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2022届高三统考化学人教版一轮课件：选修3 第3节 晶体结构与性质
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这是一份2022届高三统考化学人教版一轮课件：选修3 第3节 晶体结构与性质，共60页。PPT课件主要包含了-2-，-3-，考点一，考点二，基础梳理，考点突破，-4-，-5-，四种晶体的比较，-6-等内容，欢迎下载使用。
考纲要求:1.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。 2.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。 3.了解晶格能的概念,了解晶格能对离子晶体性质的影响。 4.了解分子晶体结构与性质的关系。 5.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。 6.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。 7.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。
晶体常识与四种晶体的比较1.晶体(1)晶体与非晶体。
(2)得到晶体的途径。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。
自主巩固判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)凡是有规则外形的固体一定是晶体 ( × )(2)晶体与非晶体的本质区别:是否有自范性 ( √ )(3)熔融态物质凝固就得到晶体 ( × )(4)晶体有一定的熔、沸点 ( √ )(5)区分晶体和非晶体最可靠的科学方法:是否具有固定的熔沸点 ( × )(6)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子 ( × )(7)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高 ( × )(8)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低 ( × )(9)离子晶体中一定不含有共价键 ( × )(10)分子晶体或原子晶体中一定不含离子键 ( √ )
1.晶体类型的5种判断方法(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,粒子间的作用是离子键。②原子晶体的构成粒子是原子,粒子间的作用是共价键。③分子晶体的构成粒子是分子,粒子间的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,粒子间的作用是金属键。
(2)依据物质的分类判断。①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)、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常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等,常见的化合类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。④金属单质是金属晶体。(3)依据晶体的熔点判断。①离子晶体的熔点较高。②原子晶体的熔点很高。③分子晶体的熔点低。④金属晶体多数熔点较高,但有少数熔点相当低。
(4)依据导电性判断。①离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。②原子晶体一般为非导体。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。①离子晶体硬度较大、硬而脆。②原子晶体硬度大。③分子晶体硬度小且较脆。④金属晶体多数硬度大,但也有硬度较小的,且具有延展性。
2.晶体熔、沸点的比较(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:(比较共价键强弱)原子半径越小→键长越短→键能越大→共价键越强→熔、沸点越高。如熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅②离子晶体:(比较离子键强弱或晶格能大小)a.一般地说,阴、阳离子所带电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用力就越大,其离子晶体的熔、沸点就越高,如熔点:MgO>NaCl>CsCl。b.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,熔点越高,硬度越大。
③分子晶体:(比较分子间作用力大小)a.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、沸点反常地高。如沸点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。d.同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。
④金属晶体:金属离子半径越小,离子所带电荷数越多,其金属键越强,金属熔、沸点就越高,如熔、沸点:Na
据此回答下列问题:(1)由表格中数据可知,A组熔点普遍偏高,据此回答:①A组属于 晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是 ;②硅的熔点低于二氧化硅,是由于 ; ③硼晶体的硬度与硅晶体相对比: 。
(2)B组晶体中存在的作用力是 ,其共同的物理性质是 (填序号),可以用 理论解释。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组晶体中NaCl、KCl、RbCl的熔点由高到低的顺序为 ,MgO晶体的熔点高于前三者,其原因解释为 。
答案:(1)①原子 共价键 ②Si—Si键键能小于Si—O键键能 ③硼晶体大于硅晶体 (2)金属键 ①②③④ 电子气 (3)HF分子间能形成氢键,其熔化时需要消耗的能量更多 (4)②④(5)NaCl>KCl>RbCl MgO晶体为离子晶体,离子所带电荷越多,半径越小,晶格能越大,熔点越高
解析:(1)A组由非金属元素组成,熔点最高,属于原子晶体,熔化时需破坏共价键。由共价键形成的原子晶体中,原子半径小的键长短,键能大,晶体熔、沸点高,硬度大。(2)B组都是金属,存在金属键,具有金属晶体的性质,可以用“电子气理论”解释相关的性质。(3)C组卤化氢晶体属于分子晶体,HF熔点高是由于分子之间形成氢键。(4)D组是离子化合物,熔点较高,具有离子晶体的性质。(5)晶格能大小与离子电荷数和离子半径有关,电荷数越多,半径越小,晶格能越大,熔点越高。
误区警示(1)分子晶体熔、沸点的比较要特别注意氢键的存在。(2)离子晶体的熔点不一定都低于原子晶体,如MgO是离子晶体,熔点是2 800 ℃;而SiO2是原子晶体,熔点是1 732 ℃。
跟踪训练1.磷是人体含量较多的元素之一,磷的化合物在药物生产和农药制造等方面用途非常广泛。回答下列问题:(1)基态磷原子的核外电子排布式为 。 (2)P4S3可用于制造火柴,其分子结构如图1所示。①第一电离能:磷 (填“>”或“<”,下同)硫;电负性:磷 硫。②P4S3分子中硫原子的杂化轨道类型为 。 ③每个P4S3分子中含孤电子对的数目为 。
(3)N、P、As、Sb均是第ⅤA族的元素。①上述元素的氢化物的沸点关系如图2所示,沸点:PH3
解析 (1)磷是15号元素,基态磷原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p3或[Ne]3s23p3;(2)①磷的3p能级为半充满结构,较为稳定,故第一电离能:磷>硫;硫的非金属性比磷强,故电负性:磷<硫;②P4S3分子中硫原子与2个P原子相连,每个硫原子还有2个孤电子对,采用sp3杂化;③每个P原子有1个孤电子对,每个S原子有2个孤电子对,每个P4S3分子中含孤电子对的数目为1×4+2×3=10;(3)①氨分子间存在氢键,导致沸点:PH3
(4)金刚砂(SiC)结构与金刚石结构相似,若将金刚石晶体中一半的碳原子换成硅原子且同种原子不成键,则得到金刚砂(SiC)结构。①SiC是 晶体,键角是 。 ②如果我们以一个硅原子为中心,设SiC晶体中硅原子与其最近的碳原子的最近距离为d,则与硅原子次近的第二层有 个原子,离中心原子的距离是 。
(5)铜是第四周期重要的过渡元素之一,其单质及化合物具有广泛用途。CuH的晶体结构如图所示,若CuH的密度为d g·cm-3,设阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶胞的边长为 cm(用含d和NA的式子表示)。
解析:(1)由基态铁原子的电子排布式1s22s22p63s23p63d64s2,可知在形成Fe2+时失去的是4s原子轨道上的两个电子,则Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6;根据得失电子守恒和原子守恒可写出反应的化学方程式。(2)由配合物的化学式[Cr(H2O)4Cl2]Cl·2H2O,可知Cr为中心原子,Cl-和H2O为配体,则Cr的配位数为6;由于CrO5中Cr为+6价,根据化合价规律可知CrO5的结构式为 。
(3)镍原子的价电子数是10,一个配体CO提供一个孤电子对,则10+2n=18,故n=4,所以在Ni(CO)n中应有4个配体CO;由于Ni(CO)n是挥发性液体,说明其组成微粒间的作用力很微弱,应是范德华力,故其固态时属于分子晶体。
晶胞与典型晶体模型及相关计算1.晶胞(1)晶胞:是描述晶体结构的基本单元。(2)晶体与晶胞的关系:整个晶体可以看作由数量巨大的晶胞 “无隙并置”而成,晶胞是晶体结构中的基本重复单元,晶胞的结构可以反映晶体的结构。(3)晶胞中粒子数目的计算——均摊法:如某个粒子为n个晶胞所共有,则该粒子有 属于这个晶胞。
自主巩固(1)如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞,则甲晶体中x与y的个数比是2∶1,乙中a与b的个数比是1∶1,丙中一个晶胞中有4个c离子和4个d离子。
(2)①将等径圆球在二维空间里进行排列,可形成密置层和非密置层。在图1所示的半径相等的圆球的排列中,A属于非密置层,配位数是4;B属于密置层,配位数是6。②将非密置层一层一层地在三维空间里堆积,得到如图2所示的一种金属晶体的晶胞,它被称为简单立方堆积,在这种晶体中,金属原子的配位数是6,平均每个晶胞所占有的原子数目是1。
③有资料表明,只有钋的晶体中的原子具有如图2所示的堆积方式。钋位于元素周期表的第六周期第ⅥA族,元素符号是P,最外层电子排布式是6s26p4。
1.晶胞组成的计算规律(1)平行六面体形晶胞数目的计算。
(2)(2018全国Ⅰ节选)①Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(a)的Brn-Haber循环计算得到。
可知,Li原子的第一电离能为 kJ·ml-1,O=O键键能为kJ·ml-1,Li2O晶格能为 kJ·ml-1。
②Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,阿伏加德罗常数的值为NA,则Li2O的密度为 g·cm-3 (列出计算式)。
跟踪训练3.(1)①C60和金刚石都是碳的同素异形体,两者相比较熔点高的是 。 ②超高导热绝缘耐高温纳米氮化铝在绝缘材料中应用广泛,氮化铝晶体与金刚石类似,每个铝原子与 个氮原子相连,与同一个氮原子相连的铝原子构成的立体构型为 。 ③金属镍粉在CO气流中轻微加热,生成无色挥发性液体Ni(CO)4,呈正四面体构型。试推测Ni(CO)4的晶体类型是 ,Ni(CO)4易溶于下列 (填字母)。 A.水B.四氯化碳C.苯D.硫酸镍溶液④AlCl3在177.8 ℃时升华,蒸气或熔融状态以Al2Cl6形式存在。下列关于AlCl3的推断错误的是 (填字母)。 A.氯化铝为共价化合物B.氯化铝为离子化合物C.氯化铝难溶于有机溶剂D.Al2Cl6中存在配位键
(2)硒化锌(ZnSe)是一种重要的半导体材料,其晶胞结构如图所示,该晶胞中硒原子的配位数为 ;若该晶胞密度为ρ g·cm-3,硒化锌的摩尔质量为M g·ml-1。NA代表阿伏加德罗常数的值,则晶胞参数a为 pm。
答案 (1)①金刚石 ②4 正四面体 ③分子晶体 BC ④BC
解析 (1)①C60是分子晶体,金刚石是原子晶体,所以金刚石的熔点远远高于C60的。②由金刚石结构中每个碳原子均以sp3杂化与其他四个碳原子相连形成四个共价键构成正四面体结构可推测每个铝原子与4个氮原子相连,与同一个氮原子相连的铝原子构成的立体构型为正四面体。③由挥发性液体可知Ni(CO)4是分子晶体,由正四面体构型可知Ni(CO)4是非极性分子。④由AlCl3易升华可知AlCl3是分子晶体,Al—Cl键不属于离子键应该为共价键,铝原子最外层三个电子全部成键,形成三个Al—Cl σ键,无孤电子对,是非极性分子,易溶于有机溶剂,Al有空轨道,与Cl的孤电子对能形成配位键,A、D正确。
4.(1)NaH具有NaCl型晶体结构,已知NaH晶体的晶胞参数a=488 pm,Na+半径为102 pm,H-的半径为 ,NaH的理论密度是 g·cm-3。 (2)单质A与某化合物和氨气在一定温度下可发生置换反应,产物之一的立方晶胞结构如图所示,若两个最近的A原子间的距离为a cm,则该晶体的密度是 g·cm-3(设A、B的相对原子质量分别为MA、MB)。
1.4种晶体类型原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体。2.熟记4种晶体的结构干冰、NaCl晶体、CsCl晶体、金刚石。3.判断熔点高低的一般规律原子晶体>离子晶体>分子晶体。4.立方体晶胞分摊粒子数的4条规律
1.磷化铜(Cu3P2)用于制造磷青铜。磷青铜是含少量锡、磷的铜合金,主要用作耐磨零件和弹性元件。(1)基态铜原子的电子排布式为 ;价电子中已成对电子数有 个。 (2)磷化铜与水作用产生有毒的磷化氢(PH3)。①PH3分子中的中心原子的杂化方式是 。 ②P与N同主族,其最高价氧化物对应水化物的酸性:HNO3 (填“>”或“<”)H3PO4,从结构的角度说明理由: 。 (3)磷青铜中的锡、磷两元素电负性的大小为:Sn (填“>”“<”或“=”)P。
(4)某磷青铜晶胞结构如图所示。①则其化学式为 。 ②该晶体中距离Cu原子最近的Sn原子有 个,这些Sn原子所呈现的构型为 。 ③若晶体密度为8.82 g·cm-3,最近的Cu原子核间距为 pm (用含NA的代数式表示,设NA表示阿伏加德罗常数的值)。
2.磷是生物体中不可缺少的元素之一,它能形成多种化合物。(1)磷元素位于周期表的 区,基态磷原子中电子占据的最高能层符号为 ,该能层具有的原子轨道数为 。 (2)第三周期中,元素的第一电离能位于铝元素和磷元素之间的有 种元素。 (3)白磷(P4)分子是正四面体结构,其键角为 ,磷原子杂化方式为 ,3.1 g白磷中σ键的数目为 。P4易溶于二硫化碳,难溶于水,原因是 。 (4)磷酸与Fe3+可形成H3[Fe(PO4)2],基态Fe3+的核外电子排布式为 ,Fe、P、O电负性由大到小的顺序是 。
(5)磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料,下图为其晶胞示意图,晶胞边长为a pm,阿伏加德罗常数的值为NA,则磷化硼晶体的密度为 g·cm-3(列出计算式即可)。
答案:(1)p M 9(2)3(3)60° sp3 0.15NA P4和CS2是非极性分子,H2O是极性分子,根据相似相溶的原理,P4易溶于CS2,难溶于水(4)1s22s22p63s23p63d5 O>P>Fe
解析:(1)P原子核外有15个电子,分三层排布,即有三个能层,所以电子占据的最高能层符号为M;最外层价电子排布为3s23p3,则磷元素位于周期表的p区;3s能级有1个轨道,3p能级有3个轨道,3d能级有5个轨道,所以M能层具有的原子轨道数为9。(2)同一周期元素自左而右第一电离能呈增大趋势,但Mg的3s能级全充满,3p能级全空,相对较稳定;第一电离能高于同周期相邻元素;P原子3p能级是半充满稳定状态,能量较低,第一电离能高于同周期相邻元素,故第一电离能位于铝到磷元素之间的有Mg、Si、S三种元素。
(3)P4分子为正四面体构型,键角为60°,P4分子中每个P原子与相邻的3个P原子形成3个σ键,每个P原子含有1对孤电子对,杂化轨道数目为4,故P原子采取sp3杂化;因为P4分子中每个P原子与相邻的3个P原子形成3个σ键,则平均1 ml P原子形成1.5 ml σ键,所以3.1 g白磷中σ键的数目为0.15NA;相似相溶原理是指极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂;非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂。P4和CS2都是非极性分子,H2O是极性分子,根据相似相溶的原理,P4易溶于CS2,难溶于水。
(4)Fe原子核外有26个电子,核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2,Fe原子失去4s能级的2个电子和3d能级的1个电子形成Fe3+,Fe3+电子排布式为1s22s22p63s23p63d5。同周期元素从左到右,元素的电负性逐渐增大,故电负性:S>P,同主族元素从上到下电负性逐渐减小,则电负性:O>S,所以电负性O>P;Fe为金属元素,则电负性由大到小的顺序是O>P>Fe。
3.锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。(1)比较下列锗卤化物的熔点和沸点,分析其变化规律及原因 。
(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,其中原子坐标参数A为(0,0,0); 。则D原子的坐标参数为 。 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·cm-3(列出计算式即可)。
答案:(1)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是分子结构相似,相对分子质量依次增大,分子间相互作用力逐渐增强
4.砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料,可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。回答下列问题:(1)GaF3的熔点高于1 000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是 。 (2)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,设阿伏加德罗常数的值为NA,则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为 。
5.(2020全国Ⅲ)氨硼烷(NH3BH3)含氢量高、热稳定性好,是一种具有潜力的固体储氢材料。回答下列问题:(1)H、B、N中,原子半径最大的是 。根据对角线规则,B的一些化学性质与元素 的相似。 (2)NH3BH3分子中,N—B化学键称为 键,其电子对由 提供。氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气:
(3)NH3BH3分子中,与N原子相连的H呈正电性(Hδ+),与B原子相连的H呈负电性(Hδ-),电负性大小顺序是 。与NH3BH3原子总数相等的等电子体是 (写结构简式),其熔点比NH3BH3 (填“高” 或“低”),原因是在NH3BH3分子之间,存在 ,也称“双氢键”。
(4)研究发现,氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm,α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。 氨硼烷晶体的密度ρ= g·cm-3(列出计算式,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
考纲要求:1.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。 2.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。 3.了解晶格能的概念,了解晶格能对离子晶体性质的影响。 4.了解分子晶体结构与性质的关系。 5.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。 6.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。 7.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。
晶体常识与四种晶体的比较1.晶体(1)晶体与非晶体。
(2)得到晶体的途径。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。
自主巩固判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。(1)凡是有规则外形的固体一定是晶体 ( × )(2)晶体与非晶体的本质区别:是否有自范性 ( √ )(3)熔融态物质凝固就得到晶体 ( × )(4)晶体有一定的熔、沸点 ( √ )(5)区分晶体和非晶体最可靠的科学方法:是否具有固定的熔沸点 ( × )(6)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子 ( × )(7)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高 ( × )(8)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低 ( × )(9)离子晶体中一定不含有共价键 ( × )(10)分子晶体或原子晶体中一定不含离子键 ( √ )
1.晶体类型的5种判断方法(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,粒子间的作用是离子键。②原子晶体的构成粒子是原子,粒子间的作用是共价键。③分子晶体的构成粒子是分子,粒子间的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,粒子间的作用是金属键。
(2)依据物质的分类判断。①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)、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常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等,常见的化合类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。④金属单质是金属晶体。(3)依据晶体的熔点判断。①离子晶体的熔点较高。②原子晶体的熔点很高。③分子晶体的熔点低。④金属晶体多数熔点较高,但有少数熔点相当低。
(4)依据导电性判断。①离子晶体溶于水及熔融状态时能导电。②原子晶体一般为非导体。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。①离子晶体硬度较大、硬而脆。②原子晶体硬度大。③分子晶体硬度小且较脆。④金属晶体多数硬度大,但也有硬度较小的,且具有延展性。
2.晶体熔、沸点的比较(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:(比较共价键强弱)原子半径越小→键长越短→键能越大→共价键越强→熔、沸点越高。如熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅②离子晶体:(比较离子键强弱或晶格能大小)a.一般地说,阴、阳离子所带电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用力就越大,其离子晶体的熔、沸点就越高,如熔点:MgO>NaCl>CsCl。b.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,熔点越高,硬度越大。
③分子晶体:(比较分子间作用力大小)a.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、沸点反常地高。如沸点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。d.同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。
④金属晶体:金属离子半径越小,离子所带电荷数越多,其金属键越强,金属熔、沸点就越高,如熔、沸点:Na
据此回答下列问题:(1)由表格中数据可知,A组熔点普遍偏高,据此回答:①A组属于 晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是 ;②硅的熔点低于二氧化硅,是由于 ; ③硼晶体的硬度与硅晶体相对比: 。
(2)B组晶体中存在的作用力是 ,其共同的物理性质是 (填序号),可以用 理论解释。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组晶体中NaCl、KCl、RbCl的熔点由高到低的顺序为 ,MgO晶体的熔点高于前三者,其原因解释为 。
答案:(1)①原子 共价键 ②Si—Si键键能小于Si—O键键能 ③硼晶体大于硅晶体 (2)金属键 ①②③④ 电子气 (3)HF分子间能形成氢键,其熔化时需要消耗的能量更多 (4)②④(5)NaCl>KCl>RbCl MgO晶体为离子晶体,离子所带电荷越多,半径越小,晶格能越大,熔点越高
解析:(1)A组由非金属元素组成,熔点最高,属于原子晶体,熔化时需破坏共价键。由共价键形成的原子晶体中,原子半径小的键长短,键能大,晶体熔、沸点高,硬度大。(2)B组都是金属,存在金属键,具有金属晶体的性质,可以用“电子气理论”解释相关的性质。(3)C组卤化氢晶体属于分子晶体,HF熔点高是由于分子之间形成氢键。(4)D组是离子化合物,熔点较高,具有离子晶体的性质。(5)晶格能大小与离子电荷数和离子半径有关,电荷数越多,半径越小,晶格能越大,熔点越高。
误区警示(1)分子晶体熔、沸点的比较要特别注意氢键的存在。(2)离子晶体的熔点不一定都低于原子晶体,如MgO是离子晶体,熔点是2 800 ℃;而SiO2是原子晶体,熔点是1 732 ℃。
跟踪训练1.磷是人体含量较多的元素之一,磷的化合物在药物生产和农药制造等方面用途非常广泛。回答下列问题:(1)基态磷原子的核外电子排布式为 。 (2)P4S3可用于制造火柴,其分子结构如图1所示。①第一电离能:磷 (填“>”或“<”,下同)硫;电负性:磷 硫。②P4S3分子中硫原子的杂化轨道类型为 。 ③每个P4S3分子中含孤电子对的数目为 。
(3)N、P、As、Sb均是第ⅤA族的元素。①上述元素的氢化物的沸点关系如图2所示,沸点:PH3
解析 (1)磷是15号元素,基态磷原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p3或[Ne]3s23p3;(2)①磷的3p能级为半充满结构,较为稳定,故第一电离能:磷>硫;硫的非金属性比磷强,故电负性:磷<硫;②P4S3分子中硫原子与2个P原子相连,每个硫原子还有2个孤电子对,采用sp3杂化;③每个P原子有1个孤电子对,每个S原子有2个孤电子对,每个P4S3分子中含孤电子对的数目为1×4+2×3=10;(3)①氨分子间存在氢键,导致沸点:PH3
(4)金刚砂(SiC)结构与金刚石结构相似,若将金刚石晶体中一半的碳原子换成硅原子且同种原子不成键,则得到金刚砂(SiC)结构。①SiC是 晶体,键角是 。 ②如果我们以一个硅原子为中心,设SiC晶体中硅原子与其最近的碳原子的最近距离为d,则与硅原子次近的第二层有 个原子,离中心原子的距离是 。
(5)铜是第四周期重要的过渡元素之一,其单质及化合物具有广泛用途。CuH的晶体结构如图所示,若CuH的密度为d g·cm-3,设阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶胞的边长为 cm(用含d和NA的式子表示)。
解析:(1)由基态铁原子的电子排布式1s22s22p63s23p63d64s2,可知在形成Fe2+时失去的是4s原子轨道上的两个电子,则Fe2+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6;根据得失电子守恒和原子守恒可写出反应的化学方程式。(2)由配合物的化学式[Cr(H2O)4Cl2]Cl·2H2O,可知Cr为中心原子,Cl-和H2O为配体,则Cr的配位数为6;由于CrO5中Cr为+6价,根据化合价规律可知CrO5的结构式为 。
(3)镍原子的价电子数是10,一个配体CO提供一个孤电子对,则10+2n=18,故n=4,所以在Ni(CO)n中应有4个配体CO;由于Ni(CO)n是挥发性液体,说明其组成微粒间的作用力很微弱,应是范德华力,故其固态时属于分子晶体。
晶胞与典型晶体模型及相关计算1.晶胞(1)晶胞:是描述晶体结构的基本单元。(2)晶体与晶胞的关系:整个晶体可以看作由数量巨大的晶胞 “无隙并置”而成,晶胞是晶体结构中的基本重复单元,晶胞的结构可以反映晶体的结构。(3)晶胞中粒子数目的计算——均摊法:如某个粒子为n个晶胞所共有,则该粒子有 属于这个晶胞。
自主巩固(1)如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞,则甲晶体中x与y的个数比是2∶1,乙中a与b的个数比是1∶1,丙中一个晶胞中有4个c离子和4个d离子。
(2)①将等径圆球在二维空间里进行排列,可形成密置层和非密置层。在图1所示的半径相等的圆球的排列中,A属于非密置层,配位数是4;B属于密置层,配位数是6。②将非密置层一层一层地在三维空间里堆积,得到如图2所示的一种金属晶体的晶胞,它被称为简单立方堆积,在这种晶体中,金属原子的配位数是6,平均每个晶胞所占有的原子数目是1。
③有资料表明,只有钋的晶体中的原子具有如图2所示的堆积方式。钋位于元素周期表的第六周期第ⅥA族,元素符号是P,最外层电子排布式是6s26p4。
1.晶胞组成的计算规律(1)平行六面体形晶胞数目的计算。
(2)(2018全国Ⅰ节选)①Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(a)的Brn-Haber循环计算得到。
可知,Li原子的第一电离能为 kJ·ml-1,O=O键键能为kJ·ml-1,Li2O晶格能为 kJ·ml-1。
②Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,阿伏加德罗常数的值为NA,则Li2O的密度为 g·cm-3 (列出计算式)。
跟踪训练3.(1)①C60和金刚石都是碳的同素异形体,两者相比较熔点高的是 。 ②超高导热绝缘耐高温纳米氮化铝在绝缘材料中应用广泛,氮化铝晶体与金刚石类似,每个铝原子与 个氮原子相连,与同一个氮原子相连的铝原子构成的立体构型为 。 ③金属镍粉在CO气流中轻微加热,生成无色挥发性液体Ni(CO)4,呈正四面体构型。试推测Ni(CO)4的晶体类型是 ,Ni(CO)4易溶于下列 (填字母)。 A.水B.四氯化碳C.苯D.硫酸镍溶液④AlCl3在177.8 ℃时升华,蒸气或熔融状态以Al2Cl6形式存在。下列关于AlCl3的推断错误的是 (填字母)。 A.氯化铝为共价化合物B.氯化铝为离子化合物C.氯化铝难溶于有机溶剂D.Al2Cl6中存在配位键
(2)硒化锌(ZnSe)是一种重要的半导体材料,其晶胞结构如图所示,该晶胞中硒原子的配位数为 ;若该晶胞密度为ρ g·cm-3,硒化锌的摩尔质量为M g·ml-1。NA代表阿伏加德罗常数的值,则晶胞参数a为 pm。
答案 (1)①金刚石 ②4 正四面体 ③分子晶体 BC ④BC
解析 (1)①C60是分子晶体,金刚石是原子晶体,所以金刚石的熔点远远高于C60的。②由金刚石结构中每个碳原子均以sp3杂化与其他四个碳原子相连形成四个共价键构成正四面体结构可推测每个铝原子与4个氮原子相连,与同一个氮原子相连的铝原子构成的立体构型为正四面体。③由挥发性液体可知Ni(CO)4是分子晶体,由正四面体构型可知Ni(CO)4是非极性分子。④由AlCl3易升华可知AlCl3是分子晶体,Al—Cl键不属于离子键应该为共价键,铝原子最外层三个电子全部成键,形成三个Al—Cl σ键,无孤电子对,是非极性分子,易溶于有机溶剂,Al有空轨道,与Cl的孤电子对能形成配位键,A、D正确。
4.(1)NaH具有NaCl型晶体结构,已知NaH晶体的晶胞参数a=488 pm,Na+半径为102 pm,H-的半径为 ,NaH的理论密度是 g·cm-3。 (2)单质A与某化合物和氨气在一定温度下可发生置换反应,产物之一的立方晶胞结构如图所示,若两个最近的A原子间的距离为a cm,则该晶体的密度是 g·cm-3(设A、B的相对原子质量分别为MA、MB)。
1.4种晶体类型原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体。2.熟记4种晶体的结构干冰、NaCl晶体、CsCl晶体、金刚石。3.判断熔点高低的一般规律原子晶体>离子晶体>分子晶体。4.立方体晶胞分摊粒子数的4条规律
1.磷化铜(Cu3P2)用于制造磷青铜。磷青铜是含少量锡、磷的铜合金,主要用作耐磨零件和弹性元件。(1)基态铜原子的电子排布式为 ;价电子中已成对电子数有 个。 (2)磷化铜与水作用产生有毒的磷化氢(PH3)。①PH3分子中的中心原子的杂化方式是 。 ②P与N同主族,其最高价氧化物对应水化物的酸性:HNO3 (填“>”或“<”)H3PO4,从结构的角度说明理由: 。 (3)磷青铜中的锡、磷两元素电负性的大小为:Sn (填“>”“<”或“=”)P。
(4)某磷青铜晶胞结构如图所示。①则其化学式为 。 ②该晶体中距离Cu原子最近的Sn原子有 个,这些Sn原子所呈现的构型为 。 ③若晶体密度为8.82 g·cm-3,最近的Cu原子核间距为 pm (用含NA的代数式表示,设NA表示阿伏加德罗常数的值)。
2.磷是生物体中不可缺少的元素之一,它能形成多种化合物。(1)磷元素位于周期表的 区,基态磷原子中电子占据的最高能层符号为 ,该能层具有的原子轨道数为 。 (2)第三周期中,元素的第一电离能位于铝元素和磷元素之间的有 种元素。 (3)白磷(P4)分子是正四面体结构,其键角为 ,磷原子杂化方式为 ,3.1 g白磷中σ键的数目为 。P4易溶于二硫化碳,难溶于水,原因是 。 (4)磷酸与Fe3+可形成H3[Fe(PO4)2],基态Fe3+的核外电子排布式为 ,Fe、P、O电负性由大到小的顺序是 。
(5)磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料,下图为其晶胞示意图,晶胞边长为a pm,阿伏加德罗常数的值为NA,则磷化硼晶体的密度为 g·cm-3(列出计算式即可)。
答案:(1)p M 9(2)3(3)60° sp3 0.15NA P4和CS2是非极性分子,H2O是极性分子,根据相似相溶的原理,P4易溶于CS2,难溶于水(4)1s22s22p63s23p63d5 O>P>Fe
解析:(1)P原子核外有15个电子,分三层排布,即有三个能层,所以电子占据的最高能层符号为M;最外层价电子排布为3s23p3,则磷元素位于周期表的p区;3s能级有1个轨道,3p能级有3个轨道,3d能级有5个轨道,所以M能层具有的原子轨道数为9。(2)同一周期元素自左而右第一电离能呈增大趋势,但Mg的3s能级全充满,3p能级全空,相对较稳定;第一电离能高于同周期相邻元素;P原子3p能级是半充满稳定状态,能量较低,第一电离能高于同周期相邻元素,故第一电离能位于铝到磷元素之间的有Mg、Si、S三种元素。
(3)P4分子为正四面体构型,键角为60°,P4分子中每个P原子与相邻的3个P原子形成3个σ键,每个P原子含有1对孤电子对,杂化轨道数目为4,故P原子采取sp3杂化;因为P4分子中每个P原子与相邻的3个P原子形成3个σ键,则平均1 ml P原子形成1.5 ml σ键,所以3.1 g白磷中σ键的数目为0.15NA;相似相溶原理是指极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂;非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂。P4和CS2都是非极性分子,H2O是极性分子,根据相似相溶的原理,P4易溶于CS2,难溶于水。
(4)Fe原子核外有26个电子,核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2,Fe原子失去4s能级的2个电子和3d能级的1个电子形成Fe3+,Fe3+电子排布式为1s22s22p63s23p63d5。同周期元素从左到右,元素的电负性逐渐增大,故电负性:S>P,同主族元素从上到下电负性逐渐减小,则电负性:O>S,所以电负性O>P;Fe为金属元素,则电负性由大到小的顺序是O>P>Fe。
3.锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。(1)比较下列锗卤化物的熔点和沸点,分析其变化规律及原因 。
(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,其中原子坐标参数A为(0,0,0); 。则D原子的坐标参数为 。 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·cm-3(列出计算式即可)。
答案:(1)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是分子结构相似,相对分子质量依次增大,分子间相互作用力逐渐增强
4.砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料,可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。回答下列问题:(1)GaF3的熔点高于1 000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是 。 (2)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,设阿伏加德罗常数的值为NA,则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为 。
5.(2020全国Ⅲ)氨硼烷(NH3BH3)含氢量高、热稳定性好,是一种具有潜力的固体储氢材料。回答下列问题:(1)H、B、N中,原子半径最大的是 。根据对角线规则,B的一些化学性质与元素 的相似。 (2)NH3BH3分子中,N—B化学键称为 键,其电子对由 提供。氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气:
(3)NH3BH3分子中,与N原子相连的H呈正电性(Hδ+),与B原子相连的H呈负电性(Hδ-),电负性大小顺序是 。与NH3BH3原子总数相等的等电子体是 (写结构简式),其熔点比NH3BH3 (填“高” 或“低”),原因是在NH3BH3分子之间,存在 ,也称“双氢键”。
(4)研究发现,氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm,α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。 氨硼烷晶体的密度ρ= g·cm-3(列出计算式,设NA为阿伏加德罗常数的值)。
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