1、第3讲 晶体结构与性质,考纲要求:1.了解晶体的类型,了解不同类型晶体结构中微粒、微粒间作用力的区别。(宏观辨识与微观探析) 2.能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。(证据推理与模型认知) 3.了解晶格能的概念,了解晶格能对离子晶体性质的影响。(宏观辨识与微观探析) 4.了解分子晶体结构与性质的关系。(证据推理与模型认知) 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。(证据推理与模型认知) 6.了解金属晶体常见的堆积方式。(宏观辨识与微观探析) 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。(证据推理与模型认知),-3-,考点一,考点二,必
2、备知识自主预诊,关键能力考向突破,晶体和晶胞 1.晶体与非晶体 (1)晶体与非晶体的比较,周期性有序,无序,各向异性,各向同性,熔点,X-射线衍射,-4-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(2)获得晶体的三条途径 熔融态物质凝固。 气态物质冷却不经液态直接 。 溶质从溶液中析出。 2.晶胞 (1)定义: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)晶胞中粒子数目的计算均摊法 如某个粒子为n个晶胞所共有,则该粒子有 属于这个晶胞。,凝固(凝华),-5-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,自主练习 1.判断
3、下列说法是否正确,正确的画“”,错误的画“”。 (1)冰和碘晶体中相互作用力相同 ( ) (2)晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列 ( ) (3)凡有规则外形的固体一定是晶体 ( ) (4)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体 ( ) (5)区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X-射线衍射实验 ( ),-6-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,2.(2018福建漳州模拟)某物质的晶体中含有A、B、C三种元素,其排列方式如图所示(其中前后两面面心中的B元素的原子未能画出)。则晶体中A、B、C的原子个数比为( )A.131 B.231 C.221 D
4、.133,答案,解析,-7-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考向1 根据晶胞的结构求化学式、配位数、原子个数 例1碳、氮、氧、硫、氯和铝、铁、铜是中学重要的元素,其单质和化合物在生活、生产中有广泛应用。回答下列问题: (1)基态铜原子的价层电子排布式为 ;基态铝原子核外电子云形状有 (填名称)。,-8-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(2)C、H、O、N四种元素形成的丁二酮肟常用于检验Ni2+:在稀氨水介质中,丁二酮肟与Ni2+反应可生成鲜红色沉淀,其结构如图1所示。该结构中,碳碳之间的共价键类型是键,从轨道重叠方式来分析,碳氮之间的共价键类型是 ;
5、氮镍之间形成的化学键是 。 该结构中,碳原子的杂化轨道类型为 。,-9-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,(3)氮化铝是一种新型无机非金属材料,具有耐高温、耐磨等特性,空间结构如图2所示。铝的配位数为 。氮化铝的晶体类型是 。 (4)N和Cu形成的化合物的晶胞结构如图3所示,则该化合物的化学式为 。,关键能力考向突破,答案 (1)3d104s1 球形、哑铃形 (2)键和键 配位键 sp2、sp3杂化 (3)4 原子晶体 (4)Cu3N,-10-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,解析 (1)Cu元素基态原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1。基态
6、铝的核外电子排布式为1s22s22p63s23p1,电子占据s、p轨道,s轨道为球形,p轨道为哑铃形。(2)1个双键是由1个键和1个键组成的,所以碳氮之间的共价键类型是键和键;镍原子有空轨道,氮原子有孤对电子,因此二者之间形成配位键。在该结构中有4个碳原子形成4个键,4个碳原子形成3个键和1个键,因此杂化轨道类型分别是sp3和sp2杂化。(3)由氮化铝的空间结构知,1个铝连接4个氮,铝的配位数为4;根据氮化铝具有耐高温、耐磨等特性,推知它属于原子晶体。(4)根据均摊法,每个晶胞平均含有Cu原子数为12 =3,N原子数为8 =1,故其化学式为Cu3N。,-11-,考点一,考点二,必备知识自主预诊
7、,易错警示(1)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。 (2)在计算晶胞中粒子个数的过程中,不是任何晶胞都可用均摊法。,关键能力考向突破,-12-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,归纳总结晶胞中微粒数目的计算方法均摊法 (1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算。,关键能力考向突破,-13-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,(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
8、边形共有,每个六边形占 。,关键能力考向突破,-14-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,对点演练 (1)(2017江苏化学,21节选)某FexNy的晶胞如图1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)CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如图2所示,其中更稳定的Cu替代型产物的化学式为 。,关键能力考向突破,-15-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(2)Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如右图所示。在1个晶胞中,Zn离子的数目为 。该化合物的化学式为 。,答案 (1)Fe3CuN (2)4 ZnS,-16-,考
9、点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-17-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考向2 晶体密度和微粒间距离的计算 例2(1)(2018课标全国,35节选)FeS2晶体的晶胞如图所示,晶胞边长为a nm、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 gcm-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。,-18-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(2)(2018课标全国,35节选)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
10、 kJmol-1,O=O键键能为 kJmol-1,Li2O晶格能为 kJmol-1。,Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,阿伏加德罗常数的值为NA,则Li2O的密度为 gcm-3 (列出计算式)。,-19-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(3)(2017课标全国,35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)。 R的晶体密度为d gcm-3,其立方晶胞参数为a nm,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 。,
11、-20-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(4)(2017课标全国,35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=0.420 nm,则r(O2-)为 nm。MnO也属于NaCl型结构,晶胞参数为a=0.448 nm,则r(Mn2+)为 nm。,-21-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-22-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-23-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-24-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-25-,考
12、点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,思维建模(1)计算晶体密度的方法,(2)计算晶体中微粒间距离的方法,-26-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,归纳总结晶体结构的相关计算 (1)晶胞计算公式(立方晶胞) a3NA=nM(a:棱长;:密度;NA:阿伏加德罗常数的数值;n:1 mol晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量;M: 物质的摩尔质量)。 (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),-27-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,对点演练 (1)GaF3的熔点高于1 000 ,GaCl3的熔点为77.9 ,其原因是
13、。 GaAs的熔点为1 238 ,密度为 gcm-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MGa gmol-1和MAs gmol-1,原子半径分别为rGa pm和rAs pm,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 。,-28-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(2)Cu2O为半导体材料,在其立方晶胞内部有4个氧原子,其余氧原子位于面心和顶点,则该晶胞中有 个铜原子。 Al单质为面心立方晶体,其晶胞参数a=0.405 nm,晶胞中铝原子的配位数为 。列式表示Al单质的密度 gcm-3 (不必计
14、算出结果)。,-29-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-30-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-31-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-32-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,常见晶体的结构与性质 1.四种晶体类型的比较,分子,原子,阴、阳离子,范德华力,共价键,金属键,离子键,-33-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-34-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-35-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,2.典型晶体的结构,4,10928,6,12,4
15、,12,-36-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,12,-37-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,范德华力,2,Sp2,-38-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,12,4,4,-39-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,8,8,4,-40-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-41-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,-42-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,3.离子晶体的晶格能 (1)定义: 气态离子形成1摩离子晶体释放的能量,通常取正值,单位为 。 (2)影
16、响因素: 离子所带电荷数:离子所带电荷数越多,晶格能越 。 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,硬度越大。,kJmol-1,大,大,稳定,-43-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,自主练习 1.(2018辽宁大连调研)关于晶体的叙述中,正确的是 ( ) A.原子晶体中,共价键的键能越大,熔、沸点越高 B.分子晶体中,分子间的作用力越大,该分子越稳定 C.分子晶体中,共价键的键能越大,熔、沸点越高 D.某晶体溶于水后,可电离出自由移动的离子,该晶体一定是离子晶体,A,解析 B项,分子的稳定性取决于分
17、子内部的共价键强弱,与分子间作用力无关;C项,分子晶体熔、沸点高低,取决于分子间作用力的大小;D项,也可能是分子晶体,如HCl。,-44-,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,2.下面有关晶体的叙述中,不正确的是( ) A.金刚石网状结构中,由共价键形成的碳原子环中,最小的环上有6个碳原子 B.氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等且紧邻的Na+共有6个 C.氯化铯晶体中,每个Cs+周围紧邻8个Cl- D.干冰晶体中,每个CO2分子周围紧邻12个CO2分子,B,解析 氯化钠晶体中每个Na+周围距离相等且紧邻的Na+共有12个,B项错误。,-45-,必备知识自主预诊,关键能力考向突
18、破,考点一,考点二,考向1 晶体类型的判断 例1(2018湖北宜昌模拟)下列说法正确的是( ),-46-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,A.钛和钾都采取图1的堆积方式 B.图2为金属原子在二维空间里的非密置层放置,此方式在三维空间里堆积,仅得简单立方堆积 C.图3是干冰晶体的晶胞,晶胞棱长为a cm,则在每个CO2周围最近且等距离的CO2有8个 D.图4是一种金属晶体的晶胞,它是金属原子在三维空间以密置层采取ABCABC堆积的结果,答案,解析,-47-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,归纳总结“五依据”突破晶体类型判断 1.依据构成晶体的粒子和粒子间的
19、作用判断 离子晶体的构成粒子是阴、阳离子,阴、阳离子间的作用是离子键;原子晶体的构成粒子是原子,粒子间的作用是共价键;分子晶体的构成粒子是分子,粒子间的作用为范德华力(可能会存在氢键);金属晶体的构成粒子是金属阳离子和自由电子,粒子间的作用是金属键。,-48-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,2.依据物质的类别判断 活泼金属的氧化物(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
20、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(常温时汞为液体)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1 000摄氏度;原子晶体熔点高,通常在1 000 以上至几千摄氏度;分子晶体熔点低,常在数百摄氏度以下至很低温度;金属晶体多数熔点高,但也有较低的。,-49-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,4.依据导电性判断 离子晶体水溶液及熔融时能导电;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(主要指酸和某些非金属氢化物)溶于水,使分子内的化学键断裂形成自由移动的离子也能导电;金属晶体是电的良导体。
21、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。,-50-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,对点演练 (1)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物的熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于 晶体。 (2)碳有多种同素异形体,其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示:在石墨烯晶体中,每个C原子连接 个六元环,每个六元环占有 个C原子。 在金刚石晶体中,C原子所连接的最小环也为六元环,每个C原子连接 个六元环,六元环中最多有 个C原子在同一平面。,答案 (1)分子 (2)3 2
22、12 4,-51-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,解析 (1)因Fe(CO)5熔、沸点较低,常温下为液体,其固体应属于分子晶体。 (2)由石墨烯的结构可知,每个C原子连接3个六元环,每个六元环占有的C原子数为 6=2。 由金刚石的结构可知,每个C可参与形成4条CC键,其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环。根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组,62=12。因此每个C原子连接12个六元环。六元环中C原子采取sp3杂化,为空间六边形结构,最多有4个C原子位于同一平面。,-52-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考向2 晶体熔、沸点高低的比
23、较 例2(2018新疆乌鲁木齐模拟)下面的排序不正确的是 ( ) A.熔点由高到低:NaMgAl B.硬度由大到小:金刚石碳化硅晶体硅 C.晶体熔点由低到高:CO、KCl、SiO2 D.晶格能由大到小:NaFNaClNaBrNaI,答案,解析,-53-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,归纳总结“两角度”比较晶体熔、沸点的高低 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.同种类型晶体熔、沸点的比较 (1)原子晶体 原子半径越小、键长越
24、短、键能越大,物质的熔、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,则晶格能越大,晶体的熔、沸点越高,如熔点:MgOMgCl2,NaClCsCl。,-54-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,(3)分子晶体 分子间范德华力越大,物质的熔、沸点越高;具有氢键的分子晶体熔、沸点反常高。如H2OH2TeH2SeH2S。 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SnH4GeH4SiH4CH4。 组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近),其分子的极性越大,熔、沸点越高,如CH3ClCH3CH3。 同分异构
25、体,支链越多,熔、沸点越低,如正戊烷异戊烷新戊烷 (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,金属晶体的熔、沸点越高,如熔、沸点:NaMgAl。,-55-,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,对点演练 下列各组物质中,按熔点由高到低顺序排列正确的是 ( ) HgI2O2 SiO2KClCO RbKNa AlMgNa 金刚石晶体硅二氧化硅碳化硅 CI4CBr4CCl4CF4CH4 生铁纯铁钠冰 KClNaClBaOCaO A. B. C. D.,答案,解析,-56-,2,3,4,1,-57-,1,2,3,4,1.下列说法正确的是( ) A.干冰和石英晶体中的化
26、学键类型相同,熔化时需克服微粒间的作用力类型也相同 B.化学变化发生时,需要断开反应物中的化学键,并形成生成物中的化学键 C.CH4和CCl4中,每个原子的最外层都具有8电子稳定结构 D.NaHSO4晶体溶于水时,离子键被破坏,共价键不受影响,答案,解析,-58-,1,2,3,4,2.下列数据是对应物质的熔点():,据此做出的下列判断中错误的是( ) A.铝的化合物的晶体中有的是离子晶体 B.表中只有BCl3和干冰是分子晶体 C.同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体 D.不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体,答案,解析,-59-,1,2,3,4,3.下图为碘晶体晶胞结构。下列有关说法中正确的
27、是 ( )碘晶体晶胞 A.碘分子的排列有2种不同的取向,2种取向不同的碘分子以4配位数交替配位形成层结构 B.用均摊法可知平均每个晶胞中有4个碘原子 C.碘晶体为无限延伸的空间结构,是原子晶体 D.碘晶体中的碘原子间存在非极性键和范德华力,答案,解析,-60-,1,2,3,4,4.(2018新疆伊犁联考)下图为CaF2、H3BO3(层状结构,层内的H3BO3分子通过氢键结合)、金属铜三种晶体的结构示意图,请回答下列问题:,-61-,1,2,3,4,(1)图所示的CaF2晶体中与Ca2+最近且等距离的F-数为 ,图中未标号的铜原子形成晶体后周围最紧邻的铜原子数为 。 (2)图所示的物质结构中最外能层已达8电子结构的原子是 , H3BO3晶体中B原子个数与极性键个数比为 。 (3)三种晶体中熔点最低的是 ,其晶体受热熔化时,克服的微粒之间的相互作用为 。 (4)结合CaF2晶体的晶胞示意图,已知两个距离最近的Ca2+核间距离为a10-8 cm,计算CaF2晶体的密度为 。,答案 (1)8 12 (2)O 16 (3)H3BO3 分子间作用力和氢键,-62-,1,2,3,4,
