：正戊烷>异戊烷。
(4)金属晶体
金属离子半径越小，所带电荷数越多，其金属键越强，熔、沸点就越高，如熔、沸点：Na角度一 晶体类型的判断
1．[2015·全国卷Ⅰ，37(4)]CO能与金属Fe形成Fe(CO)5，该化合物的熔点为253 K，沸点为376 K，其固体属于________晶体。
2．[2015·全国卷Ⅱ，37(2)改编]氧和钠的氢化物所属的晶体类型分别为__________和________________。
角度二 晶体微粒间作用力
3．[2018·全国卷Ⅰ，35(3)改编]LiAlH4中，存在的微粒间作用力有________________________。
4．[2018·全国卷Ⅲ，35(3)节选]ZnF2具有较高的熔点(872 ℃)，其化学键类型是____________。
5．[2016·全国卷Ⅰ，37(5)改编]Ge单晶具有金刚石型结构，其微粒之间存在的作用力是________________________________________________________________________。
6．[2016·全国卷Ⅱ，37(3)节选]单质铜及镍都是由______键形成的晶体。
角度三 晶体熔、沸点高低的比较
7．[2017·全国卷Ⅰ，35(2)节选]K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是_____________________________________
________________________________________________________________________。
8．[2017·全国卷Ⅲ，35(3)改编]在CO2低压合成甲醇反应(CO2＋3H2===CH3OH＋H2O)所涉及的4种物质中，沸点从高到低的顺序为
________________________________________________________________________，
原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
9．[2016·全国卷Ⅲ，37(4)]GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
10．[2015·全国卷Ⅱ，37(2)改编]单质氧有两种同素异形体，其中沸点高的是________(填分子式)，原因是_______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
1．Cu2O与Cu2S比较，熔点较高的是___________________________________________，
原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
2．钛比钢轻，比铝硬，是一种新兴的结构材料。钛的硬度比铝大的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
3．已知Ba、M的氯化物沸点信息如表所示。二者沸点差异的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
4．[Zn(IMI)4](ClO4)2是Zn2＋的一种配合物，IMI的结构为，IMI的某种衍生物与甘氨酸形成的离子化合物，常温下为液态而非固态，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
考点二 晶胞结构
1．常见共价晶体结构分析
(1)金刚石
①每个C与相邻4个C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6个C不在同一平面内；
④每个C参与4个C—C的形成，C原子数与C—C数之比为1∶2；
⑤密度ρ＝eq \f(8×12,NA×a3)(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)。
(2)SiO2
①每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构；
②每个正四面体占有1个Si,4个“eq \f(1,2)O”，因此二氧化硅晶体中Si与O的个数之比为1∶2；
③最小环上有12个原子，即6个O、6个Si；
④密度ρ＝eq \f(8×60,NA×a3)(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)。
(3)SiC、BP、AlN
①每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体结构；
②密度：ρ(SiC)＝eq \f(4×40,NA×a3)；ρ(BP)＝eq \f(4×42,NA×a3)；ρ(AlN)＝eq \f(4×41,NA×a3)(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)。
2．常见分子晶体结构分析
(1)干冰
①8个CO2位于立方体的顶角且在6个面的面心又各有1个CO2；
②每个CO2分子周围紧邻的CO2分子有12个；
③密度ρ＝eq \f(4×44,NA×a3)(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)。
(2)白磷
①面心立方最密堆积；
②密度ρ＝eq \f(4×124,NA×a3)(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)。
3．常见金属晶体结构分析
(1)金属晶胞中原子空间利用率计算
空间利用率＝eq \f(球体积,晶胞体积)×100%，球体积为金属原子的总体积。
①简单立方堆积
如图所示，原子的半径为r，立方体的棱长为2r，则V球＝eq \f(4,3)πr3，V晶胞＝(2r)3＝8r3，空间利用率＝eq \f(V球,V晶胞)×100%＝eq \f(\f(4,3)πr3,8r3)×100%≈52%。
②体心立方堆积
如图所示，原子的半径为r，晶胞边长为a，体对角线c为4r，面对角线b为eq \r(2)a，由(4r)2＝a2＋b2得a＝eq \f(4,\r(3))r。1个晶胞中有2个原子，故空间利用率＝eq \f(V球,V晶胞)×100%＝eq \f(2×\f(4,3)πr3,a3)×100%＝eq \f(2×\f(4,3)πr3,\f(4,\r(3))r3)×100%≈68%。
③六方最密堆积
如图所示，原子的半径为r，底面为菱形(棱长为2r，其中一个角为60°)，则底面面积S＝2r×eq \r(3)r＝2eq \r(3)r2，h＝eq \f(2\r(6),3)r，V晶胞＝S×2h＝2eq \r(3)r2×2×eq \f(2\r(6),3)r＝8eq \r(2)r3,1个晶胞中有2个原子，则空间利用率＝eq \f(V球,V晶胞)×100%＝eq \f(2×\f(4,3)πr3,8\r(2)r3)×100%≈74%。
④面心立方最密堆积
如图所示，原子的半径为r，面对角线为4r，晶胞边长a＝2eq \r(2)r，V晶胞＝a3＝(2eq \r(2)r)3＝16eq \r(2)r3,1个晶胞中有4个原子，则空间利用率＝eq \f(V球,V晶胞)×100%＝eq \f(4×\f(4,3)πr3,16\r(2)r3)×100%≈74%。
(2)晶体微粒与M、ρ之间的关系
若1个晶胞中含有x个微粒，则1 ml该晶胞中含有x ml 微粒，其质量为xM g(M为微粒的相对分子质量)；若1个该晶胞的质量为ρa3 g(a3为晶胞的体积)，则1 ml晶胞的质量为ρa3NA g，因此有xM＝ρa3NA。
[知识拓展] 金属晶体的四种堆积模型分析
4.常见离子晶体结构分析
典型离子晶体模型的配位数
[知识拓展] 晶格能
(1)定义：气态离子形成1摩离子晶体释放的能量。晶格能是反映离子晶体稳定性的数据，可以用来衡量离子键的强弱，晶格能越大，离子键越强。
(2)影响因素：晶格能的大小与阴阳离子所带电荷数、阴阳离子间的距离、离子晶体的结构类型有关。离子所带电荷数越多，半径越小，晶格能越大。
(3)对离子晶体性质的影响：晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。
(一)新高考卷真题研究
1．[2021·广东，20(6)]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)。
2．[2021·山东，16(4)]XeF2晶体属四方晶系，晶胞参数如图所示，晶胞棱边夹角均为90°，该晶胞中有________个XeF2分子。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，称为原子的分数坐标，如A点原子的分数坐标为(eq \f(1,2)，eq \f(1,2)，eq \f(1,2))。已知Xe—F键长为r pm，则B点原子的分数坐标为________；晶胞中A、B间距离d＝________pm。
3．[2020·山东，17(4)]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，称作原子的分数坐标。四方晶系CdSnAs2的晶胞结构如下图所示，晶胞棱边夹角均为90°，晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。
一个晶胞中有____________个Sn，找出距离Cd(0,0,0)最近的Sn________(用分数坐标表示)。CdSnAs2晶体中与单个Sn键合的As有__________个。
4．[2021·河北，17(7)]分别用、表示H2POeq \\al(－,4)和K＋，KH2PO4晶体的四方晶胞如图(a)所示，图(b)、图(c)分别显示的是H2POeq \\al(－,4)、K＋在晶胞xz面、yz面上的位置：
①若晶胞底边的边长均为a pm、高为c pm，阿伏加德罗常数的值为NA，晶体的密度为______________g·cm－3(写出表达式)。
②晶胞在x轴方向的投影图为____________(填标号)。
5．[2021·湖南，18(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)。
(二)三年全国卷真题汇编
6．[2021·全国甲卷，35(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ZnO后形成的催化剂，化学式可表示为ZnxZr1－xOy，则y＝________(用x表达)。
7．[2021·全国乙卷，35(4)]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)。
8．[2020·全国卷Ⅰ，35(4)]LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有________个。
电池充电时，LiFePO4脱出部分Li＋，形成Li1－xFePO4，结构示意图如(b)所示，则x＝________，n(Fe2＋ )∶n(Fe3＋)＝________。
9．[2019·全国卷Ⅰ，35(4)]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。设阿伏加德罗常数的值为NA，则MgCu2的密度是________g·cm－3(列出计算表达式)。
10．[2019·全国卷Ⅱ，35(4)]一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。图中F－和O2－共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用x和1－x代表，则该化合物的化学式表示为____________________________；通过测定密度ρ和晶胞参数，可以计算该物质的x值，完成它们关系表达式：ρ＝__________g·cm－3。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，例如图1中原子1的坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)，\f(1,2)，\f(1,2)))，则原子2和3的坐标分别为________、________。
考向一 “立方系”晶体结构分析
1．已知TiN晶体的晶胞结构如图所示，若该晶胞的密度为ρ g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶胞中Ti原子与N原子的最近距离为______(用含ρ、NA的代数式表示)pm。
2．铜的晶胞结构如图所示。一种金铜合金晶胞可以看成是铜晶胞面心上的铜被金取代，连接相邻面心上的金原子构成_______(填“正四面体”“正八面体”或“正四边形”)。已知：NA表示阿伏加德罗常数的值，晶胞参数为a pm，则该金铜合金晶体的密度为________ g·cm－3(用含a、NA的代数式表示)。
3．金属Ni可以与Mg、C形成一种化合物M，M是一种新型超导体，它的临界温度为8 K。
已知M的晶胞(α＝β＝γ＝90°)结构如图所示，则M的化学式为______________。其晶胞参数为d pm，该晶体的密度为______ g·cm－3。(列出计算式)
考向二 “非立方”晶体结构分析
4．天然硅酸盐组成复杂阴离子的基本结构单元是SiOeq \\al(4－,4)四面体，如图(a)，通过共用顶角氧离子可形成链状、网状等结构，图(b)为一种无限长双链的多硅酸根，其中Si与O的原子数之比为________，化学式为________。
5．从石墨晶体结构示意图中截取石墨的晶胞如图所示，设阿伏加德罗常数的值为NA，已知sin 60°＝eq \f(\r(3),2)，石墨晶体的密度为________g·cm－3(列出计算式)。
6．“嫦娥五号”某核心部件主要成分为纳米钛铝合金，其结构单元如图所示(Al、Ti各有一个原子在结构单元内部)，则该合金的化学式为____________________。已知该结构单元底面(正六边形)边长为a nm，高为b nm，该合金的密度为__________ g·cm－3。(只需列出计算式，NA为阿伏加德罗常数的值)
考向三 和“俯视图”有关的晶体结构分析
7．硫化锂是目前正在研发的锂离子电池的新型固体电解质，为立方晶系晶体，其晶胞参数为a pm。该晶胞中离子的分数坐标为
硫离子：(0,0,0)；(eq \f(1,2)，eq \f(1,2)，0)；(eq \f(1,2)，0，eq \f(1,2))；(0，eq \f(1,2)，eq \f(1,2))；……
锂离子：(eq \f(1,4)，eq \f(1,4)，eq \f(1,4))；(eq \f(1,4)，eq \f(3,4)，eq \f(1,4))；(eq \f(3,4)，eq \f(1,4)，eq \f(1,4))；(eq \f(3,4)，eq \f(3,4)，eq \f(1,4))；……
(1)在图上画出硫化锂晶胞沿x轴投影图。
(2)硫离子的配位数为________。
(3)设NA为阿伏加德罗常数的值，硫化锂的晶体密度为____g·cm－3(列出计算表达式)。
8．硅和碳在同一主族。如图为SiO2晶体中Si原子沿z轴方向在xy平面的投影图(即俯视图)，其中O原子略去，Si原子旁标注的数字表示每个Si原子位于z轴的高度，则SiA与SiB之间的距离是________nm。
离子晶体
金属晶体
分子晶体
共价晶体
概念
阳离子和阴离子通过离子键结合而形成的晶体
通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体
分子间以分子间作用力相结合的晶体
相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构的晶体
晶体微粒
阴、阳离子
金属阳离子、自由电子
分子
原子
微粒之间
作用力
离子键
金属键
分子间作用力
共价键
物
理
性
质
熔、
沸点
较高
有的高(如铁)、有的低(如汞)
低
很高
硬度
硬而脆
有的大、有的小
小
很大
溶解性
一般情况下，易溶于极性溶剂(如水)，难溶于有机溶剂
钠等可与水、醇类、酸类反应
极性分子易溶于极性溶剂；非极性分子易溶于非极性溶剂
不溶于任何溶剂
氯化物
沸点
BaCl2
1 560 ℃
MCl5
268 ℃
堆积模型
简单立
方堆积
体心立
方堆积
六方最
密堆积
面心立方
最密堆积
晶胞
配位数
6
8
12
12
原子半径(r)
和晶胞边长
(a)的关系
2r＝a
2r＝eq \f(\r(3)a,2)
2r＝eq \f(\r(2)a,2)
一个晶胞内
原子数目
1
2
2
4
原子空间
利用率
52%
68%
74%
74%
晶体
晶胞
配位数
NaCl
Na＋、Cl－的配位数均为6
CsCl
Cs＋、Cl－的配位数均为8
ZnS
Zn2＋、S2－的配位数均为4
CaF2
Ca2＋()的配位数为8；F－()的配位数为4
坐标
原子
x
y
z
Cd
0
0
0
Sn
0
0
0.5
As
0.25
0.25
0.125