2024届高考化学一轮复习课件 第五章 物质结构与性质、元素周期律 第4讲 晶体结构与性质

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第4讲　晶体结构与性质
必备知识·整合
一、物质的聚集状态与晶体的常识1.物质的聚集状态(1)物质的聚集状态及转化关系。
(2)物质聚集状态转化原因。外界条件的改变引起物质内部粒子间作用力及粒子种类产生变化,导致物质聚集为不同特性的状态。
2.晶体与非晶体(1)晶体与非晶体的比较。
周期性有序
相对无序
有
无
固定
不固定
各向异性
无各向异性
熔点
X射线衍射
(2)获得晶体的途径。① 物质凝固。② 物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。③溶质从溶液中 。3.晶胞(1)概念:晶体结构的基本单元叫做晶胞。(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 。②并置:所有晶胞都是 排列的, 相同。
熔融态
气态
析出
间隙
平行
取向
(3)晶胞中粒子数目计算。“切割法(均摊法)”计算,某晶胞中的粒子,如果被n个晶胞所共有,则粒子的 属于该晶胞。①长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算。
1/n
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)干冰和冰中的相互作用力完全相同。(　　)(2)晶体内部的粒子按一定规律周期性排列。(　　)(3)凡有规则外形的固体一定是晶体。(　　)(4)没有规则几何外形的固体一定属于非晶体。(　　)(5)晶胞是构成晶体最小的立方体。(　　)(6)区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验。(　　)
×
√
×
×
×
√
分子
二、四种典型晶体类型、结构和性质1.四种晶体类型的比较
原子
金属阳离子、自
由电子
阴、阳离子
范德华力(某
些含氢键)
共价键
金属键
离子键
①有氢键的一般强于无氢键的;②无氢键时,M越大范德华力越大
原子半径越小,键长越短,键能越大
阳离子半径越小、阳离子电荷越多,金属键越强
离子半径越小、离子电荷越多离子键越强(晶格能越大)
共价键
共价键
很高
12
2.典型晶体的结构及分析(1)典型分子晶体。
4
4
0
2 mol
(2)典型共价晶体。
sp3
sp3
sp3
109°28′
109°28′
109°28′
4
4
4
8个C
4个C、4个Si
8个Si、16个O
2 mol C—C
2 mol C—Si
4 mol Si—O
(3)典型金属晶体。①典型金属晶体的结构及分析。
6
12
8
12
1
4
2
2
②金属键的本质——“电子气理论”。
(4)典型离子晶体。
6
6
8
8
4
4
4
8
4
4
1
1
4
4
8
4
1∶1
1∶1
1∶1
2∶1
(5)过渡晶体与混合型晶体。①过渡晶体:纯粹的上述四类晶体是不多的,大多数晶体都是它们之间的过渡类型。
②混合型晶体(石墨为例):
石墨层状晶体中,层内作用力为共价键,层与层之间的作用是 ,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 。
分子间作用力
sp2
2
[理解·辨析] 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。(　　)(2)离子晶体不一定都含有金属元素。(　　)(3)共价晶体的配位数一般都是4。(　　)(4)1 mol金刚石中含有4 mol C—C。(　　)(5)氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等且最近的Na+共有6个。(　　)(6)冰中包含的作用力有范德华力、氢键和共价键。(　　)(7)1 mol 石墨含有0.5 mol 六元环。(　　)(8)金刚石晶体中,最小环上有6个原子。(　　)
×
√
√
×
×
√
√
√
三、配合物与超分子1.配位键和配合物(1)配位键。①配位键的形成:成键原子一方提供 ,另一方提供 形成共价键,这类“电子对给予—接受键”称为配位键。
孤电子对
空轨道
→
(2)配位化合物。①概念:由 或原子(称为中心离子或原子)与某些分子或离子(称为配体或配位体)以配位键结合形成的化合物,简称配合物。
金属离子
②配合物的组成:如[Cu(NH3)4]SO4
配位原子
2.超分子
分子间相互作用
分子识别
自组装
关键能力·提升
考点一　物质的聚集状态与晶体常识
晶体、晶胞的认识与判断
1.下列物质中前者为晶体,后者为非晶体的是(　 　)A.白磷、蓝矾 B.陶瓷、塑料C.碘、橡胶 D.食盐、蔗糖
C
解析:A中白磷和蓝矾都是晶体;B中两者均为非晶体,C中碘为晶体,橡胶为非晶体;D中两者均为晶体。
2.(2022·福建龙岩月考)“劳动是一切幸福的源泉”。下列劳动所涉及的化学知识错误的是(　 　)
B
解析:晶体具有规则的几何外形,结构粒子周期性有序排列,而非晶体结构粒子无序排列,因此可以利用X射线衍射测定晶体结构,故A正确;石墨转化为金刚石属于化学变化,石墨属于混合型晶体,而金刚石为共价晶体,晶体类型发生改变,故B错误;原子中电子的跃迁,会吸收或释放不同波长的光,形成炫丽灯光,故C正确;DNA分子两条链间的碱基以氢键互补配对形成双螺旋结构,故D正确。
利用晶胞结构确定化学式、原子个数
D
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,其晶胞如图所示。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H3SC.S位于H构成的八面体空隙中D.该晶体属于分子晶体
C
5.(1)硼化镁晶体在39 K时呈超导性。在硼化镁晶体中,镁原子和硼原子是分层排布的,如图是该晶体微观结构的透视图,图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。则硼化镁的化学式为　　　　。 
解析:(1)每个Mg周围有6个B,而每个B周围有3个Mg,所以其化学式为MgB2。
答案:(1)MgB2
(2)在硼酸盐中,阴离子有链状、环状等多种结构形式。如图是一种链状结构的多硼酸根,则多硼酸根的离子符号为　　　　。 
[归纳总结] (1)晶胞中化学式计算思路。①运用均摊法计算出一个晶胞中的微粒数目。②求出不同微粒数目比值,得化学式。
(2)立方体中粒子周围粒子的个数。
①A周围有4个B,B周围有12个A。②A周围有2个C,C周围有6个A。③B周围有6个D,D周围有2个B。④B周围有8个C,C周围有8个B。⑤C周围有12个D,D周围有4个C。⑥A周围有4个D,D周围有4个A。
考点二　晶体密度和微粒间距离的计算
晶胞中N原子均参与形成配位键,Ni2+与Zn2+的配位数之比为　　 　　;x∶y∶z=　　　 　。 
答案:(1)2∶3　2∶1∶1
(2)(2022·湖南卷节选)钾、铁、硒可以形成一种超导材料,其晶胞在xz、yz和xy平面投影分别如图所示:
①该超导材料的最简化学式为　　　　; 
答案:(2)①KFe2Se2
(2)(2022·湖南卷节选)钾、铁、硒可以形成一种超导材料,其晶胞在xz、yz和xy平面投影分别如图所示:
②Fe原子的配位数为　　　　; 
解析:②由晶胞结构图可知,位于面上的铁原子与位于棱上的2个硒原子和内部的1个硒原子的距离最近,与这个晶胞紧邻的晶胞中还有一个硒原子,所以铁原子的配位数为4;
答案:②4
(2)(2022·湖南卷节选)钾、铁、硒可以形成一种超导材料,其晶胞在xz、yz和xy平面投影分别如图所示:
③该晶胞参数a=b=0.4 nm、c=1.4 nm。阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶体的密度为　　　　　　　g·cm-3(列出计算式)。 
BC
2.(2022·山东师范大学附中模拟)CsSiB3O7属正交晶系(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　　 　　。CsSiB3O7的摩尔质量为 M g·mol-1,设NA为阿伏加德罗常数的值,则CsSiB3O7晶体的密度为　　　 　g·cm-3(用代数式表示)。 
[归纳拓展] (1)晶胞中粒子配位数的计算。一个粒子周围最邻近的粒子的数目称为配位数。①晶体中原子(或分子)的配位数:若晶体中的粒子为同种原子或同种分子,则某原子(或分子)的配位数指的是该原子(或分子)最接近且等距离的原子(或分子)的数目。②离子晶体的配位数:指一个离子周围最接近且等距离的异种电性离子的数目。(2)晶胞计算公式(立方晶胞)。a3ρNA=NM(a:棱长;ρ:密度;NA:阿伏加德罗常数的值;N:1 mol晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的个数;M:基本粒子或特定组合的摩尔质量)。
考点三　常见晶体结构与性质
晶体类型的判断
1.下列晶体分类中正确的一组是(　 　)
解析:A项中固态Ar为分子晶体;B项中H2SO4为分子晶体、石墨是混合型晶体;D项中玻璃是非晶体。
C
2.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97.8 ℃,质软,导电,密度为0.971 g·cm-3
解析:A、B选项中的熔点高,不是分子晶体的性质,D选项是金属钠的性质,钠不是分子晶体。
C
3.分析下列物质的物理性质,判断其晶体类型。(1)碳化铝,黄色晶体,熔点2 200 ℃,熔融态不导电:　　　　　　。 (2)溴化铝,无色晶体,熔点98 ℃,熔融态不导电:　　　　　　。 (3)五氟化矾,无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等:　　　 　。(4)溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中都能导电:　　　　　　。 (5)SiI4:熔点120.5 ℃,沸点287.4 ℃,易水解:　　　　　　。 (6)硼:熔点2 300 ℃,沸点2 550 ℃,硬度大:　　　　　　。 (7)硒:熔点217 ℃,沸点685 ℃,溶于氯仿:　　 　　。 (8)锑:熔点630.74 ℃,沸点1750 ℃,固体可导电:　　　　　　。 
共价晶体
分子晶体
分子晶体
离子晶体
分子晶体
共价晶体
分子晶体
金属晶体
[归纳总结] 判断晶体类型的方法(1)主要是根据各类晶体的特征性质判断。熔、沸点低的物质为分子晶体;熔、沸点较高,且在水溶液中或熔融状态下能导电的物质为离子晶体;熔、沸点很高,不导电,不溶于一般溶剂的物质为共价晶体;能导电、传热,具有延展性的晶体为金属晶体。(2)根据物质的类别判断。活泼金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼等除外)、气态氢化物、大多数非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体。常见的共价晶体中,单质有金刚石、晶体硅、晶体硼、锗(Ge)和灰锡(Sn)等,化合物有碳化硅、二氧化硅等。大多数金属单质与合金是金属晶体。
晶体熔点、沸点的比较
(1)(2022·山东卷,改编)AlN、GaN属于第三代半导体材料,二者成键结构与金刚石相似,晶体中只存在N—Al键、N—Ga键。则GaN的熔点　　　　(填“高于”或“低于”)AlN。 
解析:(1)因为AlN、GaN为结构相似的共价晶体,由于Al原子的半径小于Ga, N—Al的键长小于N—Ga的,则N—Al的键能较大,键能越大则其对应的共价晶体的熔点越高,故GaN的熔点低于AlN的。
答案:(1)低于
(2)(2021·湖南卷,节选)晶体硅和碳化硅熔点较高的是　　　　(填化学式);硅和卤素单质反应可以得到SiX4,SiX4的熔、沸点如下表: 
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　  　。 
解析:(2)共价晶体的熔点取决于共价键的强弱,晶体硅和碳化硅都是共价晶体,碳原子的原子半径小于硅原子,碳元素非金属性强于硅元素,碳硅键的键长小于硅硅键的键长、键能大于硅硅键的,则碳硅键强于硅硅键,碳化硅的熔点高于晶体硅;由题给熔沸点数据可知,0 ℃时,四氟化硅为气态,四氯化硅为液态,四溴化硅、四碘化硅为固态;分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小,SiX4都是结构相似的分子晶体,相对分子质量依次增大,分子间作用力依次增大,则SiX4的沸点依次升高。
答案:(2)SiC　SiCl4　SiX4都是结构相似的分子晶体,相对分子质量依次增大,分子间作用力依次增大
(3)(2022·浙江1月选考)四种晶体的熔点数据如表:
CF4和SiF4熔点相差较小,BF3和AlF3熔点相差较大,原因是  . . . 　。
晶体,结构相似,分子间作用力相差较小,所以熔点相差较小;BF3通过分子间作用力形成分子晶体,AlF3通过离子键形成离子晶体,破坏离子键需要能量多,所以熔点相差较大
CF4和SiF4都是分子
(1)上述第(1)题中AlN晶体中Al形成 　　　　个共价键,其中有　　　　个配位键,配位键形成时　　　　提供空轨道,　　　　提供孤电子对。 (2)按照上述第(2)题思路,H2O的熔点应该低于H2S的熔点;但实际上H2O的熔点高于H2S的,原因是　 。 (3)上述第(3)题中BF3和AlF3熔点相差较大是因为AlF3属于离子晶体。可通过实验证明其为离子化合物,实验依据为　　　　　　　　　　　　。 
4
1
Al
N
水分子间除了范德华力还存在氢键
熔融状态下AlF3可以导电
共价
填空。(1)(2022·山东潍坊三模)B4C3的硬度可与金刚石媲美,且熔点高,则B4C3为　　 　晶体。 
解析:(1)硬度大、熔点高是共价晶体的性质,B4C3的硬度可与金刚石媲美,且熔点高,则B4C3为共价晶体。
(2)(2022·河北模拟)五氟化铌(NbF5)的熔点为72 ℃,它的晶体类型为　　　.晶体。 
解析:(2)五氟化铌(NbF5)的熔点为72 ℃,熔点低,所以它是分子晶体。
分子
(3)(2022·山东泰安三模)已知以上三种金属的盐的熔点、沸点(℃)如下表:
已知:ZnCl2熔融状态下能够导电。请解释三种氯化物熔点、沸点差异的原因:  . 　。 TiCl4的熔点、沸点明显偏低的另一个原因是该分子空间结构是　　　　　　,分子高度对称,没有极性,分子间作用力很弱。 
MgCl2与ZnCl2是离子晶体,MgCl2的离子键比ZnCl2的强,TiCl4属于分子晶体,熔点、沸点比离子晶体低得多
正四面体形
解析:(3)MgCl2与ZnCl2是离子晶体,MgCl2的离子键比ZnCl2的强;TiCl4常温下呈液态,可知其属于分子晶体,熔点、沸点比离子晶体低得多。根据价层电子对互斥模型,TiCl4具有4个成键电子对,中心原子Ti发生sp3杂化,形成正四面体形的分子。
(4)(2022·湖南雅礼中学模拟)GaN、GaP、GaAs熔融状态均不导电,据此判断它们是　 　(填“共价”或“离子”)化合物,它们的晶体结构与金刚石相似,其熔点如表所示,试分析GaN、GaP、GaAs熔点依次降低的原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　 .　　　　　　　　　　　　　　　 。
共价
它们均为共价晶体,由于N、P、As的原子半径依次增大,故Ga—N、Ga—P、Ga—As的键长依次增大,键长越长键能越小,故GaN、GaP、GaAs熔点依次降低
解析:(4)GaN、GaP、GaAs熔融状态均不导电,说明它们中没有阴、阳离子,据此判断它们是共价化合物,它们的晶体结构与金刚石相似,说明它们均为共价晶体,GaN、GaP、GaAs熔点分别为1 700 ℃、1 480 ℃、1 238 ℃,且N、P、As原子半径逐渐增大,Ga—N、Ga—P、Ga—As键长逐渐增大,键能减小,断裂化学键需要的能量减小,因此熔点逐渐降低。
[思维建模] 晶体熔点、沸点的比较(1)不同类型晶体。熔点、沸点高低的一般规律为共价晶体>离子晶体>分子晶体。
(2)同种类型晶体。
微专题11　原子分数坐标与投影图的分析
1.原子分数坐标分析(1)含义:原子分数坐标参数,表示晶胞内部各原子的相对位置。(2)原子分数坐标的确定方法。①依据已知原子的坐标确定坐标系取向。②一般以坐标轴所在正方体的棱长为1个单位。③从原子所在位置分别向x、y、z轴作垂线,所得坐标轴上的截距即为该原子的分数坐标。
2.投影图分析投影图主要考查数学学科三视图的知识,考查的是空间想象能力。要比较熟练掌握常见晶胞的投影特征。常见晶胞投影图总结如下:(1)面心立方晶胞及投影。
(2)体心立方晶胞及投影图。
(2019·全国Ⅱ卷,节选)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。
根据微粒在晶胞中所处位置,运用均摊法确定晶胞所含各种粒子数目后确定化学式。根据ρ胞=m胞/V胞,计算晶胞密度,注意单位换算把pm转化为cm。根据坐标系中各原子位置关系确定原子分数坐标。
1.某氮化铁的晶胞结构如图所示:
2.已知金刚石的晶胞如下:
(2)请画出x、y平面上的投影图。
3.(2022·山东聊城三模,节选)一种金属间化合物的晶胞结构如图所示:
考点四　配合物　超分子
(1)(2020·山东卷,节选)含有多个配位原子的配体与同一中心离子(或原子)通过螯合配位成环而形成的配合物为螯合物。一种Cd2+配合物的结构如图所示,1 mol该配合物中通过螯合作用形成的配位键有　　　　mol,该螯合物中N的杂化方式有　　　　种。 
答案:(1)6　1　
(2)(2022·辽宁实验中学模拟改编)冠醚是一种超分子,它能否适配碱金属离子与其空腔直径和离子直径有关。二苯并-18-冠-6与K+形成的螯合离子的结构如图所示。
根据上述信息判断:冠醚　　　　(填“可以”或“不可以”)用来识别碱金属离子;二苯并-18-冠-6　　　　(填“能”或“不能”)适配Li+;一个螯合离子中配位键的数目为　　　　。 
答案:(2)可以　不能　6
解析:(2)由表知,碱金属离子的粒子在冠醚空腔直径范围内,冠醚与碱金属离子的包含物都是超分子,可以识别碱金属离子。一般而言,电子层数越多,半径越大;电子层数相同时,核电荷数越大,半径越小;Li+的半径小于Na+的,由图可知,二苯并-18-冠-6不能适配Li+。由结构简式可知,一个螯合离子中配位键的数目为6。
(1)(2022·山东肥城教学研究中心模拟,节选)NH4BF4(氟硼酸铵)是合成氮化硼纳米管的原料之一,1 mol NH4BF4含有配位键的数目为　　　　(用NA表示阿伏加德罗常数的值)。 
答案:(1)2NA
(2)(2022·湖南师大附中模拟,节选)多酚氧化酶与植物的抗病性有关。配合物[Mn(EDTB)](NO3)2·DMF是多酚氧化酶的模型配合物。
①EDTA中N的杂化轨道类型为　　　　。 
解析:(2)①EDTA中N形成3个单键,有1个孤电子对,杂化轨道数是4,杂化轨道类型为sp3。
答案:(2)①sp3
(2)(2022·湖南师大附中模拟,节选)多酚氧化酶与植物的抗病性有关。配合物[Mn(EDTB)](NO3)2·DMF是多酚氧化酶的模型配合物。
②邻苯二胺分子中σ键的数目为　　　　。 
解析:②单键为σ键,双键中有1个σ键,邻苯二胺分子中σ键的数目为16。
答案:②16
(2)(2022·湖南师大附中模拟,节选)多酚氧化酶与植物的抗病性有关。配合物[Mn(EDTB)](NO3)2·DMF是多酚氧化酶的模型配合物。
③EDTB分子中所含元素的电负性由小到大的顺序为　　　　　　　　　。 
解析:③EDTB分子中含H、C、N三种元素,非金属性越强,电负性越大,电负性由小到大的顺序为H