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第1课时 金属晶体与离子晶体
1.能用金属键和离子键的理论解释金属晶体和离子晶体的物理性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.了解金属晶体的三种原子堆积模型和几种典型离子晶体的晶胞结构,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
知识铺垫
必备知识
正误判断
1.金属常见的物理通性:有金属光泽、良好的导电、导热性、有
延展性。
2.离子化合物:由阳离子和阴离子构成的化合物。活泼金属(如钠、钾、钙、镁等)与活泼非金属(如氟、氯、氧、硫等)相互化合时,活泼金属失去电子形成带正电荷的阳离子(如Na+、K+、Ca2+、Mg2+等),活泼非金属得到电子形成带负电荷的阴离子(如F-、Cl-、O2-、S2-等),阳离子和阴离子靠静电作用形成了离子化合物。
知识铺垫
必备知识
正误判断
一、金属晶体
1.金属晶体的定义及结构特点
(1)金属晶体的定义:金属原子通过金属键形成的晶体称为金属晶体。
(2)金属键:金属阳离子和“自由电子”之间的强的相互作用。
(3)金属键的特点:由于自由电子为整个金属所共有,所以金属键没有饱和性和方向性,从而导致金属晶体最常见的结构型式具有堆积密度大,原子配位数高,能充分利用空间等特点。
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.常见金属晶体的结构
常见
金属
Ca、Al、Cu、Ag、Au、Pd、Pt
Li、Na、K、Ba、W、Fe
Mg、Zn、Ti
结构
型式
面心立方最密堆积
体心立方堆积
六方最密堆积
结构
示意图
?
?
?
知识铺垫
必备知识
正误判断
3.金属的延展性
当金属受到外力作用时,晶体中密堆积层的金属原子之间比较容易产生滑动,但密堆积的排列方式不变,而且在滑动过程中“自由电子”能够维系整个金属键的存在,即各层之间始终保持着金属键的作用,因此金属晶体虽然发生了形变但不致断裂,所以金属通常有良好的延性、展性和可塑性。
知识铺垫
必备知识
正误判断
【微思考1】金属在通常状况下都是晶体吗?
提示:不都是晶体,如汞。
【微思考2】为什么组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时,在空间的排列大都服从紧密堆积原理?
提示:因为在金属晶体中,金属键没有方向性和饱和性,因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围,并以密堆积方式降低体系的能量,使晶体变得比较稳定。
知识铺垫
必备知识
正误判断
二、离子晶体
1.定义及结构特点
(1)定义:阴、阳离子在空间呈现周期性重复排列形成的晶体。
(2)结构特点:
①构成微粒:阴离子和阳离子,离子晶体中不存在单个分子。
②微粒间的作用力:离子键。
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.常见的离子晶体
晶胞
?
?
?
?
晶胞中
微粒数
Na+、Cl-都
为4
Cs+、Cl-都
为1
Zn2+、S2-都
为4
F-为8,
Ca2+为4
阴、阳
离子
个数比
1∶1
1∶1
1∶1
2∶1
化学式
NaCl
CsCl
ZnS
CaF2
符合
类型
Li、Na、K、Rb的卤化物,
AgF、MgO等
CsBr、CsI、
NH4Cl等
BeO、BeS等
BaF2、PbF2、
CeO2等
知识铺垫
必备知识
正误判断
3.晶格能
(1)定义:将1
mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量。
(2)意义:吸收的能量越多,晶格能越大,表示离子键作用力越强,离子晶体越稳定。晶格能通常取正值,单位:kJ·mol-1。
(3)影响因素:
分析下面表格中有关数据,总结规律。
晶体
离子间距/pm
晶格能/(kJ·mol-1)
熔点/℃
NaCl
276
787
801
NaBr
290
736
750
NaI
311
686
662
MgO
205
3
890
2
800
知识铺垫
必备知识
正误判断
规律:离子半径越小,离子所带电荷越多,晶格能越大;反之,越小。除此之外,晶格能的大小还与离子晶体的结构类型有关。
事实上,离子晶体远比我们想象的要复杂,构成晶体的离子未必都是单原子离子,如
等阳离子,以及
、CH3COO-、苯甲酸
根离子(
)等阴离子。在由这些离子构成的离子晶体中,
随着离子体积的增大,阴、阳离子间的距离增大,离子之间的作用力减弱,晶体的熔点也随之降低。在许多离子化合物的晶体中,微粒之间的相互作用不再是典型的离子键,而存在氢键、范德华力等作用力。这些晶体的熔点远比NaCl等晶体低得多,有些离子构成的物质在常温下甚至以液态形式存在。
知识铺垫
必备知识
正误判断
【微思考3】晶格能与晶体的熔点、硬度有怎样的关系?
提示:结构相似的离子晶体,晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,晶体的熔、沸点越高,硬度越大。
知识铺垫
必备知识
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
1.金属能导电,所以金属晶体是电解质。( )
2.金属晶体和电解质溶液在导电时均发生化学变化。( )
3.金属晶体只有还原性,没有氧化性。( )
4.离子晶体全部为离子化合物。( )
5.离子晶体中一定含金属阳离子。( )
6.离子晶体的晶格能越大,熔、沸点越高。( )
7.NaCl晶体中含阴、阳离子,能导电。( )
答案:1.× 2.× 3.√ 4.√ 5.× 6.√ 7.×
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
金属晶体的结构与物理性质
问题探究
1.影响金属键强弱的因素是什么?
提示:金属阳离子的半径大小和“自由电子”数目(或金属阳离子所带电荷数)的多少。
2.晶体中,有金属阳离子是否一定有阴离子?
提示:不一定,如金属晶体中有金属阳离子,但无阴离子。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.金属物理通性的解释
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.金属晶体熔、沸点的规律
(1)同类型的金属晶体的熔点由金属阳离子半径、离子所带的电荷数决定,阳离子半径越小,所带电荷越多,金属键就越强,晶体熔点就越高。例如熔点:Li>Na>K>Rb>Cs,Na
(2)金属晶体的熔点差别较大,如Hg熔点很低,碱金属熔点较低,铁等金属熔点很高。这是由于金属晶体密堆积方式、金属阳离子和“自由电子”的作用力不同造成的。
(3)一般来说,同一周期主族金属单质的熔点由左到右逐渐升高,同一主族金属单质的熔点自上而下逐渐降低。
(4)合金的熔点一般低于其成分金属的熔点。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
【微点拨】金属的导电性、导热性与“自由电子”的运动有关,金属具有金属光泽与“自由电子”有关;金属的延展性与金属键有关,金属的熔点和硬度与金属键的强弱有关。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例1(2020山东东营一中高二检测)金属晶体的熔点高低和硬度大小一般取决于金属键的强弱,而金属键的强弱与金属阳离子所带电荷的多少及半径大小相关。由此判断下列说法正确的是( )
A.金属镁的硬度大于金属铝
B.碱金属单质的熔点从Li到Cs逐渐升高
C.金属镁的熔点高于金属钠
D.金属镁的硬度小于金属钙
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:C
解析:镁离子比铝离子的半径大,且所带的电荷少,所以金属镁比金属铝的金属键弱,金属镁的硬度小于铝;从Li到Cs,离子的半径逐渐增大,金属键逐渐减弱,熔点逐渐降低;Mg2+比Na+的半径小而所带电荷多,金属键强,所以金属镁比金属钠的熔点高;镁离子比钙离子的半径小,金属键强,所以金属镁比金属钙的硬度大。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-1金属晶体堆积密度大,能充分利用空间的原因是( )
A.金属原子价电子数少
B.金属晶体中有“自由电子”
C.金属原子的半径大
D.金属键没有饱和性和方向性
答案:D
解析:由于金属键无饱和性和方向性,从而使金属晶体堆积密度大,空间利用率高。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-2(2020天津实验中学高二月考)金属的下列性质中,与自由电子无关的是( )
A.密度大小
B.容易导电
C.延展性好
D.易导热
答案:A
解析:金属密度大小与自由电子无关,A符合题意;金属容易导电,是由于自由电子可在外加电场的作用下定向移动形成电流,B不符合题意;金属发生形变时,自由电子仍然可以在金属离子之间流动,使金属不会断裂,C不符合题意;金属内自由电子和金属阳离子发生碰撞,可引起二者的能量交换,所以易导热,D不符合题意。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
离子晶体的结构与性质
问题探究
1.观察CaF2晶体的晶胞示意图,回答下列问题:
该晶胞中含有的Ca2+数目、F-数目分别是多少?
提示:4、8。
2.在熔融状态导电的化合物形成的晶体一定属于离子晶体吗?
提示:一定属于离子晶体。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.离子晶体的结构
(1)构成离子晶体的微粒是阴、阳离子,微粒间的相互作用是离子键。
(2)由于离子键无方向性和饱和性,只要条件允许,每个离子周围尽可能多地吸引带相反电荷的离子。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.常见的离子晶体模型
(1)NaCl晶体结构模型
①在NaCl晶体中,每个Na+周围同时吸引着6个Cl-,每个Cl-周围也同时吸引着6个Na+。
②每个Na+周围与它最近且等距离的Na+有12个,每个Na+周围与它最近且等距离的Cl-有6个。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
(2)CsCl晶体结构模型
①在CsCl晶体中,每个Cs+周围同时吸引着8个Cl-,每个Cl-周围也同时吸引着8个Cs+。
②每个Cs+与6个Cs+等距离相邻,每个Cs+与8个Cl-等距离相邻。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
3.离子晶体的物理性质
(1)离子晶体的物理性质
离子晶体一般具有较高的熔点,硬而脆,晶体不导电,熔融状态或溶于水发生电离,形成自由移动离子,能够导电。一般易溶于水,难溶于非极性溶剂。
(2)离子晶体熔点的比较
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
【微点拨】(1)离子晶体中不存在分子,化学式仅表示晶体中阴、阳离子最简整数比。
(2)离子晶体区别于其他晶体的突出特点是晶体固态时不导电但熔融状态下能导电。而金属晶体无论在固态还是熔融状态都可以导电。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例2(2020山西实验中学高二检测)如图为NaCl和CsCl的晶体结构,下列说法错误的是( )
A.NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体
B.NaCl和CsCl晶体中阴、阳离子个数比相同
C.NaCl和CsCl晶体中阳离子的配位数分别为6和8
D.NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体,所以阳离子与阴离子的半径比相同
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:D
解析:NaCl和CsCl都是由阴、阳离子通过离子键构成的晶体,阴、阳离子个数之比都为1∶1,则都属于AB型的离子晶体,故A、B正确;结合题图可知,NaCl晶体结构中,钠离子的配位数为6,CsCl晶体结构中,铯离子的配位数为8,故C正确;NaCl和CsCl都属于AB型的离子晶体,但钠离子半径小于铯离子半径,则NaCl的阳离子与阴离子的半径比小于CsCl的,故D错误。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-1(1)NaCl和CsCl哪种晶体的熔点高?解释原因。
答案:(1)NaCl。原因是Cs+半径大于Na+半径,晶格能NaCl>CsCl,故熔点NaCl>CsCl。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-2(2020山东临朐实验中学高二检测)下列说法中正确的是( )
A.固态时能导电的晶体一定是金属晶体
B.熔融态能导电的晶体一定是离子晶体
C.水溶液能导电的晶体一定是离子晶体
D.固态不导电而熔融态导电的晶体一定是离子晶体
答案:D
解析:石墨晶体不是金属晶体,但固态时也能导电,A错;金属晶体,无论是固态还是熔融态都能导电,B错;CH3COOH的水溶液也能导电,C错;离子晶体是由阴、阳离子构成的,固态时阴、阳离子不能自由移动,不导电,而熔融状态时,离子化合物发生电离产生自由移动的离子,能够导电,D正确。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-3根据表格数据回答下列有关问题:
(1)已知NaBr、NaCl、MgO等离子晶体的核间距离和晶格能如下表所示:
?
NaBr
NaCl
MgO
离子的核间距/pm
290
276
205
晶格能/(kJ·mol-1)
?
787
3
890
①NaBr晶体比NaCl晶体晶格能 (填“大”或“小”),主要原因是 。?
②MgO晶体比NaCl晶体晶格能大,主要原因是 。?
③NaBr、NaCl和MgO晶体中,熔点最高的是 。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
(2)Cu2O的熔点比Cu2S的 (填“高”或“低”),请解释原因: ?
。?
其原因是 。?
答案:(1)①小 NaBr的离子核间距比NaCl的大 ②氧化镁晶体中的阴、阳离子所带电荷更多,并且离子的核间距更小 ③MgO
(2)高 O2-半径小于S2-半径,Cu2O的离子键强于Cu2S的离子键,所以Cu2O的熔点比Cu2S的高
(3)> 两者均为离子化合物,且阴、阳离子所带电荷数均为1,但后者离子半径大,离子键较弱,因此熔点较低
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
1.(2020山东日照第一中学高二检测)下列关于金属晶体的叙述正确的是( )
A.常温下,金属单质都以金属晶体形式存在
B.金属阳离子与自由电子之间的强烈作用,在一定外力作用下,不因形变而消失
C.钙的熔、沸点低于钾
D.温度越高,金属的导电性越好
答案:B
解析:A项,Hg在常温下为液态;C项,r(Ca2+)K,故熔、沸点Ca>K;D项,金属的导电性随温度升高而降低。
探究1
探究2
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2.(2020江苏无锡第一中学高二检测)已知某金属晶体的晶胞结构如图所示,则与该晶胞中任意一个顶点的原子距离相等且最近的原子数为( )
A.6
B.4
C.8
D.12
答案:D
解析:与该晶胞中任意一个顶点的原子距离相等且最近的原子共有12个。
探究1
探究2
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随堂检测
3.(2020天津天华实验中学高二检测)NaF、NaI、MgO均为离子化合物,这三种化合物的熔点高低顺序是( )
①NaF ②NaI ③MgO
A.①>②>③
B.③>①>②
C.③>②>①
D.②>①>③
答案:B
解析:离子化合物的熔点与离子键强弱有关,离子所带电荷越多,离子半径越小,离子键越强,该离子化合物的熔点越高。已知离子半径:Na+>Mg2+,I->O2->F-,可知NaI中离子键最弱,因MgO中的离子各带两个单位电荷,故离子键比NaF中的强。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
4.同类晶体物质熔点的变化是有规律的,试分析下表所列两组物质熔点呈规律性变化的原因:
A组物质
NaCl
KCl
CsCl
熔点(K)
1
074
1
049
918
B组物质
Na
Mg
Al
熔点(K)
317
923
933
晶体熔点的高低,决定于构成晶体微粒间的作用力的大小。A组是 晶体,晶体微粒之间通过 结合。B组晶体属 晶体,价电子数由少到多的顺序是 ,离子半径由大到小的顺序是 ,金属键强度由小到大的顺序是 。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:离子 离子键 金属 Nar(Mg2+)>r(Al3+) Na解析:A组中,NaCl、KCl、CsCl都是离子晶体,微粒之间通过离子键结合,从熔点数值来看,由1
074
K→1
049
K→918
K,熔点逐渐降低,这是因为由Na+→K+→Cs+,离子半径逐渐增大,离子键逐渐减弱,晶格能逐渐减小的缘故。B组中,Na、Mg、Al都是金属晶体,由于离子半径:r(Na+)>r(Mg2+)>r(Al3+),价电子数:Na第2节 几种简单的晶体结构模型
第2课时 共价晶体与分子晶体
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.(2020江苏启东中学高二检测)干冰、碘易升华是由于
( )
A.干冰分子、碘分子是非极性分子
B.键能小
C.化学性质不活泼
D.分子间的作用力较弱
答案D
解析干冰和碘均属于分子晶体,升华时只需要克服较弱的分子间作用力。
2.(2020云南昭通永善第二中学高二期末)科学家发现的一种新分子具有空心的类似足球的结构,分子式为C60,下列说法正确的是( )
A.C60是一种新型的化合物
B.C60和石墨都是碳的同素异形体
C.C60中虽然没有化学键,但其固体为分子晶体
D.C60的相对分子质量为720
g·mol-1
答案B
解析C60是单质,故A不正确;C60和石墨是碳的同素异形体,故B正确;C60中存在共价键,是分子晶体,故C不正确;C60的相对分子质量是720,故D不正确。
3.(2020江苏前黄高级中学高二检测)金刚石具有硬度大、熔点高等特点,大量用于制造钻头、金属切割刀具等。其结构如图所示,下列判断正确的是( )
A.金刚石中C—C键的键角均为109°28',所以金刚石和CH4的晶体类型相同
B.金刚石的熔点高与C—C键的键能无关
C.金刚石中碳原子个数与C—C键数目之比为1∶2
D.金刚石的熔点高,所以在打孔过程中不需要进行浇水冷却
答案C
解析选项A,金刚石是共价晶体,CH4是分子晶体,二者的晶体类型不同;选项B,金刚石熔化过程中C—C键断裂,因C—C键的键能大,断裂时需要的能量多,故金刚石的熔点很高;选项D,金刚石的熔点高,但在打孔过程中会产生很高的温度,如不浇水冷却钻头,会导致钻头熔化。
4.(2020四川绵阳南山中学高二检测)SiCl4的分子结构与CCl4相似,对其进行下列推测,不正确的是( )
A.SiCl4晶体是分子晶体
B.常温、常压下SiCl4是气体
C.SiCl4分子是由极性键形成的非极性分子
D.SiCl4的熔点高于CCl4
答案B
解析由于SiCl4具有分子结构,所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力大,熔、沸点比CCl4高。在常温、常压下SiCl4是液体。CCl4分子是正四面体结构,SiCl4与CCl4的分子结构相似,也是正四面体结构,故SiCl4是含极性键的非极性分子。
5.(2020山东潍坊二中高二月考)二氧化硅晶体是空间立体网状结构,如图所示。
下列关于二氧化硅晶体的说法中正确的是( )
A.1
mol
SiO2晶体中含2
mol
Si—O键
B.二氧化硅晶体的分子式是SiO2
C.晶体中Si、O原子最外电子层都满足8电子结构
D.晶体中最小环上的原子数为8
答案C
解析A选项错误,SiO2晶体中,1个硅原子与周围4个氧原子形成Si—O键,所以1
mol
SiO2晶体中含4
mol
Si—O键;B选项错误,晶体中1个硅原子与周围4个氧原子形成共价键,1个氧原子与周围2个硅原子形成共价键,SiO2表示晶体中Si、O原子个数比为1∶2,并不是分子式;C选项正确,1个硅原子分别与4个氧原子形成4对共用电子对,1个氧原子分别与2个硅原子形成2对共用电子对,所以Si、O原子最外电子层都满足8电子结构;D选项错误,SiO2晶体中最小环上的原子数为12,其中6个为硅原子,6个为氧原子。
6.(2020辽宁育才中学高二检测)下列物质按熔、沸点由高到低顺序排列正确的一组是( )
A.HF、HCl、HBr、HI
B.F2、Cl2、Br2、I2
C.H2O、H2S、H2Se、H2Te
D.CI4、CBr4、CCl4、CF4
答案D
解析对于结构和组成相似的分子晶体,其熔、沸点随着相对分子质量的增大而升高,但HF分子、H2O分子之间都存在氢键,熔、沸点反常。所以A中应为HF>HI>HBr>HCl;B中应为I2>Br2>Cl2>F2;C中应为H2O>H2Te>H2Se>H2S;只有D正确。
7.1999年美国《科学》杂志报道:在40
GPa高压下,用激光器加热到1
800
K,人们成功制得了共价晶体干冰,下列推断中不正确的是( )
A.共价晶体干冰有很高的熔点、沸点,有很大的硬度
B.共价晶体干冰易汽化,可用作制冷材料
C.共价晶体干冰的硬度大,可用作耐磨材料
D.每摩尔共价晶体干冰中含4
mol
C—O键
答案B
解析既然干冰是共价晶体,所以可类比共价晶体SiO2,具有熔点高、硬度大、耐磨等性质。每摩尔SiO2中有4
mol
Si—O键,所以D项也正确。
8.(2020辽宁大连二十四中高二检测)(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,其晶胞结构如图甲所示,则金刚砂晶体类型为 ;在SiC中,每个C原子周围最近的C原子数目为 ;若晶胞的边长为a
pm,则金刚砂的密度表达式为 。?
(2)硅的某种单质的晶胞如图乙所示。GaN晶体与该硅晶体相似。则GaN晶体中,每个Ga原子与 个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为 。若该硅晶体的密度为ρ
g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则晶体中最近的两个硅原子之间的距离为 (用代数式表示即可)
cm。?
答案(1)共价晶体 12
(2)4 正四面体
解析(1)金刚砂(SiC)的硬度为9.5,硬度大,属于共价晶体;在SiC中,每个碳原子周围最近的碳原子数目为12;该晶胞中C原子个数为8×+6×=4,Si原子个数为4,晶胞边长为a×10-10
cm,体积V=(a×10-10
cm)3,ρ=。
(2)类比图乙的晶体结构可知,在GaN晶体中,每个Ga原子与4个N原子相连,与同一个Ga原子相连的N原子构成的空间结构为正四面体。一个晶体Si的晶胞中含有Si原子的数目是8×+6×+4=8,根据晶胞的密度ρ
g·cm-3=可知,V=
cm3=
cm3,晶胞的边长a=
cm,在晶胞中最近的两个Si原子之间的距离为晶胞体对角线长的,即
cm。
提升能力跨越等级
1.(2020北京第四中学高二检测)如图为冰的一种骨架形式,依此为单位向空间延伸,请问该冰中的每个水分子具有的氢键个数为( )
A.2
B.4
C.8
D.12
答案A
解析每个水分子与四个方向的其他四个水分子形成氢键,因此每个水分子具有的氢键个数为4×=2。
2.(2020江苏靖江高级高二检测)干冰晶体的晶胞是面心立方结构,如图所示,即每8个CO2分子构成立方体,且在6个面的中心又各占据1个CO2分子,在每个CO2周围距离a(其中a为立方体棱长)的CO2有( )
A.4个
B.8个
C.12个
D.6个
答案C
解析如图在任意一个立方体顶点的CO2分子周围距离a的CO2分子为每个相邻面心上的CO2分子,共有8×(3×)=12个。
3.在硼酸[B(OH)3]分子中,每个B原子与3个羟基相连,其晶体具有与石墨相似的层状结构。则分子中B原子杂化轨道的类型及同层分子间的主要作用力分别是
( )
A.sp,范德华力
B.sp2,范德华力
C.sp2,氢键
D.sp3,氢键
答案C
解析石墨晶体中C原子为sp2杂化,层与层之间以范德华力结合,硼酸[B(OH)3]分子中,B原子也为sp2杂化,但由于B(OH)3中每个B原子与3个羟基相连,羟基间能形成氢键,故同层分子间的主要作用力为氢键。
4.(双选)(2020江苏徐州第一中学高二月考)晶胞是晶体结构中可重复出现的基本的结构单元,C60晶胞结构如下图所示,下列说法正确的是( )
A.C60的摩尔质量是720
B.C60与苯互为同素异形体
C.一个C60晶胞中有4个C60分子
D.每个C60分子周围与它距离最近且相等的C60分子有12个
答案CD
解析C60的相对分子质量是12×60=720,所以摩尔质量为720
g·mol-1,选项A错误;由同种元素形成的不同种单质互为同素异形体,而苯是由碳、氢元素形成的化合物,选项B错误;C60分子构成的晶胞为面心立方晶胞,根据均摊法可知,在一个C60晶胞中含有C60分子的个数为8×+6×=4,选项C正确;根据晶胞的结构可知,以晶胞中任意顶点上的C60分子为研究对象,与它距离最近且相等的C60分子分布在立方体的面心上,每个顶点上的C60分子被8个立方体共用,有12个面与之相连,所以每个C60分子周围与它距离最近且相等的C60分子有12个,选项D正确。
5.(双选)(2020海南华侨中学高二检测)氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相,与石墨相似,具有层状结构,可作高温润滑剂;立方相氮化硼是超硬材料,有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示,下列关于这两种晶体的说法正确的是( )
A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电
B.立方相氮化硼只含有σ键
C.两种晶体均为分子晶体
D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为三角形
答案BD
解析A项,六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子,所以不导电,错误;B项,立方相氮化硼中只含有σ键,正确;C项,立方相氮化硼是共价晶体,错误;D项,由六方相氮化硼的晶体结构可知,层内每个硼原子与相邻3个氮原子构成三角形,正确。
6.请回答下列问题:
(1)下列物质变化,只与范德华力有关的是 。?
a.干冰熔化
b.乙酸汽化
c.石英熔融
d.溶于水
e.碘溶于四氯化碳
(2)某石蕊分子结构如下图所示:
①石蕊分子所含元素中,基态原子2p轨道有两个未成对电子的是 (填元素符号);由其中两种元素形成的三角锥构型的一价阳离子是 (填化学式)。?
②该石蕊易溶解于水,分析可能的原因是 。?
(3)已知:
①Cu2+的核外电子排布式为 ;?
②X难溶于水、易溶于有机溶剂,其晶体类型为 ;?
③M中所含元素的电负性由大到小顺序为 ,N原子以 轨道与O原子形成σ键。?
④上述反应中断裂和生成的化学键有 (填序号)。?
a.离子键
b.配位键
c.金属键
d.范德华力
e.共价键
(4)白磷(P4)是磷的一种单质,它属于分子晶体,其晶胞结构如下图。已知该晶体的密度为ρ
g·cm-3,晶胞的边长为a
cm,则阿伏加德罗常数为 (用含ρ、a的式子表示)
mol-1。?
答案(1)ae
(2)①C、O C、H3O+ ②该石蕊分子中含有—OH和—NH2,均能与H2O分子间形成氢键;由结构知,该分子为极性分子,根据相似相溶原理,易溶于极性溶剂水
(3)①1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9 ②分子晶体 ③O>N>C>H sp2杂化 ④be
(4)
解析(1)干冰熔化只破坏范德华力;乙酸汽化破坏范德华力和氢键;石英熔融破坏共价键;分子间不存在氢键,溶于水破坏范德华力,但与水分子间形成氢键;碘溶于四氯化碳只破坏范德华力,故只有a、e符合要求。
(2)①2p轨道有两个未成对电子的原子价电子排布式为2s22p2、2s22p4,故为C和O。C和H形成C,H和O形成H3O+,N和H形成N,其中C和H3O+为三角锥形,N为正四面体形。②从与H2O分子间能否形成氢键及“相似相溶”两个角度解答。
(3)②由X难溶于水、易溶于有机溶剂可知,其为分子晶体。③分子中N原子形成3个σ键和1个π键,故N原子杂化类型为sp2杂化;同周期由左向右,元素电负性增大,电负性:O>N>C,由H与非金属元素C形成的化合物中H表现出正价可推知,电负性:C>H。④该反应中断裂苯环上连接的—OH中的O—H键及—OH中氢原子与氮原子之间的氢键,形成Cu←O、Cu←N配位键,故选b、e。
(4)每个白磷晶胞中含有P4的个数为8×+6×=4,每个晶胞质量为4×,体积为a3
cm3,故=ρ
g·cm-3,NA=
mol-1。
7.请回答下列问题:
(1)31Ga基态原子的核外电子排布式是 。某种半导体材料由Ga和As两种元素组成,该半导体材料的化学式是 ,其晶体结构类型可能为 。?
(2)C、N元素形成的新材料具有如下图所示结构,该晶体的化学式为 。该晶体硬度将超过目前世界上最硬的金刚石,其原因是 。?
(3)Al2O3在一定条件下可制得AlN,其晶体结构如图所示,该晶体属于 晶体。?
(4)下图是氮化镓的晶胞结构:
氮化镓中镓原子的杂化方式为 ,氮原子的配位数为 。?
(5)立方相氮化硼结构与金刚石相似,硬度与金刚石相当,晶胞边长为a
cm,立方相氮化硼晶胞中含有 个氮原子、 个硼原子。?
答案(1)1s22s22p63s23p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1
GaAs 共价晶体
(2)C3N4 C3N4与金刚石都是共价晶体,C—N键键长比C—C键键长短,键能大
(3)共价 (4)sp3 4 (5)4 4
解析(1)Ga与Al同主族,位于第4周期ⅢA族,从而可得其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p1。由于Ga和As组成的物质是半导体材料,不是离子化合物,Ga最外层有3个电子,As最外层有5个电子,两者以共价键形成GaAs,属于共价晶体。
(2)该晶胞中含C原子数=8×+4×=3,N原子数为4,故该晶体化学式为C3N4。由于C—N键键长比C—C键键长短,键能大,所以金刚石硬度比C3N4硬度小。
(4)每个Ga原子与4个N原子形成共价键,这4个N原子构成正四面体结构;每个N原子与4个Ga原子形成共价键,这4个Ga原子构成正四面体结构,所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化,氮原子的配位数为4。
(5)金刚石晶胞是立方体结构,其中每个顶点各有1个碳原子,每个面心各有1个碳原子,立方体内部还有4个碳原子,如图所示。
所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数=8×+6×+4=8,因此一个立方相氮化硼晶胞中应该含有4个N原子和4个B原子。
贴近生活拓展创新
在我国南海300~500
m海底深处沉积物中存在着大量的“可燃冰”,其主要成分为甲烷水合物。
请回答下列问题:
(1)甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是 (填字母序号)。?
甲烷晶胞
A.甲烷晶胞中的小球只代表一个C原子
B.晶体中1个CH4分子有12个紧邻的CH4分子
C.CH4熔化时需克服共价键
D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子
E.CH4是非极性分子
(2)水在不同的温度和压强条件下可以形成多种不同结构的晶体,冰晶体结构有多种。其中冰-Ⅶ的晶体结构如下图所示。
①水分子的空间构型是 形,水分子能与H+形成配位键,其原因是在氧原子上有 ,应用价电子对互斥理论推测H3O+的形状为 。?
②上述冰晶体中每个水分子与周围 个水分子以氢键结合。?
③实验测得冰中氢键的作用能为18.5
kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0
kJ·mol-1,这说明 。?
④冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞(其晶胞结构如图,其中空心球所示原子位于立方体的顶点或面心,实心球所示原子位于立方体内)类似。每个冰晶胞平均占有 个水分子,冰晶胞与金刚石晶胞微粒排列方式相似的原因是 。?
(3)氨气极易溶于水的原因之一是与氢键有关。请判断:NH3溶于水后,形成的NH3·H2O的合理结构是 (填字母)。?
答案(1)BE
(2)①角 孤电子对 三角锥形 ②4 ③冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键 ④8 水中的O原子和金刚石中的C原子都为sp3杂化,每个水分子可与相邻的4个水分子形成氢键,且氢键和共价键都具有方向性
(3)b
解析(1)CH4是分子晶体,熔化时克服范德华力。晶胞中的小球代表的是一个甲烷分子,并不是一个C原子。以该甲烷晶胞分析,位于顶点的任意一个甲烷分子与其距离最近的甲烷分子有3个而这3个甲烷分子在面上,故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子有3×8×=12(个)。甲烷晶胞属于面心立方晶胞,该晶胞中甲烷分子的个数为8×+6×=4。CH4分子为正四面体结构,C原子位于正四面体的中心,结构对称,CH4是非极性分子。
(2)①水分子中O原子的价电子对数==4,孤电子对数为2,所以水分子为角形分子,H2O分子能与H+形成配位键,其原因是H2O中O原子上有孤电子对,H+有空轨道。H3O+价电子对数为=4,孤电子对数为1,故H3O+为三角锥形。②观察图示晶体结构可知,每个水分子与周围4个水分子以氢键结合。③冰中氢键的作用能为18.5
kJ·mol-1,而冰熔化热为5.0
kJ·mol-1,说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键,并且液态水中仍存在氢键。④每个冰晶胞平均含有的水分子数为4+6×+8×=8。H2O分子中的O原子形成2个σ键,含有的孤电子对数为2,金刚石中每个C原子形成4个σ键且没有孤电子对,所以水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化,且水分子间的氢键具有方向性,每个水分子只可以与相邻的4个水分子形成氢键,导致冰晶胞与金刚石晶胞中微粒的排列方式相似。
(3)由电离方程式NH3·H2ON+OH-,可知b图符合NH3·H2O的结构。第3章不同聚集状态的物质与性质
第2节 几种简单的晶体结构模型
第1课时 金属晶体与离子晶体
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.(2020海南文昌中学高二模拟)下列离子晶体中阴、阳离子核间距最大的是( )
A.LiCl
B.NaBr
C.KCl
D.KBr
答案D
解析离子核间距即阴、阳离子半径之和。三种阳离子Li+、Na+、K+都是碱金属离子,随核电荷数的增加半径增大,故K+半径最大;两种阴离子Cl-、Br-是同主族元素形成的离子,Br-电子层数多,半径较大。综上所述,核间距最大的是KBr。
2.(2020江苏盐城高二期中)下列关于金属性质和原因的描述不正确的是( )
A.金属一般具有银白色光泽,是物理性质,与金属键没有关系
B.金属具有良好的导电性,是因为金属晶体中共享了金属原子的价电子,在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流
C.金属具有良好的导热性能,是因为自由电子通过与金属离子发生碰撞,传递了能量
D.金属晶体具有良好的延展性,是因为金属晶体中的原子层可以滑动而不破坏金属键
答案A
解析金属中的自由电子吸收了可见光,又把各种波长的光大部分再反射出来,因而金属一般显银白色光泽,A项错误。
3.(2020北京第十中学高二检测)下列关于NaCl晶体结构的说法中正确的是( )
A.NaCl晶体中,每个Na+周围吸引的Cl-与每个Cl-周围吸引的Na+数目相等
B.NaCl晶体中,每个Na+周围吸引1个Cl-
C.NaCl晶胞中的质点代表一个NaCl
D.NaCl晶体中存在单个的NaCl分子
答案A
解析氯化钠晶体中,每个Na+周围吸引6个Cl-,而每个Cl-周围吸引6个Na+;NaCl晶体中的质点表示Na+或Cl-;NaCl晶体中不存在单个NaCl分子。
4.(2020天津新华中学高二检测)下列关于金属晶体的六方最密堆积的结构型式的叙述中,正确的是( )
A.晶胞是六棱柱结构
B.晶胞是六面体结构
C.每个晶胞中含有6个原子
D.每个晶胞中含有17个原子
答案B
解析金属晶体的六方最密堆积的晶胞是平行六面体结构(),每个晶胞中含有的原子数为4×+4×+1=2。
5.(2020天津河西中学高二检测)下列各组金属熔点高低顺序正确的是( )
A.Mg>Al>Ca
B.Al>Na>Li
C.Al>Mg>Ca
D.Mg>Ba>Al
答案C
解析离子所带电荷数:Al3+>Mg2+=Ca2+=Ba2+>Li+=Na+,金属阳离子半径:r(Ba2+)>r(Ca2+)>r(Na+)>r(Mg2+)>r(Al3+)>r(Li+),故C正确,A错误,B中Li>Na,D中Al>Mg>Ba。
6.(2020山东泰安第一中学高二检测)下列关于晶格能的叙述中正确的是( )
A.晶格能是气态原子形成1
mol离子晶体所释放的能量
B.晶格能仅与形成晶体的离子半径有关
C.晶格能是指相邻离子间的静电作用
D.晶格能越大的离子晶体,其熔点越高、硬度越大
答案D
解析晶格能是将1
mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量,晶格能不仅与形成晶体的离子半径有关,还与离子所带电荷的多少有关。晶格能越大,晶体的熔点越高,硬度也越大,所以D项正确。
7.科学家通过X射线证明,MgO、CaO、NiO、FeO的晶体结构与NaCl的晶体结构相似。
(1)某同学画出的MgO晶胞结构示意图如下图所示,请改正图中的错误: 。?
(2)MgO是优良的耐高温材料,MgO的熔点比CaO的高,其原因是 。?
(3)Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69
pm和78
pm,则熔点NiO (填“<”或“>”)FeO,NiO晶胞中Ni2+周围最近的O2-有 个。?
答案(1)空心球应为O2-,实心球应为Mg2+;8号空心球应改为实心球
(2)Mg2+半径比Ca2+小,MgO的晶格能大
(3)> 6
解析(1)Mg2+的半径小于O2-,故空心球应为O2-,实心球应为Mg2+;图中黑、白球应该交替出现,故8号球应为实心球。
(2)MgO与CaO的离子所带电荷数相同,Mg2+半径比Ca2+小,MgO晶格能大,熔点高。
(3)NiO晶胞与NaCl晶胞结构相同,所以Ni2+周围最近的O2-有6个,离子半径Ni2+FeO,所以熔点NiO>FeO。
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1.(2020天津津源中学高二检测)下列叙述中错误的是
( )
A.金属单质或其合金在固态和液态时都能导电
B.晶体中存在离子的一定是离子晶体
C.金属晶体中的自由电子为整块晶体所共有
D.钠比钾的熔点高是因为钠中金属阳离子与自由电子之间的作用力强
答案B
解析离子晶体中存在阴、阳离子,而在金属晶体中存在金属阳离子和自由电子,所以B错误;自由电子在整块金属中可自由移动,为整块晶体所共有,所以C正确;金属晶体的熔点高低取决于金属键的强弱,金属键越强,金属晶体的熔点越高,反之,越低,所以D正确。
2.(双选)(2020北京广渠门中学高二检测)已知金属钠能与两种卤族元素形成化合物Q、P,它们的晶格能分别为923
kJ·mol-1、786
kJ·mol-1,下列有关说法中不正确的是( )
A.Q的熔点比P的高
B.若P是NaCl,则Q一定是NaF
C.Q中成键离子核间距较大
D.若P是NaCl,则Q可能是NaBr
答案CD
解析Q的晶格能大于P的晶格能,故Q的熔点比P高,A项正确;因F-的半径比Cl-的小(其他卤素离子的半径比Cl-的大),故NaF的晶格能大于NaCl的,故B项正确,D项错误;因Q、P中成键离子均为一价离子,离子所带电荷数相同,故二者晶格能的差异是由成键离子核间距决定的,晶格能越大,表明离子核间距越小,C项错误。
3.(2020山东昌邑文山中学高二检测)金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式,a、b、c分别代表这三种堆积方式形成的晶胞结构,则晶胞a、b、c内金属原子个数比为( )
A.3∶2∶1
B.11∶8∶4
C.9∶8∶4
D.21∶14∶9
答案A
解析a晶胞中,顶点的微粒被6个晶胞共用,所以a中原子个数为12×+2×+3=6;b中原子个数为8×+6×=4;c中原子个数为8×+1=2。
4.(2020海南中学高二检测)金属钠晶体的晶胞为体心立方晶胞(),晶胞的边长为a。假定金属钠原子为等径的刚性球,且晶胞中处于体对角线上的三个球相切。则钠原子的半径r为( )
A.
B.
C.
D.2a
答案B
解析如果沿着某一体对角线对晶胞进行切割,可得如图所示的结构,其中AB为晶胞的边长,BC为晶胞的面对角线,AC为晶胞的体对角线。根据立方体的特点可知:BC=a,结合AB2+BC2=AC2得:r=。
5.下列说法正确的是( )
A.任何晶体中,若含有阳离子也一定含有阴离子
B.金属镁的熔点高于铝
C.下图为铜的晶胞结构,则每个晶胞中平均有4个铜原子,与一个铜原子距离最近且相等的铜原子有6个
D.金属具有良好的导电性,是因为在金属晶体中共享了金属原子的价电子,在外电场的作用下自由电子定向移动便形成了电流,所以金属易导电
答案D
解析金属晶体中含有金属阳离子和自由电子,A错;铝的金属键强于镁,故铝的熔点高于镁,B错;一个铜晶胞中平均含有4个铜原子,与一个铜原子距离最近且相等的铜原子有12个,C错。
6.Al的晶体中原子的堆积方式如图甲所示,其晶胞特征如图乙所示,原子之间相互位置关系的平面图如图丙所示。
若已知Al的原子半径为d
cm,NA代表阿伏加德罗常数的值,Al的相对原子质量为M,请回答:
(1)晶胞中一个Al原子周围最近的Al原子个数为 ,一个晶胞中Al原子的数目为 。?
(2)该晶体的密度为 (用字母表示)
g·cm-3。?
答案(1)12 4 (2)
解析(1)该晶胞中,一个Al原子周围最近的Al原子个数为12,一个晶胞中Al原子的数目为8×+6×=4。
(2)利用公式求金属晶体的密度,关键是找出正方体晶胞的边长。本题中面对角线的长度为4d
cm,然后根据边长的倍等于面对角线的长度可求得晶胞正方体的边长,进而根据公式ρ=计算可得晶体密度。
7.ZnS、NaCl、CsCl、CaF2分别代表四种常见的离子晶体结构模型,根据图示回答下列问题:
(1)试写出图中三种结构分别对应的化学式:图甲 、图乙 、图丙 。在这三种晶体中,每个阳离子周围的阴离子在空间构成的空间构型分别为 。?
(2)在NaCl、CsCl晶体中,每个Cl-的周围与它等距离且最近的Cl-分别有 个、 个。?
(3)下图所示是从NaCl或CsCl晶体结构中分割出来的部分结构图,其中属于从NaCl晶体中分割出来的结构图是 (填字母)。?
A.Ⅰ和Ⅲ
B.Ⅱ和Ⅲ
C.Ⅰ和Ⅳ
D.只有Ⅳ
答案(1)CsCl NaCl ZnS 立方体、正八面体、正四面体 (2)12 6 (3)C
解析在ZnS晶体中,阴、阳离子的配位数都是4,故图丙可表示该晶体结构,在Zn2+周围的S2-构成正四面体结构;在NaCl晶体中,每个Na+周围有6个Cl-,每个Cl-周围有6个Na+,故图乙可表示该晶体结构,在Na+周围的6个Cl-形成正八面体,每个Cl-周围与它等距离且最近的Cl-有12个;在CsCl晶体中,每个Cs+周围的8个Cl-形成立方体,图甲可表示该晶体结构,设定图甲中心离子为Cl-,该Cl-周围与它等距离且最近的Cl-位于该立方体前、后、左、右、上、下的6个立方体的体心。
(3)根据NaCl和CsCl两种典型离子晶体的结构特点分析图示。图Ⅰ中与黑球最近的白球有6个,图Ⅳ为简单立方结构,故Ⅰ和Ⅳ应表示NaCl的晶体结构。图Ⅱ中与黑球最近的白球有8个,图Ⅲ为体心立方结构,故Ⅱ和Ⅲ应表示CsCl的晶体结构。
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回答下列问题:
(1)CaC2晶体的晶胞结构如图所示,CaC2晶体中含有哑铃形,使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶体中1个Ca2+周围距离最近的数目为 。?
(2)已知CaO晶体密度为a
g·cm-3,NA表示阿伏加德罗常数的值,则CaO晶胞体积为 cm3。?
(3)MgO具有NaCl型晶体结构(如图),其中阴离子采用面心立方最密堆积方式,X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a=0.420
nm,则r(O2-)为
nm。MnO也属于NaCl型晶体结构,晶胞参数为a'=0.448
nm,则r(Mn2+)为
nm。?
答案(1)4 (2) (3)0.148 0.076
解析(1)一个Ca2+吸引6个,由于晶胞沿一个方向拉长,结合图示可知,1个Ca2+周围距离最近的有4个。
(2)由于CaO与NaCl的晶胞同为面心立方结构,所以CaO晶胞中也含有4个钙离子和4个氧离子,因此CaO晶胞体积为
cm3=
cm3。
(3)因为O2-采用面心立方最密堆积方式排列,所以晶胞面对角线长度是O2-半径的4倍,则有[4r(O2-)]2=2a2,解得r(O2-)=×0.420
nm≈0.148
nm;MnO也属于NaCl型晶体结构,根据晶胞的结构可得2r(Mn2+)+2r(O2-)=a',代入数据解得r(Mn2+)=0.076
nm。(共55张PPT)
第2课时 共价晶体与分子晶体
1.了解共价晶体、分子晶体的结构特点及性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.能描述金刚石、二氧化硅等共价晶体的结构与性质的关系,形成证据推理与模型认知的化学核心素养。
3.知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体是普遍存在的,感知变化观念与平衡思想的化学核心素养。
知识铺垫
必备知识
正误判断
1.碳的常见同素异形体有金刚石、石墨、C60等,其性质有所差异的原因是原子的排列方式不同。
2.单质硅有晶体硅和无定形硅两种。
3.二氧化硅广泛存在于自然界中,沙子、石英的主要成分就是
二氧化硅。纯净的二氧化硅晶体是无色、熔点高、硬度大、不溶于水的固体,也不溶于其他一般的溶剂。
知识铺垫
必备知识
正误判断
一、共价晶体
1.共价晶体
定义
相邻原子间以共价键结合而形成的具有空间立体网状结构的晶体
结构
特点
(1)由于共价键的饱和性与方向性,使每个碳原子周围排列的碳原子只能有4个
(2)由于所有原子间均以共价键相结合,所以晶体中不存在单个分子
物理
性质
(1)由于共价晶体中原子以强的共价键相结合,因此一般熔点较高,硬度较大
(2)结构相似的共价晶体,原子半径越小,共价键键长越短,键能越大,晶体的熔点越高
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.典型共价晶体的结构分析
知识铺垫
必备知识
正误判断
(1)金刚石
①碳原子采取sp3杂化,C—C键键角为109°28'。
②每个碳原子与周围紧邻的四个碳原子以共价键结合成正四面体结构,向空间伸展形成空间网状结构。
③最小碳环由六个碳原子组成,且最小环上所有碳原子不在同一平面内。
(2)晶体硅
若以硅原子代替金刚石晶体结构中的碳原子,便可得到晶体硅的结构,不同的是Si—Si键键长>C—C键键长。
知识铺垫
必备知识
正误判断
(3)二氧化硅晶体
①若向晶体硅结构中的每个Si—Si键中“插入”一个氧原子,便可得到以硅氧四面体为骨架的二氧化硅晶体的结构。
②一个Si原子与四个O原子形成四个共价键,Si原子位于正四面体的中心,O原子位于正四面体的顶点,同时每个O原子被两个硅氧正四面体共用;每个O原子和两个Si原子形成两个共价键,二氧化硅晶体中Si原子与O原子个数比为1∶2。
③最小环上有十二个原子,包括六个O原子和六个Si原子。
知识铺垫
必备知识
正误判断
【微思考1】常见的共价晶体有哪些类别?
提示:(1)某些非金属单质,晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等;
(2)某些非金属化合物,如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、二氧化硅(SiO2)等。
【微思考2】二氧化硅的分子式是SiO2吗?
提示:不是。二氧化硅属于共价晶体,没有分子式,SiO2只表示硅原子与氧原子在晶体中的个数比。
知识铺垫
必备知识
正误判断
二、分子晶体
1.分子晶体的定义与物理性质
定义
分子之间通过分子间作用力结合形成的晶体
构成微粒
分子
微粒间的作用力
分子间作用力
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.典型的分子晶体
(1)碘晶体
①碘晶体的晶胞是一个长方体,在它的每个顶点和面上各有1个I2分子,每个晶胞中有4个I2分子。
②I2分子之间以范德华力结合。
知识铺垫
必备知识
正误判断
(2)干冰晶体
①干冰的晶胞为立方体,在它的每个顶点和面上各有1个CO2分子,每个晶胞中有4个CO2分子。
②每个CO2分子周围距离最近且相等的CO2分子有12个。
③干冰晶体中分子之间通过范德华力相结合,熔化时分子内的化学键不断裂。
知识铺垫
必备知识
正误判断
(3)冰晶体
①水分子之间的主要作用力是氢键,当然也存在范德华力。
②氢键具有一定的方向性,它的存在迫使每个水分子与周围4个水分子结合。
知识铺垫
必备知识
正误判断
(4)苯甲酸晶体
典型的分子晶体是指有限数目的原子以共价键结合为分子后,这些分子再通过分子间作用力结合形成晶体。一般来说,分子在无方向性的分子间作用力的作用下堆积时,尽可能利用空间紧密地堆积在一起,这一点与金属晶体相似。但是,分子的形状、分子的极性以及分子之间是否存在氢键等都会影响分子的堆积方式。如苯甲酸晶体中,苯甲酸分子排列形成层状结构,同一平面内分子之间通过氢键相互作用连接,平面之间的分子依靠范德华力维系。
知识铺垫
必备知识
正误判断
【微思考3】所有分子晶体中是否均存在化学键?
提示:不是。绝大多数分子晶体的微粒内部都存在化学键,如N2、H2O、SO2等分子内部都有共价键,而稀有气体分子为单原子分子,分子内部无化学键,分子之间以范德华力结合,所以并非所有分子晶体中都存在化学键。
【微思考4】哪些常见类别的物质属于分子晶体?
提示:(1)所有非金属氢化物:H2O、H2S、NH3、CH4、HX(X代表卤素原子);
(2)部分非金属单质:X2、O2、H2、S8、P4、C60;
(3)部分非金属氧化物:CO2、SO2、NO2、P4O6、P4O10;
(4)几乎所有的酸:H2SO4、HNO3、H3PO4;
(5)绝大多数有机物的晶体:乙醇、冰醋酸、蔗糖。
知识铺垫
必备知识
正误判断
三、晶体结构的复杂性
1.石墨晶体
知识铺垫
必备知识
正误判断
结构
特点
(1)石墨的晶体具有层状结构,同一层中的每个碳原子与邻近的3个碳原子以共价键相结合,形成无限的六边形平面网状结构。每个碳原子还有1个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道,并含有1个未成对电子,能形成遍及整个平面的大π键
(2)碳原子采取sp2杂化,C—C键之间的夹角为120°
(3)层与层之间以范德华力结合
晶体
类型
石墨晶体既含有共价键,又有范德华力,同时还存在类似
金属键的作用力,这类晶体称为混合型晶体
物理
性质
熔点高、质软、能导电
知识铺垫
必备知识
正误判断
2.晶体的复杂性
(1)一方面,物质组成的复杂性导致晶体中存在多种不同微粒以及不同的微粒间作用。例如,BaTiO3含有一种阴离子和多种阳离子,Ca5(PO4)3OH含有一种阳离子和多种阴离子。
(2)另一方面,金属键、离子键、共价键、配位键等都是化学键的典型模型,但是原子之间形成的化学键往往是介于典型模型之间的过渡状态。即使组成简单的晶体,也可能是居于金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体之间的过渡晶体。
(3)金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体等模型都是典型的晶体结构模型,大多数实际晶体结构要复杂得多。
知识铺垫
必备知识
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
1.共价晶体中一定存在极性键,可能存在范德华力。( )
2.CO2、SiO2均属于共价晶体。( )
3.硬度很大、熔点很高的晶体可能是共价晶体。( )
4.SiC熔化时断裂非极性共价键。( )
5.共价晶体一定不是电解质。( )
6.分子晶体内只有分子间作用力。( )
7.分子晶体的相对分子质量越大,熔、沸点越高。( )
8.分子晶体中分子间氢键越强,分子越稳定。( )
9.冰晶体融化时水分子中共价键发生断裂。( )
10.水是一种非常稳定的化合物,这是由于水中存在氢键。( )
11.由极性键形成的分子可能是非极性分子。( )
12.水和冰中都含有氢键。( )
13.分子晶体中一定存在范德华力,可能有共价键。( )
知识铺垫
必备知识
正误判断
答案:1.× 2.× 3.√ 4.× 5.√ 6.× 7.×
8.× 9.× 10.× 11.√ 12.√ 13.√
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
共价晶体的结构与性质
问题探究
【观图助学】
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
1.观察金刚石和二氧化硅的结构模型讨论:1
mol
C组成的金刚石中含有多少摩尔C—C键?金刚石晶体中C原子数目与C—C键数目之比为多少?1
mol
SiO2晶体中含有多少摩尔Si—O键?
提示:在金刚石晶体中,1个碳原子与周围4个碳原子形成4个C—C键,而每2个碳原子之间形成一个共价键,所以1
mol
C形成的C—C键的物质的量为4×
mol=2
mol;金刚石晶体中碳原子数与C—C键数之比为1∶2。SiO2晶体结构相当于将金刚石中的C原子全都换为Si原子,同时在Si—Si键中间插入一个O原子,所以1
mol
SiO2晶体中含有4
mol
Si—O键。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.为什么共价晶体的结构比金属晶体和离子晶体结构松散,但却比金属晶体和离子晶体有更强的稳定性?
提示:共价键具有方向性和饱和性,使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的,因此比较松散。由于整个晶体中各原子都以强作用力共价键相互结合,且构成了空间网状结构,所以共价晶体更稳定。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.共价晶体的结构特征
(1)在共价晶体中,各原子均以共价键结合,因为共价键有方向性和饱和性,所以中心原子周围的原子数目是有限的,原子不采取密堆积方式。
(2)共价晶体的构成微粒是原子,不存在单个分子,其化学式仅表示晶体中所含原子的个数比。
(3)空间构型:空间网状结构。
2.共价晶体熔点和硬度的比较
对于结构相似的共价晶体来说,原子半径越小,键长越短,键能越大,晶体的稳定性越强,熔点越高,硬度越大。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
【微点拨】(1)共价晶体的熔、沸点不一定高于金属晶体和离子晶体。如MgO(2
800
℃)>SiO2(1
713
℃)、钨(3
410
℃)>SiO2(1
713
℃)。
(2)共价晶体中只存在共价键,不存在离子键和范德华力。
(2)稀有气体分子是单原子分子,其构成的晶体不是共价晶体。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
3.共价晶体的判断依据
(1)根据共价晶体的构成微粒和微粒间作用力判断。
(2)根据共价晶体的物理性质判断。
由于共价晶体中原子间以较强的共价键相结合,故共价晶体:①熔点很高;②硬度大;③一般不导电;④难溶于溶剂。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
(3)记住常见的共价晶体。
?
金刚石
碳化硅
二氧化硅
晶胞
?
?
?
中心原子
杂化类型
sp3
sp3
sp3
键角
109°28'
109°28'
109°28'
晶胞中微
粒数目
8个C
C:4个
Si:4个
Si:8个
O:16个
1
mol物质
中化学键
物质的量
2
mol
C—C键
2
mol
C—Si键
4
mol
Si—O键
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
【微点拨】碳化硅晶体与金刚石结构相似,其空间结构中碳原子和硅原子交替排列。碳原子和硅原子个数之比为1∶1。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例1碳化硅和立方氮化硼的结构与金刚石类似,碳化硅硬度仅次于金刚石,立方氮化硼硬度与金刚石相当,其晶胞结构如图所示。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
请回答下列问题:
(1)碳化硅晶体中,硅原子杂化类型为 ,每个碳原子周围与其距离最近的硅原子有 个;设晶胞边长为a
cm,密度为b
g·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为 (用含a、b的式子表示)。?
(2)立方氮化硼晶胞中有 个硼原子, 个氮原子,硼原子的杂化类型为 ,若晶胞的边长为a
cm,则立方氮化硼的密度表达式为
g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
解题反思共价晶体氮化硼的晶胞与金刚石、晶体硅、碳化硅晶体相似。如晶胞中原子数目、原子杂化类型、键角都相同,但BN晶体中存在配位键B←N。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-1(2020天津南开中学高二检测)已知氮化碳晶体是新发现的高硬度材料,且构成该晶体的微粒间只以单键结合。下列关于该晶体的说法错误的是( )
A.氮化碳属于共价晶体,比金刚石的硬度更大
B.该晶体中每个碳原子与4个氮原子相连,每个氮原子与3个碳原子相连,氮化碳的化学式为C3N4
C.该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构
D.该晶体与金刚石相似,都是原子间以非极性键形成空间网状结构
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:D
解析:氮化碳为高硬度材料且是由非金属元素组成,因此该晶体应为共价晶体。又因为C—C键键长大于C—N键键长,故C—N键的键能大于C—C键,硬度更大的是氮化碳,A项正确;每个C原子与4个N原子形成共价单键,每个N原子与3个C原子形成共价单键,C原子和N原子的最外层都达到8电子稳定结构,所以氮化碳的化学式为C3N4,N的非金属性大于C的非金属性,氮化碳中C显+4价,N显-3价,B、C项均正确;氮化碳晶体中,原子间以C—N极性键形成空间网状结构,D不正确。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-2(2020山东实验中学高二检测)下表是某些共价晶体的熔点和硬度。
共价晶体
金刚石
氮化硼
碳化硅
石英
硅
锗
熔点/℃
3
900
3
000
2
700
1
710
1
410
1
211
硬度
10
9.5
9.5
7
6.5
6.0
分析表中的数据,判断下列叙述正确的是( )
A.构成共价晶体的原子种类越多,晶体的熔点越高
B.构成共价晶体的原子间的共价键键能越大,晶体的熔点越低
C.构成共价晶体的原子的半径越大,晶体的硬度越大
D.构成共价晶体的原子的半径越小,晶体的硬度越大
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:D
解析:共价晶体的熔点和硬度与构成共价晶体的原子间的共价键键能有关,而原子间的共价键键能与原子半径的大小有关。即原子半径越小,键能越大,熔点越高、硬度越大。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
分子晶体的结构与性质
问题探究
1.CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示,通过比较试回答下列问题。
?
熔点/℃
沸点/℃
状态(室温)
CO2
-56.2
-78.4
气态
SiO2
1
723
2
230
固态
碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族,为什么CO2晶体的熔、沸点很低,而SiO2晶体的熔、沸点很高?
提示:晶体的类型不同造成的。二氧化硅是共价晶体,这类晶体熔、沸点高,硬度大;而二氧化碳属于分子晶体,这类晶体熔、沸点低。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.干冰和碘易升华的原因是什么?乙醇与甲醚的相对分子质量相等,为什么乙醇的沸点高于甲醚?
提示:碘和干冰的分子间均以较弱的范德华力结合;乙醇分子间存在氢键,分子间作用力强,甲醚分子间不存在氢键,分子间作用力弱,所以乙醇的沸点高于甲醚。
3.为什么液态水变为冰时,体积膨胀,密度减小?
提示:冰晶体主要是水分子依靠氢键结合形成的,因氢键具有一定的方向性,使水分子间的间距比较大,有很多空隙,比较松散。所以水凝固成冰后,体积膨胀,密度减小。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.分子晶体熔、沸点高低的比较
(1)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,熔、沸点越高。如O2>N2,HI>HBr>HCl。
(2)相对分子质量相等或相近的分子晶体,极性分子间的范德华力大,相应晶体的熔、沸点高。如CO>N2。
(3)分子间含有氢键的分子晶体,熔、沸点较高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S,HF>HCl,NH3>PH3。
(4)在烷烃的同分异构体中,一般来说,支链数越多,熔、沸点越低。如沸点:正戊烷>异戊烷>新戊烷。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.分子晶体的结构特征
(1)分子间只有范德华力(大多数分子晶体)。
若分子间只有范德华力,不存在氢键。由于范德华力没有方向性和饱和性,因此分子采用密堆积——每个分子周围有12个紧邻的分子。
(2)分子间除了范德华力外,还存在氢键。
氢键具有方向性,使晶体中原子的空间利用率不高,留有相当大的空隙。这种晶体不具有分子密堆积特征,如HF、冰、NH3等。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例2(2020天津耀华中学高二检测)某化学兴趣小组,在学习了分子晶体后,查阅了几种氯化物的熔、沸点,记录如下:
氯化物
NaCl
MgCl2
AlCl3
SiCl4
CaCl2
熔点/℃
801
712
190
-68
782
沸点/℃
1
465
1
418
178
57
1
600
根据表中数据分析,属于分子晶体的是( )
A.NaCl、MgCl2、CaCl2
B.AlCl3、SiCl4
C.NaCl、CaCl2
D.全部
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:B
解析:分子晶体中,分子与分子之间以分子间作用力相结合,而分子间作用力较弱,克服分子间作用力所需能量较低,故分子晶体的熔、沸点较低。表中NaCl、MgCl2、CaCl2的熔、沸点较高,不属于分子晶体,AlCl3、SiCl4的熔、沸点较低,应为分子晶体,所以B项正确,A、C、D项错误。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-1(2020辽宁实验中学高二检测)下表列举了几种物质的性质,据此判断属于分子晶体的是 。?
物质
性质
X
熔点为10.31
℃,液态不导电,水溶液导电
Y
易溶于CCl4,熔点为11.2
℃,沸点为44.8
℃
Z
常温下为气态,极易溶于水,溶液pH>7
W
常温下为固体,加热变为紫红色蒸气,遇冷变为紫黑色固体
M
熔点为1
170
℃,易溶于水,水溶液导电
N
熔点为97.81
℃,质软,导电,密度为0.97
g·cm-3
探究1
探究2
素养脉络
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答案:X、Y、Z、W
解析:分子晶体熔、沸点一般比较低,硬度较小,固态不导电。在常温下呈气态或液态的固体物质(除汞外)、易升华的固体物质一般都属于分子晶体。M的熔点高,肯定不是分子晶体;N是金属钠,属于金属晶体;其余X、Y、Z、W均为分子晶体。
探究1
探究2
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变式训练2-2(2020安徽合肥一六八中学高二检测)(1)比较下列化合物熔、沸点的高低(填“>”或“<”)。
①CO2 SO2;②NH3 PH3;③O3 O2;④Ne Ar;⑤CO N2。?
(2)已知AlCl3的熔点为190
℃(2.202×105
Pa),但它在180
℃即开始升华。请回答:
①AlCl3固体是 晶体;?
②设计一个可靠的实验,判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。你设计的实验是 。?
探究1
探究2
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答案:(1)①< ②> ③> ④< ⑤>
(2)①分子 ②在熔融状态下,检测AlCl3是否导电,若不导电则AlCl3是共价化合物
解析:(1)各组物质均为分子晶体,根据分子晶体熔、沸点的判断规律,较容易比较五组物质熔、沸点的高低。
(2)①由AlCl3的熔点低以及在180
℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。②验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物,可测其在熔融状态下是否导电,若不导电则是共价化合物,导电则是离子化合物。
探究1
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探究1
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1.(2020天津实验中学高二检测)下列物质的晶体直接由原子构成的一组是( )
①CO2 ②SiO2 ③晶体Si ④白磷 ⑤氨基乙酸 ⑥固态He
A.①②③④⑤⑥
B.②③④⑥
C.②③⑥
D.①②⑤⑥
答案:C
解析:共价晶体直接由原子构成。CO2、白磷、氨基乙酸、固态He为分子晶体,前三者直接由分子构成,固体He由单原子分子构成,即由原子直接构成。
探究1
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2.(2020江苏梅村高级中学高二检测)下列有关共价晶体的叙述不正确的是( )
A.金刚石和二氧化硅晶体的最小结构单元都是正四面体
B.含1
mol
C的金刚石中C—C键数目是2NA,1
mol
SiO2晶体中Si—O键数目是4NA
C.水晶和干冰在熔化时,晶体中的共价键都会断裂
D.SiO2晶体是共价晶体,所以晶体中不存在分子,SiO2不是它的分子式
答案:C
解析:干冰熔化时只破坏分子间作用力,共价键不会断裂,C项错误。
探究1
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3.(2020北京广渠门中学高二检测)下列有关分子晶体的说法中一定正确的是( )
A.分子内均存在共价键
B.分子间一定存在范德华力
C.分子间一定存在氢键
D.其结构一定为分子密堆积
答案:B
解析:稀有气体分子是单原子分子,不存在任何化学键,故A项错误;分子间作用力包括范德华力和氢键,范德华力存在于所有的分子晶体中,而氢键只存在于某些分子晶体中,所以B项正确,C项错误;只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式,所以D选项也是错误的。
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4.(2020山东青岛第二中学高二检测)根据下表中对应物质的熔点,作出的下列判断中错误的是( )
Na2O
NaCl
AlF3
AlCl3
920
℃
801
℃
1
292
℃
190
℃
BCl3
Al2O3
CO2
SiO2
-107
℃
2
073
℃
-57
℃
1
723
℃
A.铝的化合物的晶体中有离子晶体
B.表中只有BCl3和AlCl3是分子晶体
C.同族元素的氧化物可形成不同类型的晶体
D.不同族元素的氧化物可形成相同类型的晶体
答案:B
解析:由表可知,AlCl3、BCl3、CO2是共价化合物,属于分子晶体;SiO2是共价晶体;其他的是离子晶体。
探究1
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5.(2020河北衡水中学高二检测)碳元素的单质有多种形式,下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图:
探究1
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回答下列问题:
(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式,它们互为 。?
(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为 、 。?
(3)C60属于 晶体,石墨属于 晶体。?
(4)石墨晶体中,层内C—C键的键长为142
pm,而金刚石中C—C键的键长为154
pm。其原因是金刚石中碳原子间只存在C—C 共价键,而石墨层内的碳原子间不仅存在C—C 共价键,还有 键。?
(5)C60的晶体结构类似于干冰,则每个C60晶胞的质量为
g
(用含NA的式子表示,NA为阿伏加德罗常数的值)。?
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(6)一个金刚石晶胞含有 个碳原子。若碳原子半径为r
cm,金刚石晶胞的边长为a
cm,根据硬球接触模型,则r= 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)。?
(7)硅晶体的结构跟金刚石相似,1
mol硅晶体中含有Si—Si键的数目约是 NA(NA为阿伏加德罗常数的值)。?
答案:(1)同素异形体 (2)sp3 sp2 (3)分子 混合型 (4)σ σ π
探究1
探究2
素养脉络
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解析:(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素形成的单质,它们的组成元素相同,结构不同,互为同素异形体。
(2)金刚石中,一个碳原子与四个碳原子形成四个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式),构成正四面体;石墨烯中的碳原子采取sp2杂化方式,形成平面六元环结构。
(3)C60的构成微粒是分子,所以属于分子晶体;石墨晶体属于混合型晶体。
(4)在金刚石中只存在C—C
σ键;石墨层内不仅存在C—C
σ键,还存在π键。
探究1
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