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　晶体结构与性质

1．练中回扣晶体结构与性质的基本点

（1）用“>”“<”或“＝”表示下列物质的熔沸点关系：

①H2O______H2S　　　②CH4______CCl4

③Na______Mg④CaO______MgO

⑤金刚石______石墨⑥SiO2______CO2

（2）如图为NaCl晶胞示意图，边长为acm，在1mol的晶胞中，

①含有________个Na＋，1个Na＋周围与其距离最近并且距离相等的Cl－有________个，形成________构型。

②NaCl的密度为____________。

答案：

（1）①>　②<　③<　④<　⑤<　⑥>

（2）①4NA　6　正八面体

②ρ＝

g·cm－3

2．掌握比较晶体熔、沸点高低的规律方法

（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。

金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔点很高，汞、铯等熔点很低。

（2）同类型晶体的熔、沸点高低一般规律

①原子晶体

由共价键形成的原子晶体中，原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔、沸点高。

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，其晶体的熔、沸点就越高，如熔点：

MgO＞NaCl＞CsCl。

③分子晶体

a．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。

b．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。

SnH4＞GeH4＞SiH4＞CH4。

c．组成和结构不相似的分子晶体（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金属晶体

金属离子半径越小，离子电荷数越多，金属键越强，金属熔、沸点就越高。

如熔、沸点：

Al＞Mg＞Na。

3．辨清析透几种常见的晶胞结构及晶胞含有的粒子数目

A．NaCl（含4个Na＋，4个Cl－）

B．干冰（含4个CO2）

C．CaF2（含4个Ca2＋，8个F－）

D．金刚石（含8个C）

E．体心立方（含2个原子）

F．面心立方（含4个原子）

考向一　晶体的类型与性质判断

1．按要求回答下列问题：

（1）（2016·全国甲卷）单质铜及镍都是由________键形成的晶体；元素铜与镍的第二电离能分别为：

ICu＝1958kJ·mol－1、INi＝1753kJ·mol－1，ICu>INi的原因是______________________。

（2）（2016·全国丙卷）①GaF3的熔点高于1000℃，GaCl3的熔点

为77.9℃，其原因是______________________________。

②GaAs的熔点为1238℃，其晶胞结构如图所示，该晶体的类型为______，Ga与As以________键结合。

（3）（2015·全国卷Ⅱ）单质O有两种同素异形体，其中沸点高的是________（填分子式），原因是______________________________________；O和Na的氢化物所属的晶体类型分别为________和________。

解析：

（1）单质铜及镍都是由金属键形成的晶体，Cu、Ni失去一个电子后电子排布式分别为[Ar]3d10、[Ar]3d84s1，铜的3d轨道全充满，达到稳定状态，所以Cu的第二电离能相对较大。

（2）①根据晶体类型比较熔点。

一般来说，离子晶体的熔点高于分子晶体的熔点。

②根据晶胞结构示意图可以看出，As原子与Ga原子形成了空间网状结构的晶体，结合GaAs的熔点知其是原子晶体。

（3）O元素形成O2和O3两种同素异形体，固态时均形成分子晶体，而分子晶体中，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的沸点越高，故O3的沸点高于O2。

O元素形成的氢化物有H2O和H2O2，二者均能形成分子晶体。

Na元素形成的氢化物为NaH，属于离子晶体。

答案：

（1）金属　铜失去的是全充满的3d10电子，镍失去的是4s1电子

（2）①GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体　②原子晶体　共价

（3）O3　O3相对分子质量较大，范德华力大　分子晶体　离子晶体

2．

（1）C60和金刚石都是碳的同素异形体，二者相比较熔点高的是________。

（2）超高导热绝缘耐高温纳米氮化铝在绝缘材料中应用广泛，氮化铝晶体与金刚石类似，每个Al原子与________个N原子相连，与同一个N原子相连的Al原子构成的空间构型为__________，氮化铝晶体属于________晶体。

（3）金属镍粉在CO气流中轻微加热，生成无色挥发性液态Ni（CO）4，呈正四面体构型。

试推测Ni（CO）4的晶体类型是________，Ni（CO）4易溶于下列______（填字母）。

A．水　　　　　　　　　B．四氯化碳

C．苯D．硫酸镍溶液

（4）AlCl3在177.8℃时升华，蒸气或熔融状态以Al2Cl6形式存在。

下列关于AlCl3的推断错误的是________。

A．氯化铝为共价化合物

B．氯化铝为离子化合物

C．氯化铝难溶于有机溶剂

D．Al2Cl6中存在配位键

解析：

（1）C60是分子晶体、金刚石是原子晶体，所以金刚石的熔点远远高于C60的。

（2）由金刚石结构每个C原子均以sp3杂化与其他四个C原子相连形成四个共价键构成正四面体结构可推测。

（3）由挥发性液体可知Ni（CO）4是分子晶体，由正四面体构型可知Ni（CO）4是非极性分子。

（4）由AlCl3易升华可知AlCl3是分子晶体，Al—Cl键不属于离子键应该为共价键，Al原子最外层三个电子全部成键，形成三个Al—Clσ键，无孤电子对，是非极性分子，易溶于有机溶剂，Al有空轨道，与Cl的孤电子对能形成配位键，A、D正确。

答案：

（1）金刚石　

（2）4　正四面体形　原子　

（3）分子晶体　B、C　（4）B、C

备考锦囊　晶体类型的判断方法

（1）据各类晶体的概念判断，即根据构成晶体的粒子和粒子间的作用力类别进行判断。

①由分子通过分子间作用力（范德华力、氢键）形成的晶体属于分子晶体；

②由原子通过共价键形成的晶体属于原子晶体；

③由阴、阳离子通过离子键形成的晶体属于离子晶体；

④由金属阳离子和自由电子通过金属键形成的晶体属于金属晶体，或由金属原子形成的晶体属于金属晶体。

（2）据各类晶体的特征性质判断。

①低熔、沸点的晶体属于分子晶体；

②熔、沸点较高，且在水溶液中或熔化状态下能导电的晶体属于离子晶体；

③熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的晶体属于原子晶体；

④能导电、传热、具有延展性的晶体属于金属晶体。

考向二　晶胞的计算

3．按要求回答下列问题：

（1）（2016·全国甲卷）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·cm－3，晶胞参数a＝________nm。

（2）（2016·全国乙卷）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

；C为

。

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）。

（3）（2016·全国丙卷）GaAs的熔点为1238℃，密度为ρg·cm－3，其晶胞结构如图所示。

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________。

解析：

（1）①由晶胞结构图可知，Ni原子处于立方晶胞的顶点，Cu原子处于立方晶胞的面心，根据均摊法，每个晶胞中含有Cu原子的个数为6×

＝3，含有Ni原子的个数为8×

＝1，故晶胞中Cu原子与Ni原子的数量比为3∶1。

②根据m＝ρV可得，1mol晶胞的质量为（64×3＋59）g＝a3×dg·cm－3×NA，则a＝

cm＝

×107nm。

（2）①根据题给图示可知，D原子的坐标参数为

。

②每个晶胞中含有锗原子8×1/8＋6×1/2＋4＝8（个），每个晶胞的质量为

，晶胞的体积为（565.76×10－10cm）3，所以晶胞的密度为

。

（3）分析GaAs的晶胞结构，4个Ga原子处于晶胞体内，8个As原子处于晶胞的顶点、6个As原子处于晶胞的面心，结合“均摊法”计算可知，每个晶胞中含有4个Ga原子，含有As原子个数为8×1/8＋6×1/2＝4（个），Ga和As的原子半径分别为rGapm＝rGa×10－10cm，rAspm＝rAs×10－10cm，则原子的总体积为V原子＝4×

π×[（rGa×1010cm）3＋（rAs×10－10cm）3]＝

×10－30（r

＋r

）cm3。

又知Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol－1和MAsg·mol－1，晶胞的密度为ρg·cm－3，则晶胞的体积为V晶胞＝4（MGa＋MAs）/ρNAcm3，故GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为

×100%＝

×100%＝

×100%。

答案：

（1）①3∶1　②

×107

（2）①

　②

×107

（3）

×100%

4．填写下列空白：

（1）（2015·全国卷Ⅱ）Na和O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O原子的配位数为________；列式计算晶体F的密度（g·cm－3）________。

（2）（2013·新课标卷Ⅱ）前四周期原子序数依次增大的元素A、B、C、D中，A和B的价电子层中未成对电子均只有1个，并且A－和B＋的电子数相差为8；与B位于同一周期的C和D，它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2，且原子序数相差为2。

A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。

①该化合物的化学式为________；D的配位数为________。

②列式计算该晶体的密度_________________g·cm－3。

③A－、B＋和C3＋三种离子组成的化合物B3CA6，其中化学键的类型有___________；该化合物中存在一个复杂离子，该离子的化学式为________，配位体是________。

（3）（2012·新课标全国卷）ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛。

立方ZnS晶体结构如图所示，其晶胞边长为540.0pm，密度为________________________g·cm－3（列式并计算），a位置S2－与b位置Zn2＋之间的距离为____________________pm（列式表示）。

解析：

（1）O2－半径大于Na＋半径，由F的晶胞结构可知，大球代表O2－，小球代表Na＋，每个晶胞中含有O2－个数为8×

＋6×

＝4，含有Na＋个数为8，故O2－、Na＋离子个数之比为4∶8＝1∶2，从而推知F的化学式为Na2O。

由晶胞结构可知，每个O原子周围有8个Na原子，故O原子的配位数为8。

晶胞参数a＝0.566nm＝0.566×10－7cm，则晶胞的体积为（0.566×10－7cm）3，从而可知晶体F的密度为

＝2.27g·cm－3。

（2）①一个该晶胞中，有16个F－位于晶胞的棱上，2个F－位于晶胞内部，4个F－位于晶胞的面上，根据均摊法，该晶胞中真正占有的F－数为16×

＋2＋4×

＝8；有8个K＋位于晶胞的棱上，2个K＋位于晶胞内部，故该晶胞中真正占有的K＋数为8×

＋2＝4；有8个Ni2＋位于晶胞的顶点，1个Ni2＋位于晶胞内部，故该晶胞中真正占有的Ni2＋数为8×

＋1＝2。

因此，该化合物中K＋、Ni2＋、F－的数目比为4∶2∶8＝2∶1∶4，则该化合物的化学式为K2NiF4。

由图可知Ni的配位数为6。

②1mol晶胞中含有2molK2NiF4，其质量为2mol×213g·mol－1,1mol晶胞的体积为6.02×1023×4002×1308×10－30cm3，故该晶体的密度为

＝3.4g·cm－3。

③K3FeF6中含有离子键和配位键，其中K＋与[FeF6]3－之间形成离子键，Fe3＋与F－之间形成配位键。

K3FeF6中存在的复杂离子为[FeF6]3－，其中配位体是F－。

（3）每个晶胞的质量为（540.0×10－10cm）3×ρ；运用均摊法可求得每个晶胞中含有4个“ZnS”，故每个晶胞的质量又可表示为

。

因此有（540.0×10－10cm）3×ρ＝

×4g，解得ρ＝4.1g·cm－3；如图所示，b位于正四面体的中心（类似于CH4分子中的C）。

设ab＝bc＝xpm，∠abc＝109°28′，ac＝

×540.0pm＝270

pm。

在三角形abc中，由余弦定理得：

ac2＝x2＋x2－2x·x·cos∠abc，代入数据解得：

x＝

pm。

答案：

（1）Na2O　8

＝2.27g·cm－3

（2）①K2NiF4　6　②

≈3.4　③离子键、配位键　[FeF6]3－　F－

（3）

≈4.1　

备考锦囊

1．均摊法确定晶胞的化学组成

（1）方法

晶胞中任意位置上的一个原子如果是被n个晶胞所共有，那么，每个原子对这个晶胞的贡献就是

。

（2）类型

①长方体（正方体）晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献：

②非长方体（非正方体）晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定。

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）对六边形的贡献为

。

再如图所示的正三棱柱形晶胞中：

2．晶体密度及微粒间距离的计算

（1）计算晶体密度的方法

以一个晶胞为研究对象，根据m＝ρ·V，其一般的计算规律和公式可表示为：

×n＝ρ×a3，其中M为晶体的摩尔质量，n为晶胞所占有的粒子数，NA为阿伏加德罗常数，ρ为晶体密度，a为晶胞参数。

（2）计算晶体中微粒间距离的方法

1．（2016·肇庆模拟）H、C、N、O、Na、Fe、Cu是常见的七种元素，请回答下列问题：

（1）N、O、Na原子第一电离能由小到大的顺序是____________（用元素符号和“<”表示）；Cu原子的外围电子排布图为______________。

（2）N、Na＋、Fe3＋、Cu2＋四种微粒基态的核外电子排布式中未成对电子数最多的是________；Cu2＋在水中呈现蓝色是因为形成了水合铜离子，其化学式为________，水分子与铜离子间结合的化学键名称为________。

（3）根据价层电子对互斥理论判断下列分子或离子中空间构型是V形的是________（填序号）。

①H3O＋　　②H2O　　③NO

　　④NO

（4）分子（CN）2中键与键之间的夹角为180°，并有对称性，分子中每个原子最外层均满足8电子稳定结构，其结构式为__________________，1个分子中含有________个π键；（CN）2称为“拟卤素”，具有类似Cl2的化学性质，则（CN）2与NaOH水溶液反应的化学方程式为________________________________。

（5）O和Na形成的一种只含有离子键的离子化合物，其晶胞结构如图，该离子化合物的化学式为________；已知该晶胞的密度为ρg·cm－3，阿伏加德罗常数为NA，求晶胞边长a＝______cm。

（用含ρ、NA的代数式表示）。

解析：

（1）N、O属于非金属元素，Na是金属，故钠的第一电离能最小，N、O属于同周期，因2p能级上电子排布为半充满的稳定结构，故N>O；Cu原子核外电子排布式为[Ar]3d104s1，故外围电子排布图为

（2）在N、Na＋、Fe3＋、Cu2＋四种微粒基态的核外电子排布式中，未成对电子数依次是3、0、5、1，故未成对电子数最多的是Fe3＋，Cu2＋在水中呈现蓝色是因为形成了水合铜离子，其化学式为[Cu（H2O）4]2＋，水分子与铜离子间结合的化学键名称为配位键。

（3）H3O＋中中心原子O的价层电子对数为（6＋3－1）/2＝4，孤电子对数为1，所以空间构型是三角锥形；H2O中中心原子O的价层电子对数为（6＋2）/2＝4，孤电子对数为2，所以空间构型是V形；NO

中中心原子N的价层电子对数为（5－1）/2＝2，孤电子对数为0，所以空间构型是直线形；NO

中中心原子N的价层电子对数为（5＋1）/2＝3，孤电子对数为1，所以空间构型是V形，故正确答案是②④。

（4）分子（CN）2中碳原子按sp杂化，碳碳之间是单键，碳氮之间是三键，其结构式为CNCN，碳氮三键中有两个π键，所以1个分子中含有4个π键；（CN）2与NaOH水溶液反应的化学方程式为（CN）2＋2NaOH===NaCN＋NaCNO＋H2O。

（5）根据晶胞结构图，利用均摊法可知，晶胞中含有氧离子个数为8×1/8＋6×1/2＝4，含有钠离子个数为8，所以化学式为Na2O，根据ρ＝m/V可知晶胞体积V＝m/ρcm3＝

cm3，又因V＝a3cm3，所以晶胞边长a＝

cm。

答案：

（1）Na

（2）Fe3＋　[Cu（H2O）4]2＋　配位键　（3）②④　

（4）CNCN　4　（CN）2＋2NaOH===NaCN＋NaCNO＋H2O　（5）Na2O　

2．（2016·长春模拟）A、B、C、D、E是原子序数依次增大的五种常见元素，其中A是原子半径最小的元素，B元素的一种核素可用于考古断代，D元素的s轨道和p轨道上的电子数相等且有2个未成对电子；E是第四周期元素，其原子核外最外层电子数与A原子相同，其余各层电子均充满。

请用元素符号或化学式回答下列问题：

（1）A、B、C、D四种元素中，电负性最大的是________，第一电离能最大的是________。

（2）化合物CA3的沸点比化合物BA4的高，其主要原因是________________________。

（3）A、B形成的化合物M与氢氰酸（HCN）反应可得丙烯腈（CHH2CCN），则M的结构式为__________，丙烯腈分子中碳原子轨道杂化类型是______________。

（4）由C元素形成的一种离子与BD2互为等电子体，该离子的结构式为____________________。

（5）基态E原子的核外电子排布式为____________，如图是D、E形成的某种化合物的晶胞结构示意图，该晶体的化学式为______________。

（6）向E的硫酸盐溶液中通入过量的CA3，可生成[E（CA3）4]2＋，1mol[E（CA3）4]2＋中含有σ键的数目约为__________________。

解析：

由题意推出A是氢元素，B是碳元素，C是氮元素，D是氧元素，E是铜元素。

（1）电负性最大的是氧元素，氮原子的2p轨道处于半满状态，第一电离能较大。

（2）NH3分子间能形成氢键，使NH3的沸点较高。

（3）M是乙炔，CHH2CCN分子中，双键碳原子采用sp2杂化，三键碳原子采用sp杂化。

（4）与CO2互为等电子体的N元素形成的离子是N

。

（5）该晶胞中，Cu位于晶胞内，一个晶胞中含4个Cu；O位于晶胞的顶点和晶胞内，一个晶胞中含8×

＋1＝2个O，Cu、O的个数比为2∶1，故该晶体的化学式为Cu2O。

（6）向CuSO4溶液中通入过量NH3，生成[Cu（NH3）4]2＋。

1mol[Cu（NH3）4]2＋中含有4mol＋3×4mol＝16molσ键。

答案：

（1）O　N

（2）NH3分子间能形成氢键

（3）CHCH　sp、sp2

（4）[N===N===N]－

（5）1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1　Cu2O

（6）16×6.02×1023

3．（2016·昆明模拟）铁及其化合物在生产、生活及国防等领域具有广泛的应用。

（1）铁元素在元素周期表中的位置是__________________________________________。

（2）基态Fe3＋核外M能层的电子排布式为__________。

（3）KSCN是检验Fe3＋的试剂之一，与SCN－互为等电子体的一种分子为________（填化学式）。

（4）非血红素铁是食物中铁存在的形式之一，主要是三价铁与蛋白质、羧酸结合成络合物。

蛋白质分子中氨基氮原子的轨道杂化类型是________；1mol乙酸分子中含有σ键的数目为____________。

（5）FeO晶胞结构如图甲所示，FeO晶体中Fe2＋配位数为________。

（6）铁有δ、γ、α三种同素异形体（如图乙），则δ晶胞原子堆积名称为________________。

若αFe晶胞边长为a，γFe晶胞边长为b，则两种晶体密度比为________。

解析：

（1）铁在元素周期表中位于第4周期第Ⅷ族。

（2）基态铁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，基态Fe3＋核外M能层的电子排布式为3s23p63d5。

（3）SCN－中有3个原子，价电子总数为16，与SCN－互为等电子体的分子有CO2、N2O等。

（4）氨基氮原子与NH3分子中氮原子的杂化类型相同，为sp3杂化。

单键都是σ键，双键中有1个σ键，1个CH3COOH分子中有7个σ键，故1mol乙酸分子中有7molσ键。

（5）根据FeO的晶胞结构，