全国通用高考化学一轮复习选修3 第3节 晶体结构与性质.docx

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全国通用高考化学一轮复习选修3第3节晶体结构与性质

第三节　晶体结构与性质

考纲定位　1.理解离子键的形成，能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。

2.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。

3.理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质；了解金属晶体常见的堆积方式。

4.了解晶体类型，了解不同类型晶体中结构微粒及微粒间作用力的区别。

5.了解晶胞概念，能根据晶胞确定晶体组成并进行相关的计算。

6.了解晶格能的概念及其对离子晶体性质的影响。

7.了解分子晶体结构与性质关系。

考点1|晶体与晶胞

（对应学生用书第242页）

[考纲知识整合]

1．晶体与非晶体

（1）晶体与非晶体比较

晶体

非晶体

结构特征

结构微粒在三维空间里呈周期性有序排列

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

无各向异性

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）获得晶体的途径

①熔融态物质凝固。

②气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。

③溶质从溶液中析出。

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）一般形状为平行六面体。

（4）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

。

①长方体（包括立方体）晶胞中不同位置的粒子数的计算

②非长方体：

如三棱柱

示例

CaF2的晶胞如下图所示。

该晶胞含Ca2＋4个，F－8个。

[高考命题点突破]

命题点1　晶体的性质

1．如图是某固体的微观结构示意图，请认真观察两图，判断下列说法正确的是

（　　）

A．两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体

B．Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性

C．Ⅱ形成的固体一定有固定的熔、沸点

D．二者的X射线图谱是相同的

B　[Ⅰ会自动形成规则几何外形的晶体，具有各向异性，X射线图谱有明锐的谱线。

Ⅱ不会形成晶体。

]

2．（2014·全国Ⅰ卷，节选）准晶体是一种无平移周期序，但有严格准周期位置序的独特晶体，可通过_____________________________________________

方法区分晶体、准晶体和非晶体。

【解析】　晶体是内部质点（原子、分子或离子）在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质，而非晶体内部质点在三维空间无规律地排列，因此可以通过X射线衍射的方法进行区分，晶体能使X射线发生衍射，而非晶体、准晶体则不能。

【答案】　X射线衍射

命题点2　晶胞中粒子数及其晶体化学式的判断

3．如图为甲、乙、丙三种晶体的晶胞：

试写出：

（1）甲晶体化学式（X为阳离子）为________。

（2）乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是________。

（3）丙晶体中每个D周围结合E的个数是________。

（4）乙晶体中每个A周围结合B的个数为________。

【答案】　

（1）X2Y　

（2）1∶3∶1　（3）8　（4）12

4．Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如右图所示。

（1）在1个晶胞中，Zn2＋的数目为________。

（2）该化合物的化学式为________。

【解析】　

（1）从晶胞图分析，含有Zn2＋为8×

＋6×

＝4。

（2）S为4个，所以化合物中Zn与S数目之比为1∶1，则化学式为ZnS。

【答案】　

（1）4　

（2）ZnS

5．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________。

【解析】　Cu个数：

12×

＋2×

＋3＝6，H个数：

6×

＋4＝6。

【答案】　CuH

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。

命题点3　晶体密度及粒子间距的计算

6．（2017·全国卷组合）

（1）（卷Ⅰ）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。

（2）（卷Ⅱ）[（N5）6（H3O）3（NH4）4Cl]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】　

（1）①K与O间的最短距离为

a＝

×0.446nm≈0.315nm；由于K、O分别位于晶胞的顶角和面心，所以与K紧邻的O原子为12个。

②根据KIO3的化学式及晶胞结构可画出KIO3的另一种晶胞结构，如下图，可看出K处于体心，O处于棱心。

（2）晶胞的质量为dg/cm3×（a×10－7cm）3＝a3d×10－21g，NA个该单元的质量为Mg，则

＝

，故y＝

。

【答案】　

（1）①0.315　12　②体心　棱心

（2）

7．（2016·全国Ⅲ卷，节选）GaAs的熔点为1238℃，密度为ρg·cm－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】　GaAs的熔点为1238℃，其熔点较高，据此推知GaAs为原子晶体，Ga与As原子之间以共价键键合。

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×10－10cm）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】　原子晶体　共价

×100%

8．（2016·全国Ⅱ卷，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________。

（2）若合金的密度为dg·cm－3，晶胞参数a＝________nm。

【解析】　

（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。

【答案】　

（1）3∶1　

（2）

×107或

×107

1晶胞计算公式立方晶胞a3ρNA＝nMa：

棱长，ρ：

密度，NA：

阿伏加德罗常数的值，n：

1mol晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量，M：

组成的摩尔质量。

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

①面对角线长＝

a。

②体对角线长＝

a。

③体心立方堆积4r＝

ar为原子半径。

④面心立方堆积4r＝

）ar为原子半径。

3空间利用率＝

。

考点2|常见晶体模型的微观结构分析

（对应学生用书第244页）

[考纲知识整合]

1．原子晶体——金刚石与SiO2

（1）①金刚石晶体中，每个C与另外4个C形成共价键，碳原子采取sp3杂化，C—C键之间的夹角是109°28′，最小的环是6元环。

每个C被12个六元环共用。

含有1molC的金刚石中形成的C—C有2mol。

②在金刚石的晶胞中，内部的C在晶胞的体对角线的

处。

每个晶胞含有8个C。

（2）SiO2晶体中，每个Si原子与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键，最小的环是12元环，在“硅氧”四面体中，处于中心的是Si原子。

1molSiO2晶体中含Si—O键数目为4NA，在SiO2晶体中Si、O原子均采取sp3杂化。

2．分子晶体——干冰和冰

（1）干冰晶体中，每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个，属于分子密堆积。

晶胞中含有4个CO2分子。

同类晶体还有晶体I2、晶体O2等。

（2）冰的结构模型中，每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1molH2O的冰中，最多可形成2mol氢键。

晶胞结构与金刚石相似，含有8个H2O。

3．金属晶体

（1）“电子气理论”要点

该理论把金属键描述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”，被所有原子所共用，从而把所有金属原子维系在一起。

（2）金属键的实质是金属阳离子与电子气间的静电作用。

（3）金属晶体的常见堆积

结构型式

常见金属

配位数

晶胞

面心立方

最密堆积（铜型）

Cu、Ag、Au

12

体心立方

堆积

Na、K、Fe

8

六方最密

堆积（镁型）

Mg、Zn、Ti

12

简单立方

堆积

Po

6

说明：

六方最密堆积是按ABABAB……的方式堆积，面心立方最密堆积是按ABCABCABC……的方式堆积。

4．离子晶体

（1）NaCl型：

在晶体中，每个Na＋同时吸引6个Cl－，每个Cl－同时吸引6个Na＋，配位数为6。

每个晶胞含4个Na＋和4个Cl－。

（2）CsCl型：

在晶体中，每个Cl－吸引8个Cs＋，每个Cs＋吸引8个Cl－，配位数为8。

（3）CaF2型：

在晶体中，F－的配位数为4，Ca2＋的配位数为8，晶胞中含4个Ca2＋，含8个F－。

晶胞中Ca2＋在体对角线的

处。

5．石墨晶体——混合型晶体

（1）石墨层状晶体中，层与层之间的作用是范德华力。

（2）平均每个正六边形拥有的碳原子个数是2，C原子采取的杂化方式是sp2。

（3）每层中存在σ键和π键，还有金属键。

（4）C—C的键长比金刚石的C—C键长短，熔点比金刚石的高。

（5）能导电。

[高考命题点突破]

命题点　常见晶体的微观结构分析

1．（2017·全国Ⅲ卷，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】　O2－采用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－）≈0.148nm；根据晶胞的结构可知，棱上阴阳离子相切，因此2r（Mn2＋）＋2r（O2－）＝0.448nm，所以r（Mn2＋）＝0.076nm。

【答案】　0.148　0.076

2．（2016·全国Ⅰ卷，节选）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________。

【解析】　根据题给图示可知，D原子的坐标参数为

。

【答案】　

3．（2015·全国Ⅰ卷，节选）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：

（1）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。

（2）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。

【解析】　

（1）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。

（2）由金刚石的结构可知，每个C可参与形成4条C—C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，6×2＝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。

【答案】　

（1）3　2　

（2）12　4

4．（2018·衡水模拟）CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似（如图所示），但CaC2晶体中由于哑铃形的C

存在，使晶胞沿一个方向拉长。

下列关于CaC2晶体的说法中正确的是（　　）【导学号：

97500220】

A．1个Ca2＋周围距离最近且等距离的C

数目为6

B．该晶体中的阴离子与F2是等电子体

C．6.4gCaC2晶体中含阴离子0.1mol

D．与每个Ca2＋距离相等且最近的Ca2＋共有12个

C　[A项，依据晶胞示意图可以看出，晶胞的一个平面的长与宽不相等，再由图中体心可知，1个Ca2＋周围距离最近的C

有4个，而不是6个，错误；B项，C

含电子数为2×6＋2＝14，F2的电子数为18，二者电子数不同，不是等电子体，错误；C项，6.4gCaC2为0.1mol，则含阴离子0.1mol，正确；D项，与每个Ca2＋距离相等且最近的Ca2＋为4个，错误。

]

考点3|四种晶体的性质与判断

（对应学生用书第246页）

[考纲知识整合]

1．晶格能

（1）定义

气态离子形成1mol离子晶体释放的能量，单位kJ/mol，通常取正值。

（2）影响因素

①离子所带电荷数：

离子所带电荷数越多，晶格能越大。

②离子的半径：

离子的半径越小，晶格能越大。

（3）与离子晶体性质的关系

晶格能越大，形成的离子晶体越稳定，且熔点越高，硬度越大。

【实例】　晶格能只描述离子晶体的性质。

实例：

比较下列晶格能大小：

（1）NaCl>KCl；

（2）CaF2

（3）Na2S

（4）CaO>KCl。

2．四种晶体类型比较

类型

比较　　

分子晶体

原子晶体

金属晶体

离子晶体

构成粒子

分子

原子

金属阳离子

和自由电子

阴、阳离子

粒子间的

相互作用力

分子间作用力

共价键

金属键

离子键

硬度

较小

很大

有的很大，有的很小

较大

熔、沸点

较低

很高

有的很高，有的很低

较高

溶解性

相似相溶

难溶于任何溶剂

常见溶剂难溶

大多易溶

于水等极

性溶剂

导电、

传热性

一般不导

电，溶于水

后有的导电

一般不具有

导电性　　

电和热的良

导体　　　

晶体不导电，

水溶液或熔

融态导电　

【注意】　石墨晶体为混合型晶体，为层状结构，熔点比金刚石的高，导电。

[高考命题点突破]

命题点1　晶体类型的判断

1．在下列物质中：

NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、（NH4）2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体硅、金刚石。

（1）其中只含有离子键的离子晶体是________________________________；

（2）其中既含有离子键又含有极性共价键的离子晶体是________；

（3）其中既含有离子键又含有极性共价键和配位键的离子晶体是________；

（4）其中既含有离子键又含有非极性共价键的离子晶体是________；

（5）其中含有极性共价键的原子晶体是_______________________________；

（6）其中属于分子晶体的是_________________________________________。

【答案】　

（1）NaCl、Na2S　

（2）NaOH、（NH4）2S

（3）（NH4）2S　（4）Na2S2　（5）SiO2、SiC　（6）H2O2、CO2、CCl4、C2H2

2．

（1）（2016·全国Ⅲ卷，节选）GaF3的熔点高于1000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是________________________________________________________

_______________________________________________________________。

（2）（2015·全国Ⅰ卷，节选）CO能与金属Fe形成Fe（CO）5，该化合物的熔点为253K，沸点为376K，其固体属于________晶体。

（3）（2015·全国Ⅱ卷，节选）O和Na的氢化物所属的晶体类型分别为________和________。

（4）（2013·福建高考，节选）NF3可由NH3和F2在Cu催化剂存在下反应直接得到：

4NH3＋3F2

NF3＋3NH4F

上述化学方程式中的5种物质所属的晶体类型有________（填序号）。

a．离子晶体B．分子晶体

c．原子晶体D．金属晶体

【答案】　

（1）GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体　

（2）分子　（3）分子晶体　离子晶体　（4）abd

3．有A、B、C三种晶体，分别由H、C、Na、Cl四种元素中的一种或几种组成，对这三种晶体进行实验，结果如表：

熔点/℃

硬度

水溶性

导电性

水溶液与

Ag＋反应

A

811

较大

易溶

水溶液或

熔融导电

白色沉淀

B

3500

很大

不溶

不导电

不反应

C

－114.2

很小

易溶

液态不导电

白色沉淀

（1）晶体的化学式分别为A________________________________________、

B__________________________、C__________________________。

（2）晶体的类型分别是A__________________________________________、

B__________________________、C__________________________。

（3）晶体中微粒间作用力分别是A___________________________________、

B__________________________、C__________________________。

【解析】　根据所述A、B、C晶体的性质可知，A为离子晶体，只能为NaCl，微粒间的作用力为离子键；B应为原子晶体，只能为金刚石，微粒间的作用力为共价键；C应为分子晶体，且易溶，只能为HCl，微粒间的作用力为范德华力。

【答案】　

（1）NaCl　C　HCl　

（2）离子晶体　原子晶体　分子晶体　（3）离子键　共价键　范德华力

（1）依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断

①离子晶体的构成微粒是阴、阳离子，微粒间的作用力是离子键。

②原子晶体的构成微粒是原子，微粒间的作用力是共价键。

③分子晶体的构成微粒是分子，微粒间的作用力为分子间作用力。

④金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子，微粒间的作用力是金属键。

（2）依据物质的分类判断

①金属氧化物（K2O、Na2O2等）、强碱（NaOH、KOH等）和绝大多数的盐类是离子晶体。

②大多数非金属单质（除金刚石、石墨、晶体硅等）、非金属氢化物、非金属氧化物（除SiO2外）、几乎所有的酸、绝大多数有机物（除有机盐外）是分子晶体。

③常见的单质类原子晶体有金刚石、晶体硅、晶体硼等，常见的化合物类原子晶体有碳化硅、二氧化硅等。

④金属单质是金属晶体。

（3）根据各类晶体的特征性质判断

一般来说，低熔、沸点的化合物属于分子晶体；熔、沸点较高，且在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物为离子晶体；熔、沸点很高，不导电，不溶于一般溶剂的物质属于原子晶体；能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。

命题点2　晶体主要性质（熔沸点、硬度等）比较

4．

（1）（2017·全国Ⅰ卷，节选）K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是____________________。

（2）（2016·全国Ⅰ卷，节选）比较下列锗卤化物的熔点和沸点，分析其变化规律及原因__________________________________________________________

______________________________________________________________。

GeCl4

GeBr4

GeI4

熔点/℃

－49.5

26

146

沸点/℃

83.1

186

约400

（3）（2015·全国Ⅱ卷，节选）已知A、B分别为O、Na元素。

单质A有两种同素异形体，其中沸点高的是_____________（填分子式），原因是____________；A和B的氢化物所属的晶体类型分别为________________和____________。

【答案】　

（1）Cr的原子半径小于K且其价电子数较多，则Cr的金属键强于K

（2）GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。

原因是分子结构相似，相对分子质量依次增大，分子间相互作用力逐渐增强

（3）O3　O3相对分子质量较大，范德华力大　分子晶体　离子晶体

5．（2015·浙江高考，改编）下列有关性质的比较，正确的是________。

A．第一电离能：

O＞N

B．水溶性：

CH3CH2OH＞CH3CH2OCH2CH3

C．沸点：

HCl＞HF

D．晶格能：

NaCl＞MgO

E．硬度：

MgO>CaO>BaO

F．熔点：

NaF>MgF2>AlF3

G．沸点：

H2O>HF>NH3

H．熔点：

金刚石>晶体硅>碳化硅

I．熔点：

二氧化硅>NaCl>I2>冰

【答案】　BEGI

6．

（1）冰的熔点远高于干冰，除因为H2O是极性分子、CO2是非极性分子外，还有一个重要的原因是____________________________________________

_______________________________________________