2020届高考化学二轮复习晶体结构与性质学案

2020届高考化学二轮复习晶体结构与性质学案

一、晶体概念及结构模型 ‎1．晶体与非晶体 ‎(1)晶体与非晶体的比较 晶体 非晶体 结构特征 结构微粒周期性有序排列 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 各向同性 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)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。‎ ‎(3)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 无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。‎ 并置：所有晶胞平行排列、取向相同。‎ ‎2．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非长方体晶胞中粒子视具体情况而定，如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1个碳原子)被三个六边形共有，每个六边形占。‎ ‎3．常见晶体结构模型 ‎(1)原子晶体(金刚石和二氧化硅)‎ ‎①金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，C—C 键之间的夹角是109°28′，最小的环是六元环。含有1 mol C的金刚石中，形成的共价键有2 mol。‎ ‎②SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个硅原子成键，最小的环是十二元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子，1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。‎ ‎(2)分子晶体 ‎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。‎ ‎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1 mol H2O的冰中，最多可形成2 mol“氢键”。‎ ‎(3)离子晶体 ‎①NaCl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－。‎ ‎②CsCl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。‎ ‎(4)石墨晶体 石墨层状晶体中，层与层之间的作用是分子间作用力，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。‎ ‎(5)常见金属晶体的原子堆积模型 堆积模型 常见金属 配位数 晶胞 面心立方最密堆积 Cu、Ag、Au ‎12‎ 体心立方堆积 Na、K、Fe ‎8‎ 六方最密堆积 Mg、Zn、Ti ‎12‎ 二、四种晶体的性质与判断 ‎1．四种晶体类型比较 类型 比较　　‎ 分子晶体 原子晶体 金属晶体 离子晶体 构成粒子 分子 原子 金属阳离子和自由电子 阴、阳离子 粒子间的相互作用力 分子间作用力 共价键 金属键 离子键 硬度 较小 很大 有的很大，有的很小 较大 熔、沸点 较低 很高 有的很高，有的很低 较高 溶解性 相似相溶 难溶于任何溶剂 常见溶剂难溶 大多易溶于水等极性溶剂 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 电和热的良导体 晶体不导电，水溶液或熔融态导电 ‎2.离子晶体的晶格能 ‎(1)定义 气态离子形成1 mol离子晶体释放的能量，通常取正值，单位：kJ·mol－1。‎ ‎(2)影响因素 ‎①离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越大。‎ ‎②离子的半径：离子的半径越小，晶格能越大。‎ ‎(3)与离子晶体性质的关系 晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大。‎ 三、五类晶体模型 ‎1．原子晶体(金刚石和二氧化硅)‎ ‎(1)金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，C—C键之间的夹角是109°28′，最小的环是6元环。含有1 mol C的金刚石中，形成的共价键有2 mol。‎ ‎(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 元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是 原子，1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。‎ ‎2．分子晶体 ‎(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。‎ ‎(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 H2O的冰中，最多可形成2mol“氢键”。‎ ‎3．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。‎ ‎4. 石墨晶体 石墨层状晶体中，层与层之间的作用是分子间作用力，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。‎ 特别提醒：‎ ‎(1)判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时，要注意运用三维想象法。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、SiO2、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。‎ ‎【典题精练】‎ 考点1、考查晶体类型的判断 例1.现有几组物质的熔点(℃)数据：‎ 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 ℃‎ 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 ‎(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组晶体的熔点由高到低的顺序为NaCl>KCl>RbCl>CsCl，其原因为_______________________________________。‎ 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。(5)D组属于离子晶体，其熔点与晶格能有关。‎ 答案：(1)原子　共价键　(2)①②③④‎ ‎(3)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)‎ ‎(4)②④‎ ‎(5)D组晶体都为离子晶体，r(Na＋)晶体硅>二氧化硅>碳化硅 B.CI4>CBr4>CCl4>CH4‎ C.MgO>H2O>N2>O2‎ D.金刚石>生铁>纯铁>钠 解析：原子晶体中共价键的键长越短，键能越大，熔沸点越高，则熔沸点为金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅，A错误；结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，熔沸点越高，则熔沸点为CI4>CBr4>CCl4>CH4，B正确；离子晶体的熔沸点大于分子晶体，水中含有氢键，沸点比氮气、氧气的高，则熔沸点为MgO>H2O>O2>N2，C错误；熔沸点一般为原子晶体>金属晶体，合金的熔点比纯金属的低，则熔沸点为金刚石>纯铁>生铁>钠，D错误。‎ 答案：B 方法归纳：物质熔沸点高低的比较 ‎1.不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律 ‎(1)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、铂等金属的熔、沸点很高，汞、铯等金属的熔、沸点很低。‎ ‎2.同种类型晶体的熔、沸点的比较 ‎(1)原子晶体 →→→ 如熔点：金刚石>碳化硅>硅。‎ ‎(2)离子晶体 ‎①一般地，离子所带的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用力就越强，其离子晶体的熔、沸点就越高，如熔点：MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。‎ ‎②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，硬度也越大。‎ ‎(3)分子晶体 ‎①分子间作用力越大，物质的熔、沸点越高；能形成氢键的分子晶体熔、沸点反常的高，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。‎ ‎②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。‎ ‎③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。‎ ‎④同分异构体，支链越多，熔、沸点越低。‎ 如 ‎(4)金属晶体 ‎①金属离子半径越小，离子所带电荷数越多，其金属键越强，金属的熔、沸点越高，如熔、沸点：Na碳化硅>晶体硅 D．晶格能由大到小: ‎ ‎【答案】B ‎【解析】A.A中都是分子晶体，熔点和分子间作用力有关系，相对分子质量越大，分子间作用力越强，因相对分子质量CF4 Si，且键能C-C>C-Si>Si-Si，硬度由大到小:金刚石>碳化硅>晶体硅，故C排序正确；D.因Mg2+、Ca2+、O2-所带的电荷数较Na+、 F-、Cl-多，阴阳离子间的晶格能较大，且半径Mg2+>Ca2+、F->Cl-，则有晶格能由大到小为：MgO>CaO>NaF>NaCl，故D排序正确；答案选B。‎ ‎12．（2019·安徽师范大学附属中学高三月考）如图所示为干冰晶体的晶胞，它是一种面心立方结构，即每8个分子构成立方体，且再在6个面的中心各有1个分子占据，在每个周围距离 (其中为立方体棱长)的分子有 A．4个 B．8个 C．12个 D．6个 ‎【答案】C ‎【解析】由图可知，以立方体顶点的二氧化碳为例，周围距离为a，即为面对角线的一半，这样的二氧化碳分子分布在与之相连的面的面心上，而与一个顶点相连的面有12个，所以这样的二氧化碳分子也有12个，故答案选C。‎ ‎13．（2019·山东师范大学附中高考模拟）氟及其化合物用途非常广泛。回答下列问题：‎ ‎（1）聚四氟乙烯商品名称为“特氟龙”，可做不粘锅涂层。它是一种准晶体，该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。‎ ‎（2）基态锑（Sb）原子价电子排布的轨道式为____。[H2F]+[SbF6]—（氟酸锑）是一种超强酸，存在[H2F]+，该离子的空间构型为______，依次写出一种与[H2F]+具有相同空间构型和键合形式的分子和阴离子分别是_______、_________。‎ ‎（3）硼酸（H3BO3）和四氟硼酸铵（NH4BF4）都有着重要的化工用途。‎ ‎①H3BO3和NH4BF4涉及的四种元素中第二周期元素的第一电离能由大到小的顺序_____（填元素符号）。‎ ‎②H3BO3本身不能电离出H+，在水中易结合一个OH﹣生成[B(OH)4]﹣，而体现弱酸性。[B(OH)4]﹣中B原子的杂化类型为_____。‎ ‎③NH4BF4（四氟硼酸铵）可用作铝或铜焊接助熔剂、能腐蚀玻璃等。四氟硼酸铵中存在_______（填序号）：‎ A 离子键 B σ键 C π键 D 氢键 E 范德华力 ‎ ‎（4）SF6被广泛用作高压电气设备绝缘介质。SF6是一种共价化合物，可通过类似于Born-Haber循环能量构建能量图（见图a）计算相联系的键能。则S—F的键能为_______kJ·mol-1。‎ ‎ ‎ ‎（5）CuCl的熔点为426℃，熔化时几乎不导电；CuF的熔点为908℃，密度为7.1g·cm-3。‎ ‎①CuF比CuCl熔点高的原因是_____________；‎ ‎② 已知NA为阿伏加德罗常数。CuF的晶胞结构如上“图b”。则CuF的晶胞参数a=__________nm （列出计算式）。‎ ‎【答案】（1）X—射线衍射 （2） V型 H2O NH2- （3）① F＞N＞O＞B ②sp3 ③AB （4）327 （5）①由两者的熔点可知，CuCl是分子晶体，而CuF为离子晶体，CuF离子晶体的晶格能大于CuCl分子间范德华力 ②×107 ‎ ‎【解析】（1）从外观无法区分三者，区分晶体、非晶体、准晶体最可靠的方法是X—射线衍射法。本小题答案为：X-射线衍射。‎ ‎（2）锑为51号元素，Sb位于第五周期VA族，则基态锑（Sb）原子价电子排布的轨道式为；[H2F]+[SbF6]—（氟酸锑）是一种超强酸，存在[H2F]+，[H2F]+中中心原子F的价层电子对数为2+=4，σ键电子对数为2，该离子的空间构型为V型，与[H2F]+具有相同空间构型和键合形式的分子为H2O、阴离子为NH2- 。本小题答案为：； V型 ；H2O ； NH2-。‎ ‎（3）①H3BO3和NH4BF4涉及的四种元素中第二周期元素是B、N、O、F四种元素，同周期元素从左向右第一电离能呈增大趋势，N的2p能级半充满较稳定，N的第一电离能大于O，则这四种元素第一电离能由大到小的顺序为F＞N＞O＞B。本小题答案为：F＞N＞O＞B。‎ ‎②[B(OH)4]﹣中B的价层电子对=4+1/2（3+1-4×1）=4，所以B采取sp3杂化。本小题答案为：sp3。‎ ‎③NH4BF4（四氟硼酸铵）中含铵根离子和氟硼酸根离子，铵根离子中含3个σ键和1个配位键，氟硼酸根离子中含3个σ键和1个配位键，铵根离子和氟硼酸根离子以离子键相结合，则四氟硼酸铵中存在离子键、σ键、配位键。本小题答案为：AB。‎ ‎（4）键能指气态基态原子形成1mol化学键释放的最大能量。由图a可知，气态基态S（g）和6F（g）原子形成SF6（g）释放的能量为1962kJ，即形成6molS—F键释放的能量为1962kJ，则形成1molS—F键释放的能量为1962kJ÷6=327kJ，则S—F的键能为327kJ·mol-1。本小题答案为：327。‎ ‎（5）①CuCl的熔点为426℃，熔化时几乎不导电，CuCl是分子晶体，而CuF的熔点为908℃，CuF为离子晶体，CuF离子晶体的晶格能大于CuCl分子间范德华力，故CuF比CuCl熔点高。本小题答案为：由两者的熔点可知，CuCl是分子晶体，而CuF为离子晶体，CuF离子晶体的晶格能大于CuCl分子间范德华力。‎ ‎②晶胞中Cu+数目为8×1/8+6×1/2=4，F-数目为4，故晶胞质量=（4×64+4×19）g÷NA =（4×83）/NA g，根据=7.1g/cm3×(a ×10-7cm)3，a=×107nm。本小题答案为：×107。‎ ‎14．（2019·山东高考模拟）含有N、P、Fe、Ti等元素的新型材料有着广泛的用途。‎ ‎(1)基态Fe原子未成对电子数为______个；基态Ti原子的价电子排布图是_____________。‎ ‎(2)意大利罗马大学的：FuNvio Cacace等人获得了极具理论研究意义的N4分子，其中氮原子的轨道杂化形式为__________________________。‎ ‎(3)比较气态氢化物膦(PH3)和氨(NH3)的键角：PH3________NH3(填“大于”、“小于”或“等于”)，主要原因为____________________________________________________________。‎ ‎(4)半夹心结构催化剂M能催化乙烯、丙烯、苯乙烯的聚合，其结构如图所示。‎ ‎①组成M的元素中，电负性最大的是___________(填名称)。‎ ‎②M中含有_________(填标号)。‎ A π键 B σ键 C 离子键 D 配位键 ‎ ‎ ‎(5)已知金刚石的晶胞沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图如下图B所示，则金属铁晶胞沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图应该是图__________(填标号)。‎ ‎ ‎ ‎(6)某种磁性氮化铁的晶胞结构如图所示，其中距离铁原子最近的铁原子的个数为____________，氮化铁晶胞底边长为a cm，高为c cm，则这种磁性氮化铁的晶体密度为__________g·cm-3(用含a、c和NA的计算式表示)。‎ ‎【答案】(1)4 (2)sp3 (3)小于 电负性N强于P，中心原子的电负性越大，成键电子对离中心原子越近，成键电子对之间距离越小，成键电子对之间的排斥力增大，键角变大 (4)氧 ABD(5)A (6)12 ‎ ‎【解析】(1) Fe为26号元素，基态Fe的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，基态原子未成对电子数为4个；Ti为22号元素，基态Ti的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，所以基态Ti原子的价电子排布图是；答案：4；。‎ ‎（2）N4分子的空间构型与P4类似，4个N原子形成正四面体构型，每个N原子形成3个N-N键，还含有1对孤电子对，杂化轨道数目为4，故N原子采取sp3杂化；答案：sp3。‎ ‎(3)‎ ‎ 因为电负性N强于P，中心原子的电负性越大，成键电子对离中心原子越近，成键电子对之间距离越小，成键电子对之间的排斥力增大，键角变大，所以PH3小于NH3。答案：小于；电负性N强于P，中心原子的电负性越大，成键电子对离中心原子越近，成键电子对之间距离越小，成键电子对之间的排斥力增大，键角变大。‎ ‎(4) ①组成M的元素有Ti、C、H、O、Cl ，其中O的非金属性最强，非金属性越强电负性越大，所以电负性最大的是氧；答案：氧。‎ ‎②M中有碳碳双键、碳碳单键、C—H键、C—O键等，单键为键、 双键中含1个键和1个π键；根据M的结构知Ti与O之间有配位键，没有离子键，故选ABD。‎ ‎(5) )由金刚石的晶胞结构可知，金刚石的晶胞相当于一个大的体心立方堆积中套一个小的体心立方堆积，金属铁的晶胞为体心立方堆积，根据金刚石的晶胞沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图知，金属铁的晶胞沿其体对角线垂直在纸面上的投影图为A。答案：A。 ‎ ‎(6) 根据均摊法，在氮化铁晶胞中，含有N原子数为2，Fe原子数为2×1/2+12×1/6+3=6，所以氮化铁的化学式Fe3N，其中铁原子最近的铁原子的个数为12；若晶胞底边长为acm，高为ccm，则晶胞的体积是a2ccm3，所以这种磁性氮化铁的晶体密度为g÷a2ccm3=g/cm3；答案：12； 。‎