化学第3章 不同聚集状态的物质与性质第2节 几种简单的晶体结构模型第1课时同步测试题

金属晶体　离子晶体

(40分钟　70分)

一、选择题(本题包括10小题,每小题5分,共50分)

1.下列几种金属晶体中,原子最外层电子数与另外三种不同的是(　　)

A.钠   B.钾   C.铁   D.铜

【解析】选C。钠、钾、铜最外层都只有一个电子,铁原子最外层有2个电子。

2.金属Mg中含有的结构粒子是(　　)

A.Mg原子和“自由电子”  B.只有Mg2+

C.Mg原子和Mg2+     D.Mg2+与“自由电子”

【解析】选D。金属晶体是由金属阳离子和“自由电子”利用金属键结合的晶体。

3.某晶体的下列性质可作为判断它是离子晶体的充分依据的是(　　)

A.具有较高的熔点和较大的硬度

B.固态不导电,其水溶液能导电

C.可溶于水

D.固态不导电,熔融态能导电

【解析】选D。A项,如金刚石具有较高的熔点和较大的硬度,金刚石不是离子晶体,所以由A项不能确定是离子晶体;B项,如HCl、AlCl3等共价化合物固态不导电,它们的水溶液能导电,所以由B项也不能确定是离子晶体;C项,如HCl、H2SO4等可溶于水,但它们形成的晶体是分子晶体,所以由C项不能确定是离子晶体;只有D项是正确的,离子晶体固态不导电而熔融态导电,分子晶体两种状态下都不导电,而金属晶体固态时导电。

4.下列关于离子晶体的描述不正确的是(　　)

A.离子晶体是阳离子和阴离子通过静电吸引力结合而成的晶体

B.稳定性:NaF>NaCl>NaBr>NaI

C.硬度:MgO>CaO>BaO

D.在氯化钠晶体中,Na+和Cl-的配位数均为6

【解析】选A。离子晶体是阳离子和阴离子通过静电作用结合而成,静电作用包括静电斥力和静电吸引力。

5.已知铜的晶胞结构如图所示,则在铜的晶胞中所含铜原子数为(　　)

A.3   B.4   C.5   D.6

【解析】选B。根据铜的晶胞结构可知,含有铜原子数为8×+6×=4。

6.已知金属钠与两种卤族元素形成的化合物Q、P,它们的晶格能分别为

923 kJ·mol-1、786 kJ·mol-1,下列有关说法中不正确的是(　　)

A.Q的熔点比P的高

B.若P是NaCl,则Q一定是NaF

C.Q中成键离子核间距较小

D.若P是NaCl,则Q可能是NaBr

【解析】选D。Q的晶格能大于P的晶格能,故Q的熔点比P的高,A项正确;因F-的半径比Cl-的小(其他卤素离子的半径比Cl-的大),故NaF的晶格能大于NaCl的,B项正确,D项错误;因Q、P中成键离子均为一价离子,电荷数相同,故晶格能的差异是由成键离子核间距决定的,晶格能越大,表明核间距越小,C项正确。

7.在冰晶石(Na3[AlF6])晶胞中,[AlF6]3-占据的位置相当于NaCl晶胞中Cl-占据的位置,则冰晶石晶胞中含有的原子数与NaCl晶胞中含有的原子数之比为(　　)

A.2∶1   B.3∶2  C.5∶2  D.5∶1

【解析】选D。一个NaCl晶胞中含有的原子个数为4+4=8;根据题目信息可知,一个冰晶石的晶胞中含有4个[AlF6]3-,则含有12个Na+,则一个冰晶石晶胞所含的原子总数为12+4×(1+6)=40,故选D项。

8.下列图像是从NaCl或CsCl晶体结构图中分割出来的部分结构图,试判断属于NaCl晶体结构的图像是(　　)

A.图(1)和图(3)  B.图(2)和图(3)

C.只有图(1)   D.图(1)和图(4)

【解析】选D。在NaCl晶体结构中,每个Na+周围等距且最近的Cl-有6个,图(1)和图(4)能够满足;在CsCl晶体中,与每个Cs+等距且最近的Cl-有8个,图(2)和图(3)符合。

9.氧化钙在2 973 K时熔化,而氯化钠在1 074 K时熔化,两者的离子间距离和晶体结构类似,有关它们熔点差别较大的原因叙述不正确的是(　　)

A.氧化钙晶体中阴、阳离子所带的电荷数多

B.氧化钙的晶格能比氯化钠的晶格能大

C.氧化钙的晶格能比氯化钠的晶格能小

D.在氧化钙与氯化钠的离子间距离类似的情况下,晶格能主要由阴、阳离子所带电荷的多少决定

【解析】选C。氧化钙和氯化钠都属于离子晶体,熔点的高低可根据晶格能的大小判断。晶格能的大小与离子所带电荷多少、离子间距离、晶体结构类型等因素有关。氧化钙和氯化钠的离子间距离和晶体结构都类似,所以晶格能主要由阴、阳离子所带电荷的多少决定。

10.有一种蓝色晶体[可表示为MxFey(CN)6],经X射线研究发现,它的结构特征是Fe3+和Fe2+互相占据立方体互不相邻的顶点,而CN-位于立方体的棱上。其晶体中阴离子的最小结构单元如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A.该晶体的化学式为M2Fe2(CN)6

B.该晶体属于离子晶体,M呈+1价

C.该晶体属于离子晶体,M呈+2价

D.晶体中与每个Fe3+距离最近且等距离的CN-为3个

【解析】选B。由图可推出晶体中阴离子的最小结构单元中含Fe2+个数为4×=,含Fe3+个数也为,CN-的个数为12×=3,因此阴离子为[Fe2(CN)6]-,则该晶体的化学式只能为MFe2(CN)6,故A项错误;由阴、阳离子形成的晶体为离子晶体,M的化合价为+1价,故B项正确、C项错误;由图可看出与每个Fe3+距离最近且等距离的CN-为6个,故D项错误。

二、非选择题(本题包括2小题,共20分)

11.(10分)(1)已知MgO的晶体结构属于NaCl型。某同学画出的MgO晶胞结构示意图如图所示,请改正图中的错误:________________。 

(2)Mg是第3周期元素,该周期部分元素氟化物的熔点见下表:

解释表中氟化物熔点差异的原因:________________。 

答案:(1)8号白球改为小灰球　(2)阴离子相同的离子晶体微粒间的作用力随阳离子半径的减小、电荷数的增大而增大,故MgF2的熔点高于NaF

12.(10分)金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式:六方最密堆积、面心立方最密堆积和体心立方密堆积,图(a)、(b)、(c)分别代表这三种晶胞的结构。

(1)三种晶胞内金属原子个数比为________。 

(2)三种堆积方式实质是金属阳离子的堆积方式,那么“自由电子”有无确切的堆积方式?________(填“有”或“无”)。 

(3)影响金属晶体熔点的主要因素是___________。 

【解析】(1)晶胞(a)中含原子数为12×+2×+3=6,晶胞(b)中含原子数为8×+ 6×=4,晶胞(c)中含原子数为8×+1=2。其原子个数比为6∶4∶2=3∶2∶1。(2)由于金属晶体中的“自由电子”不属于每个固定的原子,而是在整个晶体中自由移动,故自由电子无确切的堆积方式。(3)金属晶体是由金属原子通过金属键相互结合而成,金属键的强弱直接影响金属晶体的熔点。金属键越强,晶体的熔点越高。

答案:(1)3∶2∶1　(2)无　(3)金属键的强弱

(20分钟　30分)

一、选择题(本题包括1小题,共10分)

13.CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如图所示),但CaC2晶体中由于的存在,使晶胞沿一个方向拉长。下列关于CaC2晶体的说法中正确的是(　　)

A.1个Ca2+周围距离最近且等距离的的数目为6

B.该晶体中的阴离子与F2互为等电子体

C.6.4 g CaC2晶体中含阴离子0.1 mol

D.与每个Ca2+距离相等且最近的Ca2+共有12个

【解析】选C。依据晶胞示意图可以看出,晶胞竖直方向上的平面的长与宽不相等,再由图中体心可知1个Ca2+周围距离最近的有4个,而不是6个,故A错误;含价电子总数为2×4+2=10,F2的价电子总数为14,二者价电子总数不同,不互为等电子体,故B错误;6.4 g CaC2的物质的量为0.1 mol,CaC2晶体中的阴离子为,则含阴离子的物质的量为0.1 mol,故C正确;晶胞竖直方向上的平面的长与宽不相等,所以与每个Ca2+距离相等且最近的Ca2+应为4个,故D错误。

二、非选择题(本题包括2小题,共20分)

14.(10分)(1)Li2O具有反萤石结构,晶胞如图所示。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)。 

(2)FeS2晶体的晶胞如图所示。晶胞边长为a nm,FeS2相对分子质量为M,阿伏加德罗常数的值为NA,其晶体密度的计算表达式为________g·cm-3;晶胞中Fe2+位于所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为________nm。 

【解析】(1)1个氧化锂晶胞含O的个数为8×+6×=4,含Li的个数为8,1 cm=

107 nm,代入密度公式计算可得Li2O的密度为 g·cm-3。(2)该

晶胞中Fe2+位于棱上和体心,个数为12×+1=4,位于顶点和面心,个数为8×+6×=4,故晶体密度为×4 g÷(a×10-7 cm)3=×1021 g·cm-3。根据晶胞结构,所形成的正八面体的边长为该晶胞中相邻面的面心之间的连线之长,即为晶胞边长的,故该正八面体的边长为a nm。

答案:(1)　(2)×1021　a

15.(10分)(2020·全国Ⅰ卷)Goodenough等人因在锂离子电池及钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料研究方面的卓越贡献而获得2019年诺贝尔化学奖。回答下列问题:

(1)基态Fe2+与Fe3+离子中未成对的电子数之比为______。 

(2)Li及周期表中相邻元素的第一电离能(I1)如表所示。

I1(Li)>I1(Na),原因是______________________。 

I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是__________________。 

(3)磷酸根离子的空间构型为____________,其中P的价层电子对数为________、杂化轨道类型为____________。 

(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+)=________。 

【解析】(1)基态铁原子的价电子排布式为3d64s2,失去外层电子转化为Fe2+和Fe3+,这两种基态离子的价电子排布式分别为3d6和3d5,根据洪特规则可知,基态Fe2+有4个未成对电子,基态Fe3+有5个未成对电子,所以未成对电子个数比为4∶5;(2)同主族元素,从上至下,原子半径增大,第一电离能逐渐减小,所以I1(Li)>I1(Na);同周期元素,从左至右,第一电离能呈现增大的趋势,但由于第ⅡA族元素基态原子s能级轨道处于全充满的状态,能量更低更稳定,所以其第一电离能大于同一周期的第ⅢA族元素,因此I1(Be)>I1(B)>I1(Li);(3)经过计算,P中不含孤电子对,成键电子对数目为4,价层电子对数为4,因此其构型为正四面体形,P原子是采用sp3杂化方式形成的4个sp3杂化轨道;(4)由题干可知,LiFePO4的晶胞中,Fe存在于由O构成的正八面体内部,P存在于由O构成的正四面体内部;再分析题干中给出的(a)、(b)和(c)三个不同物质的晶胞结构示意图,对比(a)和(c)的差异可知,(a)图所示的LiFePO4的晶胞中,小球表示的即为Li+,其位于晶胞的8个顶点,4个侧面面心以及上下底面各自的相对的两条棱心处,经计算一个晶胞中Li+的个数为8×+4×+4×=4(个);进一步分析(a)图所示的LiFePO4的晶胞中,八面体结构和四面体结构的数目均为4,即晶胞中含Fe和P的数目均为4;考虑到化学式为LiFePO4,并且一个晶胞中含有的Li+、Fe和P的数目均为4,所以一个晶胞中含有4个LiFePO4单元。对比(a)和(b)两个晶胞结构示意图可知,Li1-xFePO4相比于LiFePO4缺失一个面心的Li+以及一个棱心的Li+;结合上一个空的分析可知,LiFePO4晶胞的化学式为Li4Fe4P4O16,那么Li1-xFePO4晶胞的化学式为Li3.25Fe4P4O16,所以有1-x=即x=0.187 5。结合上一个空计算的结果可知,Li1-xFePO4即Li0.812 5FePO4;假设Fe2+和Fe3+数目分别为x和y,则列方程组:x+y=1,0.812 5+2x+3y+5=4×2,解得x=0.812 5,y=0.187 5,则Li1-xFePO4中n(Fe2+)∶n(Fe3+)=0.812 5∶0.187 5=13∶3。

答案:(1)4∶5　(2)Na与Li同主族,Na的电子层数更多,原子半径更大,故第一电离能更小　Li、Be和B为同周期元素,同周期元素从左至右,第一电离能呈现增大的趋势;但由于基态Be原子的s能级轨道处于全充满状态,能量更低更稳定,故其第一电离能大于B的　(3)正四面体形　4　sp3

(4)4　或0.187 5　13∶3