全国版2021高考化学一轮复习第33讲晶体结构与性质课件

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《 物质结构与性质 》 选修 3 第十一章 第 33 讲　晶体结构与性质 　 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。　 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。 栏 目 导 航 考点一　晶体与晶胞 　 考点二　五类常见晶体的微观分析 　 考点三　四种典型晶体的比较及晶格能 　 探究高考 · 明确考向 1 ． 晶体与非晶体 考点一　晶体与晶胞 晶体 非晶体 结构特征 结构微粒 ______________ 排列 结构粒子 ________ 排列 性质 特征 自范性 ______ ______ 熔点 ________ __________ 异同表现 ____________ ____________ 二者区 别方法 间接方法 看是否有固定的 ________ 科学方法 对固体进行 X －射线衍射实验 周期性有序 　 无序 　 有 　 无 　 固定 　 不固定 　 各向异性 　 各向同性 　 熔点 　 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：描述晶体结构的 ____________ 。 (2) 晶体中晶胞的排列 —— 无隙并置 ①无隙：相邻晶胞之间没有 ____________ 。 ②并置：所有晶胞 ________ 排列、 ________ 相同。 熔融态 气态 析出 基本单元 任何间隙 平行 取向 4 ． 晶胞组成的计算 —— 均摊法 (1) 原则 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 ______ 。 (2) 方法 ①长方体 ( 包括立方体 ) 晶胞中不同位置的粒子数的计算。 ② 图示： 在使用均摊法计算晶胞中的微粒个数时，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、面心的微粒依次被 6 、 3 、 4 、 2 个晶胞所共有。 1 ．下图为离子晶体空间构型示意图： (● 阳离子，○阴离子 ) 以 M 代表阳离子，以 N 表示阴离子，写出各离子晶体的组成表达式： A ________ 、 B ________ 、 C ________ 。 答案　 MN 　 MN 3 　 MN 2 2 ．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堆积，如图甲、乙、丙分别代表这三种堆积方式的结构，其晶胞内金属原子个数比为 ________ 。 答案　 3∶2∶1 3 ． (1) 图 1 是 Cu 元素与 H 元素形成的一种红色化合物的晶胞结构，则该化合物的化学式为 ________ 。 (2) 图 2 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 ________ 。 CuH 　 ＋ 3 　 4 ． (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，下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 ________ 。 (2) 在硼酸盐中，阴离子有链状、环状等多种结构形式。下图是一种链状结构的多硼酸根，则多硼酸根离子符号为 ________ 。 MgB 2 　 1 ． 原子晶体 考点二　五类常见晶体的微观分析 金刚石　　　　　　　　二氧化硅 (1) 金刚石晶体中，每个 C 与另外 ______ 个 C 形成共价键， C — C 键之间的夹角是 109°28′ ，最小的环是 ______ 元环。含有 1 mol C 的金刚石中，形成的共价键有 ______ mol 。 (2)SiO 2 晶体中，每个 Si 原子与 ______ 个 O 成键，每个 O 原子与 ______ 个硅原子成键，最小的环是 ________ 元环，在 “ 硅氧 ” 四面体中，处于中心的是 ________ 原子， 1 mol SiO 2 中含有 ______ mol Si — O 键。 4 六 2 4 2 十二 Si 4 2 ． 分子晶体 (1) 干冰晶体中，每个 CO 2 分子周围等距且紧邻的 CO 2 分子有 ________ 个。 12 干冰的结构模型 ( 晶胞 ) 　　　　冰的结构模型 (2) 冰的结构模型中，每个水分子与相邻的 ______ 个水分子以氢键相连接，含 1 mol H 2 O 的冰中，最多可形成 ______ mol “ 氢键 ” 。 4 2 3 ． 离子晶体 (1)NaCl 型：在晶体中，每个 Na ＋ 同时吸引 ______ 个 Cl － ，每个 Cl － 同时吸引 ______ 个 Na ＋ ，配位数为 ______ 。每个晶胞含 ______ 个 Na ＋ 和 ______ 个 Cl － 。 (2)CsCl 型：在晶体中，每个 Cl － 吸引 ______ 个 Cs ＋ ，每个 Cs ＋ 吸引 ______ 个 Cl － ，配位数为 ______ 。 6 6 6 4 4 8 8 8 4 ． 石墨晶体 石墨层状晶体中，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 2 sp 2 5 ． 常见金属晶体的原子堆积模型 12 　 8 　 12 　 如图表示一些晶体中的某些结构，它们分别是 CaF 2 、 CsCl 、 NaCl 、干冰、金刚石、石墨晶体结构中的某一种的某一部分。 (1) 其中代表金刚石的是 ______( 填编号字母，下同 ) ，其中每个碳原子与 ______ 个碳原子最接近且距离相等。金刚石属于 ________ 晶体。 (2) 其中代表石墨的是 ______ ，其中每个正六边形占有碳原子数平均为 ______ 个。 (3) 其中代表 NaCl 晶体的是 ______ ，每个 Na ＋ 周围与它最接近且距离相等的 Na ＋ 有 ________ 个，每个 Na ＋ 周围有 ______ 个距离最近且相等的 Cl － ，其立体构型为 ______________ 。 (4) 代表 CsCl 晶体的是 ______ ，它属于 ________ 晶体，每个 Cs ＋ 与 ______ 个 Cl － 紧邻。 D 4 原子 E 2 A 12 6 正八面体形 　 C 　 离子 　 8 　 (5) 代表干冰的是 ______ ，它属于 ________ 晶体，每个 CO 2 分子与 ________ 个 CO 2 分子紧邻。 (6) 代表 CaF 2 晶体的是 ______ ，每个 Ca 2 ＋ 周围距离最近且等距离的 F － 有 ______ 个；每个 F － 周围距离最近且等距离的 Ca 2 ＋ 有 ______ 个。 B 分子 12 F 8 4 晶体结构的分析方法 (1) 判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时，要注意运用三维想像法。如 NaCl 晶体中， Na ＋ 周围的 Na ＋ 数目 (Na ＋ 用 “ ○ ” 表示 ) ： 每个面上有 4 个，共计 12 个。 (2) 常考的几种晶体主要有干冰、冰、金刚石、 SiO 2 、石墨、 CsCl 、 NaCl 、 K 、 Cu 等，要熟悉以上代表物的空间结构。当题中信息给出与某种晶体空间结构相同时，可以直接套用某种结构。 1 ． 四种晶体类型的比较 考点三　四种典型晶体的比较及晶格能 分子 　 原子 　 阴、阳离子 　 范德华力 　 共价键 　 金属键 　 离子键 　 较小 　 很大 　 很大 　 很小 　 较大 　 较低 　 很高 　 很高 　 很低 　 较高 　 　类型 比较　　 分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体 导电、 传热性 一般不导电，溶于水后有的导电 一般不具有导电性，个别为半导体 电和热的良导体 晶体不导电，水溶液或溶液或熔融态导电 物质类别 及举例 大多数非金属单质、气态氢化物、酸、非金属氧化物 (SiO 2 除外 ) 、绝大多数有机物 ( 有机盐除外 ) 部分非金属单质 ( 如金刚石、硅、晶体硼 ) ，部分非金属化合物 ( 如 SiC 、 SiO 2 ) 金属单质与合金 ( 如 Na 、 Al 、 Fe 、青铜 ) 金属氧化物 ( 如 K 2 O 、 Na 2 O) 、强碱 ( 如 KOH 、 NaOH) 、绝大部分盐 ( 如 NaCl) 2 ． 离子晶体的晶格能 (1) 定义 气态离子形成 1 mol 离子晶体所释放的能量，通常取正值，单位： ____________ 。 (2) 影响因素 ①离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越 ______ 。 ②离子的半径：离子的半径越小，晶格能越 ______ 。 (3) 与离子晶体性质的关系 晶格能越大，形成的离子晶体越 ________ ，且熔点越高，硬度越 ______ 。 kJ · mol － 1 　 大 大 稳定 大 [ 填一填 ] 比较下列晶格能大小，用 “ ＞ ” 和 “ ＜ ” 填空。 (1)NaCl______KCl ； (2)CaF 2 ______MgO ； (3)Na 2 S______Na 2 O ； (4)CaO______KCl 。 ＞ ＜ ＜ ＞ 题组一　晶体类型的判断 1 ．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，硬度很大，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： ____________ 。 原子晶体 分子晶体 分子晶体 离子晶体 (5)SiI 4 ：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 1 750℃ ，导电： ____________ 。 分子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体 2 ．现有几组物质的熔点 (℃) 数据： 据此回答下列问题： (1)A 组属于 ________ 晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是 ________ 。 (2)B 组晶体共同的物理性质是 __________( 填序号 ) 。 ①有金属光泽　②导电性　③导热性　④延展性 A 组 B 组 C 组 D 组 金刚石： 3 550 ℃ Li ： 181 ℃ HF ：－ 83 ℃ NaCl ： 801 ℃ 硅晶体： 1 410 ℃ Na ： 98 ℃ HCl ：－ 115 ℃ KCl ： 776 ℃ 硼晶体： 2 300 ℃ K ： 64 ℃ HBr ：－ 89 ℃ RbCl ： 718 ℃ 二氧化硅： 1 723 ℃ Rb ： 39 ℃ HI ：－ 51 ℃ CsCl ： 645 ℃ 原子 　 共价键 　 ①②③④ 　 (3)C 组中晶体熔点普遍较低的原因是 ______________________________ ， 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 解析　 (1)A 组熔点很高，为原子晶体，是由原子通过共价键形成的。 (2)B 组为金属晶体，具有 ①②③④ 四条共性。 (3)HF 中含有分子间氢键，故其熔点反常。 (4)D 组属于离子晶体，具有 ②④ 两条性质。 都为分子晶体，分子间作用力较弱 HF 分子间能形成氢键，其熔化时需要消耗的能量更多 ( 只要答出 HF 分子间能形成氢键即可 ) ②④ 晶体类型的三种判断方法 1 ． 根据构成微粒和微粒间的作用判断 (1) 离子晶体的构成微粒是阴、阳离子，微粒间的作用是离子键。 (2) 原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用是共价键。 (3) 分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用是分子间作用力。 (4) 金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子，微粒间的作用是金属键。 2 ． 根据晶体的特征性质判断 (1) 熔、沸点低的硬度小且较脆化合物是分子晶体； (2) 熔、沸点较高，硬度大且较脆，在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物是离子晶体； (3) 熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质是原子晶体； (4) 晶体能导电、传热、具有延展性的为金属晶体。 3 ． 根据物质的分类判断 (1) 金属氧化物 ( 如 K 2 O 、 Na 2 O 2 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 SiO 2 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，常见的化合物类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。 (4) 金属单质是金属晶体。 注意： ① 常温下为气态或液态的物质，其晶体应属于分子晶体 (Hg 除外 ) 。 ② 石墨属于混合型晶体，其硬度远远小于金刚石，但因层内碳碳共价键的键长比金刚石中碳碳共价键的键长短，其熔、沸点高于金刚石。 ③ AlCl 3 晶体中虽含有金属元素，但属于分子晶体，熔、沸点低 ( 熔点 190 ℃ ) 。 题组二　晶体熔、沸点的比较 3 ． (2019 · 河北廊坊检测 ) (1) 冰的熔点远高于干冰，除 H 2 O 是极性分子、 CO 2 是非极性分子外，还有一个重要的原因是 ________________________ 。 (2)NaF 的熔点 ______( 填 “ ＞ ”“ ＝ ” 或 “ ＜ ” )BF 的熔点，其原因是 ____________________________________________________________________________________________________ 。 (3)CO 熔点 ______( 填 “ ＞ ” 或 “ ＜ ” )N 2 的熔点，原因是 __________________________________________________________ 。 (4) 离子晶体熔点的高低取决于晶体中晶格能的大小。 KCl 、 NaCl 、 CaO 、 BaO 四种晶体熔点的高低顺序是 ____________________________________ ，其原因是 ______________________________________________________________ 。 H 2 O 分子间形成氢键 　 ＞ 　 ＞ 　 CO 为极性分子而 N 2 为非极性分子， CO 分子间作用力较大 　 CaO>BaO>NaCl>KCl 　 离子半径越小，所带电荷越多，晶格能越大，离子晶体的熔点越高 　 两者均为离子化合物，且阴、阳离子的电荷数均为 1 ，但后者的离子半径较大，离子键较弱，因此其熔点较低 (5)Na 、 Mg 、 Al 三者金属晶体熔点的高低顺序是 ____________________ ，其原因是 ____________________________________________________________________ ______________ 。 (6)CH 4 、 SiH 4 、 GeH 4 的熔、沸点依次 ________( 填 “ 增大 ” 或 “ 减小 ” ) ，其原因是 ____________________________________________________________________ _________________ 。 (7)SiO 2 、 NaCl 、 CO 2 三者熔点高低的顺序是 __________________ ，其原因是 ______________________________________________________________________ 。 Na ＜ Mg ＜ Al 　 金属原子的价电子越多，金属离子的半径越小，金属键越强，金属晶体的熔点越高 增大 三种物质均为分子晶体，结构与组成相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高 SiO 2 ＞ NaCl ＞ CO 2 三者晶体类型不同， SiO 2 是原子晶体， NaCl 是离子晶体， CO 2 是为分子晶体 (8) 继 C 60 后，科学家又合成了 Si 60 、 N 60 。请解释如下现象：熔点 Si 60 >N 60 >C 60 ，而破坏分子所需要的能量 N 60 >C 60 >Si 60 ，其原因是 _____________________________ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 。 结构相似的分子晶体的相对分子质量越大，分子间作用力 ( 或范德华力 ) 越强，熔化所需的能量越多，故熔点： Si 60 >N 60 >C 60 ；而破坏分子需断开化学键，元素电负性越强其形成的化学键越稳定，断键时所需能量越多，故破坏分子需要的能量大小顺序为 N 60 >C 60 >Si 60 “ 两看三比较 ” 判断物质熔、沸点的高低 (1) 一看物质的状态，一般情况下：固体＞液体＞气体； (2) 二看物质所属晶体类型，一般是：原子晶体＞离子晶体＞分子晶体。 (3) 同类晶体熔、沸点判断思路： ① 原子晶体 → 共价键键能 → 键长 → 原子半径； ② 分子晶体 → 分子间作用力 → 相对分子质量 ( 考虑分子间是否存在氢键 ) ； ③ 离子晶体 → 离子键强弱 → 离子所带电荷数、离子半径。 注意： 金属晶体的硬度和熔沸点一般相差较大，合金的硬度比其成分金属大，熔、沸点比其成分金属低。 1 ． [2018 · 全国卷 Ⅰ ， 35(4)] Li 2 O 是离子晶体，其晶格能可通过如图的 Bor n － Haber 循环计算得到。 则 O===O 键键能为 __________kJ · mol － 1 ， Li 2 O 晶格能为 ________kJ · mol － 1 。 探究高考 · 明确考向 498 　 2 908 　 解析　 0.5 mol 氧气生成 1 mol 氧原子吸收 249 kJ 热量，因此 O===O 键的键能为 498 kJ · mol － 1 ； Li 2 O 的晶格能为 2 908 kJ · mol － 1 。 2 ． [2017 · 全国卷 Ⅲ ， 35(5)] MgO 具有 NaCl 型结构 ( 如图 ) ，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式， X 射线衍射实验测得 MgO 的晶胞参数为 a ＝ 0.420 nm ，则 r (O 2 － ) 为 ________nm 。 MnO 也属于 NaCl 型结构，晶胞参数为 a ′ ＝ 0.448 nm ，则 r (Mn 2 ＋ ) 为 ________nm 。 0.148 　 0.076 　 3 ． [2017 · 江苏卷， 21A(5)] 某 Fe x N y 的晶胞如图甲所示， Cu 可以完全替代该晶体中 a 位置 Fe 或者 b 位置 Fe ，形成 Cu 替代型产物 Fe ( x － n ) Cu n N y 。 Fe x N y 转化为两种 Cu 替代型产物的能量变化如图乙所示，其中更稳定的 Cu 替代型产物的化学式为 ___________ 。 Fe 3 CuN 　 5 ． (2016 · 全国卷 Ⅲ ， 37) (1)GaF 3 的熔点高于 1 000 ℃ ， GaCl 3 的熔点为 77.9 ℃ ，其原因是 ______________________________________ 。 GaF 3 为离子晶体， GaCl 3 为分子晶体 　 解析　 二者熔点的差异是因为 GaF 3 为离子晶体， GaCl 3 为分子晶体。