全国通用版版高考化学大一轮复习第47讲晶体结构与性质优选学案Word格式文档下载.docx
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预计2019年高考将主要考查晶体类型、四种晶体的区别、晶体的结构特点以及晶胞的相关计算。
题型以非选择题为主,分值约为4分。
分值:
4~6分
考点一 晶体和晶胞
1.晶体与非晶体
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__
实例
冰、NaCl、Fe
玻璃、石蜡
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.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
①无隙:
相邻晶胞之间没有__任何间隙__。
②并置:
所有晶胞__平行__排列、__取向__相同。
(3)晶胞中粒子数目的计算——均摊法
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。
“均摊法”原理及其注意事项
(1)基本原理(适用长方体晶胞)
(2)注意事项
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。
1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×
”。
(1)具有规则几何外形的固体一定是晶体。
( ×
)
(2)晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列。
( √ )
(3)晶体与非晶体的本质区别:
是否有自范性。
( √ )
(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块。
2.区别晶体与非晶体的最科学的方法是( D )
A.观察自范性 B.观察各向异性
C.测定固定熔点 D.进行X-射线衍射实验
3.如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞,则甲晶体中x与y的个数比是__2∶1__,乙中a与b的个数比是__1∶1__,丙中一个晶胞中有__4__个c离子和__4__个d离子。
晶体中常见的四种计算
1.计算1个晶胞中的粒子数目
例如:
NaCl晶胞(如图)
非平行六面体形晶胞中粒子数目的计算同样可用均摊法,其关键仍然是确定一个粒子为几个晶胞所共有。
例如,石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形,其顶点(1个碳原子)对六边形的贡献为,那么每一个六边形实际有6×
=2个碳原子。
2.计算原子晶体中共价键的数目
在金刚石晶体中,每个C参与了4个C—C键的形成,而在每条键中的贡献只有一半。
因此,平均每一个碳原子形成共价键的数目为4×
=2。
则1mol金刚石中碳碳键的数目为2NA。
3.化学式计算
运用均摊法计算出一个晶胞中的粒子数目,然后再求其比值,得出化学式。
元素Cu的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示,晶胞中有4个铜原子,4个氯原子,化学式为CuCl。
4.计算晶体密度和晶体中微粒间距离
(1)计算晶体密度的方法
若1个晶胞中含有x个微粒,则1mol晶胞中含有xmol微粒,其质量为xMg(M为微粒的相对“分子”质量);
又1个晶胞的质量为ρa3g(a3为晶胞的体积),则1mol晶胞的质量为ρa3NAg,因此有xM=ρa3NA。
(2)计算晶体中微粒间距离的方法
[例1]
(1)立方ZnS晶体结构如图所示,其晶胞边长为540.0pm,密度为__=4.1__g·
cm-3(列式并计算),a位置S2-离子与b位置Zn2+离子之间的距离为____pm(列式表示)。
(2)(2017·
江苏卷节选)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Fex-nCunNy。
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__Fe3CuN__。
(3)(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)。
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 (或×
10-21) 。
解析
(1)用均摊法算出每个晶胞中含4个Zn2+和4个S2-。
其质量为4×
g,其体积是(540.0×
10-10cm)3,所以其密度为=4.1g·
cm-3。
每个黑色小球连接4个白色小球,构成正四面体结构,白球和黑色之间的夹角为109°
28′,两个白球之间的距离为270pm,设S2-离子与Zn2+离子之间的距离为x,则2x2-2x2cos109°
28′=(270)2,x==pm。
(2)由图2可知更稳定的Cu替代型产物为Cu替代a位置Fe型,利用均摊法可得晶胞中各原子个数Cu:
8×
=1,Fe:
6×
=3,N:
1,故化学式为Fe3CuN。
(3)该晶胞的体积为(a×
10-7cm)3,根据×
M=(a×
10-7)3d,可求出y=(或×
10-21)。
[例1](2017·
全国卷Ⅲ)研究发现,在CO2低压合成甲醇反应(CO2+3H2===CH3OH+H2O)中,Co氧化物负载的Mn氧化物纳米粒子催化剂具有高活性,显示出良好的应用前景。
回答下列问题:
(1)Co基态原子核外电子排布式为______。
元素Mn与O中,第一电离能较大的是______,基态原子核外未成对电子数较多的是______。
(2)CO2和CH3OH分子中碳原子的杂化形式分别为______和________。
(3)在CO2低压合成甲醇反应所涉及的4种物质中,沸点从高到低的顺序为______。
原因是_______________________________________。
(4)硝酸锰是制备上述反应催化剂的原料,Mn(NO3)2中的化学键除了σ键外,还存在______。
(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=0.420nm,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。
[答题送检]来自阅卷名师报告
错误
致错原因
扣分
(3)
没弄清H2O、CH3OH沸点存在差异的主要原因
-3
(5)
MgO晶胞中,边长与离子半径间的定量关系(4r=a)记忆不牢导致计算错误
-4
[解析]
(1)Co为第四周期第Ⅷ族的27号元素,基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d74s2或[Ar]3d74s2。
Mn是金属元素,而O元素是非金属元素,难失去电子,所以O元素的第一电离能较大。
O基态原子价电子为2s22p4,未成对电子是p轨道的2个电子,而Mn基态原子价电子排布为3d54s2,未成对电子是d轨道的5个电子,因此核外未成对电子数较多的是Mn。
(2)CO2为直线形结构,碳原子为sp杂化,CH3OH分子中碳原子的价层电子对数为4,所以碳原子为sp3杂化。
(3)常温下水和甲醇是液体,二氧化碳和氢气是气体,液体的沸点高于气体;
水分子中有两个氢原子都可以参与形成分子间氢键,而甲醇分子中只有一个羟基上的氢原子可以形成分子间氢键,所以水的沸点高于甲醇;
CO2的相对分子质量比H2大,分子间作用力较大,熔、沸点较高。
(4)硝酸锰中硝酸根和锰离子之间形成离子键,硝酸根中N原子得到1个电子后共6个价电子,3个电子与3个O原子形成3个σ键,N原子剩余3个电子,与3个O原子形成π键(Π)。
(5)根据晶胞结构,面对角线是O2-半径的4倍,即4r(O2-)=a,解得r(O2-)=×
0.420nm=0.148nm;
根据MgO晶胞的结构,a′=2r(O2-)+2r(Mn2+),则r(Mn2+)=nm=0.076nm。
[答案]
(1)[Ar]3d74s2 O Mn
(2)sp杂化 sp3杂化
(3)H2O>
CH3OH>
CO2>
H2 H2O与CH3OH均为极性分子,H2O中氢键比甲醇多;
CO2与H2均为非极性分子,CO2的分子量较大,范德华力较大
(4)离子键和π键(Π键)
(5)0.148 0.076
1.(2017·
全国卷Ⅰ节选)
(1)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,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__0.315__nm,与K紧邻的O个数为__12__。
(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__体心__位置,O处于__棱心__位置。
解析
(1)二者间的最短距离为晶胞面对角线长的一半,即×
0.446nm≈0.315nm。
与钾紧邻的氧原子有12个。
(2)想象4个晶胞紧密堆积,则I处于顶角,O处于棱心,K处于体心。
海南卷节选)碳的另一种单质C60可以与钾形成低温超导化合物,晶体结构如图所示。
K位于立方体的棱上和立方体的内部,此化合物的化学式为__K3C60__;
其晶胞参数为1.4nm,晶体密度为__2.03__g·
解析每个晶胞中含有K的个数为12×
+9×
1=12,含C60的个数为8×
+6×
=4,所以化合物的化学式为K3C60;
每个晶胞中含有4个“K3C60”,则晶胞质量为g,晶胞的体积为(1.4×
10-7)3cm3,所以晶体密度为g÷
(1.4×
10-7)3cm3=2.03g/cm3。
2.
(1)(2016·
全国卷甲节选)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__3∶1__。
②若合金的密度为dg·
cm-3,晶胞参数a= ×
107 nm(Ni的相对原子质量取59)。
(2)(2016·
全国卷乙节选)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。
如图为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__(,,)__。
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__×
107__g·
cm-3(列出计算式即可)。
考点二 四类晶体的组成和性质
1.金属键、金属晶体
(1)金属键:
__金属阳离子__与__自由电子__之间的作用。
(2)本质——电子气理论
该理论认为金属原子脱落下来的__价电子__形成遍布整块晶体的“__电子气__”,被所有原子共用,从而把所有的金属原子维系在一起。
(3)金属晶体的物理性质及解