(共27张PPT)
章末整合
一
二
一、晶体的熔、沸点比较
典例1完成下列空白:
(1)(全国理综)单质铜及镍都是由 键形成的晶体;元素铜与镍的第二电离能分别为:ICu=1
958
kJ·mol-1、INi=1
753
kJ·mol-1,ICu>INi的原因是 。?
(2)(全国理综)GaF3的熔点高于1
000
℃,GaCl3的熔点为77.9
℃,其原因是 。?
(3)(全国理综)比较下列锗卤化物的熔点和沸点,分析其变化规律及原因 。?
锗卤化物
GeCl4
GeBr4
GeI4
熔点/℃
-49.5
26
146
沸点/℃
83.1
186
约400
一
二
(4)A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素,A2-和B+具有相同的电子层结构;C、D为同周期元素,C核外电子总数是最外层电子数的3倍;D元素最外层有一个未成对电子。回答下列问题:
单质A有两种同素异形体,其中沸点较高的是 (填分子式),原因是 ;A和B的氢化物所属的晶体类型分别为 和 。?
答案:(1)金属 铜失去的是全充满的3d10电子,镍失去的是4s1电子
(2)GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体
(3)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高,原因是锗的卤化物分子结构相似,随相对分子质量的增大,分子间作用力逐渐增强
(4)O3 O3相对分子质量较大且分子具有弱极性,分子间范德华力大 分子晶体 离子晶体
一
二
方法点拨
晶体熔、沸点高低的判断方法
四种晶体熔、沸点的高低,取决于组成晶体的粒子间作用力的大小,粒子间作用力越大,晶体的熔、沸点就越高;粒子间的作用力越小,其熔、沸点就越低,具体有以下规律:
一般来说,不同晶体类型的物质的熔、沸点存在如下关系:共价晶体>离子晶体>分子晶体。
一
二
同类晶体熔、沸点的比较如下:
(1)分子晶体。
熔、沸点的高低取决于分子间作用力的大小,而分子间作用力与其相对分子质量的大小及分子的极性有关。
①组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越强,物质的熔、沸点就越高。
②组成和结构不相似的物质(相对分子质量相近),分子的极性越大,其熔、沸点就越高。
③同分异构体的比较。
一般是支链越多,熔、沸点越低。结构越对称,沸点越低。例如,沸点:邻二甲苯>间二甲苯>对二甲苯。
一
二
④氢键的影响。
若分子间可以形成氢键,则分子间作用力比结构相似的同类物质大,熔、沸点较高。例如,沸点:HF>HI>HBr>HCl。
(2)共价晶体。
熔、沸点的高低取决于共价键的强弱,键能越大,键长越小,共价键越强,熔、沸点就越高。例如,熔、沸点:金刚石>金刚砂(SiC)>晶体硅。
(3)离子晶体。
一般地说,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,如熔点:MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。
一
二
(4)金属晶体。
①熔、沸点的高低取决于金属键的强弱,离子半径越小,阳离子所带的电荷越多,金属键越强,其熔、沸点就越高。例如,熔点:Al>Mg>Na。
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。
一
二
对点训练1-1下列每组物质发生状态变化所克服的粒子间的相互作用属于同种类型的是( )
A.食盐和蔗糖熔化
B.钠和硫熔化
C.碘和干冰升华
D.二氧化硅和氧化钠熔化
答案:C
解析:根据构成晶体的粒子种类(离子、原子、分子等),以及粒子之间相互作用的强弱不同来判断。A项中食盐为离子晶体,蔗糖为分子晶体;B项中钠为金属晶体,硫为分子晶体;D项中SiO2为共价晶体,Na2O为离子晶体,以上三组物质均不属于同类晶体,其粒子间相互作用也就不属于同种类型。选项C,碘和干冰均属于分子晶体,二者升华都是克服范德华力,属于同种类型。
一
二
对点训练1-2四种物质的某些性质如下表所示:
晶体类型:单质硫是 晶体;单质硼是 晶体;氯化铝是 晶体;苛性钾是 晶体。?
答案:分子 共价 分子 离子
物质
熔点/℃
沸点/℃
其他性质
单质硫
120.5
271.5
—
单质硼
2
300
2
550
硬度大
氯化铝
190
182.7
177.8
℃升华
苛性钾
300
1
320
晶体不导电,熔融态导电
一
二
解析:单质硫为非金属单质,由于其熔、沸点都较低,则晶体为分子晶体;单质硼为非金属单质,其熔、沸点都很高,则晶体为共价晶体;氯化铝为化合物,其熔、沸点都较低,并能在较低温度下升华,则晶体为分子晶体;苛性钾为化合物,其熔、沸点较高,晶体不导电,熔融态导电,则晶体为离子晶体。
一
二
二、晶胞的化学组成与有关计算
典例2完成下列空白:
(1)(四川理综)氧与钠所形成的一种离子化合物Na2O晶体的晶胞如图所示,则图中黑球代表的离子是 (填离子符号)。?
一
二
(2)(全国理综)某镍白铜合金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d
g·cm-3,晶胞参数a=
nm。?
一
二
(3)(全国理综)GaAs的熔点为1
238
℃,密度为ρ
g·cm-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MGa
g·mol-1和MAs
g·mol-1,原子半径分别为rGa
pm和rAs
pm,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 。?
一
二
(4)(全国理综)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。如图为Ge单晶的晶胞,其中原子坐标参数A为(0,0,0);B为
。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=565.76
pm,其密度为
g·cm-3(列出计算式即可)。?
一
二
答案:(1)Na+
解析:(1)由“均摊法”可知晶胞中白球有4个,黑球有8个,由化学式Na2O可知黑球代表钠离子。
一
二
一
二
方法点拨
1.均摊法确定晶胞的化学组成
(1)方法:
晶胞中任意位置上的一个原子如果是被n个晶胞所共有,那么,每个原子对这个晶胞的贡献就是
。
一
二
(2)类型:
①长方体(含正方体)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献:
一
二
②非长方体晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定。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)对六边形的贡献为
。再如图所示的正三棱柱形晶胞中:
一
二
2.晶体密度及微粒间距离的计算
(1)计算晶体密度的方法:
一
二
对点训练2完成下列空白:
(1)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能级上有4个电子。元素Z的原子最外层电子数是其内层的3倍。
X与Y所形成的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 。?
一
二
(2)RCl可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。?
一
二
(3)已知M元素的原子核外有26个运动状态完全不相同的电子,且M元素对应的单质在形成晶体时,采用如图所示的堆积方式,则这种堆积模型的配位数为 。?
如果M的原子半径为a
cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则计算此单质的密度表达式为
g·cm-3(不必化简)。?
一
二
(4)ZnS的晶胞结构如图所示,其晶胞边长为x
pm,则ZnS晶体的密度为
g·cm-3(列式即可,NA表示阿伏加德罗常数的值);a与b之间的距离为
pm(用含x的式子表示)。?
一
二
答案:(1)①4 ②ZnS
(2)Cu 4
解析:(1)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。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S2-在晶胞内部)。
(2)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。
一
二第三章测评
(时间:90分钟 满分:100分)
可能用到的相对原子质量:C
12 N
14 Ti
48 Fe
56
一、选择题(本题包括10个小题,每小题只有一个选项符合题意。每小题2分,共20分)
1.下列说法正确的是( )
A.金属晶体的熔点都比分子晶体的熔点高
B.在金属晶体中,自由电子与金属离子的碰撞有能量传递,可以用此来解释金属的导热性
C.金属键可以看作是许多原子共用许多电子所形成的强烈相互作用,所以和共价键类似,也有饱和性和方向性
D.NaCl和SiC晶体熔化时,克服的粒子间作用力类型相同
答案B
解析金属Hg的熔点比分子晶体I2的熔点低,A错误;金属中自由电子受热后运动速率增大,与金属离子碰撞频率增大,传递了能量,故金属有良好的导热性,B正确;金属键是金属阳离子和自由电子之间的强烈相互作用,自由电子为整个金属的所有阳离子共有,所以金属键没有方向性和饱和性,而共价键有方向性和饱和性,C错误;NaCl晶体属于离子晶体,NaCl熔化需要克服离子键,SiC晶体属于共价晶体,熔化时需要克服共价键,D错误。
2.晶体具有各向异性。如蓝晶石(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
答案D
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。
3.下列说法正确的是( )
A.具有规则几何外形的固体一定是晶体
B.NaCl晶体中与每个Na+距离相等且最近的Na+共有12个
C.熔点由高到低:NaI>NaBr>NaCl>NaF
D.含有共价键的晶体一定具有较高的熔、沸点及硬度
答案B
解析具有规则几何外形的固体不一定是晶体,判断是否晶体的关键是看固体物质是否具有各向异性及是否具有固定的熔点,A错误;采用沿x、y、z三轴切割的方法可知,氯化钠晶胞中与每个Na+距离相等且最近的Na+个数是12,B正确;离子键强弱与离子半径、离子电荷有关,从F-到I-,其离子半径逐渐增大,所以离子键由强到弱、熔点由高到低的顺序为NaF>NaCl>NaBr>NaI,C错误;含有共价键的晶体不一定具有高的熔、沸点及硬度,如分子晶体的熔、沸点及硬度较低,D错误。
4.玻璃是常见的非晶体,在生产、生活中有着广泛的用途,下图是玻璃的结构示意图,有关玻璃的下列说法错误的是( )
石英玻璃的结构模型
A.玻璃内部微粒排列是无序的
B.玻璃熔化时吸热,温度不断上升
C.光纤和玻璃的主要成分都可看成是SiO2,二者都是非晶体
D.利用X-射线衍射实验可以鉴别玻璃和水晶
答案C
解析根据玻璃的结构示意图可知,构成玻璃的粒子的排列是无序的,所以玻璃是非晶体,没有固定的熔点,A、B两项说法正确;区分晶体与非晶体的最科学的方法是对固体进行X-射线衍射实验,D项说法正确。
5.下列判断正确的是( )
A.因为共价键有饱和性和方向性,所以共价晶体不遵循“紧密堆积”原理
B.稳定性按HF、HCl、HBr、HI逐渐减弱,根本原因是分子间作用力逐渐减小
C.晶体中一定存在化学键,金属晶体熔点一定很高
D.固体SiO2一定是晶体
答案A
解析稳定性按HF、HCl、HBr、HI逐渐减弱是因为共价键的键能逐渐减小,B错。晶体中可能不含有化学键,如稀有气体形成的晶体;金属晶体的熔点不一定很高,金属晶体的熔点有的很高,如钨,有的很低,如常温下呈液态的汞,C错。自然界中存在的无定形SiO2不是晶体,如硅藻土等,D错。
6.科学家曾合成了一系列具有独特化学特性的氢铝化合物(AlH3)n。已知,最简单的氢铝化合物的分子式为Al2H6,它的熔点为110
℃,燃烧热极高。Al2H6球棍模型如图。下列有关说法肯定错误的是( )
A.Al2H6在固态时所形成的晶体是分子晶体
B.氢铝化合物可能成为未来的储氢材料和火箭燃料
C.Al2H6在空气中完全燃烧,产物为氧化铝和水
D.Al2H6中含有离子键和极性共价键
答案D
解析由题意“最简单的氢铝化合物的分子式为Al2H6,它的熔点为110
℃”可知,该晶体为分子晶体,H—Al键为共价键,而不是离子键,故D错。
7.下面的排序不正确的是( )
A.晶体熔点由低到高:CF4B.熔点由高到低:Na>Mg>Al
C.硬度由大到小:金刚石>碳化硅>晶体硅
D.离子键由强到弱:MgO>CaO>NaF>NaCl
答案B
解析A项中的四种物质都形成分子晶体,相对分子质量越大,熔点越高,A正确;B项中三种物质形成金属晶体,金属键由强到弱的顺序为Al>Mg>Na,熔点由高到低应为Al>Mg>Na,B错;C项中的三种物质形成共价晶体,共价键的键能C—C>C—Si>Si—Si,C正确;D项中四种物质形成离子晶体,离子所带电荷Ca2+=Mg2+>Na+,O2->F-=Cl-,离子半径Ca2+>Na+>Mg2+,Cl->O2->F-,D正确。
8.已知某化合物的晶胞是由以下最小单元密堆积而成的,关于该化合物的以下叙述中正确的是( )
A.1
mol该晶胞中有2
mol
Y
B.1
mol该晶胞中有6
mol
O
C.1
mol该晶胞中有2
mol
Ba
D.该化合物的化学式是YBa2Cu3O6
答案C
解析由图中可以看出,白球代表的Y原子位于长方体的八个顶点上,大黑球代表的Ba原子位于长方体的四条棱上,黑▲代表的Cu原子位于长方体的内部(共有三个),小黑球代表的O原子有2个位于长方体的内部、有10个位于长方体的面上,分别运用均摊法可计算出该结构单元实际含有的各原子个数,进而可确定该化合物的化学式。Y原子个数为8×=1,Ba原子个数为8×=2,Cu原子个数为3,O原子个数为10×+2=7。
9.已知晶格能的大小可以反映离子晶体中离子键的强弱,晶格能越大,离子键越强。下表是几种物质的晶格能数据:
物质
NaF
MgF2
AlF3
MgO
CaO
SrO
BaO
923
2
957
5
492
3
791
3
401
E
1
918
由此表中数据不能得出的结论是( )
A.同一周期的金属元素与某一种非金属元素形成的化合物,从左到右晶格能增大
B.E的数值介于3
401
kJ·mol-1与1
918
kJ·mol-1之间
C.晶格能的大小与成键离子核间距的大小、离子所带电荷的高低有关
D.当MgO、CaO能电离成金属离子与O2-时,MgO所需要的温度低于CaO
答案D
解析Na、Mg、Al属于同一周期,与氟形成的化合物晶格能数据增大,A项正确;Mg、Ca、Sr、Ba属于同一主族,由表中数据知,从MgO到BaO晶格能减小,B项正确;三种氟化物中,从钠到铝,离子半径是减小的,成键离子核间距也是减小的,但阳离子所带电荷依次增多,从表中后四种氧化物晶格能大小变化看,核间距越小,晶格能越大,因此晶格能的差异是由离子所带电荷数不同和离子核间距大小不同造成的,C项正确;由电离生成的离子有O2-可知,它们的电离是在熔化状态下进行的,MgO的晶格能大,熔点应比CaO的高,D项错误。
10.下列说法正确的是( )
A.金刚石晶体中的最小碳原子环由6个碳原子构成
B.Na2O2晶体中阴离子与阳离子数目之比为1∶1
C.1
mol
SiO2晶体中含2
mol
Si—O键
D.金刚石化学性质稳定,即使在高温下也不会与O2反应
答案A
解析Na2O2的电子式为Na+[∶∶]2-Na+,,B项错误;1
mol
SiO2晶体中含有4
mol
Si—O键,C项错误;金刚石高温下可与O2反应生成CO2,D项错误。
二、选择题(本题包括5个小题,每小题有1~2个选项符合题意。每小题4分,共20分)
11.下列关于物质特殊聚集状态结构的叙述中,错误的是( )
A.等离子体的基本构成微粒的排列是带电的离子或电子及不带电的分子或原子
B.非晶体基本构成微粒的排列相对无序
C.液晶内部分子的长轴趋向一致,使液晶具有各向异性
D.纳米材料具有不同于大块晶体的特性,主要原因是纳米材料不再是晶体
答案D
解析纳米材料具有不同于大块晶体的特性,主要原因是晶体的表面积增大。
12.下列说法正确的是( )
A.NaOH在熔融状态下离子键被削弱,形成自由移动的离子,具有导电性
B.足球烯(C60)的沸点可达500
℃左右,故足球烯为共价晶体
C.干冰和NaCl晶体转变为液态时,所克服的作用力相同
D.NH3的熔、沸点较PH3高,主要是因为氨分子间可以形成氢键
答案AD
解析NaOH在熔融状态下离子键被削弱,形成自由移动的离子,具有导电性,A项正确;足球烯为分子晶体,B项错误;干冰为固态二氧化碳,转化为液态时需要克服范德华力,而NaCl晶体变为液态,需要克服离子键,C项错误;NH3和PH3均为分子晶体,NH3的熔、沸点较PH3高的原因是NH3分子间可以形成氢键,D项正确。
13.下列关于晶体的叙述正确的是( )
A.分子晶体中,共价键的键能越大,熔、沸点越高
B.石墨为混合晶体,层内碳原子以共价键相连,熔点高
C.共价晶体中,共价键的键能越大,熔、沸点越高
D.某晶体溶于水后,可电离出自由移动的离子,该晶体一定是离子晶体
答案BC
解析分子晶体中,共价键的键能越大,该物质的稳定性越强,而分子间的作用力越大,熔、沸点越高,所以不能根据键能的大小判断分子晶体的熔、沸点高低,A项错误;石墨层内碳原子通过共价键连接,熔化时需破坏共价键,导致熔点高,B项正确;共价晶体中,共价键的键能越大,晶体熔、沸点越高,C项正确;某些共价化合物溶于水后也可电离出自由移动的离子,如HCl等,D项错误。
14.朱经武(PaulChu)教授等发现钇钡铜氧化合物在90
K时即具有超导性,该化合物的部分结构如图所示:
该化合物以Y2O3、BaCO3和CuO为原料,经研磨烧结而成,其原料配比(物质的量之比)为( )
A.1∶1∶1
B.1∶4∶6
C.1∶2∶3
D.2∶2∶3
答案B
解析晶胞中钡原子个数为2,铜原子个数为×8+×8=3,钇原子个数为1,则Y2O3、BaCO3、CuO之比为∶2∶3=1∶4∶6。
15.如图所示,铁有δ、γ、α三种晶体,三种晶体在不同温度下能发生转化。下列说法正确的是( )
δ-Fe γ-Fe α-Fe
A.γ-Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有6个
B.α-Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有6个
C.将铁加热到1
500
℃分别急速冷却和缓慢冷却,得到的晶体类型相同
D.若α-Fe晶胞边长为a
cm,γ-Fe晶胞边长为b
cm,则两种晶体的密度比为b3∶a3
答案B
解析γ-Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子为12个,A错误;α-Fe晶体中与每个铁原子距离相等且最近的铁原子有6个,B正确;冷却到不同的温度,得到的晶体类型不同,C错误;一个α-Fe晶胞中含有铁原子的个数为1,体积为a3
cm3,用NA表示阿伏加德罗常数的值,密度为
g·cm-3,一个γ-Fe晶胞中含有铁原子的个数为4,体积为b3
cm3,密度为
g·cm-3,则二者的密度之比为b3∶4a3,D错误。
三、非选择题(本题包括5个小题。共60分)
16.(6分)(1)(CH3)3NH+和[AlCl4]-可形成离子液体。离子液体由阴、阳离子组成,熔点低于100
℃,其挥发性一般比有机溶剂 (填“大”或“小”),可用作 (填代号)。?
a.助燃剂
b.“绿色”溶剂
c.复合材料
d.绝热材料
(2)在纳米级的空间中,水的结冰温度是怎样的呢?为此,科学家对不同直径碳纳米管中水的结冰温度进行分析。下图是四种不同直径碳纳米管中的冰柱结构及结冰温度,冰柱的大小取决于碳纳米管的直径。水在碳纳米管中结冰的规律是 。?
答案(每空2分)(1)小 b
(2)碳纳米管直径越大,结冰温度越低
解析(1)由(CH3)3NH+和[AlCl4]-形成的离子液体,阴、阳离子间的作用力肯定大于有机溶剂分子间的范德华力,因此其挥发性一般比有机溶剂小;该离子液体不助燃;不属于复合材料;由阴、阳离子形成的离子液体,应该具有导热性,不可能用作绝热材料。
(2)由题图可知,随着碳纳米管直径的增大,结冰温度依次为27
℃、7
℃、-53
℃、-83
℃,即碳纳米管直径越大,结冰温度越低。
17.(14分)请填写下列空白:
(1)氯酸钾熔化时,微粒间克服了 ;二氧化硅熔化时,微粒间克服了 ;碘升华时,微粒间克服了 。三种晶体熔点由高到低的顺序是 。?
(2)下列六种晶体:①干冰 ②NaCl ③Na ④晶体Si ⑤CS2 ⑥金刚石,它们的熔点由低到高的顺序为 (填序号)。?
(3)在H2、(NH4)2SO4、SiC、CO2、HF中,由极性键形成的非极性分子有 ,由非极性键形成的非极性分子有 ,能形成分子晶体的物质是 ,晶体内含氢键的物质的化学式是 ,属于离子晶体的是 ,属于共价晶体的是 ,五种物质的熔点由高到低的顺序是 。?
答案(除有标注的外,每空1分)(1)离子键 共价键 范德华力 二氧化硅>氯酸钾>碘
(2)①⑤③②④⑥(2分)
(3)CO2 H2 H2、CO2、HF HF (NH4)2SO4 SiC SiC>(NH4)2SO4>HF>CO2>H2(2分)
解析(1)氯酸钾为离子晶体,熔化时应克服离子键;SiO2为共价晶体,熔化时应克服共价键;碘为分子晶体,升华时应克服范德华力。
(2)一般说来,晶体的熔点为:共价晶体>离子晶体>分子晶体,金属晶体熔点变化较大,CO2和CS2与Na相比,Na常温下是固体,而CS2为液体,CO2为气体,可知熔点由低到高顺序为:CO2(3)在所给的物质中,属于非极性分子的是H2和CO2,其中H2由非极性键形成,而CO2由极性键形成;H2、CO2、HF在常温下都是气体,形成的是分子晶体,其中HF分子间能形成氢键;(NH4)2SO4是铵盐,形成的是离子晶体;SiC是由硅原子和碳原子形成的共价晶体。
18.(14分)碳及其化合物的用途广泛,碳元素不仅能形成丰富多彩的有机化合物,而且还能形成多种无机化合物,同时自身可以形成多种单质。
(1)C60分子形成的晶体中,在晶胞的顶点和面心均含有一个C60分子,则一个C60晶胞的质量为 。?
(2)干冰和冰是两种常见的分子晶体,下列关于两种晶体的比较正确的是 。?
a.晶体的密度:干冰>冰
b.晶体的熔点:干冰>冰
c.晶体的空间利用率:干冰>冰
d.晶体中分子间相互作用力类型相同
(3)金刚石和石墨是碳元素形成的两种常见单质,下列关于这两种单质的叙述正确的有 。?
a.金刚石中碳原子的杂化类型为sp3杂化,石墨中碳原子的杂化类型为sp2杂化
b.晶体中共价键的键长:金刚石中C—C<石墨中C—C
c.晶体的熔点:金刚石>石墨
d.晶体中共价键的键角:金刚石>石墨
e.金刚石晶体中只存在共价键,石墨晶体中则存在共价键和范德华力
f.金刚石和石墨的熔点都很高,所以金刚石和石墨都是共价晶体
(4)金刚石晶胞结构如图所示,立方BN结构与金刚石相似,在BN晶体中,B原子周围最近的N原子所构成的空间结构为 ,一个晶胞中N原子数目为 。?
(5)碳与孔雀石共热可以得到金属铜,金属铜采用面心立方最密堆积,即在晶胞的顶点和面心均含有一个Cu原子,则Cu晶体中与一个Cu原子距离最近的铜原子数为 。已知Cu晶体的密度为ρ
g·cm-3,Cu的相对原子质量为M,阿伏加德罗常数为NA,则Cu的原子半径为
cm。?
答案(每空2分)(1)
g
(2)ac
(3)ae
(4)正四面体 4
(5)12
解析(1)C60形成的分子晶体,满足分子密堆积,其晶胞结构为面心立方结构,故每个晶胞中含有4个C60分子,故一个C60晶胞的质量为240个碳原子的质量,即
g。
(2)干冰晶体中CO2分子间只存在范德华力,其结构是分子密堆积;而冰晶体中存在氢键,由于氢键具有方向性,冰中水分子不是密堆积,故密度:干冰>冰;熔点:冰>干冰;空间利用率:干冰>冰。
(3)由于晶体中共价键的键长:金刚石中C—C>石墨中C—C,b错;熔点:金刚石<石墨,c错;金刚石中键角为109°28',而石墨中键角为120°,d错;石墨是混合型晶体,f错。
(4)在BN晶体中B原子与N原子交替出现,故每个B原子周围有4个N原子,每个N原子周围也有4个B原子,形成正四面体结构;在金刚石晶胞中共有碳原子个数=8×+6×+4=8(个),故在BN晶胞中B原子和N原子各4个。
(5)由于铜采用面心立方最密堆积,与一个铜原子最近的铜原子数为12;每个晶胞中含有4个铜原子,且面对角线上的3个铜原子相切,设铜原子半径为r,则有(2r)3×ρ=,故r=
cm。
19.(12分)金属钛(Ti)被誉为“21世纪金属”,具有良好的生物相容性,它兼具铁的高强度和铝的低密度。其单质和化合物具有广泛的应用价值。氮化钛(Ti3N4)为金黄色晶体,由于具有令人满意的仿金效果,越来越多地成为黄金的代替品。以TiCl4为原料,经过一系列反应可以制得Ti3N4和纳米TiO2(如图Ⅰ)。
Ⅰ
图Ⅰ中的M是短周期金属元素,M的部分电离能如下表所示:
I1
I2
I3
I4
I5
电离能/(kJ·mol-1)
738
1
451
7
733
10
540
13
630
请回答下列问题:
(1)Ti的基态原子外围电子排布式为 。?
(2)M是 (填元素符号)。?
(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,用纳米TiO2催化的反应实例如图Ⅱ所示。化合物甲的分子中采取sp2方式杂化的碳原子有 个,化合物乙中采取sp3方式杂化的原子对应的元素的电负性由大到小的顺序为 。?
Ⅱ
Ⅲ
(4)有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似,如图Ⅲ所示,该晶胞中N、Ti之间的最近距离为a
pm,则该氮化钛的密度为
g·cm-3(NA为阿伏加德罗常数的值,只列计算式)。该晶体中与N原子距离相等且最近的N原子有 个。?
答案(每空2分)(1)3d24s2
(2)Mg
(3)7 O>N>C
(4) 12
解析(1)Ti为22号元素,根据核外电子排布规律可知,原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2。
(2)M是短周期金属元素,M的第三电离能剧增,则M处于第ⅡA族,能与TiCl4反应置换出Ti,则M为Mg。
(3)化合物甲的分子中采取sp2杂化的碳原子:苯环上的六个、羰基中的一个,共7个;采取sp3杂化的原子的价层电子对数是4,乙中采取sp3杂化的原子有C、N、O,同一周期元素中,元素电负性随着原子序数增加而逐渐增大,所以它们的电负性关系为O>N>C。
(4)根据均摊法,可知该晶胞中N原子个数为6×+8×=4,该晶胞中Ti原子个数为1+12×=4,所以晶胞的质量m=
g,而晶胞的体积V=(2a×10-10)3
cm3,所以晶体的密度ρ=
g·cm-3;以晶胞顶点N原子进行研究,与之距离相等且最近的N原子处于面心位置,每个顶点为8个晶胞共用,每个面为2个晶胞共用,故与之距离相等且最近的N原子为=12。
20.(14分)钛被称为继铁、铝之后的“第三金属”,制备金属钛的一种流程如下:
回答下列问题:
(1)基态铁原子的价电子轨道表示式为 ,其原子核外共有 种运动状态不相同的电子。?
(2)已知TiCl4在通常情况下是无色液体,熔点为-37
℃,沸点为136
℃,可知TiCl4形成的晶体为 晶体。?
(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,用其催化的一个反应实例如下所示。化合物乙的沸点明显高于化合物甲,主要原因是 。化合物乙中采取sp3杂化的原子的第一电离能由大到小的顺序为 。?
(4)硫酸氧钛晶体中阳离子为链状聚合形式的离子,结构如图1所示。该阳离子中Ti与O的原子数之比为 ,其化学式为 。?
图1 图2
(5)钙钛矿晶体的结构如图2所示。钛离子位于立方晶胞的顶角,被 个氧离子包围成配位八面体;钙离子位于立方晶胞的体心,被 个氧离子包围。钙钛矿晶体的化学式为 。?
答案(除有标注的外,每空1分)
(1)(2分) 26
(2)分子
(3)化合物乙分子间能够形成氢键(2分) N>O>C(2分)
(4)1∶1 TiO2+(或[TiO)
(5)6 12 CaTiO3(2分)
解析(2)由于TiCl4在通常情况下是无色液体,熔、沸点较低,说明其组成微粒间的作用力很微弱,应是范德华力,故TiCl4固态属于分子晶体。
(3)由于化合物乙中存在—NH2,则化合物乙分子间能形成氢键,故其沸点明显高于化合物甲。化合物乙中的C、N、O三种原子都有4个价层电子对,则都是采取sp3杂化,同周期元素原子的第一电离能从左到右呈增大趋势,但由于N原子的2p能级处于半充满状态,结构稳定,其第一电离能比同周期相邻元素的第一电离能大,故三种元素的第一电离能由大到小的顺序为N>O>C。
(4)由硫酸氧钛晶体中阳离子的链状聚合结构图,可知该阳离子中Ti与O的原子数之比为1∶1,Ti为+4价,O为-2价,故该离子的化学式为TiO2+(或[TiO)。
(5)由钙钛矿晶体的结构,可知钛离子位于立方晶胞的顶角,被6个氧离子包围成配位八面体;钙离子位于立方晶胞的体心,被12个氧离子包围,晶胞的12个边长上各有一个氧离子,根据均摊法,可知一个晶胞中有1个钙离子、1个钛离子(8×=1)和3个氧离子(12×=3),故该钙钛矿晶体的化学式为CaTiO3。
