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1、第 23讲晶体结构与性质【复习目标】1.了解晶体的类型，了解不同类型晶体中结构微粒、微粒间作用力的区别。2.了解分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体结构与性质的关系。3.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。考点一晶体与晶胞归纳整合夯实必备知识1.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原子在三维空间里呈周期性有序排列原子排列列对无序性质特征自范性直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恒直或根据某些物理性质的各向异性科学方法对固体进行X射线衍射实验(2)获得晶体的途径熔融态物质凝固。气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。
2、溶质从溶液中析出。2.晶胞(1)概念：晶胞是描述晶体结构的基本单元，是从晶体中“截取”出来具有代表性的最小重复单元。(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。(3)晶胞中微粒数的计算方法均摊法长方体(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，则该粒子有三属于这个晶胞。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非长方体晶胞在六棱柱（如图2）中，顶角上的原子有:属于此晶胞，面上的原子有;属于此晶胞，因此六棱柱中镁原子个数为1 2 X/2 X T=3,硼原子个数为6。位于顶点有1/8属于该立方体有1/
3、4属于该立方体位于面上有1/2属于该立方体位于内部完全属于该立方体r易错辨析1.冰和碘晶体中相互作用力相同（）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SiCh一定是晶体（）5.缺角的N aC l晶体在饱和N aC l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（）答案 1.X 2.V 3.X 4.X 5.V 6.X 7.V提升关键能力一、晶胞及微粒配位数的判断1.CaTiCh的晶胞如图所示，其 组 成 元 素 的 电 负 性 大 小 顺 序 是;金属离子与氧离子
4、间的作用力为，Ca2+的配位数是 oO Ca Ti答 案0 T i C a离 子 键122.C、N元素能形成一种类石墨的聚合物半导体g-C3N4,其单层平面结构如图1,晶胞结构如图2。Z 又、1 1 tAN人F N人人 人N人图1图 2 NoC根据图2,在 图 1 中用平行四边形画出一个最小重复单元。答案N tf 人 N/-N-方法点拨晶胞中粒子配位数的计算一个粒子周围最邻近的粒子的数目称为配位数（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。（2）离子晶体的配位数：指一个离子周围最接
5、近且等距离的异种电性离子的数目。二、晶胞中微粒数及化学式的计算3 .如图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞，则甲晶体中x与 y的个数比是,乙 中 a与 b 的个数比是,丙中一个晶胞中有 个 c 粒子和 个 d 粒子。答案 2 ：1 1 ：1 4 4解析 甲中 N(x):M y)=l：(4X1)=2：1：乙中 M a)：N(b)=l：(8 x 1)=l：1；丙中 M c)=o o1 2 X 7+1=4,M d)=8 x 1+6 x =4。4 o Z4.下图为离子晶体空间结构示意图：（阳 离子，。阴离子）以 M 代表阳离子，N 表示阴离子，写出各离子晶体的组成表达式：答案 M N MN3 MN213解析
6、在 A 中，含 M、N的个数相等，故组成为MN;在 B中，含 M 个数：TX 4+1=Z,o Z1 1 Q 3 9 1 1含 N 个数：7 K C l O3 l 2(2)归纳总结晶体熔、沸点的比较I .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.相同类型晶体(1)金属晶体：金属阳离子半径越小，所带电荷越多，则金属键越强，金属的熔、沸点就越高。(2)离子晶体：阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，熔、沸点就越高。(3)共价晶体：原子半径越小，键长越短，熔、沸点越高。(4)分子晶体：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；具有分子间氢键的分子晶体的熔、沸点
7、反常地高。组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近)，其分子的极性越大，熔、沸点越高。三、晶体结构的有关计算4.(1)铜是第四周期最重要的过渡元素之一，已知CuH晶体结构单元如图甲所示。该化合物的密度为pg-cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA，则该晶胞中C u原子与H 原子之间的最短距离为 cm(用含p和NA的式子表示)。Cu OFe S甲 乙CuFeSz 的晶胞如图乙所示,晶胞参数 a=0.524 nm,b=0.524 nm,c=1.032 nm；CuFeS2的晶胞中每个C u原子与 个 S 原子相连，列式计算晶体密度p=(保留两位小数)。(3)NaH具有NaCl型晶体结构，已知NaH晶
8、体的晶胞参数a=488 pm,Na,半径为102 pm,H一的 半径为,NaH的理论密度是 g-cn3(保留两位小数)。(4)金刚石晶胞结构如图丙所示，则金刚石晶体含有 个碳原子。若碳原子半径为 金刚石晶胞的边长为“，根据硬球接触模型，则/=a,列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率：(不要求计算结果)。金刚石晶胞丙答案近乎 X、3/14赤X652 4.31 g-cm3 142 Pm 1.37立8 XP(4)8 “3 X 100%(2)4_4X 184g mol(0.524X10 7 cm)2 X 1.032X 10 7 cmX6.02X 1023 mol 1解 析(l)C uH 晶胞中C u 原
9、子数目为8 x J+6 X SiSi,CHSiH,因此 C2H6稳定性大于 Si2H6B.立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度C.S iL 中 S i的化合价为+4,CH4中 C 的化合价为-4,因此SiFU还原性小于CPUD.S i原子间难形成双键而C 原子间可以，是因为S i的原子半径大于C,难形成p-p兀键答 案 C解 析 键长越短，键能越大，分子越稳定，A 项正确；SiC与金刚石结构相似，属于共价晶体，硬度大，熔点高，B 项正确：SiFU中S i为一4 价，且 SiHU还原性强于CH4,C 项错误；兀键是p 轨道电子以“肩并肩”方式相互重叠形成的，半径越
10、大越不易形成，D 项正确。4.2021全国乙卷，35（4）在金属材料中添加AlCn颗粒，可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。AlCrz具有体心四方结构，如图所示。处于顶角位置的是 原子。设 C r和A1原子半径分别为Q 和/-AI.则金属原子空间占有率为%（列出计算表达式）。答 案 A l 叫冲X I。解析 根据均摊法，该晶胞中灰球个数为8 X 5+1=2,白球个数为8X；+2=4,个数之比为o4I：2,根据AlCn可知，灰球代表A 1,白球代表C r,故处于顶角位置的原子为A l;晶胞的体44针(4月+2M)积为层X c,晶胞所含原子的体积为铲(4/4+2乩)，则金属原子的空间占有率为访
11、 8 兀(2 足r+dd)X 100%=3a2cL 次 100%o5.2021天津，13(2)用 X 射线衍射测定，得到F e的两种晶胞A、B,其结构如图所示。晶胞 A 中每个Fe原子紧邻的原子数为 o 每个晶胞B 中含Fe原子数为。晶胞A 晶胞B答 案 8 46.2021浙江6 月选考，26(1)已知3 种共价晶体的熔点数据如下表:金刚石碳化硅晶体硅熔点/3 5502 6001 415金刚石熔点比晶体硅熔点高的原因是_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _答
12、案 共价晶体中，原子半径越小，共价键键能越大，熔点越高，原子半径：CVSi(或键长:CCSiSi7.2019全国卷I,35(3)(4)(3)一些氧化物的熔点如表所示:氧化物Li2OMgOP4O6SO2熔点/1 5702 80023.8-75.5解释表中氧化物之间熔点差异的原因:(4)图(a)是 MgCuz的拉维斯结构，M g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，C u原子之间最短距离x=pm,M g原子之间最短距离y=pm。设阿伏加德罗常数的值为NA，则 MgCuz的密度是 g-cm4 列出计算表达式)。答 案
13、（3）L i 2。、MgO为离子晶体，P 4 O 6、S O?为分子晶体。离子键强度：M g O L i2Oo分子间作用力（分子量）：P4O6 S O 2V 3 8 X 2 4+1 6 X 6 44 a NA/X I。/。J2解 析（4）观察图（a）和图（b）知，4个铜原子相切并与面对南线平行，有（4 x）2=Z?2,x=-（3 o镁原子堆积方式类似金刚石，有），=乎”。已知1 c m=1。1 pm,晶胞体积为（“X I。一】。）3 c m 3,代入密度公式计算即可。课时精练1.下列关于晶体的说法不正确的是（）晶体中原子呈周期性有序排列，有自范性；而非晶体中原子排列相对无序，无 自 范 性 含
14、有金属阳离子的晶体一定是离子晶体共价键可决定分子晶体的熔、沸点晶胞是晶体结构的基本单元，晶体内部的微粒按一定规律作周期性重复排列晶体尽可能采取紧密堆积方式，以使其变得比较稳定干冰晶体中，一个C O 2 分子周围有 1 2 个 C O 2 分子紧邻；C s C l 和 N a C l 晶体中阴、阳离子的配位数都为6A.B.C.（6）D.答 案 D解 析 含有金属阳离子的晶体不一定是离子晶体，可能是金属晶体，故错误；分子间作用力决定分子晶体的熔、沸点，共价键决定稳定性，故错误；C s C l 晶体中阴、阳离子的配位数都为8,故错误。2.（2 0 2 1 湖北1 月选考模拟，1 3）已知N h M
15、g i-Q 晶体属立方晶系,晶胞边长或 将 L r 掺杂到该晶胞中，可得到一种高性能的p型太阳能电池材料，其结构单元如下图所示。o Mg Ni0 LiOO假定掺杂后的晶胞参数不发生变化，下列说法正确的是（）A.该结构单元中。原子数为3B.N i和 M g间的最短距离是半aC.N i的配位数为4D.该物质的化学式为Lio.5M gLi2Ni2.38O4答 案 B解 析。原子数为12X；+1 =4,A 错误；由图可知，N i与 M g的最短距离为晶胞面对角线的;，即为。2+。2=*,B正确；由晶胞结构可知，N i的配位数为6,C 错误；晶胞中各微粒的个数为 N(Li)=1 X4,D 错误。3.(2
16、021辽宁1 月适应性测试，6)我国科学家合成了富集 B 的非碳导热材料立方氮化硼晶体，晶胞结构如图。下列说法正确的是()A.B N 和l0B N 的性质无差异B.该晶体具有良好的导电性C.该晶胞中含有14个 B 原子，4 个 N 原子D.N 原子周围等距且最近的N 原子数为12答 案 D解析 B 和 1 咱 互为同位素，形成的化合物在化学性质上无差异，但其物理性质不同，A 错误；该晶体结构中无自由移动的电子，不具有导电性，B 错误；由图可知，该晶胞含4 个 N原子，B 原子位于晶胞的顶角和面心上，故 B 原子的数量为8义1+6 义=4 个，C 错误：由o Z晶胞示意图，1 个 N 原子与4
17、个 B 原子成键，1 个 B 原子可以和3 个 N 原子成键，这些N原子距中心N 原子等距且最近，总数为12个，D 正确。4.根据下表中给出的有关数据，判 断 下 列 说 法 错 误 的 是()AlChSiCl4晶体硼金刚石晶体硅熔点/190-6 82 3003 5501 415沸点/178572 5504 8272 355A.SiCLj是分子晶体B.晶体硼是共价晶体C.AlCb是分子晶体，加热能升华D.金刚石中的C-C 键能比晶体硅中的S i-S i键能弱答 案 D解析 SiCl4,AlCb的熔、沸点低，都是分子晶体，AlCb的沸点低于其熔点，即在未熔化的温度下它就能汽化，故 AlCb加热能
18、升华，A、C 正确；晶体硼的熔、沸点高，是共价晶体，B 正确：由金刚石与晶体硅的熔、沸点相对高低可知：金刚石中的C-C 键能比晶体硅中的SiS i键能强,D 错误。5.下列说法错误的是（）A.分子晶体中一定存在分子间作用力B.共价晶体中只含有共价键C.任何晶体中，若含有阳离子就一定含有阴离子D.单质的晶体中一定不存在离子键答 案 C解 析 相邻原子之间通过强烈的共价键结合而成的空间网状结构的晶体叫作共价晶体，共价晶体中只含有共价键，故 B 正确；金属晶体中，含有阳离子却不含有阴离子，故 C 错误；金属单质中只有金属键，非金属单质中可能存在共价键，单质的晶体中一定不存在离子键，故D 正确。6.解
19、释下列物质性质的变化规律与物质结构间的因果关系时，与化学键强弱无关的变化规律是（）A.HF、HC1、HBr、H I的热稳定性依次减弱B.NaF、NaCN NaBr、N ai的熔点依次降低C.F2、CL、Bn、L 的熔、沸点逐渐升高D.Li、Na、K、R b 的熔点逐渐降低答 案 C解析 HF、HCk HBr、H I的热稳定性依次减弱，是因为氢原子和卤素原子间共价键的键能依次减小，不 选 A;NaF、NaCI、NaBr、N ai的熔点依次降低，是因为钠离子和卤素离子间的离子键依次减弱，不选B;F2 Cb、Bn、L 的熔、沸点逐渐升高，是因为卤素单质分子间作用力依次增大，与化学键的强弱无关，选 C
20、;碱金属元素从上到下，原子半径逐渐增大，金属键逐渐减小，金属单质的熔点逐渐降低，不选D。7.（2022沈阳模拟）下列有关晶体的叙述中，错误的是（）A.金刚石的网状结构中，由共价键形成的最小碳环上有6 个碳原子B.在 CaF?晶体中每个Ca2+周围紧邻8 个 F,每个F一 周围紧邻4 个 Ca?+C.白磷晶体中，微粒之间通过共价键结合，键角为60。D.离子晶体在熔化时，离子键被破坏；而分子晶体熔化时，化学键不被破坏答 案C8.下列各物质中，按熔点由高到低的顺序排列正确的是（）A.C H4S i H4G e H4S n H4B.K C 1 N a C l M gC l2M g OC.M gB r2
21、 S i C l4 B ND.金刚石 晶体硅钠答 案 D9.金晶体是面心立方最密堆积，己知立方体的每个面上5个金原子紧密堆积，金原子半径为r e m,则金晶体的空间利用率为（）4铲A-?WXI00%44 X 铲CWX1OO%4 x|nB.雨 X I。4XyD.雨 I。答 案 B解 析 面心立方最密堆积原子在晶胞中的位置关系如图。金晶胞面对角线为金原子半径的4倍，金原子半径为r e m,则晶胞的边长为4 r c m X 坐c m=2 也 r e m,每个金晶胞中含有4个4 ,44 X-n 4 X 铲原子，则金晶胞空间利用率为凶 k X 1 0 0%=区 前 X 1 0 0%。1 0 .非整比化合
22、物F e o.9 5。具有N a C l 型晶体结构，由于n（F e）：n（O）F e 3+O 2D.F e o.s s F e .i o O答 案 D解析 设 F e 3+为 x个，F e 2+为y个，则根据化合物中各元素化合价代数和为零及原子守恒可得 x+y=0.9 5,3 x+2 y=2,解得x=0.1 0,）=0.8 5,所以该物质的化学式为F e 5 F e 8：o O,选项 D符合题意。1 1 .如图是从N a C l 或 C s C l 晶体结构图中分割出来的部分结构图，其中属于从N aC l 晶体中分割出来的结构图是（）A.图和图C.图和图答 案cB.图和图D.只有图1 2.锌
23、与硫所形成化合物晶体的晶胞如图所示。下列判断正确的是（）A.该晶体属于分子晶体B.该晶胞中Z M+和S 2一数目不相等C.阳离子的配位数为6D.氧化锌的熔点大于硫化锌答 案D解析 晶体中含有Z M+和S 2,则晶体类型为离子晶体，故A错误；该晶胞中Z n2+的数目为8 x 1+6 x 1=4,S 2-的数目为4,两离子数目相等，故B错误；晶胞中Z M+周围紧邻且等距o Z的S 2一共有4个，则阳离子的配位数为4,故C错误：0 2-的半径比5 2-小，则Z n O的熔点大于Z nS,故D正确。1 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。如图中原子1的坐标
24、为有；）,则原子2和3的坐标正确的是（）A.原子2为(右0,B.原子 2 为(0,1)C.原子 3 为(1,0,1)D.原子 3 为(0,0,2)答 案 D1 4.（1）氢化铝钠（N aAl H。是一种新型轻质储氢材料，其晶胞结构如图所示，为长方体。写出与 A1 H 4 空间结构相同的一种分子：（填化学式）。N aAl H q 晶体中，与A1 H 4 紧邻且等距的N a-有 个；Na A H晶体的密度为 g-c m 用含心 的代数式表示）。a nm A1 H；O N a+（2）氮化铝作为锂离子电池负极材料具有很好的发展前景。它属于填隙式氮化物，N原子部分填充在M o原子立方晶格的八面体空隙中，
25、晶胞结构如图所示。氮 化 铝 的 化 学 式 为,氮化铝晶胞边长为a n m,晶体的密度p=g-c m 3（列出计算式，设 必 为阿伏加德罗常数的值）。（3）已知M gO与 N i O 的晶体结构（如 图 1 所示）相同，其 中 Mg 2+和 N i 2+的离子半径分别为6 6 p m 和 6 9 p m。则熔点：MgO（填“”“V”或“=）N i O,理由是若N i O 晶胞中离子坐标参数A 为（0,0,0）,B（l,l,0）,则 C的 坐 标 参 数 为。一定温度下，N i O 晶体可以自发地分散并形成“单分子层”，可以认为0 2-作密置单层排列，N i 2+填充其中（如图2所示）。已知0
26、2的半径为a m,每平方米上分散的该晶体的质量为g 用。、刈（设NA为阿伏加德罗常数的值）表示。4 X 9 6+2 X 1 4（2）M0 2 N NA 3X1（T2、（3）Mg?的半径比N i 2+的小，M gO的离子键比N i O 的强（1,：）2 5 s2a2/VA解 析(1)与 A1 H I 空间结构相同的分子有C H(、C C L 等；N aAl H a晶体中，与 A1 H I 紧邻且等距的N a,有 8个；该晶胞体积为(“X a X 2 a x I O _2 1)c m3,该晶胞中N a十 个数为6 x g+4 X；=4,5 4X4,3A1 H：个数为 8 X +4 X；+1=4,N
27、 aAf f i U 晶体的密度为2c g.c nf?=。除 JL g.c m-3o(2)由题图信息知，M o原子位于晶胞的顶角和面心，1个晶胞含有M o原子的个数为6 X：+8 X-=4,N原子位于晶胞的棱上和体心，1 个晶胞含有N原子的个数为4 义：+1 =2,故氮o4化钥的化学式为MO2N;尸夕脸箫告gym3(3)离子晶体结构相同时，离子半径越小，离子键越强，M g 2+的半径比N i 2+的小，MgO的离子键比N i O 的强，故熔点：MgONiOo在图2中 的“单分子层”中可以画出二维重复单元，如2a,重复单元呈菱形，是相邻四个氧离子球中心的连线组成的，每个重复单元包含1个氧离子和1
28、个锲离子，N i O 的相对分子质量为7 5;重复单元所占的面积为(2“X小 a)m 2=2 5 a 2 m 2,则每平方米上分散的该晶体的质量为禁杀g。15.(l)S i C、S i、金 刚 石 中 熔 点 由 高 到 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)C S2的熔、沸点高于C O2的理由是_(4)N a F 的熔点(填其原因是答 案(1)金刚石 S i O S i C C、C S i、S i S i 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)C S 2 和 C O 2 均为分子晶体，C S 2 的相对分子质量大，分子间作用力大(4)两者均为离子化合物，且离子所带电荷数均为1,但后者离子半径大，离子键较弱，其熔点较低