1、第第 3 3 讲讲晶体结构与性质晶体结构与性质 考试要点核心素养 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.了解晶体的类型,了解不同类型晶体中微粒结构、微粒间 作用力的区别。 3.了解晶格能的概念,了解晶格能对离子晶体性质的影响。 4.了解分子晶体结构与性质的关系。 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。 6.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。 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。 1.宏观辨识与微观探析:认识晶 胞及晶体的类型,能从不同角度 分
2、析晶体的组成微粒、结构特 点,能从宏观和微观相结合的视 角分析与解决实际问题。 2.证据推理与模型认知:能运用 典型晶体模型判断晶体的结构 特点及组成并进行相关计算。 3.变化观念与平衡思想:认识不 同晶体类型的特点,能从多角度 动态地分析不同晶体的组成及 相应物质的性质。 一、晶体和晶胞 1.晶体与非晶体 晶体非晶体 结构特征原子在三维空间里呈周期性有序排列原子排列相对无序 性质 特征 自范性有无 熔点固定不固定 异同表现有各向异性无各向异性 区别 方法 熔点法有固定熔点无固定熔点 X 射线对固体进行 X-射线衍射实验 2.获得晶体的三条途径 (1)熔融态物质凝固。 (2)气态物质冷却不经液
3、态直接凝固(凝华)。 (3)溶质从溶液中析出。 3.晶胞 (1)概念:晶胞是描述晶体结构的基本单元。 (2)晶体中晶胞的排列无隙、并置 无隙:相邻晶胞之间没有任何间隙。 并置:所有晶胞平行排列、取向相同。 二、晶体类型、结构和性质 1.四种晶体类型比较 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、自 由电子 阴、阳离 子 粒子间的相 互作用力 范德华力 (某些含氢键) 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难溶于常见溶剂 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
4、导电 一般不具有导电性 电和热的良导体 晶体不导电,水溶 液中或熔融态下导 电 物质类别 及举例 部分非金属单质、 非金属氢化物、 酸、部分非金属氧 化物、绝大多数有 机物(有机盐除外) 部分非金属单质(如 金刚石、晶体硼), 部分非金属化合物 (如 SiC、SiO2) 金属单质(如 Na、 Al、Fe)与合金(如青 铜) 金属氧化物(如 K2O、Na2O)、强碱 (如 KOH、NaOH)、 绝大部分盐(如 NaCl) 2.典型晶体模型 晶体晶体结构晶体详解 原 子 晶 体 金刚石 (1)每个碳原子与相邻4个碳原子以共价键结合,形成正四面体结构 (2)键角均为10928 (3)最小碳环由6个
5、C 组成且六个碳原子不在同一平面内 (4)每个 C 参与 4 条 CC 键的形成,C 原子数与 CC 键数之比为 12 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“1 2O”,N(Si)N(O)=12 (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 个面心又各有 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
6、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% 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% 体心立 方堆积 典型代表 Na、K、Fe,配位数为8,空间利用率 68% 六方最 密堆积 典型代表 Mg、Zn、Ti,配
7、位数为12,空间利用率 74% 3.晶格能 (1)定义 气态离子形成 1mol 离子晶体释放的能量,通常取正值,单位:kJmol -1 。 (2)影响因素 a.离子所带电荷数:离子所带电荷数越多,晶格能越大。 b.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。 三、晶胞组成的计算“均摊法” 1.“均摊法”突破晶胞组成的计算 (1)原则:晶胞任意位置上的一个粒子如果是被n个晶胞所共有,那么每个晶胞对于这个粒 子分得的份额就是1 ?。 (2)方法 a.长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算 b.非长方体晶胞中
8、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)被三个六边形共有,每个六边形占有1 3个碳原子,一个六边形实际占有 6 1 3=2 个碳原子。 又如,在六棱柱晶胞(如图中所示的 MgB2晶胞)中,顶点上的原子为 6 个晶胞(同层 3 个,上层或下 层 3 个)共有,面上的原子为 2 个晶胞共有,因此晶胞中镁原子个数为 121 6+2 1 2=3,硼原子个数 为 6。 2.晶胞求算 (1)晶体密度的计算 晶体密度() (2)晶体微粒与M、之间的关系 = ?t ?A?,其中 N为 1 个晶胞中所含“分子”数目,M为摩尔质量,NA为阿伏加德罗常数的 值,V为 1 个晶胞
9、的体积。 1.易错易混辨析(正确的画“”,错误的画“”)。 (1)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子() (2)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子() (3)原子晶体的熔点一定比金属晶体的高 () (4)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低 () (5)离子晶体一定都含有金属元素 () (6)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体() (7)金属钠形成的晶体中,每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有 8 个() (8)在 CsCl 晶体中,每个 Cs +周围与其距离最近的 Cl-有 8 个 () 答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8) 2.用“”或“”填空。 (1)晶体熔点:C
10、F4CCl4CBr4CI4。 (2)硬度:金刚石碳化硅晶体硅。 (3)熔点:NaMgAl。 (4)晶格能:NaFNaClNaBrNaI。 答案(1) (3) 3.分析下列物质的物理性质,判断其晶体类型。 (1)碳化铝,黄色晶体,熔点 2200,熔融态不导电:。 (2)五氟化矾,无色晶体,熔点 19.5,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等:。 (3)溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中都能导电:。 (4)硼,熔点 2300,沸点 2550,硬度大:。 (5)硒,熔点 217,沸点 685,溶于氯仿:。 (6)锑,熔点 630.74,沸点 1750,导电:。 答案(1)原子晶体(2)分子晶体(3)离子晶体(4
11、)原子晶体(5)分子晶体(6)金属晶体 考点一考点一晶体及其类型、结构与性质晶体及其类型、结构与性质 题组一晶体类型的判断 1.现有下列物质:NaCl、NaOH、Na2S、H2O2、Na2S2、(NH4)2S、CO2、CCl4、C2H2、SiO2、SiC、晶体 硅、金刚石、晶体氩。 (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非极性分子是。 (6)其中含有极性共价键和非极性共价键的非极性分子是。 (7)其
12、中含有极性共价键和非极性共价键的极性分子是。 (8)其中含有极性共价键的原子晶体是。 (9)其中不含共价键的分子晶体是,只含非极性键的原子晶体是。 答案(1)NaCl、Na2S(2)NaOH、(NH4)2S(3)(NH4)2S(4)Na2S2(5)CO2、CCl4、C2H2(6)C2H2 (7)H2O2(8)SiO2、SiC(9)晶体氩晶体硅、金刚石 2.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,结果如下表所示: 熔点/硬度水溶性导电性水溶液与 Ag +反应 A811较大易溶水溶液或熔融态导电白色沉淀 B3500很大不溶不导电不反
13、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。 答案(1)NaClCHCl (2)离子晶体原子晶体分子晶体 (3)离子键共价键范德华力 解析根据晶体的性质可知,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,且易溶于水,只能为 HCl,微粒 间的作用力为范德华力。 题组二典型晶体模型的结构分析 3.判断下列物质的晶胞结构,将对应序号填在线上。 (1)干冰晶体; (2)氯化钠晶体; (3)金
14、刚石; (4)钠; (5)冰晶体; (6)铜晶体。 答案(1)(2)(3)(4)(5)(6) 4.(1)在金刚石晶体中最小碳环含有个 C 原子;每个 C 原子被个最小碳环共用。 (2)在干冰晶体中粒子间作用力有。 (3)含 1molH2O 的冰中形成氢键的数目为(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 (4)在 NaCl 晶体中,每个 Na +周围有 个距离最近且相等的 Na +,每个 Na+周围有 个距离最近且相等的 Cl -,其空间构型为 。 (5)在 CaF2晶体中,每个 Ca 2+周围距离最近且等距离的 F-有 个;每个 F -周围距离最近且等 距离的 Ca 2+有 个。 答案(1)612(2
15、)共价键、范德华力(3)2NA(4)126正八面体形(5)84 题组三晶体熔、沸点的比较 5.(1)Al2O3、SiC、Si、金刚石中属于原子晶体的有,其熔点高低的顺序为,理由是。 (2)干冰、冰二者的熔点较高的是,其理由是。 (3)CS2熔、沸点高于 CO2的理由是。 (4)BN、MgBr2、SiCl4的熔点高低的顺序为。 答案(1)SiC、Si、金刚石金刚石SiCSiCC 键、CSi 键、SiSi 键的键长依次增大, 键能依次减小,熔点依次降低 (2)冰冰晶体中分子间存在氢键 (3)CS2和 CO2均为分子晶体,CS2的相对分子质量大,分子间作用力大,因此 CS2熔、沸点高于 CO2 (4
16、)BNMgBr2SiCl4 名师总结 晶体熔、沸点高低的比较方法 1.不同类型晶体熔、沸点的比较 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.同种类型晶体熔、沸点的比较 (1)原子晶体 。 (2)离子晶体 a.一般来说,阴、阳离子所带的电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用力越强,其晶体 的熔、沸点越高。 b.晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,熔点越高。 (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、沸点反常得高。 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。 c.组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近),其分
17、子的极性越大,熔、沸点越高, 如 CON2。 d.同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。 (4)金属晶体 金属离子半径越小,离子所带电荷数越多,其金属键越强,金属晶体的熔、沸点越高。 考点二考点二晶胞及其相关计算晶胞及其相关计算 题组一“均摊法”在长方体晶胞计算中的应用 1.下列是几种常见的晶胞结构,填写晶胞中含有的粒子数。 A.NaCl(含个 Na +, 个 Cl -) B.干冰(含个 CO2) C.CaF2(含个 Ca 2+, 个 F -) D.金刚石(含个 C) E.体心立方(含个原子) F.面心立方(含个原子) 答案A.44B.4C.48D.8E.2F.4 2.(1)Zn 与 S 形成的
18、化合物晶体的晶胞如图 a 所示。 图 a 在 1 个晶胞中,Zn 2+的数目为 。 该化合物的化学式为。 (2)利用“卤化硼法”可合成含 B 和 N 两种元素的功能陶瓷,图 b 为其晶胞结构示意图,则每个 晶胞中含有 B 原子的个数为,该功能陶瓷的化学式为。 图 b 答案(1)4ZnS(2)2BN 解析(1)由题图可知 1 个晶胞中含有 Zn 2+的数目为 81 8+6 1 2=4,S 2-数目为 4,所以化合物中 Zn2+ 与 S 2-数目之比为 11,则化学式为 ZnS。(2)根据题给晶胞,可以判断大球代表 B 原子,则晶胞中 B 原子个数为 81 8+1=2,N 原子个数为 4 1 4+
19、1=2,则化学式为 BN。 题组二“均摊法”在非长方体晶胞计算中的应用 3.某晶体的一部分如图所示,这种晶体中 A、B、C 三种粒子数之比是 () A.394B.142C.294D.384 答案B题图晶胞中,含 A 粒子个数为 6 1 12= 1 2,含 B 粒子个数为 6 1 4+3 1 6=2,含 C 粒子个数为 1,N(A)N(B)N(C)=1 221=142。 4.石墨晶体是层状结构,在每一层内,每个碳原子都跟其他 3 个碳原子相结合。据图分析,石墨 晶体中碳原子数与共价键数之比为() A.23B.21C.13D.32 答案A每个碳原子被 3 个六边形共用,每个共价键被 2 个六边形共
20、用,则石墨晶体中碳原子 数与共价键数之比为 6 1 3 6 1 2 =23。 题组三利用晶胞进行相关物理量的计算 5.(1)碳的一种单质 C60可以与钾形成低温超导化合物,晶体结构如图所示。K 原子位于立方体的 棱上和立方体的内部,此化合物的化学式为;其晶胞参数为 1.4nm,设NA为阿伏加德 罗常数的值,晶体密度为gcm -3(保留两位有效数字)。 (2)铝单质为面心立方晶体,其晶胞参数a=0.405nm,设NA为阿伏加德罗常数的值,晶胞中铝原子 的配位数为。 列式表示铝单质的密度:gcm -3(不必计算出结果)。 (3)某离子晶体晶胞的结构如图所示。X( )位于立方体顶点,Y( )位于立方
21、体中心。设该晶体的 摩尔质量为Mgmol -1,晶体的密度为gcm-3,设 NA为阿伏加德罗常数的值,则晶体中两个距离 最近的 X 之间的距离为cm。 (4)用晶体的 X-射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果:晶胞为面 心立方最密堆积,边长为 361pm。又知铜的密度为 9.00gcm -3,则铜晶胞的体积是 cm 3,晶胞的质量是 g,阿伏加德罗常数为 列式计算,已知Ar(Cu)=63.6。 (5)B、E 两种元素形成的某种化合物的晶胞结构如图(白色球代表 B 原子)。已知 B、E 的原子半 径分别为apm、bpm。在该晶胞中,B 原子的配位数为。该晶胞的空间利用率
22、为。 答案(1)K3C602.0 (2)12 427 6.021023(0.40510-7)3 (3) 2 3t 2?A (4)4.7010 -23 4.2310 -22 NA= 63.6gmol-1 1 44.2310 -22g6.0110 23mol-1 (5)6 (?3+3?3) 6(?+?)3 100% 解析(1)根据晶胞的结构,C60位于顶点和面心,个数为 81 8+6 1 2=4,K 位于棱上和内部,个数为 121 4+9=12,因此化学式为 K3C60,晶胞的质量为 4837 ?A g,晶胞的体积为(1.410 -7)3cm3,根据密度的 定义,计算可得晶胞的密度约为 2.0gc
23、m -3。 (2)面心立方晶胞中,铝原子的配位数为 12;晶胞中 Al 原子数为 81 8+6 1 2=4,铝单质的密度 =? ?= 4 ?A27gmol -1 (0.40510-7cm)3= 427 6.021023(0.40510-7)3gcm -3。 (3)由题意知,该晶胞中含有1 2个 XY2或 Y2X,设晶胞的边长为 acm,则有a 3N A= 1 2M,a= 3t 2?A,则晶体 中两个距离最近的 X 之间的距离为 2 3t 2?Acm。 (5)设晶胞边长为L,L=2(a+b)pm。该晶胞的空间利用率= 4 3? 3+4 3? 33 (2?+2?)3 100%=(? 3+3?3)
24、6(?+?)3 100%。 名师总结 晶体结构的相关计算 (1)空间利用率=晶胞含有的微粒体积 晶胞体积 100%。 (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) a.面对角线长= 2a; b.体对角线长= 3a; c.体心立方堆积 4r= 3a(r为原子半径); d.面心立方堆积 4r= 2a(r为原子半径)。 1.(1)(2020 课标)钙钛矿(CaTiO3)型化合物是一类可用于生产太阳能电池、传感器、固体电 阻器等的功能材料,一种立方钙钛矿结构的金属卤化物光电材料的组成为 Pb 2+、I-和有机碱离子 CH3NH3 +,其晶胞如图(b)所示。其中 Pb2+与图(a
25、)中 的空间位置相同,有机碱 CH3NH3 +中,N 原子的杂化轨道类型是;若晶胞参数为anm,则晶体密度为gcm -3(列 出计算式)。 (2)(2020 课标)氨硼烷(NH3BH3)含氢量高、热稳定性好,是一种具有潜力的固体储氢材料。研 究发现,氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为apm、bpm、 cpm,=90。氨硼烷的 222 超晶胞结构如图所示。 氨硼烷晶体的密度=gcm -3(列出计算式,设 NA为阿伏加德罗常数的值)。 (3)(2020 天津)Fe、Co、Ni 是三种重要的金属元素。CoO 的面心立方晶胞如图所示。设阿伏加 德罗常数的值为NA,则 CoO 晶体的密
26、度为gcm -3;三种元素二价氧化物的晶胞类型相同, 其熔点由高到低的顺序为。 (4)(2020 山东)CdSnAs2是一种高迁移率的新型热电材料,以晶胞参数为单位长度建立的坐标系 可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子的分数坐标。四方晶系 CdSnAs2的晶胞结构如下图所示, 晶胞棱边夹角均为 90,晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。 坐标 原子 xyz Cd000 Sn000.5 As0.250.250.125 一个晶胞中有个 Sn,找出距离 Cd(0,0,0)最近的 Sn(用分 数坐标表示)。CdSnAs2晶体中与单个 Sn 键合的 As 有个。 答案(1)Ti 4+ sp 3 620
27、?3?A10 21 (2) 62 ?A?10-30 (3)310 23 ?A?3 NiOCoOFeO (4)4(0.5,0,0.25)、(0.5,0.5,0)4 解析(1)距离 Pb 2+最近的是处于面心的 I-,Pb2+的配位数为 6,题图(a)中 Ti4+的配位数也为 6,其 与题图(b)中 Pb 2+的空间位置相同;CH 3NH3 +中,氮原子形成 4 个单键,其中有 1 个是配位键,N 原子 采取 sp 3杂化;根据均摊法,1 个晶胞中含有 I-的个数为 61 2=3,CH3NH3 +的个数为 81 8=1,Pb 2+的个 数为 1,化学式为 PbCH3NH3I3,摩尔质量为 620g
28、mol -1,一个晶胞的质量为620 ?A g,体积为(a 10 -7)3cm3,则晶体密度为620 ?3?A10 21gcm-3。 (2)根据氨硼烷的 222 超晶胞结构图可知,每个晶胞含有 16 个 NH3BH3分子,则 1 个晶胞的质 量为16t ?A =16(17+14) ?A g,1 个晶胞的体积为 2a10 -102b10-102c10-10cm3=8abc10-30cm3,故晶 体密度=? ?= 62 ?A?10-30gcm -3。 (3)一个 CoO 晶胞占有的 Co 2+数为 121 4+1=4,占有的 O 2-数为 81 8+6 1 2=4,故一个晶胞的质量为 475 ?A
29、 g,体积为a 310-21cm3,则晶体密度为 475 ?A?310-21gcm -3=31023 ?A?3gcm -3;由于 FeO、CoO、NiO 的 晶胞类型相同,而离子半径:Fe 2+Co2+Ni2+,则晶格能:NiOCoOFeO,故熔点:NiOCoOFeO。 (4)由题给 CdSnAs2晶胞结构和部分原子的分数坐标可知,黑球表示 Cd 原子,白球表示 Sn 原子, 灰球表示 As 原子,根据均摊法可知一个晶胞中含有的 Sn 原子个数为 41 4+6 1 2=4;距离顶点 Cd(0,0,0)最近的 Sn 原子为面心上的两个 Sn 原子,则底面 Sn 原子分数坐标为(0.5,0.5,0
30、),侧 面 Sn 原子分数坐标为(0.5,0,0.25);底面 Sn 原子被两个晶胞共用,根据底面 Sn 原子分析可知, 与单个 Sn 原子键合的 As 原子个数为 22=4。 2.(2019 课标,35 节选)(3)一些氧化物的熔点如下表所示: 氧化物Li2OMgOP4O6SO2 熔点/1570280023.8-75.5 解释表中氧化物之间熔点差异的原因。 (4)图(a)是 MgCu2的拉维斯结构,Mg 以金刚石方式堆积,八面体空隙和半数的四面体空隙中,填 入以四面体方式排列的 Cu。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见,Cu 原子之间最短距 离x=pm,Mg 原子之间最短距离y=pm
31、。设阿伏加德罗常数的值为NA,则 MgCu2的密 度是gcm -3(列出计算表达式)。 答案(3)Li2O、MgO 为离子晶体,P4O6、SO2为分子晶体。晶格能 MgOLi2O。分子间力(分子 量)P4O6SO2 (4) 2 4 a 3 4 a 824+1664 ?A?310-30 解析(3)一般来说,晶体熔点:原子晶体离子晶体分子晶体。Li2O、MgO 均为离子晶体,晶格 能:Li2OLi2O;P4O6、SO2均为分子晶体,相对分子质量:P4O6SO2,则分子间作用 力:P4O6SO2,故熔点:P4O6SO2。 (4)由题图(b)可知,x等于立方体面对角线长度的1 4,即 4x= 2apm
32、,则 x= 2 4 apm;据题图(a)、(b)分 析可知,y等于立方体体对角线长度的1 4,即 4y= 3apm,则 y= 3 4 apm;据题图(a)可知,该晶胞占用 Cu 原子数目为 44=16,据 MgCu2可知,Mg 原子数目为 8,一个晶胞的体积为(a10 -10)3cm3,质量 为6416+248 ?A g,则 MgCu2的密度为 824+1664 ?A?310-30gcm -3。 3.(2019 课标,35 节选)一种四方结构的超导化合物的晶胞如图 1 所示。晶胞中 Sm 和 As 原子 的投影位置如图 2 所示。 图中 F -和 O2-共同占据晶胞的上下底面位置,若两者的比例
33、依次用 x和 1-x代表,则该化合物的化 学式表示为; 通过测定密度和晶胞参数,可以计算该物质的x值,完成它们关系表达式:= gcm -3。 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子分数坐标,例如图 1 中原子 1 的坐标为(1 2, 1 2, 1 2),则原子 2 和 3 的坐标分别为 、。 答案SmFeAsO1-xFx 2281+16(1-?)+19? ?2?A10-30 (1 2, 1 2,0) (0,0,1 2) 解析根据原子在长方体晶胞中位置可知,晶胞中 As、Fe、Sm 各有两个原子,F 和 O 的原子数之 和为 2,则该化合物的化学式为 SmFeAsO
34、1-xFx。每个晶胞中有两个“分子”,每个晶胞质量为 2281+16(1-?)+19? ?A g;该晶胞为长方体,其体积为a 2c10-30cm3,则=2281+16(1-?)+19? ?2?A10-30 gcm -3。根 据坐标系和原子 1 的坐标可知,底面左后方的 O 或 F 原子为坐标系原点,其坐标是(0,0,0),则原 子 2 的坐标为(1 2, 1 2,0),原子 3 的坐标为(0,0, 1 2)。 4.(1)(2018 课标)Li2O 具有反萤石结构,晶胞如图所示。已知晶胞参数为 0.4665nm,阿伏加德 罗常数的值为NA,则 Li2O 的密度为gcm -3(列出计算式)。 (2
35、)(2018 课标)FeS2晶体的晶胞如图所示。晶胞边长为anm、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S 2 2-所形成的正 八面体的体心,该正八面体的边长为nm。 (3)(2018 课标)金属 Zn 晶体中的原子堆积方式如图所示,这种堆积方式称为。 六棱柱底边边长为acm,高为ccm,阿伏加德罗常数的值为NA,Zn 的密度为gcm - 3(列出计算式)。 答案(1) 87+416 ?A(0.466510-7)3 (2) 4t ?A?310 21 2 2 a(3)六方最密堆积(A3型) 656 ?A6 3 4 ?2? 解析
36、(1)1 个 Li2O 晶胞中有 8 个 Li +,O2-处于顶点和面心,O2-的个数为 81 8+6 1 2=4,故 Li2O 的密 度=? ?= 87+416 ?A(0.466510-7)3gcm -3。(2)由题图(c)可知,晶胞中 Fe2+为 121 4+1=4 个, S2 2-为 81 8+6 1 2=4 个,一个晶胞中有 4 个 FeS2,晶胞的体积为(a10 -7)3cm3,则晶体密度的计算表达式 为 t ?A4 (?10-7)3gcm -3=4t ?A?310 21gcm-3;正八面体的边长= (? 2 )2+ ( ? 2 )2nm= 2 2 anm。(3)由金属 Zn 晶 体
37、中的原子堆积方式图可知,其堆积方式为六方最密堆积;六棱柱底边边长为acm,则六棱柱底面 积为(61 2a 3 2 a)cm 2=3 3 2 a 2cm2,体积为3 3 2 a 2ccm3;根据均摊法知,一个六棱柱中含有 Zn 原子数目 为 121 6+2 1 2+3=6,所以 Zn 的密度= t ?A? ? = 65 ?A6 3 3 2 ?2?gcm -3=260 3 3?2?Agcm -3。 A A 组组基础达标基础达标 1.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
38、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)32(2)124 解析(1)由题中石墨烯和金刚石的晶体结构图示可得,在石墨烯晶体中,每个 C 原子连接 3 个 六元环,每个六元环由 6 个 C 原子构成,每个六元环所占有的 C 原子数为 61 3=2。(2)在金刚石 晶体中,每个 C 原子与其他 4 个 C 原子相连,每个 C 原子连接的六元环个数应为 12,而每一个碳 原子与其他 4 个 C 原子形成的 4 个共价键的键角均为 10928,形成正四面体,由此可得在金刚 石晶体的六元环中最多有 4 个 C 原子共面。 2.某镍白铜合金
39、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dgcm -3,晶胞参数 a=nm。 答案(1)31(2) 3 251 602? 解析(1)1 个晶胞中 Cu 原子数为1 26=3,Ni 原子数为 1 88=1,两者数量比为 31。(2)由题意 可得:dgcm -3=(364+59)gmol-1 (?10-7)3?A ,解得a= 3 251 602?nm。 3.(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nm, 与
40、 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。 答案(1)0.31512 (2)体心棱心 解析(1)K 与 O 间的最短距离是面对角线的1 2,即 1 2 2anm= 2 2 0.446nm0.315nm。 (2)以 I 为顶角画立方体,可以看出 K 处于体心位置,O 处于棱心位置。 4.锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。 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(1 2,0, 1 2);C
41、 为( 1 2, 1 2,0)。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 gcm -3(列出计算式即可)。 答案(1)(1 4, 1 4, 1 4) (2) 8 73 6.021023 (565.7610-10)3 解析(2)晶胞参数a即晶胞边长,=? ?= 8 73 6.021023 (565.7610-10)3gcm -3。 5.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
42、 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。 图 1FexNy晶胞结构示意图 图 2转化过程的能量变化 答案Fe3CuN 解析由题图 2 可知 Cu 替代 a 位置 Fe 型产物更稳定,利用“均摊法”可得 1 个晶胞中各原子 个数,Cu:81 8=1,Fe:6 1 2=3,N:1,故化学式为 Fe3CuN。 6.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(O 2-)为 nm。MnO 也属于 NaCl 型结构,晶胞参数为 a=0.448nm,则r(Mn 2+)
43、为 nm。 答案0.1480.076 解析由晶胞结构可知r(O 2-)=2 4 a0.148nm,r(Mn 2+)=?-2?(O2-) 2 =0.076nm。 7.砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料,可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。GaAs 的 熔点为 1238,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MGagmol -1和 MAsgmol -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。 答案原子晶体共价 410-30?A?(
44、?Ga 3 +?As 3 ) 3(tGa+tAs) 100% 解析GaAs 为原子晶体,Ga 和 As 之间以共价键键合。1 个 GaAs 晶胞中所含原子个数:Ga 为 4,As 为 81 8+6 1 2=4,每个晶胞中原子所占体积为 4 3(?Ga 3 +?As 3 )4pm 3;则 GaAs 晶胞中原子的体 积占晶胞体积的百分率为 4 3(?Ga 3 +?As 3 )410-30 4(tGa+tAs) ?A 100%= 410-30?A?(?Ga 3 +?As 3 ) 3(tGa+tAs) 100%。 B B 组组综合提升综合提升 8.铁镁合金是目前已发现的储氢密度较高的储氢材料之一,其晶
45、胞结构如图所示(黑球代表 Fe, 白球代表 Mg),铁镁合金的化学式为;若该晶胞为正方体,棱长为acm,则镁原子与铁 原子间的最短距离为cm,晶胞的密度为gcm -3(设 NA为阿伏加德罗常数的 值)。 答案Mg2Fe 3? 4 416 ?3?A 解析通过分析晶胞结构,利用“均摊法”计算铁镁合金的晶胞中含有铁原子个数为 =81 8+6 1 2=4,镁原子个数为 8,所以化学式为 Mg2Fe;经过分析可知,Mg 和 Fe 的最近距离为晶胞 体对角线的1 4,即 3? 4 cm;晶胞的密度晶胞= ?晶胞 ?晶胞= 416 ?3?Agcm -3。 9.硒(Se)是一种非金属元素。可以用作光敏材料,电
46、解锰行业的催化剂,是动物体必需的营养元 素和对植物有益的营养元素。请回答下列问题: (1)Se 元素基态原子的电子排布式为;第四周期中第一电离能比 Se 元素大 的共有种(氪元素除外)。 (2)气态 SeO3分子的 VSEPR 模型为;SeO4 2-中 Se 原子的杂化方式为 。 (3)固态 SeO2是以SeO3角锥体以角相连接的展平的聚合结构,每一锥体带有一悬垂的终端 O 原 子(如图 1 所示)。 图 1 图 2 图 1 中 SeO 键键长较短的是(填“a”或“b”),其原因是。 SeO2熔点为 350,固态 SeO2属于晶体,其熔点远高于 SO2(-75.5)的原因 是。 (4)硒化锌(
47、ZnSe)是一种重要的半导体材料,其晶胞结构如图 2 所示,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 ZnSe 的晶胞参数a=0.560nm,则 Se 2-的离子半径 r(Se 2-)= nm(计算结果保留 3 位有效数字,下同);硒化锌晶体的密度为gcm -3。 答案(1)1s 22s22p63s23p63d104s24p4 2 (2)平面三角形sp 3 (3)bb 中含有键,电子云重叠程度更大,使得键长缩短 分子SeO2形成聚合分子,相对分子质量远比 SO2大,熔化时需要破坏的分子间作用力更大 (4)0.1985.45 解析(1)Se 是 34 号元素,其基态原子的电子排
48、布式为 1s 22s22p63s23p63d104s24p4;第四周期中第 一电离能比 Se 元素大的有 As、Br、Kr,则除 Kr 外还有 2 种。(2)SeO3分子中 Se 的价电子对数 为 3+1 2(6-32)=3,故 SeO3的 VSEPR 模型为平面三角形;SeO4 2-中 Se 原子采用 sp3杂化。(3)b 中含有键,电子云重叠程度更大,使得键长缩短,故键长较短的是 b。SeO2熔点较低,属于分 子晶体;SeO2形成聚合分子,相对分子质量远比 SO2大,故熔化时需破坏的分子间作用力更大。(4) 由题图可知 4 倍的r(Se 2-)等于面对角线的长度,故 r(Se 2-)=2
49、4 a0.198nm;由“均摊法”可知一 个晶胞中有 4 个 Zn 2+,4 个 Se2-,故= 65+79 6.0210234 (0.56010-7)3gcm -35.45gcm-3。 10.(2020 山西太原一模)科学家研究发现:硫化态的钴、钼、硫相互作用相(所谓“CoMoS”相) 和噻吩(分子式为 C4H4S)的加氢脱硫反应(C4H4S+4H2C4H10+H2S)活性有线性关系。请回答下列 有关问题: (1)基态钴原子的外围电子排布图为。 (2)常温下,噻吩是一种无色、有恶臭、能催泪的液体,天然存在于石油中。 1mol 噻吩()中含有的键数目为(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 在组成噻
50、吩的三种元素中,电负性最小的是(填元素符号,下同);与 S 位于同一周期的 非金属元素第一电离能的大小顺序为。 (3)已知沸点:H2OH2SeH2S,其原因为。 (4)H2S 在空气中燃烧可生成 SO2,SO2催化氧化后得到 SO3。 写出与 SO2互为等电子体的分子和离子:、(各一种)。 气态 SO3以单分子形式存在,其分子的立体构型为。 (5)Na2S 的晶胞结构如图所示,则黑球代表的离子是。已知 Na +的半径为 0.102nm,S2-的 半径为 0.184nm,根据硬球接触模型,则 Na2S 的晶胞参数a=nm(列出计算 式即可)。 答案(1)(2)9NAHClPSSi(3)水分子间存
