20202021年高考化学一轮复习讲解晶体结构与性质pdf

2020-2021年新高三化学一轮复习讲解《晶体结构与性质》【知识梳理】一、晶体的结构1．晶体：（1）晶体的定义：微观粒子在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质。（2）晶体的特性：有规则的几何外形（自范性：在适宜的条件下，晶体能够自发的呈现封闭的、规则的多面体外形）；有确定的熔点；各向异性：在不同的方向上表现不同的性质；具有特定的对称性。2.晶胞：由于晶体中的微粒排列呈现周期性，因此研究晶体结构时只需找出最小的重复单元加以分析，就知道整个晶体的结构了。（1）概念：晶胞是描述晶体结构的基本单元。（2）晶体与晶胞的关系：数量巨大的晶胞“无隙并置”构成晶体。（3）均摊法求化学式：均摊法是指每个晶胞平均拥有的粒子数目。若某个粒子为N个晶胞所共有，则该粒子有1/N属于此晶胞。以正方体晶胞为例，晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献为：顶点原子1/8属于此晶胞、棱上原子1/4属于此晶胞、面上原子1/2属于此晶胞、体内原子完全属于此晶胞。（4）有关晶胞各物理量的关系：若1个晶胞中含有x个微粒，则1mol该晶胞中含有xmol微粒，其质量为xMg；又1个晶胞的质量为ρa3g(a3为晶胞的体积，单位为cm3)，则1mol晶胞的质量为ρa3NAg，因此有xM＝ρa3NA。3.晶体的结构：在金属晶体、离子晶体和分子晶体的结构中，由于金属键、离子键和分子间作用力均没有方向性，因此，都趋向于使原子或分子吸引尽可能多的其他原子或分子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定----即排列服从紧密堆积原理；对原子晶体，受共价键的方向性和饱和性的影响，其空间排列与方向性一致。（1）金属晶体：金属原子通过金属键形成的晶体称为金属晶体。①金属Po（钋）中金属原子堆积方式是简单立方堆积，原子的配位数为6，一个晶胞中含有1个原子。②金属Na、K、Cr、Mo（钼）、W等中金属原子堆积方式是体心立方堆积，原子的配位数为8，一个晶胞中含有2个原子。③金属Mg、Zn、Ti等中金属原子堆积方式是六方堆积，原子的配位数为12，一个晶胞中含有2个原子。④金属Au、Ag、Cu、Al等中金属原子堆积方式是面心立方堆积，原子的配位数为12，一个晶胞中含有4个原子。（2）离子晶体：阴阳离子通过离子键结合，在空间呈现有规律的排列所形成的晶体。①NaCl晶体：晶胞中每个Na+周围吸引着6个Cl－，这些Cl－构成的几何图形是正八面体，每个Cl－周围吸引着6个Na+，Na+、Cl－个数比为1：1，每个Na+与12个Na+等距离相邻，每个氯化钠晶胞含有4个Na+和4个Cl－。（绿色为Cl-，桔黄色为Na+）②CsCl晶体：晶胞中每个Cl—（或Cs+）周围与之最接近且距离相等的Cs+（或Cl—）共有8个，这几个Cs+（或Cl—）在空间构成的几何构型为立方体，在每个Cs+周围距离相等且最近的Cs+共有6个，这几个Cs+在空间构成的几何构型为正八面体，一个氯化铯晶胞含有1个Cs+和1个Cl—。（绿色为Cl-，黑色为Cs+）③ZnS晶体：晶胞中S2-以面心立方堆积，Zn2+占据S2-围成的八个正四面体空隙中的四个互不相邻的正四面体空隙。每个硫离子周围距离最近且相等的锌离子有4个，每个锌离子周围距离最近且相等的硫离子有4个。一个ZnS晶胞中含有4个Zn2+和4个S2-。（棕色为Zn2+，黑色为S2-）（3）原子晶体：相邻原子间以共价键相结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体称为原子晶体。①金刚石：晶体中每个C原子和4个C原子形成4个共价键,成为正四面体结构，C原子与碳碳键个数比为1：2，最小环由6个C原子组成，每个C原子被12个最小环所共用；每个最小环含有1/2个C原子。②SiO2：晶体中每个Si原子周围吸引着4个O原子，每个O原子周围吸引着2个Si原子，Si、O原子个数比为1：2，Si原子与Si—O键个数比为1：4，O原子与Si—O键个数比为1：2，最小环由12个原子组成。（4）分子晶体：分子间通过分子间作用力结合形成的晶体称为分子晶体。干冰属于分子晶体，晶胞中每个CO2分子周围最近且等距离的CO2有12个，1个晶胞中含有4个CO2。（5）石墨属于过渡性晶体。是分层的平面网状结构，层内C原子以共价键与周围的3个C原子结合，层间为范德华力。晶体中每个C原子被3个六边形共用,平均每个环占有2个碳原子。晶体中碳原子数、碳环数和碳碳单键数之比为2：3。例题1、（1）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________。（2）下图是由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________。（3）已知镧镍合金LaNin的晶胞结构如下图，则LaNin中n＝________。(4)硼化镁晶体在39K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________。(5)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________。（6）Cu与F形成的化合物的晶胞结构如下图所示，若晶体密度为ag·cm－3，则Cu与F最近距离为________pm。(阿伏加德罗常数用NA表示，列出计算表达式，不用化简；图中○为Cu，为F)（7）如图为Na2S的晶胞，该晶胞与CaF2晶胞结构相似，设晶体密度是ρg·cm－3，试计算Na＋与S2－的最短距离为________cm(阿伏加德罗常数用NA表示，只写出计算式)。（8）用晶体的X­射线衍射法对Cu的测定得到以下结果：Cu的晶胞为面心立方最密堆积(如下图)，已知该晶体的密度为9.00g·cm－3，晶胞中该原子的配位数为________；Cu的原子半径为________cm(阿伏加德罗常数为NA，要求列式计算)。（9）Na和O能够形成化合物，其晶胞结构如图所示，晶胞参数a＝0.566nm，化合物的化学式为________；晶胞中A原子的配位数为________；列式计算晶体F的密度(g·cm－3)_____。（10）下图所示的CaF2晶体中与Ca2＋最近且等距离的F－数为________，已知，两个距离最近的Ca2＋核间距离为a×10－8cm，计算CaF2晶体的密度为________________。（11）Cu（）与Cl（）形成的一种化合物的立方晶胞如图所示。该化合物的化学式为________，已知晶胞参数a＝0.542nm，此晶体的密度为__________g·cm－3。(写出计算式，不要求计算结果。阿伏加德罗常数为NA)（12）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)。二、晶体的性质1．四种晶体类型的比较项目离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体组成微粒阴、阳离子原子分子金属离子和自由电子微粒间作用力离子键共价键分子间作用力金属键熔沸点较高高低不同金属差别很大硬度较大大小不同金属差别很大导电性水溶液及熔融时导电一般为非导体，非导体，在水溶液中可能导电导体实例NaCl、NH4Cl、CaO、BaSO4金刚石、晶体硅、SiO2、金刚砂SiCHe、CO2、HCl、H2O、NH3Fe、Cu、Al2.晶体类型的判断方法（1）依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断：离子晶体的构成微粒是阴、阳离子，微粒间的作用是离子键；原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用是共价键；分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用为分子间作用力，即范德华力；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）依据物质的类别判断：金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体；大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼除外)、气态氢化物、非金属氧化物(SiO2除外)、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体；常见的原子晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等；常见的原子晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等；金属单质(常温汞除外)与合金是金属晶体。（3）依据晶体的熔点判断：离子晶体的熔点较高，常在数百至1000余度；原子晶体熔点高，常在1000度至几千度；分子晶体熔点低，常在数百度以下至很低温度；金属晶体多数熔点高，但也有相当低的。（4）依据导电性判断：离子晶体水溶液及熔化时能导电；原子晶体一般为非导体；分子晶体为非导体，而分子晶体中的电解质(主要指酸和非金属氢化物)溶于水，使分子内的化学键断裂形成自由离子也能导电；金属晶体是电的良导体。（5）依据硬度和机械性能判断：离子晶体硬度较大或硬而脆；原子晶体硬度大；分子晶体硬度小且较脆；金属晶体多数硬度大，但也有较低的，且具有延展性。3.晶体熔沸点的比较方法：(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：原子半径越小―→键长越短―→键能越大―→熔沸点越高如熔点：金刚石＞碳化硅＞硅。②离子晶体：一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，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。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：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H2O＞H2Te＞H2Se＞H2S；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；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；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，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点就越高，如熔、沸点：Na＜Mg＜Al。例题2、（1）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）；B为（12，0，12）；C为（12，12，0）。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=565.76pm，其密度为__________g·cm-3（列出计算式即可）。③GaF3的熔点高于1000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是__________________。（2）单质铜及镍都是由______键形成的晶体。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/cm3，晶胞参数a=________nm。③第ⅡA族金属碳酸盐分解温度如下：BeCO3MgCO3CaCO3SrCO3BaCO3分解温度100℃540℃960℃1289℃1360℃分解温度为什么越来越高？_______________________。（3）GaAs的熔点为1238℃，密度为ρg·cm-3，其晶胞结构如左图所示。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_____。甲烷晶体的晶胞如右图所示，该晶胞中含有个甲烷分子，此晶体在常温、常压下不能存在的原因______________________。（4）金属镍与镧（La）形成的合金是一种良好的储氢材料，如图是一种镍镧合金储氢后的晶胞结构示意图，该合金储氢后，含1molLa的合金可吸附H2的数目为。（5）一种铜金合金晶体具有面心立方最密堆积结构，在晶胞中金原子位于顶点，铜原子位于面