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    2024年高考化学一轮复习 第33讲 晶胞结构分析与计算 学案(含答案)
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    2024年高考化学一轮复习 第33讲 晶胞结构分析与计算 学案(含答案)

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    这是一份2024年高考化学一轮复习 第33讲 晶胞结构分析与计算 学案(含答案),共11页。

    2.掌握晶体密度与晶胞参数计算的一般步骤。
    考点一 晶胞模型与切割法计算
    1.晶胞中微粒数的计算方法——切割法
    (1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算
    如某个粒子为N个晶胞所共有,则该粒子有eq \f(1,N)属于这个晶胞。中学中常见的晶胞为立方晶胞,立方晶胞中微粒数的计算方法如图1。
    (2)非长方体晶胞
    在六棱柱(如图2)中,顶角上的原子有eq \f(1,6)属于此晶胞,面上的原子有eq \f(1,2)属于此晶胞,因此六棱柱中镁原子个数为12×eq \f(1,6)+2×eq \f(1,2)=3,硼原子个数为6。
    2.三种典型立方晶胞结构
    3.晶胞中微粒配位数的计算
    一个粒子周围最邻近的粒子数称为配位数,它反映了晶体中粒子排列的紧密程度。
    (1)晶体中原子(或分子)的配位数
    若晶体中的微粒为同种原子或同种分子,则某原子(或分子)的配位数指的是该原子(或分子)最接近且等距离的原子(或分子)的数目,常见晶胞的配位数如下:
    (2)离子晶体的配位数
    指一个离子周围最接近且等距离的异种电性离子的数目。
    以NaCl晶体为例
    ①找一个与其他粒子连接情况最清晰的粒子,如上图中心的黑球(Cl-)。
    ②数一下与该粒子周围距离最近的粒子数,如上图标数字的面心白球(Na+)。确定Cl-的配位数为6,同样方法可确定Na+的配位数也为6。
    一、应用切割法计算晶胞微粒数目
    1.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
    2.Cu元素与H元素可形成一种红色化合物,其晶体结构单元如图所示。则该化合物的化学式为________。
    3.(1)硼化镁晶体在39 K时呈超导性。在硼化镁晶体中,镁原子和硼原子是分层排布的,如图是该晶体微观结构的透视图,图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。则硼化镁的化学式为________。
    (2)在硼酸盐中,阴离子有链状、环状等多种结构形式。如图是一种链状结构的多硼酸根,则多硼酸根离子符号为________。
    二、晶胞中粒子配位数计算
    4.硅化镁是一种窄带隙n型半导体材料,在光电子器件、能源器件、激光、半导体制造等领域具有重要应用前景。硅化镁的晶胞参数a=0.639 1 nm,属于面心立方晶胞,结构如图所示。Si原子的配位数为________。
    5.如图是一种由Y(与Sc同族)、Fe、Ba、O组成的晶体,晶胞棱上的球代表Ba,顶点的球代表Y,四方锥中心和八面体中心的球代表Fe,其余小球代表O。
    (1)该晶体的化学式为________。
    (2)其中Y的配位数为________。
    考点二 晶胞参数计算
    1.晶胞参数
    晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示,包括晶胞的3组棱长a、b、c和3组棱相互间的夹角α、β、γ,即晶格特征参数,简称晶胞参数。
    2.晶体结构的相关计算
    (1)空间利用率=eq \f(晶胞占有的微粒体积,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计算公式(设棱长为a)
    ①面对角线长=________。
    ②体对角线长=________。
    ③体心立方堆积____r=____a(r为原子半径)。
    ④面心立方堆积____r=____a(r为原子半径)。
    3.宏观晶体密度与微观晶胞参数的关系
    例 钒的某种氧化物的立方晶胞结构如图所示,晶胞参数为a pm。下列说法错误的是( )
    A.该钒的氧化物的化学式为VO2
    B.V原子在该晶体中的堆积方式为体心立方
    C.V原子的配位数与O原子的配位数之比为1∶2
    D.该晶胞的密度为eq \f(2×51+16×2,a×10-103×6.02×1023) g·cm-3
    1.Zn与S所形成化合物晶体的晶胞如图所示。Zn2+的配位数是________,S2-填充在Zn2+形成的正四面体空隙中。若该晶体的密度为d g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶胞参数a= ______________ nm。
    2.如图是Fe单质的晶胞模型。已知晶体密度为d g·cm-3,铁原子的半径为________ nm(用含有d、NA的代数式表示)。
    3.立方氮化硼的硬度仅次于金刚石,但热稳定性远高于金刚石,其晶胞结构如图所示。立方氮化硼属于_____晶体,其中硼原子的配位数为_____。已知:立方氮化硼的密度为d g·cm-3,B原子半径为x pm,N原子半径为y pm,阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶胞中原子的空间利用率为____________________________(列出化简后的计算式)。
    4.(2023·南通模拟)氮化硼是一种性能优异的新型材料,主要结构有六方氮化硼(图1)和立方氮化硼(图2)。前者与石墨结构类似。
    (1)50.0 g六方氮化硼晶体中含有六元环的数目为______。
    (2)立方氮化硼中N的配位数为________。已知立方氮化硼密度为d g·cm-3,NA代表阿伏加德罗常数的值,立方氮化硼晶胞中面心上6个N原子相连构成正八面体,该正八面体的边长为________ pm(列式即可)。
    1.(2021·江苏,9)通过下列实验可从I2的CCl4溶液中回收I2。
    eq \x(I2的CCl4溶液)eq \(――――――――→,\s\up7(①加热浓NaOH溶液),\s\d5(②分离溶液))eq \x(含I-和IO\\al(-,3)的水溶液)eq \(―――――――→,\s\up7(①加稀硫酸溶液),\s\d5(②过滤溶液))eq \x(粗碘)
    下列说法正确的是( )
    A.NaOH溶液与I2反应的离子方程式:I2+2OH-===I-+IOeq \\al(-,3)+H2O
    B.通过过滤可将水溶液与CCl4分离
    C.向加酸后的上层清液中滴加AgNO3溶液生成AgI沉淀,1个AgI晶胞(如图)中含14个I-
    D.回收的粗碘可通过升华进行纯化
    2.(2022·湖北,9)某立方卤化物可用于制作光电材料,其晶胞结构如图所示。下列说法错误的是( )
    A.Ca2+的配位数为6
    B.与F-距离最近的是K+
    C.该物质的化学式为KCaF3
    D.若F-换为Cl-,则晶胞棱长将改变
    3.[2022·江苏,14(2)]FeS2具有良好半导体性能。FeS2的一种晶体与NaCl晶体的结构相似,该FeS2晶体的一个晶胞中Seq \\al(2-,2)的数目为_________,在FeS2晶体中,每个S原子与三个Fe2+紧邻,且Fe—S间距相等,如图给出了FeS2晶胞中的Fe2+和位于晶胞体心的Seq \\al(2-,2)(Seq \\al(2-,2)中的S—S键位于晶胞体对角线上,晶胞中的其他Seq \\al(2-,2)已省略)。如图中用“-”将其中一个S原子与紧邻的Fe2+连接起来。
    第33讲 晶胞结构分析与计算
    考点一
    专项突破
    1.B
    2.CuH
    3.(1)MgB2 (2)BOeq \\al(-,2)
    解析 (1)每个Mg周围有6个B,而每个B周围有3个Mg,所以其化学式为MgB2。(2)从图可看出,每个单元中,都有一个B和一个O完全属于这个单元,剩余的2个O分别被两个结构单元共用,所以B∶O=1∶(1+2×eq \f(1,2))=1∶2,化学式为BOeq \\al(-,2)。
    4.8
    解析 根据晶胞结构,以面心Si原子为基准,同一晶胞内等距离且最近的Mg原子有4个,紧邻晶胞还有4个Mg原子,共8个,故Si原子的配位数为8。
    5.(1)YBa2Fe3O8 (2)8
    解析 (1)由晶胞结构可知,Y位于顶点,原子数为eq \f(1,8)×8=1;Ba位于棱上,原子数为eq \f(1,4)×8=2;O原子有12个位于面上,2个位于晶胞内,原子数为eq \f(1,2)×12+2=8;3个Fe原子位于晶胞内,该晶体的化学式为YBa2Fe3O8。(2)从晶胞结构知Y位于晶胞顶点,距离Y最近的原子共有8个,即Y的配位数为8。
    考点二
    归纳整合
    2.(2)①eq \r(2)a ②eq \r(3)a ③4 eq \r(3) ④4 eq \r(2)
    例 C [晶胞中V原子位于顶角和体心,数目为1+8×eq \f(1,8)=2;O原子位于上下面上和体内,数目为2+4×eq \f(1,2)=4,二者原子数目之比为1∶2,故氧化物的化学式为VO2,故A正确;晶胞V原子位于顶角和体心,符合体心立方的堆积方式,故B正确;体心V原子的配位数为6,O原子的配位数为3,所以V原子的配位数与O原子的配位数之比为2∶1,故C错误;m=eq \f(2×51+4×16,NA) g,V=a3 pm3=(a×10-10)3cm3,ρ=eq \f(m,V)=eq \f(2×51+16×2,a×10-103×6.02×1023) g·cm-3,故D正确。]
    专项突破
    1.4 eq \r(3,\f(388,dNA))×107
    解析 根据晶胞结构可知晶胞中含有Zn2+个数为8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=4,S2-全部在晶胞内,共4个,其化学式是ZnS。根据晶胞结构可知S2-位于4个Zn2+形成的正四面体空隙中,S2-的配位数是4,根据化学式可判断Zn2+的配位数也是4。若该晶体的密度为d g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则d=eq \f(4×97,a3NA),因此该晶胞参数a=eq \r(3,\f(388,dNA)) cm=eq \r(3,\f(388,dNA))×107 nm。
    2.eq \f(\r(3),4)×eq \r(3,\f(112,d·NA))×107
    解析 由Fe单质的晶胞图可知,晶胞中含铁原子个数为2,晶胞的质量为eq \f(2×56,NA) g,晶胞体积为eq \f(112,d·NA) cm3,则晶胞边长为eq \r(3,\f(112,d·NA)) cm,设Fe原子的半径为r,则4r=eq \r(3)×eq \r(3,\f(112,d·NA)) cm,r=eq \f(\r(3),4)×eq \r(3,\f(112,d·NA))×107 nm。
    3.共价 4 eq \f(4πx3+y3dNA,75×1030)×100%
    解析 立方氮化硼的硬度仅次于金刚石,晶体类型类似于金刚石,是共价晶体;晶胞中每个N原子连接4个B原子,氮化硼的化学式为BN,所以晶胞中每个B原子也连接4个N原子,即硼原子的配位数为4;晶胞中N原子数为4,B原子数为8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=4,晶胞的质量m=eq \f(25×4,NA) g,晶胞的体积V=eq \f(m,ρ)=eq \f(\f(100,NA),d) cm3=eq \f(100,dNA) cm3,B、N原子总体积V′=4×[eq \f(4πx×10-103,3)+eq \f(4πy×10-103,3)]=eq \f(16π,3)×(x3+y3)×10-30 cm3,晶胞中原子的空间利用率为eq \f(V′,V)×100%=eq \f(\f(16π,3)×x3+y3×10-30,\f(100,dNA))×100%=eq \f(4πx3+y3dNA,75×1030)×100%。
    4.(1)2NA (2)4 eq \f(\r(2),2)×eq \r(3,\f(100,dNA))×1010
    解析 (1)根据均摊法,一个六方氮化硼晶体的六元环含有一个N、一个B,50.0 g六方氮化硼晶体中含有六元环的数目为eq \f(50.0,14+11)×NA=2NA。(2)由图2可知,立方氮化硼中N的配位数为4;面心上6个N原子构成正八面体,该正八面体的边长等于面对角线的一半,设BN晶胞边长为a cm,1个晶胞中含有4个B原子,含有N原子数为8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=4,则1个晶胞中含有4个BN,所以d=eq \f(4×25,a3NA),解得a=eq \r(3,\f(100,dNA)),故正八面体的边长为eq \f(\r(2),2)×eq \r(3,\f(100,dNA))×1010 pm。
    简单立方:配位数为6
    面心立方:配位数为12
    体心立方:配位数为8
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