[自我检测]
1.(教材改编题)下列各组物质中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( )
A.Si和CO2 B.NaBr和O2
C.CH4和H2OD.HCl和KCl
解析:
选C。
A项,晶体类型不同;B项,化学键和晶体类型均不同;D项,化学键和晶体类型均不同。
2.(教材改编题)下列物质:
①水晶 ②冰醋酸 ③氧化钙
④白磷 ⑤晶体氩 ⑥氢氧化钠 ⑦铝 ⑧金刚石
⑨过氧化钠 ⑩碳化钙 ⑪碳化硅 ⑫干冰 ⑬过氧化氢。
其中:
(1)属于原子晶体的化合物是________。
(2)直接由原子构成的晶体是________。
(3)直接由原子构成的分子晶体是________。
(4)由极性分子构成的晶体是________,含有非极性键的离子晶体是________,属于分子晶体的单质是________。
(5)在一定条件下能导电而不发生化学变化的是________,受热熔化后化学键不发生变化的是________,受热熔化后需克服共价键的是________。
解析:
属于原子晶体的化合物是水晶和碳化硅;属于分子晶体的有晶体氩(无化学键)、白磷(非极性分子)、干冰(极性键构成的非极性分子)、过氧化氢和冰醋酸(由极性键和非极性键构成的极性分子);属于离子晶体的有CaO(离子键)、NaOH(既存在离子键又存在极性共价键)、Na2O2和CaC2(既存在离子键又存在非极性共价键)。
金属导电过程不发生化学变化;分子晶体受热熔化时只需克服分子间作用力,不破坏化学键,而原子晶体、离子晶体、金属晶体受热熔化时均需破坏化学键。
答案:
(1)①⑪
(2)①⑤⑧⑪ (3)⑤
(4)②⑬ ⑨⑩ ④⑤ (5)⑦ ②④⑫⑬ ①⑧⑪
(1)具有规则几何外形的固体不一定是晶体,如玻璃。
(2)晶体与非晶体的本质区别:
是否有自范性。
(3)晶胞是从晶体中“截取”出来具有代表性的“平行六面体”,但不一定是最小的“平行六面体”。
(4)常温下为气态或液态的物质,其晶体类型一般为分子晶体(Hg除外)。
(5)石墨属于混合型晶体,但因层内原子之间碳碳共价键的键长为1.42×10-10m,比金刚石中碳碳共价键的键长(键长为1.54×10-10m)短,所以熔、沸点高于金刚石。
(6)AlCl3晶体中虽含有金属元素,但属于分子晶体,熔、沸点低(熔点190℃)。
(1)[2016·高考全国卷丙,37-(4)]GaF3的熔点高于1000℃,GaCl3的熔点为77.9℃,其原因是________________________________________________________________________
____________________。
(2)[2015·高考全国卷Ⅰ,37-(4)]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)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,结果如下表:
晶体
熔点/℃
硬度
水溶性
导电性
水溶液与Ag+反应
A
801
较大
易溶
水溶液(或熔
融状态)导电
白色沉淀
B
3550
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晶体的类型分别为A_____________,B_____________,C____________。
③晶体中微粒间作用力分别是A________,
B________________________________________________________________________,
C____________。
[解析]
(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)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。
(3)由A水溶液(或熔融状态)导电,可知A为离子晶体,即为NaCl,其中含离子键;B的硬度很大,不溶于水,又不导电,则知B为原子晶体,即为金刚石,其中含共价键;C的熔点很低,可知C为分子晶体,即为HCl,是靠分子间作用力形成的晶体。
[答案]
(1)GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体
(2)分子
(3)①NaCl 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
晶体类型判断方法
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用判断
①离子晶体的构成微粒是阴、阳离子,微粒间的作用是离子键。
②原子晶体的构成微粒是原子,微粒间的作用是共价键。
③分子晶体的构成微粒是分子,微粒间的作用为分子间作用力。
④金属晶体的构成微粒是金属阳离子和自由电子,微粒间的作用是金属键。
(2)依据物质的分类判断
①金属氧化物(如K2O、Na2O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、合金是金属晶体。
(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原子晶体;能导电、传热、具有延展性的晶体为金属晶体。
晶体类型的判定
1.下列各组晶体物质中,化学键类型相同,晶体类型也相同的是( )
①SiO2和SO3 ②晶体硼和HCl ③CO2和SO2 ④晶体硅和金刚石 ⑤晶体氖和晶体氮 ⑥硫黄和碘
A.①②③ B.④⑤⑥
C.③④⑥D.①③⑤
解析:
选C。
本题中属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄、碘;属于原子晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅、金刚石;晶体氖是由稀有气体分子构成的,稀有气体分子内不存在化学键。
2.(教材改编题)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( )
Na2O
NaCl
AlF3
AlCl3
920
801
1291
190
BCl3
Al2O3
CO2
SiO2
-107
2073
-57
1723
A.铝的化合物形成的晶体中有的是离子晶体
B.表中只有BCl3和CO2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
解析:
选B。
从表中各物质的熔点可以看出,Na2O、NaCl、AlF3、Al2O3是离子晶体,SiO2是原子晶体,AlCl3、BCl3、CO2是分子晶体。
四种晶体类型的性质比较
3.下列各组物质中,按熔点由低到高顺序排列正确的是( )
①O2、I2、Hg ②CO、KCl、SiO2 ③Na、K、Rb
④Na、Mg、Al
A.①③B.①④
C.②③D.②④
解析:
选D。
①中Hg在常温下为液态,而I2为固态,故①错;②中SiO2为原子晶体,其熔点最高,CO是分子晶体,其熔点最低,故②正确;③中Na、K、Rb价电子数相同,其原子半径依次增大,金属键依次减弱,熔点逐渐降低,故③错;④中Na、Mg、Al价电子数依次增多,原子半径逐渐减小,金属键依次增强,熔点逐渐升高,故④正确。
4.
(1)碳化硅(SiC)是一种晶体,具有类似金刚石的结构,其中碳原子和硅原子的位置是交替的。
在下列各种晶体:
①晶体硅;②硝酸钾;③金刚石;④碳化硅;⑤干冰;⑥冰,它们的熔点由高到低的顺序是____________(填序号)。
(2)继C60后,科学家又合成了Si60、N60。
请解释如下现象:
熔点Si60>N60>C60,而破坏分子所需要的能量N60>C60>Si60,其原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
(1)这些晶体属于原子晶体的有①③④、离子晶体的有②、分子晶体的有⑤⑥。
一般来说,原子晶体的熔点>离子晶体的熔点>分子晶体的熔点;对于原子晶体,键长:
Si—Si>Si—C>C—C,相应键能:
Si—Si<Si—C<C—C,故它们的熔点:
金刚石>碳化硅>晶体硅。
(2)熔点与分子间作用力大小有关,而破坏分子则是破坏分子内的共价键。
答案:
(1)③④①②⑥⑤
(2)结构相似的分子晶体的相对分子质量越大,分子间作用力(或范德华力)越强,熔化所需的能量越多,故熔点:
Si60>N60>C60;而破坏分子需断开化学键,元素原子半径越小,其形成的化学键越稳定,断键时所需能量越多,故破坏分子需要的能量大小顺序为N60>C60>Si60。
晶体组成与结构的5点误区
(1)离子晶体中不一定都含有金属元素,如NH4Cl是离子晶体;金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体,如AlCl3是分子晶体;含有金属离子的晶体不一定是离子晶体,如金属晶体中含有金属离子。
(2)含阴离子的晶体中一定含有阳离子,但含阳离子的晶体中不一定含阴离子,如金属晶体。
(3)易误认为原子晶体的熔点一定比离子晶体高,如石英的熔点为1710℃,MgO的熔点为2852℃。
(4)石墨属于混合型晶体,不是原子晶体,其晶体含有范德华力和共价键,熔点比金刚石高。
(5)金属晶体的熔点不一定比分子晶体的熔点高,如Na的熔点为97℃,尿素的熔点为132.7℃。
典型晶体模型与晶胞计算[学生用书P272]
[知识梳理]
1.典型晶体模型
晶体
晶体结构
晶体详解
原子晶体
金刚石
(1)每个碳与相邻4个碳以共价键结合,形成正四面体结构
(2)键角均为109°28′
(3)最小碳环由6个C原子组成且六原子不在同一平面内
(4)每个C参与4条C—C键的形成,C原子数与C—C键数之比为1∶2
SiO2
(1)每个Si与4个O以共价键结合,形成正四面体结构
(2)每个正四面体占有1个Si,4个“
O”,n(Si)∶n(O)=1∶2
(3)最小环上有12个原子,即6个O,6个Si
分子晶体
干冰
(1)8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子
(2)每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个
离子晶体
NaCl型
(1)每个Na+(Cl-)周围等距且紧邻的Cl-(Na+)有6个,每个Na+周围等距且紧邻的Na+有12个
(2)每个晶胞中含4个Na+和4个Cl-
CsCl型
(1)每个Cs+周围等距且紧邻的Cl-有8个,每个Cs+(Cl-)周围等距且紧邻的Cs+(Cl-)有6个
(2)如图为8个晶胞,每个晶胞中含1个Cs+、1个Cl-
金属晶体
简单立方堆积
典型代表Po,配位数为6,空间利用率52%
体心立方堆积
典型代表Na、K、Fe,配位数为8,空间利用率68%
面心立方最密堆积
典型代表Cu、Ag、Au,配位数为12,空间利用率74%
六方最密堆积
典型代表Mg、Zn、Ti,配位数为12,空间利用率74%
2.晶胞中微粒的计算方法——均摊法
(1)原则:
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
。
(2)方法
①长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算
图示:
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,其顶角(1个碳原子)被三个六边形共有,每个六边形占
。
[自我检测]
1.如图为离子晶体立体构型示意图:
(
阳离子,
阴离子)以M代表阳离子,以N表示阴离子,写出各离子晶体的组成表达式:
A________、B________、C________。
解析:
在A中,含M、N的个数相等,故组成为MN;在B中,含M:
×4+1=
(个);含N:
×4+2+4×
=
(个),N(M)∶N(N)=
∶
=1∶3;在C中,含M:
×4=
(个),含N为1个。
答案:
MN MN3 MN2
2.(教材改编题)请列表比较金属晶体的简单立方、体心立方、六方和面心立方四种堆积模型的配位数,原子空间利用率、堆积方式和晶胞的区别以及列举代表物。
答案:
堆积模型
采纳这种堆积的典型代表
空间利用率
配位数
晶胞
简单立方堆积
Po(钋)
52%
6
体心立方堆积
Na、K、Fe
68%
8
六方最密堆积
Mg、Zn、Ti
74%
12
面心立方最密堆积
Cu、Ag、Au
74%
12
“均摊法”拓展
(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。
(1)[2016·高考全国卷乙,37-(6)]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________________________________________________________________________
g·cm-3(列出计算式即可)。
(2)[2016·高考全国卷甲,37-(4)]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。
(3)[(2016·高考全国卷丙,37-(5)]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]
(1)①对照晶胞图示、坐标系以及A、B、C点坐标,选A点为参照点,观察D点在晶胞中位置(体对角线
处),由B、C点坐标可以推知D点坐标。
②1个晶胞含有8个锗原子,ρ=
×107g·cm-3。
(2)①Cu原子位于面心,个数为6×
=3,Ni原子位于顶点,个数为8×
=1,铜原子与镍原子的数量比为3∶1。
②以该晶胞为研究对象,则
g=dg·cm-3×(a×10-7cm)3,解得a=
×107。
(3)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GaAs是原子晶体。
首先用均摊法计算出1个晶胞中含有As原子的个数:
8×1/8+6×1/2=4,再通过观察可知1个晶胞中含有4个Ga原子。
4个As原子和4个Ga原子的总体积V1=4×
cm3;1个晶胞的质量为4个As原子和4个Ga原子的质量之和,即
g,所以1个晶胞的体积V2=
(MAs+MGa)cm3。
最后由V1/V2即得结果。
[答案]
(1)①
②
×107
(2)①3∶1 ②
×107
(3)原子晶体 共价
×100%
金属晶体的晶胞有多种排列方式,下列排列方式中:
A.ABCABCABC B.ABABABABAB C.ABBAABBA
D.ABCCBAABCCBA,
属于六方最密堆积方式的是________;属于面心立方最密堆积方式的是________。
答案:
B A
(1)
(2)晶体微粒与M、ρ之间的关系
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);1个晶胞的质量为ρa3g[a3为晶胞的体积(立方晶胞)],则1mol晶胞的质量为ρa3NAg,因此有xM=ρa3NA。
常见的晶体结构的考查
1.(教材改编题)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+周围等距且紧邻8个Cl-
D.干冰晶体中,每个CO2分子周围等距且紧邻12个CO2分子
解析:
选B。
氯化钠晶体中,每个Na+周围距离相等且紧邻的Na+共有12个,每个Na+周围距离相等且紧邻的Cl-共有6个。
2.
(1)[2015·高考全国卷Ⅰ,37-(5)]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。
(2)[2014·高考全国卷Ⅰ,37-(3)]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。
解析:
(1)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。
(2)Cu2O立方晶胞内部有4个氧原子,其余氧原子位于面心和顶点,则一个Cu2O晶胞含有氧原子个数为4+
×6+
×