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2022届高考化学一轮复习讲义学案第5章 课题19 晶体结构与性质
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这是一份2022届高考化学一轮复习讲义学案第5章 课题19 晶体结构与性质，共21页。学案主要包含了晶体与非晶体，晶体的组成与性质，非选择题等内容，欢迎下载使用。
课题19 晶体结构与性质
学习任务1 晶体常识与晶体的组成和性质
一、晶体与非晶体
1．晶体与非晶体的比较
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
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.得到晶体的途径
(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。
3．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
无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。
并置：所有晶胞都是平行排列、取向相同。
二、晶体的组成与性质
(一)四种类型的晶体
1．分子晶体
分子间通过分子间作用力结合形成的晶体，此类晶体熔、沸点低，硬度小。
2．共价晶体
原子通过共价键相互结合形成的晶体，整块晶体是一个三维的共价键网状(立体网状)结构；其物理性质的突出特点是高硬度、高熔点、高沸点。
3．离子晶体
(1)阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体，此类晶体的熔、沸点较高。
(2)配位数：指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目，晶体阴离子、阳离子的配位数之比等于组成中的阴离子与阳离子数目的反比。
4．金属晶体
(1)含义：金属原子通过金属键形成的晶体，金属单质形成的晶体就是金属晶体。
(2)金属键的形成：晶体中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，从而把所有的金属原子维系在一起；金属键无饱和性、方向性。
(3)金属晶体的物理性质及解释
(二)四种晶体类型的比较
晶体类型
共价晶体
离子晶体
分子晶体
金属晶体
构成粒子
原子
阴、阳离子
分子
金属阳离子、
自由电子
粒子间
作用力
共价键
离子键
范德华力(某些物质还有氢键)
金属键
熔、沸点
很高
较高
较低
有的很高
有的很低
硬度
很大
较硬而脆
较小
有的很高
有的很低
导电性
不导电或半导体
晶体不导电、溶于水或熔化后可导电
一般不导电，部分晶体溶于水可导电
导电
溶解性
一般难溶于任何溶剂
许多可溶于水
相似相溶
—
物理变化时键的变化
部分断裂或形成
只破坏分子间作用力
部分断裂或形成
物质类别
或举例
金刚石、晶体硅、SiO2、SiC
强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐
大多数非金属单质、非金属氢化物、酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物(有机盐除外)
金属单质与合金
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1.42×10－10 m，比金刚石中碳碳共价键的键长(1.54×10－10 m)短，所以熔、沸点高于金刚石。
(三)晶体熔、沸点的比较
1．不同类型晶体熔、沸点的比较
(1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：共价晶体>离子晶体>分子晶体。
(2)金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低。
2．同种类型晶体熔、沸点的比较
(1)共价晶体
原子半径越小，键长越短，键能越大，熔、沸点越高，如金刚石>碳化硅>硅。
(2)离子晶体
一般来说，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，其离子晶体的熔、沸点就越高，如MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。
(3)分子晶体
①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，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。
②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，如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
③组成和结构不相似的物质(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同分异构体支链越多，熔、沸点越低，如
CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>。
(4)金属晶体
金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点越高，如Na
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)冰和碘晶体中相互作用力完全相同。( )
(2)晶体内部的微粒按一定规律周期性排列。( )
(3)凡有规则外形的固体一定是晶体。( )
(4)固体SiO2一定是晶体。( )
(5)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。( )
(6)晶胞是晶体中最小的“平行六面体”。( )
(7)区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验。( )
(8)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。( )
(9)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。( )
(10)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高。( )
(11)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。( )
(12)离子晶体一定都含有金属元素。( )
(13)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。( )
(14)共价晶体的熔点一定比离子晶体的高。( )
答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)√ (9)× (10)× (11)× (12)× (13)√ (14)×
2．(教材改编题)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共价晶体是_________________________________。
(9)其中不含共价键的分子晶体是______________________，只含非极性共价键的共价晶体是______________________________________________________________。
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
晶体类型与性质的综合判断
宏观辨识与微观探析
1．(2020·乌鲁木齐模拟)下面的排序不正确的是( )
A．熔点由高到低：Na>Mg>Al
B．硬度由大到小：金刚石>碳化硅>晶体硅
C．晶体熔点由低到高：CF4
解析：选A。A项，金属离子的电荷数越多、半径越小，金属键越强，熔点越高，则熔点由高到低为Al>Mg>Na，错误；B项，原子半径越小，键长越短，共价键越强，硬度越大，键长C—C碳化硅>晶体硅，正确；C项，组成和结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力越大，晶体的熔点越高，则晶体熔点由低到高为CF4NaCl>NaBr>NaI，正确。
2．(2020·喀什模拟)现有几组物质的熔点(℃)数据：
A组
B组
C组
D组
金刚石：3 550
Li：181
HF：－83
NaCl：801
硅晶体：1 410
Na：98
HCl：－115
KCl：776
硼晶体：2 300
K：64
HBr：－89
RbCl：718
二氧化硅：1 723
Rb：39
HI：－51
CsCl：645
据此回答下列问题：
(1)A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是____________。
(2)B组晶体共同的物理性质是________(填序号)。
①有金属光泽 ②导电性 ③导热性 ④延展性
(3)C组中HF熔点反常是由于______________________________________________。
(4)D组晶体可能具有的性质是________(填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电
③固体能导电 ④熔融状态能导电
解析：(1)根据表中数据可看出A组熔点很高，属于共价晶体，是由原子通过共价键形成的；
(2)B组为金属晶体，具有①②③④四条共性；
(3)HF分子间能形成氢键，故其熔点反常；
(4)D组属于离子晶体，具有②④两条性质。
答案：(1)共价 共价键 (2)①②③④
(3)HF分子间能形成氢键，其熔化时需要消耗的能量更多 (4)②④
结构决定性质类简答题突破
宏观辨识与微观探析
3．(2020·北京顺义检测)(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__________________________________________。
(2)NaF的熔点________(填“>”“＝”或“<”)BF的熔点，其原因是________________________________________________________________________。
(3)CO的熔点________(填“>”或“<”)N2的熔点，原因是________________。
(4)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次________(填“增大”或“减小”)，其原因是________________________________________________________________________。
(5)SiO2比CO2熔点高的原因是__________________________________________。
答案：(1)H2O分子间能形成氢键
(2)> 两者均为离子化合物，且阴、阳离子的电荷数均为1，但后者的离子半径较大，离子键较弱，熔点较低
(3)> CO为极性分子而N2为非极性分子，CO分子间范德华力较大
(4)增大 三种物质均为分子晶体，结构与组成相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高
(5)SiO2为共价晶体而CO2为分子晶体
4.ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题：
(1)碳的一种单质的结构如图(a)所示。该单质的晶体类型为________，依据电子云的重叠方式，原子间存在的共价键类型有________，碳原子的杂化轨道类型为________。
(2)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单层碳原子组成的二维晶体。将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。下列判断错误的是______(填字母)。
A．石墨烯是一种强度很高的材料
B．石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体
C．石墨烯与石墨烷均为高分子化合物
D．石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应
(3)四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图(b)所示。
①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是____________________________。
②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律，可推断：依F、Cl、Br、I次序，PbX2中的化学键的离子性______、共价性______。(填“增强”“不变”或“减弱”)
(4)水杨酸第一级电离形成离子，相同温度下，水杨酸的Ka2________(填“>”“＝”或“<”)苯酚()的Ka，其原因是_______________________________。
答案：(1)混合型晶体 σ键、π键 sp2 (2)C (3)①均为分子晶体，结构与组成相似，范德华力随相对分子质量增大而增大 ②减弱 增强 (4)< 中能形成分子内氢键，使其更难电离出H＋
学习任务2 晶体模型与晶胞计算
1．晶体模型
晶体
晶体结构
晶体详解
共价
晶体
金刚石
(1)每个C与相邻的4个C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6个C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)每个正面四体占有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和6个Si
分子
晶体
干冰
(1)每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分子周围等距离且紧邻的CO2分子有12个
冰
每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1 mol H2O的冰中，最多可形成2 mol氢键
离子
晶体
NaCl型
(1)每个Na＋(Cl－)周围等距离且紧邻的Cl－(Na＋)有6个，每个Na＋周围等距离且紧邻的Na＋有12个
(2)每个晶胞中含4个Na＋和4个Cl－
CsCl型
(1)每个Cs＋(Cl－)周围等距离且紧邻的Cs＋(Cl－)有6个；每个Cs＋周围等距离且紧邻的Cl－有8个
(2)每个晶胞中含1个Cs＋和1个Cl－
混合型
晶体
石墨
(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键的键长比金刚石的C—C键的键长短，熔点比金刚石的高
(5)硬度不大、有滑腻感、能导电
2.晶胞计算
(1)晶胞计算是晶体考查的重要知识点之一，也是考查学生分析问题、解决问题能力的较好素材。晶体结构的计算常常涉及如下数据：晶体密度、NA、M、晶体体积、微粒间距离、微粒半径、夹角等，密度的表达式往往是列等式的依据。解决这类题，一是要掌握晶体“均摊法”的原理，二是要有扎实的立体几何知识，三是要熟悉常见晶体的结构特征，并能融会贯通，举一反三。
(2)“均摊法”原理
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．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)1 mol金刚石中含有C—C键为4NA。( )
(2)SiO2、金刚石、硅、MgO熔点都很高，均属于共价晶体。( )
(3)NaCl晶体中，任意一个Na＋与其配位离子均可构成一个八面体。( )
(4)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)√
2．(常见晶体结构模型)填空。
(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)在干冰中粒子间作用力有_________________________________。
(3)含1 mol H2O的冰中形成氢键的数目为________。
(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－，其空间结构为________。
(5)在CaF2晶体中，每个Ca2＋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Ca2＋有________个。
答案：(1)6 12 (2)共价键、范德华力 (3)2NA
(4)12 6 正八面体形 (5)8 4
3．判断下列物质的晶胞结构，将对应序号填在横线上。
(1)干冰晶体________；
(2)氯化钠________；
(3)金刚石________；
(4)碘晶体________；
(5)冰晶体________；
(6)水合铜离子________。
答案：(1)② (2)① (3)④ (4)③ (5)⑥ (6)⑤
晶胞粒子数及晶体化学式的判断
证据推理与模型认知
1．Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如图所示。
(1)在1个晶胞中，Zn2＋的数目为________。
(2)该化合物的化学式为________。
解析：由晶胞图分析，含有Zn2＋的数目为8×＋6×＝4。含有S2－的数目为4，所以化合物中Zn2＋与S2－数目之比为1∶1，则化学式为ZnS。
答案：(1)4 (2)ZnS
2.利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷，如图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________。
解析：利用晶胞结构可计算出每个晶胞中含有2个B和2个N，故化学式为BN。
答案：2 BN
3．如图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为________。
解析：由题图可知，每个晶胞中含有R：8×＋1＝2；含有G：16×＋4×＋2＝8；含有Q：8×＋2＝4；则R、G、Q的个数之比为1∶4∶2，则其化学式为RQ2G4。由于R为＋2价，G为－2价，所以Q为＋3价。
答案：＋3价
4．下图为离子晶体立体构型示意图，以M代表阳离子，以N表示阴离子(阳离子，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)，M∶N＝∶＝1∶3；在C中，含M：×4＝(个)，含N为1个，M∶N＝∶1＝1∶2。
答案：MN MN3 MN2
晶体密度与粒子间距的计算
证据推理与模型认知
5.如图为Na2S的晶胞，设晶体密度是ρ g·cm－3，则Na＋与S2－的最短距离为______cm(NA表示阿伏加德罗常数的值，只写出计算式)。
解析：晶胞中，个数为8×＋6×＝4，个数为8，其个数之比为1∶2，所以代表S2－，代表Na＋。
设晶胞边长为a cm，则a3·ρ＝，解得a＝；体对角线为× cm，所以其最短距离为体对角线的，即 cm。
答案：
6. [2018·高考全国卷Ⅰ，35(5)]Li2O具有反萤石结构，晶胞如图所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm，阿伏加德罗常数的值为NA，则Li2O的密度为__________________ g·cm－3(列出计算式)。
解析：1个氧化锂晶胞含O的个数为8×＋6×＝4，含Li的个数为8，1 cm＝107 nm，代入密度公式计算可得Li2O的密度为 g·cm－3。
答案：
晶体结构的相关计算
(1)
(2)晶体密度的计算公式：ρ＝，其中N为1个晶胞中所含微粒数目，M为摩尔质量，NA为阿伏加德罗常数的值，V为1个晶胞的体积。
(3)晶胞质量＝晶胞含有的微粒的质量＝晶胞含有的微粒数×。
(4)空间利用率＝×100%。
1．(晶体类型的判断)(1)[2019·高考全国卷Ⅲ，35(3)]苯胺()的晶体类型是________________。
(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253 K，沸点为376 K，其固体属于________晶体。
(3)[2015·高考全国卷Ⅱ，37(2)改编]氧和钠的氢化物所属的晶体类型分别为________和________。
答案：(1)分子晶体 (2)分子 (3)分子晶体 离子晶体
2．(晶体微粒间作用力)(1)[2018·高考全国卷Ⅲ，35(3)]ZnF2具有较高的熔点(872 ℃)，其化学键类型是___________________________。
(2)[2016·高考全国卷Ⅱ，37(3)]单质铜及镍都是由________键形成的晶体。
答案：(1)离子键
(2)金属
3．(晶体熔、沸点高低的比较)(1)[2017·高考全国卷Ⅰ，35(2)]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·高考全国卷Ⅲ，37(4)]GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是______________________________________________________________________。
答案：(1)K原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱
(2)GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体
4．(晶胞中微粒数及密度的计算)(1)(2019·高考江苏卷)一个Cu2O晶胞(如图所示)中，Cu原子的数目为______。
(2)(2018·高考全国卷Ⅱ)FeS2晶体的晶胞如图所示。晶胞边长为a nm，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________g·cm－3；晶胞中Fe2＋位于S所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为________nm。
(3)[2017·高考全国卷Ⅰ，35(4)(5)]①KIO3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＝0.446 nm，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。
解析：(2)该晶胞中Fe2＋位于棱上和体心，个数为12×＋1＝4，S位于顶点和面心，个数为8×＋6×＝4，故晶体密度为 g÷(a×10－7 cm)3＝×1021 g·cm－3。根据晶胞结构可知，S所形成的正八面体的边长为该晶胞中相邻面的面心之间的连线之长，即为晶胞边长的，故该正八面体的边长为a nm。
(3)①根据晶胞结构可知，K与O间的最短距离为面对角线的一半，即nm≈0.315 nm。与K紧邻的O的个数有12个。
答案：(1)4 (2)×1021 a
(3)①0.315(或×0.446) 12 ②体心 棱心
一、选择题：每小题只有一个选项符合题意。
1．下表所列物质晶体的类型全部正确的一组是( )
选项
共价晶体
离子晶体
分子晶体
A
氮化硅
磷酸
单质硫
B
单晶硅
氯化铝
白磷
C
金刚石
烧碱
冰
D
铁
尿素
冰醋酸
解析：选C。A项，磷酸属于分子晶体；B项，氯化铝属于分子晶体；D项，铁属于金属晶体，尿素属于分子晶体。
2．据某科学杂志报道，国外有一研究发现了一种新的球形分子，它的分子式为C60Si60，其分子结构好似中国传统工艺品“镂雕”，经测定其中包含C60，也有Si60结构。下列叙述正确的是( )
A．该物质有很高的熔点、很大的硬度
B．该物质形成的晶体属于分子晶体
C．该物质分子中Si60被包裹在C60里面
D．该物质的相对分子质量为1 200
解析：选B。由分子式及信息可知，该物质为分子晶体，A错误，B正确；Si的原子半径大于C，所以Si60的体积大于C60的体积，C错误；相对分子质量为(12＋28)×60＝2 400，D错误。
3．(2020·郑州联考)萤石(CaF2)是一种难溶于水的固体。下列实验事实能说明CaF2一定是离子晶体的是( )
A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱
B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大
C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电
D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
解析：选C。难溶于水，其水溶液的导电性极弱，不能说明CaF2一定是离子晶体；熔、沸点较高，硬度较大，也可能是共价晶体的性质，不能说明CaF2一定是离子晶体；熔融状态下可以导电，一定有自由移动的离子生成，说明CaF2一定是离子晶体；CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小，只能说明CaF2是极性“分子”，不能说明CaF2一定是离子晶体。
4．下列说法正确的是(设NA为阿伏加德罗常数的值)( )
A．124 g P4中含有P—P键的个数为4NA
B．12 g石墨中含有C—C键的个数为1.5NA
C．12 g金刚石中含有C—C键的个数为4NA
D．60 g SiO2中含有Si—O键的个数为2NA
解析：选B。A项，×6NA mol－1＝6NA；B项，×1.5NA mol－1＝1.5NA；C项，×2NA mol－1＝2NA；D项，×4NA mol－1＝4NA。
5．某离子晶体的晶体结构中最小重复单元如图所示，A为阴离子，在正方体内，B为阳离子，分别在顶点和面心，则该晶体的化学式为( )
A．B2A B．BA2
C．B7A4 D．B4A7
解析：选B。根据均摊法，A在正方体内，晶胞中的8个A离子完全被这1个晶胞占用；B分别在顶点和面心，顶点上的离子被1个晶胞占用，面心上的离子被1个晶胞占用，所以1个晶胞实际占用的B离子为8×＋6×＝4，则该晶体的化学式为BA2。
6.二氧化硅有晶体和无定形两种形态，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外，SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似，其结构单元如图。下列有关说法中正确的是( )
A．方英石晶体中存在着SiO4结构单元
B．1 mol Si形成2 mol Si—O键
C．图中所示的结构单元中实际占有18个硅原子
D．方英石晶体中，Si—O键之间的夹角为90°
解析：选A。由方英石结构示意图知方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，A项正确；1 mol Si形成4 mol Si—O键，B项错误；题图所示的结构单元实际占有的硅原子数：8×＋6×＋4＝8个，C项错误；方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，说明Si—O键之间的夹角为109°28′，D项错误。
7．钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。钛酸钡晶体的晶胞结构如图所示，它的化学式是( )
A．BaTi8O12 B．BaTi4O5
C．BaTiO4 D．BaTiO3
解析：选D。仔细观察钛酸钡晶体的晶胞结构示意图可知，Ba2＋在立方体的体心，完全属于该晶胞；Ti4＋处于立方体的8个顶点，每个Ti4＋为与之相连的8个立方体所共用，即每个Ti4＋只有属于该晶胞；O2－处于立方体的12条棱的中点，每条棱为4个立方体共用，即每个O2－只有属于该晶胞，则钛酸钡晶体中Ba2＋、Ti4＋、O2－的个数比为1∶∶＝1∶1∶3。
8.已知CsCl晶体的密度为ρ g·cm－3，NA为阿伏加德罗常数的值，相邻的两个Cs＋的核间距为 a cm，如图所示，则CsCl的相对分子质量可以表示为( )
A．NA·a3·ρ B．
C． D．
解析：选A。每个晶胞中Cs＋为8×＝1个，Cl－为1个，即一个CsCl晶胞中含有一个CsCl微粒，V＝a3，Mr＝ρ·V·NA＝ρ·a3·NA。
二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。
9．下列关于晶体的说法一定正确的是( )
A．分子晶体中都存在共价键
B．如图CaTiO3晶体中每个Ti4＋与12个O2－相邻
C．SiO2晶体中每个硅原子与4个氧原子以共价键相结合
D．金属晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高
解析：选BC。有些单原子的分子晶体中不存在共价键，如稀有气体构成的晶体，A错；由题图可知，CaTiO3晶体中Ti4＋位于顶点而O2－位于面心，所以CaTiO3晶体中每个Ti4＋与12个O2－相邻，B正确；SiO2晶体中每个Si原子与4个O原子以共价键相结合，C正确；有些金属晶体的熔点比分子晶体的熔点低，如汞在常温下为液体，D错。
10．(2020·海口模拟)二茂铁[(C5H5)2Fe]的发现是有机金属化合物研究中具有里程碑意义的事件，它开辟了有机金属化合物研究的新领域。已知二茂铁的熔点是173 ℃(在100 ℃时开始升华)，沸点是249 ℃，不溶于水，易溶于苯、乙醚等非极性溶剂。下列说法不正确的是( )
A．二茂铁属于分子晶体
B．在二茂铁结构中，C5H与Fe2＋之间形成的化学键类型是离子键
C．已知环戊二烯的结构式为，则其中仅有1号碳原子采取sp3杂化
D．C5H中一定含π键
解析：选B。A项，根据二茂铁熔点低、易升华，易溶于苯、乙醚等非极性溶剂可知，二茂铁为分子晶体，正确；B项，C5H提供孤电子对，Fe2＋提供空轨道，二者形成配位键，错误；C项，1号碳原子含有4个σ键，无孤电子对，杂化类型为sp3，2、3、4、5号碳原子有3个σ键，无孤电子对，杂化类型为sp2，因此仅有1号碳原子采取sp3杂化，正确；D项，C5H中碳原子没有达到饱和，存在碳碳双键，成键原子间只能形成一个σ键，另一个键必然形成π键，正确。
11．如图为冰晶体的结构模型，大球代表O原子，小球代表H原子，下列有关说法正确的是( )
A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
B．冰晶体具有空间网状结构，是共价晶体
C．水分子间通过H—O键形成冰晶体
D．冰晶体熔化时，水分子之间的空隙减小
解析：选AD。冰是水分子之间通过氢键结合而成的分子晶体，B、C错误。
12．下图分别代表NaCl、金刚石、干冰、石墨结构的一部分。下列说法正确的是( )
A．NaCl晶体只有在熔融状态下离子键被完全破坏，才能形成自由移动的离子
B．金刚石中存在的化学键只有共价键，不能导电
C．干冰中的化学键只需吸收很少的热量就可以破坏，所以干冰容易升华
D．石墨中碳原子的最外层电子都参与了共价键的形成，故熔点很高、硬度很大
解析：选B。A项，NaCl是离子化合物，在溶于水或熔融状态下离子键均能被完全破坏，错误；B项，金刚石为共价晶体，化学键只有共价键，不能导电，正确；C项，干冰属于分子晶体，干冰升华是物理变化，破坏的是分子间作用力，化学键不变，错误；D项，石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六边形的平面层状结构，而每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子，这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大π键，因而这些π电子可以在整个碳原子平面中运动，类似金属键的性质，石墨为层状结构，层与层之间通过范德华力连接，所以石墨的熔点很高，但硬度较小，错误。
三、非选择题
13．(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是________，SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是________________。
(2)氧化物MO的电子总数与SiC的相等，则M为________(填元素符号)。MO是优良的耐高温材料，其晶体结构与NaCl晶体相似。MO的熔点比CaO高，其原因是________________________________________________________________________。
(3)C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成π键。从原子半径大小的角度分析产生这种差异的原因：____________________________________________。
SiO2为________晶体，CO2为________晶体，所以熔点：CO2________(填“<”“＝”或“>”)SiO2。
(4)金刚石、晶体硅、二氧化硅、CO2四种晶体的构成微粒种类分别是_________，熔化时克服的微粒间的作用力分别是______________________________________________。
解析：(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，晶体硅中一个硅原子与周围四个硅原子相连，呈正四面体结构，所以杂化方式是sp3，则SiC晶体中C原子杂化方式为sp3；因为SiC键的键长小于SiSi键，所以熔、沸点高低顺序为SiC>Si。
(2)SiC的电子总数是20，则该氧化物为MgO；离子键的强弱与离子晶体中离子所带电荷数成正比，与离子半径成反比，MgO与CaO中的离子所带电荷数相同，但Mg2＋半径比Ca2＋小，故MgO的离子键强，熔点高。
(3)Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p-p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成稳定的π键。SiO2为共价晶体，CO2为分子晶体，所以熔点：SiO2>CO2。
(4)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体，构成微粒为原子，熔化时破坏共价键；CO2为分子晶体，由分子构成，以分子间作用力结合。
答案：(1)sp3 共价键 SiC>Si
(2)Mg Mg2＋半径比Ca2＋小，MgO的离子键强
(3)Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，pp轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成稳定的π键 共价 分子 <
(4)原子、原子、原子、分子 共价键、共价键、共价键、分子间作用力
14．硫、钴及其化合物用途非常广泛。回答下列问题：
(1)基态Co原子价电子排布图为________________，第四电离能I4(Co)＜I4(Fe)，其原因是_______________________________________；Co与Ca同周期且最外层电子数相同，单质钴的熔、沸点均比钙大，其原因是________________________________________。
(2)单质硫与熟石灰加热产物之一为CaS3，S的立体构型是________，中心原子杂化方式是________。
(3)K和Na位于同一主族，K2S的熔点为840 ℃，Na2S的熔点为950 ℃，前者熔点较低的原因是_________________________________________________________________。
(4)S与O、Se、Te位于同一主族，它们的氢化物的沸点如图所示，沸点按图像所示变化的原因是_________________________________________________________。
(5)钴的一种化合物晶胞结构如图所示。
①已知A点的原子坐标参数为(0，0，0)，B点的原子坐标参数为，则C点的原子坐标参数为________。
②已知晶胞参数a＝0.548 5 nm，则该晶体的密度为________________g·cm－3(列出计算表达式即可)。
解析：(1)基态Co原子价电子排布式为3d74s2，价电子排布图为。
(2)S中心原子S原子上的孤电子对的数目为＝2，形成σ键的数目是2，为sp3杂化，立体构型是V形。
(5)①已知A点的原子坐标参数为(0，0，0)，B是面心，则B点的原子坐标参数为，C是体心，则C点的原子坐标参数为。②立方晶胞顶点粒子占，面上粒子占，晶胞内部粒子为整个晶胞所有，因此一个晶胞中含有Ti4＋的个数为8×＝1，O2－的个数为6×＝3，Co2＋的个数为1，则晶胞质量m＝，晶胞参数a＝0.548 5 nm＝0.548 5×10－7 cm，则晶胞的体积V＝(0.548 5×10－7)3 cm3，因此晶胞的密度ρ＝＝ g·cm－3。
答案：(1) 铁失去的是较稳定的3d5上的一个电子，钴失去的是3d6上的一个电子 钴的原子半径比钙小，价电子数比钙多，钴中金属键比钙中强
(2)V形 sp3 (3)K＋的半径比Na＋大，K2S的离子键比Na2S弱 (4)H2O分子间存在氢键，其他三种分子间不含氢键，所以H2O沸点最高；H2S、H2Se及H2Te的结构相似，随着相对分子质量的增大，范德华力增强，所以沸点逐渐升高 (5)① ②
课题19 晶体结构与性质
学习任务1 晶体常识与晶体的组成和性质
一、晶体与非晶体
1．晶体与非晶体的比较
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
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.得到晶体的途径
(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。
3．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
无隙：相邻晶胞之间没有任何间隙。
并置：所有晶胞都是平行排列、取向相同。
二、晶体的组成与性质
(一)四种类型的晶体
1．分子晶体
分子间通过分子间作用力结合形成的晶体，此类晶体熔、沸点低，硬度小。
2．共价晶体
原子通过共价键相互结合形成的晶体，整块晶体是一个三维的共价键网状(立体网状)结构；其物理性质的突出特点是高硬度、高熔点、高沸点。
3．离子晶体
(1)阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体，此类晶体的熔、沸点较高。
(2)配位数：指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目，晶体阴离子、阳离子的配位数之比等于组成中的阴离子与阳离子数目的反比。
4．金属晶体
(1)含义：金属原子通过金属键形成的晶体，金属单质形成的晶体就是金属晶体。
(2)金属键的形成：晶体中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，从而把所有的金属原子维系在一起；金属键无饱和性、方向性。
(3)金属晶体的物理性质及解释
(二)四种晶体类型的比较
晶体类型
共价晶体
离子晶体
分子晶体
金属晶体
构成粒子
原子
阴、阳离子
分子
金属阳离子、
自由电子
粒子间
作用力
共价键
离子键
范德华力(某些物质还有氢键)
金属键
熔、沸点
很高
较高
较低
有的很高
有的很低
硬度
很大
较硬而脆
较小
有的很高
有的很低
导电性
不导电或半导体
晶体不导电、溶于水或熔化后可导电
一般不导电，部分晶体溶于水可导电
导电
溶解性
一般难溶于任何溶剂
许多可溶于水
相似相溶
—
物理变化时键的变化
部分断裂或形成
只破坏分子间作用力
部分断裂或形成
物质类别
或举例
金刚石、晶体硅、SiO2、SiC
强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐
大多数非金属单质、非金属氢化物、酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物(有机盐除外)
金属单质与合金
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1.42×10－10 m，比金刚石中碳碳共价键的键长(1.54×10－10 m)短，所以熔、沸点高于金刚石。
(三)晶体熔、沸点的比较
1．不同类型晶体熔、沸点的比较
(1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律：共价晶体>离子晶体>分子晶体。
(2)金属晶体的熔、沸点差别很大，如钨、铂等熔、沸点很高，汞、铯等熔、沸点很低。
2．同种类型晶体熔、沸点的比较
(1)共价晶体
原子半径越小，键长越短，键能越大，熔、沸点越高，如金刚石>碳化硅>硅。
(2)离子晶体
一般来说，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，其离子晶体的熔、沸点就越高，如MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。
(3)分子晶体
①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，如H2O>H2Te>H2Se>H2S。
②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，如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
③组成和结构不相似的物质(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同分异构体支链越多，熔、沸点越低，如
CH3—CH2—CH2—CH2—CH3>。
(4)金属晶体
金属离子半径越小，离子电荷数越多，其金属键越强，金属熔、沸点越高，如Na
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)冰和碘晶体中相互作用力完全相同。( )
(2)晶体内部的微粒按一定规律周期性排列。( )
(3)凡有规则外形的固体一定是晶体。( )
(4)固体SiO2一定是晶体。( )
(5)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。( )
(6)晶胞是晶体中最小的“平行六面体”。( )
(7)区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验。( )
(8)在晶体中只要有阴离子就一定有阳离子。( )
(9)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子。( )
(10)共价晶体的熔点一定比金属晶体的高。( )
(11)分子晶体的熔点一定比金属晶体的低。( )
(12)离子晶体一定都含有金属元素。( )
(13)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体。( )
(14)共价晶体的熔点一定比离子晶体的高。( )
答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)√ (9)× (10)× (11)× (12)× (13)√ (14)×
2．(教材改编题)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共价晶体是_________________________________。
(9)其中不含共价键的分子晶体是______________________，只含非极性共价键的共价晶体是______________________________________________________________。
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
晶体类型与性质的综合判断
宏观辨识与微观探析
1．(2020·乌鲁木齐模拟)下面的排序不正确的是( )
A．熔点由高到低：Na>Mg>Al
B．硬度由大到小：金刚石>碳化硅>晶体硅
C．晶体熔点由低到高：CF4
解析：选A。A项，金属离子的电荷数越多、半径越小，金属键越强，熔点越高，则熔点由高到低为Al>Mg>Na，错误；B项，原子半径越小，键长越短，共价键越强，硬度越大，键长C—C
2．(2020·喀什模拟)现有几组物质的熔点(℃)数据：
A组
B组
C组
D组
金刚石：3 550
Li：181
HF：－83
NaCl：801
硅晶体：1 410
Na：98
HCl：－115
KCl：776
硼晶体：2 300
K：64
HBr：－89
RbCl：718
二氧化硅：1 723
Rb：39
HI：－51
CsCl：645
据此回答下列问题：
(1)A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是____________。
(2)B组晶体共同的物理性质是________(填序号)。
①有金属光泽 ②导电性 ③导热性 ④延展性
(3)C组中HF熔点反常是由于______________________________________________。
(4)D组晶体可能具有的性质是________(填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电
③固体能导电 ④熔融状态能导电
解析：(1)根据表中数据可看出A组熔点很高，属于共价晶体，是由原子通过共价键形成的；
(2)B组为金属晶体，具有①②③④四条共性；
(3)HF分子间能形成氢键，故其熔点反常；
(4)D组属于离子晶体，具有②④两条性质。
答案：(1)共价 共价键 (2)①②③④
(3)HF分子间能形成氢键，其熔化时需要消耗的能量更多 (4)②④
结构决定性质类简答题突破
宏观辨识与微观探析
3．(2020·北京顺义检测)(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__________________________________________。
(2)NaF的熔点________(填“>”“＝”或“<”)BF的熔点，其原因是________________________________________________________________________。
(3)CO的熔点________(填“>”或“<”)N2的熔点，原因是________________。
(4)CH4、SiH4、GeH4的熔、沸点依次________(填“增大”或“减小”)，其原因是________________________________________________________________________。
(5)SiO2比CO2熔点高的原因是__________________________________________。
答案：(1)H2O分子间能形成氢键
(2)> 两者均为离子化合物，且阴、阳离子的电荷数均为1，但后者的离子半径较大，离子键较弱，熔点较低
(3)> CO为极性分子而N2为非极性分子，CO分子间范德华力较大
(4)增大 三种物质均为分子晶体，结构与组成相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔、沸点越高
(5)SiO2为共价晶体而CO2为分子晶体
4.ⅣA族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题：
(1)碳的一种单质的结构如图(a)所示。该单质的晶体类型为________，依据电子云的重叠方式，原子间存在的共价键类型有________，碳原子的杂化轨道类型为________。
(2)石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由单层碳原子组成的二维晶体。将氢气加入石墨烯中可制得一种新材料石墨烷。下列判断错误的是______(填字母)。
A．石墨烯是一种强度很高的材料
B．石墨烯是电的良导体而石墨烷则为绝缘体
C．石墨烯与石墨烷均为高分子化合物
D．石墨烯与H2制得石墨烷的反应属于加成反应
(3)四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图(b)所示。
①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是____________________________。
②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律，可推断：依F、Cl、Br、I次序，PbX2中的化学键的离子性______、共价性______。(填“增强”“不变”或“减弱”)
(4)水杨酸第一级电离形成离子，相同温度下，水杨酸的Ka2________(填“>”“＝”或“<”)苯酚()的Ka，其原因是_______________________________。
答案：(1)混合型晶体 σ键、π键 sp2 (2)C (3)①均为分子晶体，结构与组成相似，范德华力随相对分子质量增大而增大 ②减弱 增强 (4)< 中能形成分子内氢键，使其更难电离出H＋
学习任务2 晶体模型与晶胞计算
1．晶体模型
晶体
晶体结构
晶体详解
共价
晶体
金刚石
(1)每个C与相邻的4个C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6个C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)每个正面四体占有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和6个Si
分子
晶体
干冰
(1)每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分子周围等距离且紧邻的CO2分子有12个
冰
每个水分子与相邻的4个水分子以氢键相连接，含1 mol H2O的冰中，最多可形成2 mol氢键
离子
晶体
NaCl型
(1)每个Na＋(Cl－)周围等距离且紧邻的Cl－(Na＋)有6个，每个Na＋周围等距离且紧邻的Na＋有12个
(2)每个晶胞中含4个Na＋和4个Cl－
CsCl型
(1)每个Cs＋(Cl－)周围等距离且紧邻的Cs＋(Cl－)有6个；每个Cs＋周围等距离且紧邻的Cl－有8个
(2)每个晶胞中含1个Cs＋和1个Cl－
混合型
晶体
石墨
(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键的键长比金刚石的C—C键的键长短，熔点比金刚石的高
(5)硬度不大、有滑腻感、能导电
2.晶胞计算
(1)晶胞计算是晶体考查的重要知识点之一，也是考查学生分析问题、解决问题能力的较好素材。晶体结构的计算常常涉及如下数据：晶体密度、NA、M、晶体体积、微粒间距离、微粒半径、夹角等，密度的表达式往往是列等式的依据。解决这类题，一是要掌握晶体“均摊法”的原理，二是要有扎实的立体几何知识，三是要熟悉常见晶体的结构特征，并能融会贯通，举一反三。
(2)“均摊法”原理
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．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)1 mol金刚石中含有C—C键为4NA。( )
(2)SiO2、金刚石、硅、MgO熔点都很高，均属于共价晶体。( )
(3)NaCl晶体中，任意一个Na＋与其配位离子均可构成一个八面体。( )
(4)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)√
2．(常见晶体结构模型)填空。
(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)在干冰中粒子间作用力有_________________________________。
(3)含1 mol H2O的冰中形成氢键的数目为________。
(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－，其空间结构为________。
(5)在CaF2晶体中，每个Ca2＋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Ca2＋有________个。
答案：(1)6 12 (2)共价键、范德华力 (3)2NA
(4)12 6 正八面体形 (5)8 4
3．判断下列物质的晶胞结构，将对应序号填在横线上。
(1)干冰晶体________；
(2)氯化钠________；
(3)金刚石________；
(4)碘晶体________；
(5)冰晶体________；
(6)水合铜离子________。
答案：(1)② (2)① (3)④ (4)③ (5)⑥ (6)⑤
晶胞粒子数及晶体化学式的判断
证据推理与模型认知
1．Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如图所示。
(1)在1个晶胞中，Zn2＋的数目为________。
(2)该化合物的化学式为________。
解析：由晶胞图分析，含有Zn2＋的数目为8×＋6×＝4。含有S2－的数目为4，所以化合物中Zn2＋与S2－数目之比为1∶1，则化学式为ZnS。
答案：(1)4 (2)ZnS
2.利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷，如图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________。
解析：利用晶胞结构可计算出每个晶胞中含有2个B和2个N，故化学式为BN。
答案：2 BN
3．如图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为________。
解析：由题图可知，每个晶胞中含有R：8×＋1＝2；含有G：16×＋4×＋2＝8；含有Q：8×＋2＝4；则R、G、Q的个数之比为1∶4∶2，则其化学式为RQ2G4。由于R为＋2价，G为－2价，所以Q为＋3价。
答案：＋3价
4．下图为离子晶体立体构型示意图，以M代表阳离子，以N表示阴离子(阳离子，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)，M∶N＝∶＝1∶3；在C中，含M：×4＝(个)，含N为1个，M∶N＝∶1＝1∶2。
答案：MN MN3 MN2
晶体密度与粒子间距的计算
证据推理与模型认知
5.如图为Na2S的晶胞，设晶体密度是ρ g·cm－3，则Na＋与S2－的最短距离为______cm(NA表示阿伏加德罗常数的值，只写出计算式)。
解析：晶胞中，个数为8×＋6×＝4，个数为8，其个数之比为1∶2，所以代表S2－，代表Na＋。
设晶胞边长为a cm，则a3·ρ＝，解得a＝；体对角线为× cm，所以其最短距离为体对角线的，即 cm。
答案：
6. [2018·高考全国卷Ⅰ，35(5)]Li2O具有反萤石结构，晶胞如图所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm，阿伏加德罗常数的值为NA，则Li2O的密度为__________________ g·cm－3(列出计算式)。
解析：1个氧化锂晶胞含O的个数为8×＋6×＝4，含Li的个数为8，1 cm＝107 nm，代入密度公式计算可得Li2O的密度为 g·cm－3。
答案：
晶体结构的相关计算
(1)
(2)晶体密度的计算公式：ρ＝，其中N为1个晶胞中所含微粒数目，M为摩尔质量，NA为阿伏加德罗常数的值，V为1个晶胞的体积。
(3)晶胞质量＝晶胞含有的微粒的质量＝晶胞含有的微粒数×。
(4)空间利用率＝×100%。
1．(晶体类型的判断)(1)[2019·高考全国卷Ⅲ，35(3)]苯胺()的晶体类型是________________。
(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253 K，沸点为376 K，其固体属于________晶体。
(3)[2015·高考全国卷Ⅱ，37(2)改编]氧和钠的氢化物所属的晶体类型分别为________和________。
答案：(1)分子晶体 (2)分子 (3)分子晶体 离子晶体
2．(晶体微粒间作用力)(1)[2018·高考全国卷Ⅲ，35(3)]ZnF2具有较高的熔点(872 ℃)，其化学键类型是___________________________。
(2)[2016·高考全国卷Ⅱ，37(3)]单质铜及镍都是由________键形成的晶体。
答案：(1)离子键
(2)金属
3．(晶体熔、沸点高低的比较)(1)[2017·高考全国卷Ⅰ，35(2)]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·高考全国卷Ⅲ，37(4)]GaF3的熔点高于1 000 ℃，GaCl3的熔点为77.9 ℃，其原因是______________________________________________________________________。
答案：(1)K原子半径较大且价电子数较少，金属键较弱
(2)GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体
4．(晶胞中微粒数及密度的计算)(1)(2019·高考江苏卷)一个Cu2O晶胞(如图所示)中，Cu原子的数目为______。
(2)(2018·高考全国卷Ⅱ)FeS2晶体的晶胞如图所示。晶胞边长为a nm，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________g·cm－3；晶胞中Fe2＋位于S所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为________nm。
(3)[2017·高考全国卷Ⅰ，35(4)(5)]①KIO3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＝0.446 nm，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。
解析：(2)该晶胞中Fe2＋位于棱上和体心，个数为12×＋1＝4，S位于顶点和面心，个数为8×＋6×＝4，故晶体密度为 g÷(a×10－7 cm)3＝×1021 g·cm－3。根据晶胞结构可知，S所形成的正八面体的边长为该晶胞中相邻面的面心之间的连线之长，即为晶胞边长的，故该正八面体的边长为a nm。
(3)①根据晶胞结构可知，K与O间的最短距离为面对角线的一半，即nm≈0.315 nm。与K紧邻的O的个数有12个。
答案：(1)4 (2)×1021 a
(3)①0.315(或×0.446) 12 ②体心 棱心
一、选择题：每小题只有一个选项符合题意。
1．下表所列物质晶体的类型全部正确的一组是( )
选项
共价晶体
离子晶体
分子晶体
A
氮化硅
磷酸
单质硫
B
单晶硅
氯化铝
白磷
C
金刚石
烧碱
冰
D
铁
尿素
冰醋酸
解析：选C。A项，磷酸属于分子晶体；B项，氯化铝属于分子晶体；D项，铁属于金属晶体，尿素属于分子晶体。
2．据某科学杂志报道，国外有一研究发现了一种新的球形分子，它的分子式为C60Si60，其分子结构好似中国传统工艺品“镂雕”，经测定其中包含C60，也有Si60结构。下列叙述正确的是( )
A．该物质有很高的熔点、很大的硬度
B．该物质形成的晶体属于分子晶体
C．该物质分子中Si60被包裹在C60里面
D．该物质的相对分子质量为1 200
解析：选B。由分子式及信息可知，该物质为分子晶体，A错误，B正确；Si的原子半径大于C，所以Si60的体积大于C60的体积，C错误；相对分子质量为(12＋28)×60＝2 400，D错误。
3．(2020·郑州联考)萤石(CaF2)是一种难溶于水的固体。下列实验事实能说明CaF2一定是离子晶体的是( )
A．CaF2难溶于水，其水溶液的导电性极弱
B．CaF2的熔、沸点较高，硬度较大
C．CaF2固体不导电，但在熔融状态下可以导电
D．CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小
解析：选C。难溶于水，其水溶液的导电性极弱，不能说明CaF2一定是离子晶体；熔、沸点较高，硬度较大，也可能是共价晶体的性质，不能说明CaF2一定是离子晶体；熔融状态下可以导电，一定有自由移动的离子生成，说明CaF2一定是离子晶体；CaF2在有机溶剂(如苯)中的溶解度极小，只能说明CaF2是极性“分子”，不能说明CaF2一定是离子晶体。
4．下列说法正确的是(设NA为阿伏加德罗常数的值)( )
A．124 g P4中含有P—P键的个数为4NA
B．12 g石墨中含有C—C键的个数为1.5NA
C．12 g金刚石中含有C—C键的个数为4NA
D．60 g SiO2中含有Si—O键的个数为2NA
解析：选B。A项，×6NA mol－1＝6NA；B项，×1.5NA mol－1＝1.5NA；C项，×2NA mol－1＝2NA；D项，×4NA mol－1＝4NA。
5．某离子晶体的晶体结构中最小重复单元如图所示，A为阴离子，在正方体内，B为阳离子，分别在顶点和面心，则该晶体的化学式为( )
A．B2A B．BA2
C．B7A4 D．B4A7
解析：选B。根据均摊法，A在正方体内，晶胞中的8个A离子完全被这1个晶胞占用；B分别在顶点和面心，顶点上的离子被1个晶胞占用，面心上的离子被1个晶胞占用，所以1个晶胞实际占用的B离子为8×＋6×＝4，则该晶体的化学式为BA2。
6.二氧化硅有晶体和无定形两种形态，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。除石英外，SiO2还有磷石英和方英石等多种变体。方英石结构和金刚石相似，其结构单元如图。下列有关说法中正确的是( )
A．方英石晶体中存在着SiO4结构单元
B．1 mol Si形成2 mol Si—O键
C．图中所示的结构单元中实际占有18个硅原子
D．方英石晶体中，Si—O键之间的夹角为90°
解析：选A。由方英石结构示意图知方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，A项正确；1 mol Si形成4 mol Si—O键，B项错误；题图所示的结构单元实际占有的硅原子数：8×＋6×＋4＝8个，C项错误；方英石晶体中存在着SiO4的结构单元，说明Si—O键之间的夹角为109°28′，D项错误。
7．钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。钛酸钡晶体的晶胞结构如图所示，它的化学式是( )
A．BaTi8O12 B．BaTi4O5
C．BaTiO4 D．BaTiO3
解析：选D。仔细观察钛酸钡晶体的晶胞结构示意图可知，Ba2＋在立方体的体心，完全属于该晶胞；Ti4＋处于立方体的8个顶点，每个Ti4＋为与之相连的8个立方体所共用，即每个Ti4＋只有属于该晶胞；O2－处于立方体的12条棱的中点，每条棱为4个立方体共用，即每个O2－只有属于该晶胞，则钛酸钡晶体中Ba2＋、Ti4＋、O2－的个数比为1∶∶＝1∶1∶3。
8.已知CsCl晶体的密度为ρ g·cm－3，NA为阿伏加德罗常数的值，相邻的两个Cs＋的核间距为 a cm，如图所示，则CsCl的相对分子质量可以表示为( )
A．NA·a3·ρ B．
C． D．
解析：选A。每个晶胞中Cs＋为8×＝1个，Cl－为1个，即一个CsCl晶胞中含有一个CsCl微粒，V＝a3，Mr＝ρ·V·NA＝ρ·a3·NA。
二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。
9．下列关于晶体的说法一定正确的是( )
A．分子晶体中都存在共价键
B．如图CaTiO3晶体中每个Ti4＋与12个O2－相邻
C．SiO2晶体中每个硅原子与4个氧原子以共价键相结合
D．金属晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高
解析：选BC。有些单原子的分子晶体中不存在共价键，如稀有气体构成的晶体，A错；由题图可知，CaTiO3晶体中Ti4＋位于顶点而O2－位于面心，所以CaTiO3晶体中每个Ti4＋与12个O2－相邻，B正确；SiO2晶体中每个Si原子与4个O原子以共价键相结合，C正确；有些金属晶体的熔点比分子晶体的熔点低，如汞在常温下为液体，D错。
10．(2020·海口模拟)二茂铁[(C5H5)2Fe]的发现是有机金属化合物研究中具有里程碑意义的事件，它开辟了有机金属化合物研究的新领域。已知二茂铁的熔点是173 ℃(在100 ℃时开始升华)，沸点是249 ℃，不溶于水，易溶于苯、乙醚等非极性溶剂。下列说法不正确的是( )
A．二茂铁属于分子晶体
B．在二茂铁结构中，C5H与Fe2＋之间形成的化学键类型是离子键
C．已知环戊二烯的结构式为，则其中仅有1号碳原子采取sp3杂化
D．C5H中一定含π键
解析：选B。A项，根据二茂铁熔点低、易升华，易溶于苯、乙醚等非极性溶剂可知，二茂铁为分子晶体，正确；B项，C5H提供孤电子对，Fe2＋提供空轨道，二者形成配位键，错误；C项，1号碳原子含有4个σ键，无孤电子对，杂化类型为sp3，2、3、4、5号碳原子有3个σ键，无孤电子对，杂化类型为sp2，因此仅有1号碳原子采取sp3杂化，正确；D项，C5H中碳原子没有达到饱和，存在碳碳双键，成键原子间只能形成一个σ键，另一个键必然形成π键，正确。
11．如图为冰晶体的结构模型，大球代表O原子，小球代表H原子，下列有关说法正确的是( )
A．冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体
B．冰晶体具有空间网状结构，是共价晶体
C．水分子间通过H—O键形成冰晶体
D．冰晶体熔化时，水分子之间的空隙减小
解析：选AD。冰是水分子之间通过氢键结合而成的分子晶体，B、C错误。
12．下图分别代表NaCl、金刚石、干冰、石墨结构的一部分。下列说法正确的是( )
A．NaCl晶体只有在熔融状态下离子键被完全破坏，才能形成自由移动的离子
B．金刚石中存在的化学键只有共价键，不能导电
C．干冰中的化学键只需吸收很少的热量就可以破坏，所以干冰容易升华
D．石墨中碳原子的最外层电子都参与了共价键的形成，故熔点很高、硬度很大
解析：选B。A项，NaCl是离子化合物，在溶于水或熔融状态下离子键均能被完全破坏，错误；B项，金刚石为共价晶体，化学键只有共价键，不能导电，正确；C项，干冰属于分子晶体，干冰升华是物理变化，破坏的是分子间作用力，化学键不变，错误；D项，石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六边形的平面层状结构，而每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子，这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大π键，因而这些π电子可以在整个碳原子平面中运动，类似金属键的性质，石墨为层状结构，层与层之间通过范德华力连接，所以石墨的熔点很高，但硬度较小，错误。
三、非选择题
13．(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，其中C原子的杂化方式为________，微粒间存在的作用力是________，SiC和晶体Si的熔、沸点高低顺序是________________。
(2)氧化物MO的电子总数与SiC的相等，则M为________(填元素符号)。MO是优良的耐高温材料，其晶体结构与NaCl晶体相似。MO的熔点比CaO高，其原因是________________________________________________________________________。
(3)C、Si为同一主族的元素，CO2和SiO2的化学式相似，但结构和性质有很大的不同。CO2中C与O原子间形成σ键和π键，SiO2中Si与O原子间不形成π键。从原子半径大小的角度分析产生这种差异的原因：____________________________________________。
SiO2为________晶体，CO2为________晶体，所以熔点：CO2________(填“<”“＝”或“>”)SiO2。
(4)金刚石、晶体硅、二氧化硅、CO2四种晶体的构成微粒种类分别是_________，熔化时克服的微粒间的作用力分别是______________________________________________。
解析：(1)SiC的晶体结构与晶体硅相似，晶体硅中一个硅原子与周围四个硅原子相连，呈正四面体结构，所以杂化方式是sp3，则SiC晶体中C原子杂化方式为sp3；因为SiC键的键长小于SiSi键，所以熔、沸点高低顺序为SiC>Si。
(2)SiC的电子总数是20，则该氧化物为MgO；离子键的强弱与离子晶体中离子所带电荷数成正比，与离子半径成反比，MgO与CaO中的离子所带电荷数相同，但Mg2＋半径比Ca2＋小，故MgO的离子键强，熔点高。
(3)Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，p-p轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成稳定的π键。SiO2为共价晶体，CO2为分子晶体，所以熔点：SiO2>CO2。
(4)金刚石、晶体硅、二氧化硅均为共价晶体，构成微粒为原子，熔化时破坏共价键；CO2为分子晶体，由分子构成，以分子间作用力结合。
答案：(1)sp3 共价键 SiC>Si
(2)Mg Mg2＋半径比Ca2＋小，MgO的离子键强
(3)Si的原子半径较大，Si、O原子间距离较大，pp轨道肩并肩重叠程度较小，不能形成稳定的π键 共价 分子 <
(4)原子、原子、原子、分子 共价键、共价键、共价键、分子间作用力
14．硫、钴及其化合物用途非常广泛。回答下列问题：
(1)基态Co原子价电子排布图为________________，第四电离能I4(Co)＜I4(Fe)，其原因是_______________________________________；Co与Ca同周期且最外层电子数相同，单质钴的熔、沸点均比钙大，其原因是________________________________________。
(2)单质硫与熟石灰加热产物之一为CaS3，S的立体构型是________，中心原子杂化方式是________。
(3)K和Na位于同一主族，K2S的熔点为840 ℃，Na2S的熔点为950 ℃，前者熔点较低的原因是_________________________________________________________________。
(4)S与O、Se、Te位于同一主族，它们的氢化物的沸点如图所示，沸点按图像所示变化的原因是_________________________________________________________。
(5)钴的一种化合物晶胞结构如图所示。
①已知A点的原子坐标参数为(0，0，0)，B点的原子坐标参数为，则C点的原子坐标参数为________。
②已知晶胞参数a＝0.548 5 nm，则该晶体的密度为________________g·cm－3(列出计算表达式即可)。
解析：(1)基态Co原子价电子排布式为3d74s2，价电子排布图为。
(2)S中心原子S原子上的孤电子对的数目为＝2，形成σ键的数目是2，为sp3杂化，立体构型是V形。
(5)①已知A点的原子坐标参数为(0，0，0)，B是面心，则B点的原子坐标参数为，C是体心，则C点的原子坐标参数为。②立方晶胞顶点粒子占，面上粒子占，晶胞内部粒子为整个晶胞所有，因此一个晶胞中含有Ti4＋的个数为8×＝1，O2－的个数为6×＝3，Co2＋的个数为1，则晶胞质量m＝，晶胞参数a＝0.548 5 nm＝0.548 5×10－7 cm，则晶胞的体积V＝(0.548 5×10－7)3 cm3，因此晶胞的密度ρ＝＝ g·cm－3。
答案：(1) 铁失去的是较稳定的3d5上的一个电子，钴失去的是3d6上的一个电子 钴的原子半径比钙小，价电子数比钙多，钴中金属键比钙中强
(2)V形 sp3 (3)K＋的半径比Na＋大，K2S的离子键比Na2S弱 (4)H2O分子间存在氢键，其他三种分子间不含氢键，所以H2O沸点最高；H2S、H2Se及H2Te的结构相似，随着相对分子质量的增大，范德华力增强，所以沸点逐渐升高 (5)① ②
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