2018版高考化学一轮复习文档：选修3-物质结构与性质第3节-晶体结构与性质

第三节晶体结构与性质考纲定位1.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。2．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。3．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。4．了解晶体类型，了解不同类型晶体中结构微粒及微粒间作用力的区别。5．了解晶胞概念，能根据晶胞确定晶体组成并进行相关的计算。6．了解晶格能的概念及其对离子晶体性质的影响。7．了解分子晶体结构与性质关系。考点1|晶体与晶胞[基础知识整合]1．晶体与非晶体(1)晶体与非晶体比较晶体非晶体结构特征结构微粒在三维空间里呈周期性有序排列结构微粒无序排列性质特征自范性有无熔点固定不固定异同表现各向异性无各向异性二者区别方法间接方法看是否有固定的熔点科学方法对固体进行X­射线衍射实验(2)获得晶体的途径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。2．晶胞(1)概念：描述晶体结构的基本单元。(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)一般形状为平行六面体。(4)晶胞中粒子数目的计算——均摊法晶胞任意位置上的一个原子如果是被n个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1n。①长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算②非长方体：如三棱柱[应用体验]下列是几种常见的晶胞结构，填写晶胞中含有的粒子数。A．NaCl(含________个Na＋，________个Cl－)B．干冰(含________个CO2)C．CaF2(含________个Ca2＋，________个F－)D．金刚石(含________个C)E．体心立方(含________个原子)F．面心立方(含________个原子)[提示]A．44B．4C．48D．8E．2F．4[考点多维探究]角度1晶体的概念及其性质1．如图是某固体的微观结构示意图，请认真观察两图，判断下列说法正确的是()【导学号：95812296】A．两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体B．Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性C．Ⅱ形成的固体一定有固定的熔、沸点D．二者的X－射线图谱是相同的B[Ⅰ会自动形成规则几何外形的晶体，具有各向异性，X－射线图谱有明锐的谱线。Ⅱ不会形成晶体。]2．(2014·全国卷Ⅰ节选)准晶体是一种无平移周期序，但有严格准周期位置序的独特晶体，可通过________________________________________________方法区分晶体、准晶体和非晶体。[解析]晶体是内部质点(原子、分子或离子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质，而非晶体内部质点在三维空间无规律地排列，因此可以通过X­射线衍射的方法进行区分，晶体能使X­射线发生衍射，而非晶体、准晶体则不能。[答案]X­射线衍射角度2晶胞中粒子数及其晶体化学式的判断3．如图为甲、乙、丙三种晶体的晶胞：试写出：(1)甲晶体化学式(X为阳离子)为________。(2)乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是________。(3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是________。(4)乙晶体中每个A周围结合B的个数为________。[答案](1)X2Y(2)1∶3∶1(3)8(4)124．右图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为________。[解析]R：8×18＋1＝2G：8×14＋8×14＋4×12＋2＝8Q：8×14＋2＝4R、G、Q的个数之比为1∶4∶2，则其化学式为RQ2G4。由于R为＋2价，G为－2价，所以Q为＋3价。[答案]＋35．某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是()A．3∶9∶4B．1∶4∶2C．2∶9∶4D．3∶8∶4B[A粒子数为6×112＝12；B粒子数为6×14＋3×16＝2；C粒子数为1；故A、B、C粒子数之比为1∶4∶2。]6．Cu元素与H元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。则该化合物的化学式为________。[解析]Cu个数：12×16＋2×12＋3＝6，H个数：6×13＋4＝6。[答案]CuH7．石墨晶体为层状结构，每层内每个六边形含有________个碳原子，________个C—C键。[解析]C个数：6×13＝2，C—C键数：6×12＝3。[答案]231．晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的“平行六面体”，但不一定是最小的“平行六面体”。2．在使用均摊法计算晶胞中微粒个数时，要注意晶胞的形状，不同形状的晶胞，应先分析任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共有，如六棱柱晶胞中，顶点、侧棱、底面上的棱、面心依次被6、3、4、2个晶胞所共有。角度3利用晶胞结构进行晶体密度的有关计算8．(2016·全国丙卷节选)GaAs的熔点为1238℃，密度为ρg·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MGag·mol－1和MAsg·mol－1，原子半径分别为rGapm和rAspm，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________。[解析]GaAs的熔点为1238℃，其熔点较高，据此推知GaAs为原子晶体，Ga与As原子之间以共价键键合。分析GaAs的晶胞结构，4个Ga原子处于晶胞体内，8个As原子处于晶胞的顶点、6个As原子处于晶胞的面心，结合“均摊法”计算可知，每个晶胞中含有4个Ga原子，含有As原子个数为8×1/8＋6×1/2＝4(个)，Ga和As的原子半径分别为rGapm＝rGa×10－10cm，rAspm＝rAs×10－10cm，则原子的总体积为V原子＝4×43π×[(rGa×10－10cm)3＋(rAs×10－10cm)3]＝16π3×10－30(r3Ga＋r3As)cm3。又知Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol－1和MAsg·mol－1，晶胞的密度为ρg·cm－3，则晶胞的体积为V晶胞＝4(MGa＋MAs)/ρNAcm3，故GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为V原子V晶胞×100%＝16π3×10－30r3Ga＋r3Ascm34MGa＋MAsρNAcm3×100%＝4π10－30×NAρr3Ga＋r3As3MGa＋MAs×100%。[答案]原子晶体共价4π10－30×NAρr3Ga＋r3As3MGa＋MAs×100%9．(2016·全国甲卷节选)某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。(1)晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________。(2)若合金的密度为dg·cm－3，晶胞参数a＝________nm。[解析](1)由晶胞结构图可知，Ni原子处于立方晶胞的顶点，Cu原子处于立方晶胞的面心，根据均摊法，每个晶胞中含有Cu原子的个数为6×12＝3，含有Ni原子的个数为8×18＝1，故晶胞中Cu原子与Ni原子的数量比为3∶1。(2)根据m＝ρV可得，1mol晶胞的质量为(64×3＋59)g＝a3×dg·cm－3×NA，则a＝2516.02×1023×d13cm＝2516.02×1023×d13×107nm。[答案](1)3∶1(2)2516.02×1023×d13×107或3251NAd×10710．(2014·海南高考节选)金刚石晶胞含有________个碳原子。若碳原子半径为r，金刚石晶胞的边长为a，根据硬球接触模型，则r＝________a，列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率_________________________(不要求计算结果)。[解析]金刚石晶胞中各个顶点、面上和体内的原子数目依次为8、6、4，然后依据晶胞计算确定在晶体中碳原子数目，碳原子数目为n＝8×1/8＋6×1/2＋4＝8；根据硬球接触模型可以确定，体对角线四分之一处的原子与顶点上的原子紧贴，因此有14·(3a)＝2r，则r＝38a；然后可以确定原子的占有率为(8×43πr3)/a3＝3π16。[答案]8388×43πr3a3＝3π1611．(2015·全国卷Ⅱ节选)A和B能够形成化合物F，其晶胞结构如下图所示，晶胞参数a＝0.566nm，F的化学式为__________；晶胞中A原子的配位数为____________；列式计算晶体F的密度(g·cm－3)________。(已知A为O元素，B为Na元素)[解析]O2－半径大于Na＋半径，由F的晶胞结构可知，大球代表O2－，小球代表Na＋，每个晶胞中含有O2－个数为8×1/8＋6×1/2＝4，含有Na＋个数为8，故O2－、Na＋离子个数之比为4∶8＝1∶2，从而推知F的化学式为Na2O。由晶胞结构可知，每个O原子周围有8个Na原子，故O原子的配位数为8。晶胞参数a＝0.566nm＝0.566×10－7cm，则晶胞的体积为(0.566×10－7cm)3，从而可知晶体F的密度为4×62g·mol－10.566×10－7cm3×6.02×1023mol－1≈2.27g·cm－3。[答案]Na2O84×62g·mol－10.566×10－7cm3×6.02×1023mol－1≈2.27g·cm－3晶体结构的相关计算(1)晶胞计算公式(立方晶胞)a3ρNA＝nM(a：棱长，ρ：密度，NA：阿伏加德罗常数的数值，n：1mol晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量，M：组成的摩尔质量)。(2)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式(设棱长为a)①面对角线长＝2a。②体对角线长＝3a。③体心立方堆积4r＝3a(r为原子半径)。④面心立方堆积4r＝2a(r为原子半径)。(3)空间利用率＝晶胞中微粒体积晶胞体积。考点2|常见晶体模型的微观结构分析[基础知识整合]1．原子晶体——金刚石与SiO2(1)金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，碳原子采取sp3杂化，C—C键之间的夹角是109°28′，最小的环是6元环。含有1molC的金刚石中，形成的共价键有2mol。每个晶胞含有8个C原子。(2)SiO2晶体中，每个Si原子与4个O成键，每个O原子与2个硅原子成键，最小的环是12元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是硅原子。1molSiO2晶体中含Si—O键数目为4NA，在SiO2晶体中Si、O原子均采取sp3杂化。2．分子晶体——干冰和冰(1)干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个，属于分子密堆积。晶胞中含有4个CO2分子。同类晶体还有晶体I2、晶体O2等。(2)冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1molH2O的冰中，最多可形成2mol氢键。晶胞结构与金刚石相似，含有8个H2O。3．金属晶体(1)“电子气理论”要点该理论把金属键描述为金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”，被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。(2)金属键的实质是金属阳离子与电子气间的静电作用。(3)金属晶体的常见堆积结构型式常见金属配位数晶胞面心立方最密堆积(铜型)Cu、Ag、Au12体心立方堆积Na、K、Fe8六方最密堆积(镁型)Mg、Zn、Ti12简单立方堆积Po6说明：六方最密堆积是按ABABAB……的方式堆积，面心立方最密堆积是按ABCABCABC……的方式堆积。4．离子晶体(1)NaCl型：在晶体中，每个Na＋同时吸引6个Cl－，每个Cl－同时吸引6个Na＋，配位数为6。每个晶胞含4个Na＋和4个Cl－。(2)CsCl型：在晶体中，每个Cl－吸引8个Cs＋，每个Cs＋吸引8个Cl－，配位数为8。(3)CaF2型：在晶体中，F－的配位数为4，Ca2＋的配位数为8，晶胞中含4个Ca2＋，含8个F－。5.石墨晶体——混合型晶体(1)石墨层状晶体中，层与层之间的作用是范德华力。(2)平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子采取的杂化方式是sp2。