第三章 晶体结构与性质
第一节 晶体的常识
课时演练·促提升
A组
1.下列哪些性质不能区分晶体与非晶体( )
A.各向异性 B.X-射线衍射
C.导电性 D.有无固定熔点
解析:根据晶体的特点和性质可知,晶体具有规则的几何外形,具有各向异性;衍射时能看到明显的谱线。有的晶体也不容易导电。
答案:C
2.不能够支持石墨是晶体这一事实的选项是( )
A.石墨和金刚石是同素异形体
B.石墨中的碳原子呈周期性有序排列
C.石墨的熔点为3 625 ℃
D.在石墨的X-射线衍射图谱上有明锐的谱线
解析:原子在三维空间里呈有序排列( ( http: / / www.21cnjy.com )B项)、有自范性、有固定的熔点(C项)、物理性质上体现各向异性、X-射线衍射图谱上有分明的斑点或明锐的谱线(D项)等特征,都是晶体在各个方面有别于非晶体的体现。而是否互为同素异形体与是否为晶体这两者之间并无联系,如无定形碳也是金刚石、石墨的同素异形体,却属于非晶体。
答案:A
3.下列有关晶体和非晶体的说法中正确的是( )
A.具有规则几何外形的固体均为晶体
B.晶体具有自范性,非晶体没有自范性
C.晶体研碎后即变为非晶体
D.将玻璃加工成规则的固体即变成晶体
解析:晶体的规则几何外形是自发形成的,有些固体尽管有规则的几何外形,但由于不是自发形成的,所以不属于晶体,A、D项错误;晶体是由晶胞通过无隙并置形成的,组成晶体的粒子在三维空间呈现周期性的有序排列,因此,晶体研碎成小的颗粒仍然是晶体,C项错误;自范性是晶体与非晶体的本质区别,B项正确。
答案:B
4.如图是a、b两种物质的熔化曲线,下列说法中正确的是( )
( http: / / www.21cnjy.com )
①a是晶体 ②a是非晶体 ③b是晶体 ④b是非晶体
A.①④ B.②④ C.①③ D.②③
解析:晶体有固定的熔点,由图a来分析,中间有 ( http: / / www.21cnjy.com )一段a物质的温度不变但一直在吸收能量,这段就表示a晶体在熔化;由图b可知,b物质的温度一直在升高,所以找不出固定的熔点,故b为非晶体。
答案:A
5.现有四种晶体,其构成粒子(均为单原子核粒子)排列方式如图所示,其化学式正确的是( )
( http: / / www.21cnjy.com )
解析:利用均摊法不难确定粒子个数比。A项错误,8个B粒子居于顶点,一个A粒子居于体心,所以化学式应为AB或BA;B项错误,E和F的数目完全一致,所以化学式为FE或EF;C项正确,一个晶胞内X、Y、Z三种粒子的个数分别为1,3,1;D项错误,A粒子居于8个顶点和6个面心,真正属于一个晶胞的A粒子为4个,B粒子居于12条棱上和体心,真正属于一个晶胞的B粒子为4个。
答案:C
6.晶体具有各向异性。如蓝 ( http: / / www.21cnjy.com )晶石(Al2O3·SiO2)在不同方向上的硬度不同;又如石墨与层垂直方向上的电导率和与层平行方向上的电导率之比为。晶体各向异性的主要表现是( )
①硬度 ②导热性 ③导电性 ④光学性质
A.①③ B.②④
C.①②③ D.①②③④
解析:晶体的各向异性反映了晶体内部质点排列的有序性,表现在硬度、导热性、导电性、光学性质等方面。
答案:D
( http: / / www.21cnjy.com )
NaCl晶体的晶胞
7.纳米材料的表面粒子数 ( http: / / www.21cnjy.com )占总粒子数的比例极大,这是它有许多特殊性质的原因。假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰好与氯化钠晶胞的大小和形状相同(如图所示),则这种纳米颗粒的表面粒子数与总粒子数的比值为( )
A.7∶8
B.13∶14
C.1∶1
D.26∶27
解析:表面粒子数=8+6+12=26。总粒子数=表面粒子数+中心粒子数=26+1=27。
答案:D
8.有一种蓝色的晶体,它的结构特征是Fe2+和Fe3+分别占据立方体互不相邻的顶点,立方体的每条棱上均有一个CN-。
(1)根据晶体结构的特点,推出这种蓝色晶体的化学式(用简单整数表示) 。
(2)此化学式带何种电荷 ,如果Rn+或Rn-与其结合成电中性粒子,此粒子的化学式为 。
解析:Fe2+、Fe3+占据立方体的互不相邻的顶点,则每个立方体上有4个Fe2+、4个Fe3+。根据晶体的空间结构特点,每个顶点上的粒子有属于该立方体,则该立方体中有个Fe2+、个Fe3+,CN-位于立方体的棱上,棱上的粒子有属于该立方体,该立方体中有3个CN-,所以该晶体的化学式为[Fe2(CN)6]-,此化学式带负电荷,若结合Rn+形成中性粒子,此粒子化学式为R[Fe2(CN)6]n。
答案:(1)[Fe2(CN)6]-
(2)负电荷 R[Fe2(CN)6]n
9.(1)KCl广泛应用于医药和农业,KCl晶体中基态Cl-电子排布式为 ;
(2)下列是部分金属元素的电离能。
X Y Z
第一电离能/(kJ·mol-1) 520.2 495.8 418.8
已知X、Y、Z的价层电子构型为ns1,则三种金属的氯化物(RCl)的熔点由高到低的顺序为 ;
(3)RCl用作有机合成催化剂,并用于颜料、防腐等工业。R+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层,它与Cl-形成的晶体结构如图所示。R的元素符号是 ,与同一个Cl-相连的R+有 个;
( http: / / www.21cnjy.com )
(4)卤代烃在有机合成中作用巨大,烃基的结构对卤代烃的活性有很大的影响。CH3—CH2—Cl和碱溶液容易发生取代反应,而CH2CH—Cl和碱溶液不起作用,请从结构上解释其差异 ;
(5)HCl和HF结构相似,由于氢键的存在使两者性质上存在较大差异,请列举出由于氢键的影响导致的性质差异 。
解析:(2)已知X、Y、Z的价层电子构 ( http: / / www.21cnjy.com )型为ns1,说明三者在同一个主族,第一电离能逐渐减小,金属性逐渐增强,则原子半径逐渐增大,熔沸点逐渐减小;
(3)R+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层,说明R的电子排布式为1s22s22p63s23p63d10,是铜元素,从图中看出,一个R+与4个Cl-相连,同理与同一个Cl-相连的R+有4个;
(5)氢键影响物质的物理性质。
答案:(1)1s22s22p63s23p6
(2)ZCl(3)Cu 4
(4)CH3—CH2—Cl中与Cl成键的C以sp3杂化,而CH2CH—Cl中与Cl成键的C以sp2杂化,电子云密度不同;CH3—CH2—Cl中的C—Cl的键长比
CH2CH—Cl中C—Cl要长;CH2CH—Cl的π键对Cl的作用力要强
(5)HF沸点比HCl高;氢氟酸是弱酸,盐酸是强酸;实验测得HF分子质量偏大
10.元素X位于第四周期,其基态原子的内层轨道全部排满电子,且最外层电子数为2。元素Y基态原子的3p轨道上有4个电子。元素Z的原子最外层电子数是其内层的3倍。
( http: / / www.21cnjy.com )
(1)X与Y所形成化合物晶体的晶胞如图所示。
①在1个晶胞中,X离子的数目为 。
②该化合物的化学式为 。
(2)在Y的氢化物(H2Y)分子中,Y原子轨道的杂化类型是 。
(3)Z的氢化物(H2Z)在乙醇中的溶解度大于H2Y,其原因是 。
(4)Y与Z可形成Y。
①Y的空间构型为 (用文字描述)。
②写出一种与Y互为等电子体的分子的化学式: 。
(5)X的氯化物与氨水反应可形成配合物[X(NH3)4]Cl2,1 mol该配合物中含有σ键的数目为 。
解析:X的核外电子排布式为[Ar]3d104s2,为Zn;Y的核外电子排布式为1s22s22p63s23p4,为S;Z为O。(1)一个晶胞中Zn2+的数目=1(8个顶点)+3(6个面心)=4,S2-的数目=4(4个体心);(2)H2S中S原子的孤对电子对数==2,含有两个σ键,为sp3杂化;(3)溶解性应从分子的极性、氢键等角度分析;(4)S离子中心原子的孤对电子对数==0,含有4个σ键,为sp3杂化,空间构型为正四面体;一个配合物中含有四个配体NH3,一个NH3与中心原子形成一个配位键,配位键也属于σ键,一个NH3中含有3个N—H σ键,所以一个配合物中含有16个σ键。
答案:(1)①4 ②ZnS
(2)sp3
(3)水分子与乙醇分子之间形成氢键
(4)①正四面体 ②CCl4或SiCl4等
(5)16 mol或16×6.02×1023个
B组
1.下列关于晶体的说法正确的是( )
A.将饱和硫酸铜溶液降温,析出的固体不是晶体
B.假宝石往往是玻璃仿造的,可以用划痕的方法鉴别宝石和玻璃制品
C.石蜡和玻璃都是非晶体,但它们都有固定的熔点
D.蓝宝石在不同方向上的硬度一定相同
解析:A选项,将饱和CuSO4溶液降温 ( http: / / www.21cnjy.com ),可析出胆矾,胆矾属于晶体。B选项,一般宝石的硬度较大,玻璃制品的硬度较小,可以根据有无划痕来鉴别。C选项,非晶体没有固定的熔点。D选项,由于晶体的各向异性导致蓝宝石在不同方向上的硬度有一些差异。
答案:B
2.水的状态除了气态、液态和固态外 ( http: / / www.21cnjy.com ),还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的。玻璃态的水无固定形状,不存在晶体结构,且密度与普通液态水的密度相同,有关玻璃态水的叙述中正确的是( )
A.水由液态变为玻璃态,体积缩小
B.水由液态变为玻璃态,体积膨胀
C.玻璃态是水的一种特殊状态
D.玻璃态水属于晶体
解析:由题给条件知,玻璃态的水无固定形态,不存在晶体结构,故D错误。水由液态变为玻璃态时密度不变,说明在此变化中体积不发生变化。
答案:C
3.话筒是我们熟悉的物质,在话筒中有一种材料的结构如图所示,它的主要成分是钛酸钡,根据晶体的结构示意图可知它的化学式是( )
( http: / / www.21cnjy.com )
A.BaTi8O12 B.BaTi4O6 C.BaTi2O4 D.BaTiO3
解析:观察钛酸钡的示意图可知:Ba在立方 ( http: / / www.21cnjy.com )体的中心,完全属于该晶胞,且只有1个;Ti处于立方体的8个顶点,O处于立方体的12条棱的中点,故晶体中三种原子的个数比为Ba∶Ti∶O=1∶(8×)∶(12×)=1∶1∶3。
答案:D
( http: / / www.21cnjy.com )
4.最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子,如图所示,顶角和面心的原子是钛原子,棱的中心和体心的原子是碳原子,它的化学式为( )
A.Ti14C13
B.TiC
C.Ti4C4
D.Ti4C3
解析:图中结构为分子,不是晶胞,只需数出碳原子和钛原子数即可。
答案:A
( http: / / www.21cnjy.com )
5.(1)(2014江苏化学,节选) ( http: / / www.21cnjy.com )Cu2O在稀硫酸中生成Cu和CuSO4。铜晶胞结构如图所示,铜晶体中每个铜原子周围距离最近的铜原子数目为 。
(2)(2014四川理综,节选)X、Y ( http: / / www.21cnjy.com )、Z、R为前四周期元素,且原子序数依次增大。XY2是红棕色气体;X与氢元素可形成XH3;Z基态原子的M层与K层电子数相等;R2+离子的3d轨道中有9个电子。
请回答下列问题:
Z与某元素形成的化合物的晶胞如图所示,晶胞中阴离子与阳离子的个数比是 。
( http: / / www.21cnjy.com )
解析:(1)同一层上4个角,加上下面4个面中心4个,和上面4个面对应的4个,总共12个,铜晶胞中,距离铜原子最近的铜原子有12个。
(2)由晶胞结构可看出,阳离子 ( http: / / www.21cnjy.com )位于顶点和体心,故阳离子个数=×8+1=2个,阴离子位于面心和体内,故阴离子个数=×4+2=4个,故阴离子与阳离子个数比为2∶1。
答案:(1)12 (2)2∶1
6.前四周期原子序数依次增大的元素A、 ( http: / / www.21cnjy.com )B、C、D中,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个,并且A-和B+的电子数相差为8;与B位于同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2,且原子序数相差为2。
( http: / / www.21cnjy.com )
回答下列问题:
(1)D2+的价层电子排布图为 。
(2)四种元素中第一电离能最小的是 ,电负性最大的是 。(填元素符号)
(3)A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。
①该化合物的化学式为 。
②列式计算该晶体的密度 g·cm-3。
(4)A-、B+和C3+三种离子组成的化合 ( http: / / www.21cnjy.com )物B3CA6,其中化学键的类型有 ;该化合物中存在一个复杂离子,该离子的化学式为 ,配位体是 。
解析:(1)短周期元素主族元素中未成对电子数最多为3,所以B、C、D均为第四周期的元素,B的价电子层中未成对电子数为1,结合B+可知B为K,A为F;未成对电子数为4的只能为[Ar]3d64s2排布,C为Fe,D为Ni;(2)从左到右第一电离能(除ⅡA、ⅤA族特殊外)、电负性逐渐增大,K的第一电离能最小、F的电负性最大;(3)①F原子个数=4(16个棱)+2(4个面心)+2(2个体心)=8;K原子个数=2(8个棱)+2(2个体心)=4;Ni原子个数=1(8个顶点)+1(1个体心)=2;化学式为K2NiF4;②1 mol K4Ni2F8晶胞的质量为(39×4+59×2+19×8)g,一个晶胞的质量为;一个晶胞的体积为4002×1 308×10-30 cm3,密度=;(4)K3FeF6中含有K+和[FeF6]3-,Fe3+与F-之间以配位键结合,Fe3+为中心原子提供空轨道、F-为配位体提供孤对电子。
答案:
(1)
(2)K F
(3)①K2NiF4
②=3.4
(4)离子键、配位键 [FeF6]3- F-第三章 晶体结构与性质
第一节 晶体的常识
教学建议
利用【新知导学·夯基础】,帮助学生进行知识梳理,形成知识体系;通过“练一练”,解决学生存在的难点、障碍点和辨析清相关的概念等问题。
通过两幅图对比,了解晶体与非晶体性质差异性。结合思考题,师生共同分析、探讨晶体与非晶体的区别和鉴别方法。利用例题和变式训练巩固基础知识。
以粒子在晶胞中不同位置剖面图为依据,归纳总结粒子对晶胞的贡献率,掌握由晶胞确定化学式的方法,并利用例题和变式训练巩固基础知识。
参考资料
有关晶体结构计算的解题思路
由于有关晶体结构的计算能很好地考查同学们的观察、分析、归纳、综合、推理能力和空间想象力,而且很容易与数学、物理等学科知识结合,因而有关晶体结构的计算常成为高考命题的热点。
解答这类题,要求同学们具备一定的空间想象力,能将化学问题转化成数学问题,能利用数学工具通过计算和推理(结合化学知识)解决化学问题。
突破该类问题的关键在于把握以下三个方面:
(1)理解晶体结构的共同点,晶体的质点(原子、离子、分子)不但呈现有规则的排列,而且隔一定的距离会重复出现,有明显的周期性。
(2)善于运用数学工具掌握运算规则,再通过发散和收敛思维,挖掘图形中所隐含的信息。
(3)灵活应用分析法,有的晶体结构比较复杂,难以直接观察或分析出结构,这时应以学过的典型晶体结构为模型,通过联想、类比和迁移等方法进行剖析,化隐为显,化繁为简,可使复杂问题直观化、明朗化,为最终达到解题目的铺平道路。
