2021版高考化学一轮复习3晶体结构与性质强化训练2含解析新人教版选修3

-1-晶体结构与性质角度1晶体密度的相关计算1.(1)[2018·全国卷Ⅰ·35(4)(5)]Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(a)的Born-Haber循环计算得到。可知,Li原子的第一电离能为________kJ·mol-1,OO键的键能为______kJ·mol-1,Li2O晶格能为______kJ·mol-1。Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.4665nm,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)[2018·全国卷Ⅱ·35(5)]FeS2晶体的晶胞如图(c)所示。晶胞边长为anm、FeS2相对式量为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。(3)[2018·全国卷Ⅲ·35(5)]金属Zn晶体中的原子堆积方式如图(d)所示,这种堆积方式称为__________________________。六棱柱底边边长为acm,高为ccm,阿伏加德罗常数的值为NA,Zn的密度为___________g·cm-3(列出计算式)。【解析】(1)根据示意图可知Li原子的第一电离能是1040kJ·mol-1-2-÷2=520kJ·mol-1;0.5mol氧气转化为氧原子时吸热是249kJ,所以OO键能是249kJ·mol-1×2=498kJ·mol-1;根据晶格能的定义结合示意图可知Li2O的晶格能是2908kJ·mol-1;根据晶胞结构可知锂全部在晶胞中,共计是8个,根据化学式可知氧原子个数是4个,则Li2O的密度是ρ==。(2)根据晶胞结构可知,一个晶胞中含:N(Fe2+)=12×+1=4,N()=8×+6×=4,晶胞边长为anm、FeS2相对式量为M,阿伏加德罗常数的值为NA,则其晶体密度的计算表达式为:ρ==4M/[NA·a·10-7]3=[4M·1021/(NAa3)]g·cm-3;晶胞中Fe2+位于所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长是面对角线的一半,则为nm。(3)由图示,堆积方式为六方最紧密堆积。为了计算的方便,选取该六棱柱结构进行计算。六棱柱顶点的原子是6个六棱柱共用的,面心是两个六棱柱共用,所以该六棱柱中的锌原子为12×+2×+3=6个,所以该结构的质量为6×65/NAg。该六棱柱的底面为正六边形,边长为acm,底面的面积为6个边长为acm的正三角形面积之和,根据正三角形面积的计算公式,该底面的面积为6×a2/4cm2,高为ccm,所以体积为cm3。所以密度为:(6×65/NA)/(6×a2c/4)=65/(6×a2cNA/4)g·cm-3。答案:(1)5204982908(8×7+4×16)/[NA(0.4665×10-7)3](2)4M×1021/(NAa3)(3)六方最密堆积(A3型)65/(6×a2cNA/4)-3-【加固训练】(2019·兰州模拟)常见的太阳能电池有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、砷化镓(GaAs)太阳能电池及铜铟镓硒薄膜太阳能电池等。(1)镓元素位于元素周期表的________周期________族,砷原子核外的电子有________种运动状态。(2)Si、P、S的第一电离能由大到小的顺序是______,二氧化硅和干冰晶体的熔点差别很大,其原因是___________。(3)与AsF3互为等电子体的分子为________(只写一种),其空间构型为________________。(4)硼酸(H3BO3)本身不能电离出H+,在水溶液中易结合一个OH-生成[B(OH)4]-,而体现弱酸性。①[B(OH)4]-中B原子的杂化类型为________________。②[B(OH)4]-的结构式为________________。(5)金刚石的晶胞如图所示,若以硅原子代替金刚石晶体中的碳原子,便得到晶体硅;若将金刚石晶体中一半的碳原子换成硅原子,且碳、硅原子交替,即得到碳化硅晶体(金刚砂)。①金刚石、晶体硅、碳化硅的熔点由高到低的排列顺序是________________(用化学式表示);②金刚石的晶胞参数为apm(1pm=10-12m)。金刚石晶胞的密度为________g·cm-3(只要求列算式,阿伏加德罗常数为NA)。【解析】(1)镓元素为31号元素,位于元素周期表的第4周期ⅢA族,砷原子核电荷数为33,核外的电子有33种运动状态。(2)同一周期元素,元素的第一电离能随着原子序数增大而增大,但第ⅡA族、第ⅤA族元素第一电离能大于其相邻元素;Si、P、S元素处于同一周期且原子序数逐渐增大,P处于第ⅤA族,所以第一电离能:PSSi;SiO2是原子晶体,融化时需破坏共价键,干冰是分子晶体,融化时需破坏范德华力,共价键的键能远大于范德华力,所以二氧化硅的熔点远高于干冰晶体。(3)原子数和价电子数都相等的微粒互为等电子体,所以与AsF3互为等电子体的分子为PCl3,PCl3分子是以磷原子为中心,含有3个σ键,有一对孤对电子,因此杂化方式为sp3,则其空间构型为三角锥型。-4-(4)①[B(OH)4]-中B原子的价层电子对数是4,杂化类型为sp3。②硼酸(H3BO3)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,这说明[B(OH)4]-中含有配位键,则结构式为或。(5)①金刚石、晶体硅、碳化硅都是原子晶体,半径越小,熔点越高,即熔点高低顺序为CSiCSi。②根据金刚石的结构可以判断出金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×+6×+4=8,其质量为8×12g;金刚石的晶胞参数为a×10-10cm,一个晶胞的体积为a3×10-30cm3,所以金刚石晶胞的密度为=g·cm-3。答案:(1)4ⅢA33(2)PSSiSiO2是原子晶体,融化时需破坏共价键,干冰是分子晶体,融化时需破坏范德华力,共价键的键能远大于范德华力,所以二氧化硅的熔点远高于干冰晶体(3)PCl3三角锥形(4)sp3或(5)CSiCSi角度2晶胞参数(微粒间距离)的计算2.(1)(2019·玉溪模拟)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(,0,);C为(,,0)。则D原子的坐标参数为________。-5-②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)。(2)(新题预测)硒化锌的晶胞结构如图所示,图中X和Y点所堆积的原子均为________(填元素符号);该晶胞中硒原子所处空隙类型为________(填“立方体”“正四面体”或“正八面体”),该种空隙的填充率为________;若该晶胞密度为ρg·cm-3,硒化锌的摩尔质量为Mg·mol-1。用NA代表阿伏加德罗常数的数值,则晶胞参数a为________nm。【解析】(1)①由Ge单晶晶胞结构示意图,可知D原子与A原子及位于3个相邻面面心的3个原子构成了正四面体结构,D原子位于正四面体的中心,再根据A、B、C三个原子的坐标参数可知D原子的坐标参数为(,,);②由锗单晶的晶胞结构示意图,可知该晶胞中位于顶点的有8个原子,位于面心的有6个原子,位于内部的有4个原子,则一个晶胞中所含有的锗原子个数为8×+6×+4=8,再由晶胞参数可知该晶胞的边长为565.76pm的正方体,则其密度为:=÷(565.76×10-10cm)3=×107g·cm-3。(2)硒化锌的晶胞结构中X和Y点所堆积的原子均为Zn,该晶胞中四个硒原子所处晶胞体对角线四分之一处,空隙类型为正四面体,但只占据了其中4个位置,故该种空隙的填充率为50%;若该晶胞密度为ρg·cm-3,硒化锌的摩尔质量为Mg·mol-1。用NA代表阿伏加德罗常数的数值,则晶胞参数a为×107nm。答案:(1)①(,,)②×107(2)Zn正四面体50%×107【加固训练】-6-1.(2017·全国卷Ⅰ节选)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题:(1)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立体结构,边长为a=0.446nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置,如图所示。K与O间的最短距离为________nm,与K紧邻的O个数为________。(2)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于________位置,O处于________位置。【解析】(1)分析KIO3晶胞结构可知,位于顶角的K与位于相邻面心的O之间的距离最短,等于晶胞面对角线长度的一半,即K与O间的最短距离是面对角线的,为×0.446nm≈0.315nm;与钾原子紧邻的氧原子个数为12个,即为顶角周围面心的个数。(2)若将体心的位置(I的位置)设定为顶角,原本顶角的位置(K的位置)变成了体心,面心的位置(O的位置)变成了棱心。因此K位于体心位置,O位于棱心位置,如图。答案:(1)0.31512(2)体心棱心2.[2015·全国卷Ⅱ,37(5)]氧和钠能够形成化合物F,其晶胞结构如图所示,晶胞参数a=0.566nm,F的化学式为________;晶胞中氧原子的配位数为________;列式计算晶体F的密度(g·cm-3)_________。【解析】由晶胞图知,小黑球有8个,大黑球有8×+6×=4,所以化学式为Na2O。小黑球为Na,大黑球为O。由晶胞结构知,面心上的1个O连有4个钠,在相邻的另1个晶胞中,O也连有4-7-个钠,故O的配位数为8。1个晶胞中含有4个Na2O,根据密度公式有ρ====2.27(g·cm-3)。答案:Na2O8=2.27(g·cm-3)3.(2017·全国卷Ⅲ节选)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=0.420nm,则r(O2-)为______nm。MnO也属于NaCl型结构,晶胞参数为a'=0.448nm,则r(Mn2+)为______nm。【解析】因为O2-是面心立方最密堆积方式,面对角线是O2-半径的4倍,即4r(O2-)=a,解得r(O2-)=×0.420nm≈0.148nm;MnO也属于NaCl型结构,根据晶胞的结构,2[r(Mn2+)+r(O2-)]=a',即2[r(Mn2+)+0.148nm]=0.448nm,所以r(Mn2+)=0.076nm。答案:0.1480.0764.(2017·全国卷Ⅱ节选)我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表),经X射线衍射测得化合物R的晶体结构,其局部结构如图所示:R的晶体密度为dg·cm-3,其立方晶胞参数为anm,晶胞中含有y个[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]单元,该单元的相对质量为M,则y的计算表达式为__________________________。【解析】根据密度的定义有,d==g·cm-3=g·cm-3,解得-8-y==×10-21(或)。答案:(或×10-21)