选择性必修2人教版2019版
研究与实践 明矾晶体的制备
研究目的
在日常生活中，常见到色彩和外形都很漂亮的晶体。我们可以通过化学实验的方法制备晶体，学习用饱和溶液制备大晶体的方法。
研究任务
1．晶体生长过程的阶段
晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大，一般认为晶体在液相或气相中的生长有三个阶段：(1)介质达到过饱和，过冷却阶段；(2)成核阶段；(3)生成阶段。
2．晶种：在结晶过程中加入的预先自成的晶核(晶体微粒)，可以使从晶核成长的晶体达到均匀一致，从而提高产品的质量。
3．制备明矾晶体的实验步骤
(1)在玻璃杯中放入比室温高10～20
℃的水，并加入明矾晶体[KAl(SO4)2·12H2O]，用筷子搅拌，直到有少量晶体不能再溶解。此时得到的溶液为饱和溶液。
(2)待溶液自然冷却到比室温略高3～5
℃时，把溶液倒入洁净的碗中，用硬纸片盖好，静置一夜。
(3)从碗中选取2～3粒形状完整的小晶体作为晶核。将所选的晶核用细线轻轻系好。
(4)把明矾溶液倒入玻璃杯中，向溶液中补充适量明矾，使其成为比室温高10～15
℃的饱和溶液。待其自然冷却到比室温略高3～5
℃时，把小晶体悬挂在玻璃杯中央(如下图左)，注意不要使晶核接触杯壁。用硬纸片盖好玻璃杯，静置过夜。
(5)每天把已形成的小晶体轻轻取出，重复第(4)项操作，直到晶体长到一定大小。
(6)将所得明矾晶体放进铬钾矾的饱和溶液中，使铬钾矾晶体[KCr(SO4)2·12H2O]在明矾晶体表面上生长，长到一定厚度后，再将所得晶体放到明矾饱和溶液中去，使铬钾矾晶体表面再覆盖一层明矾晶体。
结果与讨论
1．明矾晶体的颜色和外形。
答案 明矾是无色透明的晶体，呈八面体形状。
2．在上述实验中为什么所用仪器都要用蒸馏水洗净？用硬纸片盖好玻璃杯的目的是什么？
答案 若仪器不干净或尘埃落入，都会干扰结晶。
3．为什么晶种一定要悬挂在溶液的中央位置？
答案 晶种若离烧杯底部太近，由于有沉底晶体生成，会与晶体长在一起。同样，若离溶液表面太近或靠近烧杯壁，都会产生同样的结果，使得晶体形状不规则。
4．试讨论快速制备明矾晶体的条件。
答案 (1)溶液一定要用饱和溶液，若溶液不饱和，则结晶速度很慢。
(2)溶剂应用蒸馏水，不能用自来水。因自来水里含其他金属离子及杂质，会影响晶体的生长速度和形状。
(3)冷却热饱和溶液时，应自然冷却。快速冷却虽能够得到晶体，但属于沉底、细小晶体，得不到大晶体。温度下降越快，晶体越小。
(4)溶液一定要纯净。里面若含有杂质，就在溶液中形成多个晶核，这样不利于大晶体的生长。
强化训练
1．下图是几种盐的溶解度曲线，下列说法正确是( )
A．40
℃时，将35
g食盐溶于100
g水中，降温至0
℃时，可析出氯化钠晶体
B．20
℃时，硝酸钾饱和溶液的质量百分比浓度是31.6%
C．60
℃时，200
g水中溶解80
g硫酸铜达饱和，当降温至30
℃时，可析出30
g硫酸铜晶体
D．30
℃时，将35
g硝酸钾和35
g食盐同时溶于100
g水中，蒸发时，先析出的是氯化钠
答案 D
2．将一定浓度的硝酸钠和氯化钾混合溶液加热至沸腾，有晶体A析出，趁热过滤，分离出晶体A。将上述滤液冷却至室温，又有晶体B析出。
(1)晶体A的主要成分是__________，含有的少量杂质是________，要除去晶体A中的少量杂质的方法是________________________________________________________________。
(2)晶体B的主要成分是__________，含有的少量杂质是________，要除去晶体B中的少量杂质的方法是___________________________________________________________________。
(3)用少量热水淋洗晶体也是一种除去晶体中少量杂质的方法，这种方法适用于晶体________(填“A”或“B”)。
答案 (1)NaCl KNO3 加少量水溶解再进行热过滤即蒸发结晶 (2)KNO3 NaCl 重结晶 (3)A
解析 将硝酸钠和氯化钾溶液混合后，溶解度小的氯化钠首先达到饱和而析出；趁热过滤后的滤液中主要含有大量的K＋和NO。将上述滤液冷却至室温，又会有溶解度受温度变化影响大的KNO3晶体析出。选择性必修2人教版2019版
第三章
晶胞结构及有关简单计算
知识梳理
1.熟悉几种常见的晶胞结构及晶胞含有的粒子数目
A.NaCl(含4个Na＋，4个Cl－)
B.干冰(含4个CO2)
C.CaF2(含4个Ca2＋，8个F－)
D.金刚石(含8个C)
E.体心立方(含2个原子)
F.面心立方(含4个原子)
2.掌握晶胞的基本计算方法
(1)晶胞中所含粒子数的计算方法——均摊法
原则：晶胞任意位置上的一个粒子如果是被n个晶胞
所共有，那么，每个晶胞对这个粒子分得的份额就是。
(2)计算方法
特别注意：①当晶胞为六棱柱时，其顶点上的粒子被6个晶胞共用，每个粒子属于该晶胞的部分为；而不是。
②审题时一定要注意是“分子结构”还是“晶体结构”，若是分子结构，其化学式由图中所有实际存在的原子个数决定，原子个数比不约简。
3.有关晶胞各物理量的关系
对于立方晶胞，可简化成下面的公式进行各物理量的计算：a3×ρ×NA＝n×M，a表示晶胞的棱长，ρ表示密度，NA表示阿伏加德罗常数，n表示1
mol晶胞中所含晶体的物质的量，M表示摩尔质量，a3×ρ×NA表示1
mol晶胞的质量。如NaCl：a3ρNA＝4M(M＝58.5)。
典型例题
例题：
某离子晶体的晶胞结构如图所示。
试回答下列问题：
(1)晶体中每个Y同时吸引着________个X，每个X同时吸引着________个Y，该晶体的化学式是________。
(2)晶体中在每个X周围与它最近且距离相等的X共有________个。
(3)设该晶体的摩尔质量为M
g·mol－1，晶胞的密度为ρ
g·cm－3，阿伏加德罗常数的值为NA，则晶体中两个最近的X间的距离为________cm。
解析 此晶胞初看比较复杂，若将X、Y分开来看，X在晶胞中的位置类似NaCl中的Na＋或Cl－，如图(a)。体内8个Y分别位于每个小立方体的中心，如图(b)。
(1)从图(b)知，每个Y同时吸引着4个X，为方便观察，根据晶胞与晶体的关系，不难想像出图(a)与图(c)是等效的，所以由图(c)中心的X与图(b)中Y的关系知，每个X同时吸引着8个Y。所以此离子化合物的化学式为XY2(或Y2X)。(2)从图(c)中心的X来看，与它最近且距离相等的X处于小立方体平面四边形的面对角线上，共有12个。(3)因晶胞内X占8×＋6×＝4个，Y占8个，即有4个XY2(或Y2X)。故其物质的量为
mol，质量为
g。设晶胞边长为a
cm，晶体中最近的两个X间的距离为l
cm；由m＝ρa3和l＝×a得：l＝××＝××＝。
答案 (1)4 8 XY2(或Y2X) (2)12 (3)
强化训练：
1．下图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶胞结构，其中R为＋2价，G为－2价，则Q的化合价为________。
答案 ＋3
解析 晶胞中三种原子的个数分别为R：8×＋1＝2
G：8×＋8×＋4×＋2＝8
Q：8×＋2＝4
R、G、Q的个数之比为1∶4∶2，则其化学式为RQ2G4。
由于R为＋2价，G为－2价，所以Q为＋3价。
2．已知镧镍合金LaNin的晶胞结构如下图，则LaNin中n＝________。
答案 5
解析 根据晶胞结构可判断：La的个数：2×＋12×＝3
Ni的个数：12×＋6×＋6＝15
所以n＝5。
3．Cu元素与H元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。则该化合物的化学式为________。
答案 CuH
解析 根据晶胞结构可以判断：Cu()的个数：2×＋12×＋3＝6；H(?)的个数：6×＋1＋3＝6，所以化学式为CuH。
4．(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，下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。下图是一种链状结构的多硼酸根，则多硼酸根离子符号为________。
答案 (1)MgB2 (2)BO
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×)＝1∶2，化学式为BO。
5．已知下图所示晶体的硬度很可能比金刚石大，且原子间以单链结合，试根据下图确定该晶体的化学式为________________。
答案 B3A4
5、金刚石的晶胞如图，若以硅原子代替金刚石晶体中的碳原子，便得到晶体硅；若将金刚石晶体中一半的碳原子换成硅原子，且碳、硅原子交替，即得到碳化硅晶体(金刚砂)。
(1)金刚石、晶体硅、碳化硅的熔点由高到低的排列顺序是________________(用化学式表示)。
(2)金刚石的晶胞参数为a
pm(1
pm＝10－12
m)。
1
cm3晶体的平均质量为________________
g(只要求列算式，阿伏加德罗常数的值为NA)。
答案 (1)C>SiC>Si (2)
解析 根据均摊法，立方金刚石晶胞中共有8个碳原子。1
cm3晶体的平均质量为
g＝
g。
6.
氮化铬的熔点为1
770
℃，它的一种晶体的晶胞结构如图所示，其密度为5.9
g·cm
－3，氮化铬的晶胞边长为________nm(列出计算式)。
答案 ×107
解析 根据均摊法，晶胞中Cr原子的数目：×8＋×6
＝
4；N原子的数目：×12＋1
＝4；所以晶胞的质量m＝
，密度ρ＝，所以a＝
cm＝×107
nm。
7。一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。图中F－和O2－共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用x和1－x代表，则该化合物的化学式表示为________；通过测定密度ρ和晶胞参数，可以计算该物质的x值，完成它们关系表达式：ρ＝________g·cm－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，例如图1中原子1的坐标为，则原子2和3的坐标分别为________、________。
答案 SmFeAsO1－xFx
解析 由晶胞结构中各原子所在位置可知，该晶胞中Sm的原子个数为4×＝2，Fe的原子个数为1＋4×＝2，As的原子个数为4×＝2，O或F的原子个数为8×＋2×＝2，即该晶胞中O和F的个数之和为2，F－的比例为x，O2－的比例为1－x，故该化合物的化学式为SmFeAsO1－xFx。1个晶胞的质量为g＝g，1个晶胞的体积为a2c
pm3＝a2c×10－30cm3，故密度ρ＝g·cm－3。原子2位于底面面心，其坐标为；原子3位于棱上，其坐标为。
8.
随着科学技术的发展，阿伏加德罗常数的测定手段越来越多，测定精确度也越来越高，现有一种简单可行的测定方法，具体步骤为：
Ⅰ.将固体NaCl研细、干燥后，准确称取m
g
NaCl固体并转移到定容仪器A中。
Ⅱ.用滴定管向A仪器中滴加苯，不断振荡，继续加苯至A仪器的刻度线，计算出NaCl固体的体积为V
cm3。
(1)步骤Ⅰ中A仪器最好用________(仪器名称)。
(2)步骤Ⅱ中用酸式滴定管好还是碱式滴定管好：____________，理由是__________________
______________________________________________。
(3)能否用胶头滴管代替步骤Ⅱ中的滴定管________，理由是____________________________
_________________________________________________。
(4)已知NaCl晶体的晶胞结构如下图所示，用X射线测得NaCl晶胞中靠得最近的Na＋与Cl－间的平均距离为a
cm，则用上述测定方法测得阿伏加德罗常数NA的表达式为NA＝____
mol－1。
答案 (1)容量瓶 (2)酸式滴定管 苯能溶解碱式滴定管的橡皮管 (3)不能 实验中需要准确量取苯的体积
(4)
解析 (2)由于苯对橡胶有溶胀、老化作用，所以滴定管用酸式滴定管。(3)实验中需要准确量取苯的体积，因此不能用胶头滴管代替滴定管。(4)NaCl的密度为ρ＝
g·cm－3，最近的Na＋与Cl－间的平均距离为a
cm，则晶胞棱长＝2a
cm，NaCl晶胞的体积＝(2a)3cm3，晶胞中Na＋数目＝1＋12×＝4、Cl－数目＝8×＋6×＝4，则NaCl晶胞的质量＝
g＝
g·cm－3×
(2a)3
cm3，整理可得NA＝
mol－1。选择性必修2人教版2019版
专题1
分子晶体、共价晶体的比较与应用
知识梳理
1．共价晶体和分子晶体的比较
类型
比较
分子晶体
共价晶体
概念
分子间以分子间作用力相结合而形成的晶体
相邻原子间以共价键相结合而形成共价键三维骨架结构的晶体
构成晶体微粒
分子
原子
微粒之间的作用力
分子间作用力
共价键
物理性质
熔、沸点
较低
很高
硬度
较小
很大
导电性
本身不导电，溶于水时发生电离后可导电
绝缘体(或半导体)
延展性
无
无
溶解性
极性分子易溶于极性溶剂；非极性分子易溶于非极性溶剂
不溶于任何常见溶剂
典型实例
部分非金属单质(如P4、硫等)、部分非金属氧化物(如CO2、SO2等)、酸(如H2SO4等)、所有非金属氢化物(如甲烷、硫化氢等)、绝大多数有机物(有机盐除外)
金刚石、晶体硅、二氧化硅等
2.判断分子晶体和共价晶体的方法
(1)依据构成晶体的微粒和微粒间的作用力判断
构成共价晶体的微粒是原子，微粒间的作用力是共价键；构成分子晶体的微粒是分子，微粒间的作用力是分子间作用力。
(2)依据晶体的熔点判断
共价晶体的熔点高，常在1
000
℃以上，而分子晶体的熔点低，常在数百度以下甚至温度更低。
(3)依据晶体的硬度与机械性能判断
共价晶体的硬度大，分子晶体的硬度小且较脆。
(4)依据导电性判断
分子晶体为非导体，但部分溶于水后能导电；共价晶体多数为非导体，但晶体硅、锗是半导体。
(5)记忆常见的共价晶体、分子晶体
常见的共价晶体有：①单质：金刚石、晶体硅、晶体硼、晶体锗等；②化合物：SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4等。除共价晶体外的绝大多数非金属单质、气态氢化物、非金属氧化物、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)都属于分子晶体。
强化训练
1．下列各组晶体物质中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是( )
①SiO2和SO3 ②晶体硼和HCl ③CO2和SO2 ④晶体硅和金刚石 ⑤晶体氖和晶体氮 ⑥硫黄和碘
A．①②③
B．④⑤⑥
C．③④⑥
D．①③⑤
答案 C
解析 属于分子晶体的有SO3、HCl、CO2、SO2、晶体氖、晶体氮、硫黄和碘。属于共价晶体的有SiO2、晶体硼、晶体硅和金刚石。但晶体氖是由稀有气体分子组成，稀有气体为单原子分子，分子间不存在化学键。
2．下列晶体熔、沸点由高到低的顺序正确的是( )
①SiC ②Si ③HCl ④HBr ⑤HI ⑥CO ⑦N2 ⑧H2
A．①②③④⑤⑥⑦⑧
B．①②⑤④③⑥⑦⑧
C．①②⑤④③⑦⑥⑧
D．⑥⑤④③②①⑦⑧
答案 B
解析 SiC和Si为共价晶体，熔、沸点高，因为SiC晶体中Si—C比Si晶体中Si—Si更牢固，则SiC的熔、沸点大于Si的熔、沸点，剩余晶体均为分子晶体，熔、沸点低于共价晶体，结构相似的分子晶体，相对分子质量越大，范德华力就越大，熔、沸点越高，相对分子质量相同的分子晶体，极性分子的熔、沸点大于非极性分子的熔、沸点，所以熔、沸点由高到低的顺序正确的是①②⑤④③⑥⑦⑧，故B项正确。
3．现有以下8种晶体：
A．干冰 B．CS2 C．金刚石 D．SiC E．晶体硅 F．水晶 G．冰 H．晶体氩
(1)属于分子晶体，且分子的空间结构为直线形的是________________(填字母，下同)。
(2)通过非极性键形成的共价晶体是________；晶体内不含化学键的是________。
(3)直接由原子构成的晶体是________。
(4)受热熔化时，化学键发生变化的是________，干冰的熔点比冰的熔点低得多，原因是________________________________________________________________________。
(5)金刚石、SiC、晶体硅都是同主族元素组成的晶体，它们的熔点高低顺序为______>_______>
_______(用名称填空)，其原因是___________________________________________________。
答案 (1)AB (2)CE H (3)CDEFH (4)CDEF 干冰中CO2分子之间只存在范德华力，冰中H2O分子之间存在范德华力和氢键，且氢键的强度比范德华力大 (5)金刚石 碳化硅 晶体硅 金刚石、碳化硅、晶体硅都是共价晶体，键长：C—CC—Si>Si—Si
解析 (1)A、B、G、H属于分子晶体，其中CO2、CS2为直线形分子，H2O为V形分子，Ar属于单原子分子。(2)非极性键形成的共价晶体应为单质，有金刚石和晶体硅，题述物质中只有晶体氩不含化学键。(3)直接由原子构成的晶体为共价晶体和由稀有气体组成的分子晶体。(4)受热熔化时，分子晶体只是破坏分子间的作用力，而不会破坏分子内的化学键；共价晶体会破坏其中的共价键，干冰和冰均为分子晶体，但是冰中水分子间存在氢键，使熔点升高。(5)金刚石、SiC和晶体硅都是共价晶体，共价晶体的熔点取决于共价键的键能。由于原子半径Si>C，故键长：Si—Si>Si—C>C—C，所以键能的大小顺序为C—C>Si—C>Si—Si，所以三种晶体的熔点高低顺序：金刚石>碳化硅>晶体硅。
4．现有两组物质的熔点数据如表所示：
A组
B组
金刚石：＞3
500
℃
HF：－83
℃
晶体硅：1
410
℃
HCl：－115
℃
晶体硼：2
300
℃
HBr：－89
℃
二氧化硅：1
710
℃
HI：－51
℃
根据表中数据回答下列问题。
(1)A组属于________晶体，其熔化时克服的微粒间的作用力是_________________________
____________________________________________。
(2)B组中HF熔点反常是由于________。
(3)B组晶体不可能具有的性质是________(填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电 ③固体能导电 ④液体状态能导电
答案 (1)共价 共价键 (2)HF分子间能形成氢键，熔化时需要消耗更多的能量 (3)③④
解析 A组熔点很高，应是共价晶体，共价晶体熔化时破坏的是共价键；B组是分子晶体，且结构相似，一般是相对分子质量越大，熔点越高；HF的相对分子质量最小，但熔点比HCl高，出现反常的原因是HF分子间存在氢键，HF熔化时除了破坏分子间作用力，还要破坏氢键，所需能量更高，因而熔点更高。分子晶体在固态和熔化状态时都不导电。
5．通常人们把断开(或形成)1
mol某化学键所吸收(或放出)的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可以估算化学反应的反应热(ΔH)。化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。
Si—O
Si—Cl
H—H
H—Cl
Si—Si
Si—C
键能/(kJ·mol－1)
460
360
436
431
176
347
请回答下列问题：
(1)比较下列两组物质的熔点高低(填“>”或“<”)
SiCl4________
SiO2;
Si________
SiC。
(2)如图每个“”表示硅晶体中的一个硅原子，每个硅原子与Si—Si数目之比为________，属于________晶体。
答案 (1)< < (2)1∶2 共价
解析 (1)键长短，键能大，熔点高。(2)每个硅原子形成四个共价键，而一个共价键由两个硅原子形成，所以每个硅原子与Si—Si数目之比为1∶(×4)＝1∶2。
6．硼(B)及其化合物在化学中有重要的地位。请回答下列问题：
(1)Ga与B同主族，Ga的基态原子核外电子排布式为___________________________。B与同周期相邻两元素第一电离能由大到小的顺序是________________。
(2)硼酸(H3BO3)是白色片状晶体(层状结构如图)，有滑腻感，在冷水中溶解度很小，加热时溶解度增大。
①硼酸中B原子的杂化轨道类型为________
。
②硼酸晶体中存在的作用力有范德华力和__________________________________________
。
③加热时，硼酸的溶解度增大，主要原因是____________________________。
④硼酸是一元弱酸，在水中电离时硼酸结合水电离出的H＋而呈酸性。写出硼酸的电离方程式：
_______________________________________________________________________________。
(3)立方氮化硼是一种新型陶瓷材料，结构和形体都类似金刚石，是现在所知的几乎最硬的物质，化学式为BN，则立方氮化硼中B原子的杂化轨道类型为________；1
mol立方氮化硼中B—N的物质的量为________。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d104s24p1(或[Ar]
3d104s24p1) C＞Be＞B (2)①sp2 ②氢键、共价键 ③加热破坏了硼酸分子之间的氢键 ④H3BO3＋H2O[B(OH)4]－＋
H＋ (3)sp3 4
mol
解析 (1)Ga的基态原子核外电子排布式：1s22s22p63p63d104s24p1或[Ar]3d104s24p1；同周期元素第一电离能从左到右有增大的趋势，但第ⅡA、第ⅤA出现反常，故第一电离能：C＞Be＞B。(2)①B原子的杂化轨道类型为sp2杂化；②硼酸晶体中除了范德华力还有共价键和氢键；③加热时，硼酸的溶解度增大，是由于加热破坏了硼酸分子之间的氢键；④硼酸的电离方程式为H3BO3＋H2O[B(OH)4]－＋H＋。(3)B原子的杂化轨道类型为sp3杂化；立方氮化硼结构和形体都类似金刚石，故晶胞中含有4个B原子和4个N原子，故1
mol立方氮化硼中含有4
mol
B—N。
7．回答下列问题：
(1)氮化碳和氮化硅晶体结构相似，是新型的非金属高温陶瓷材料，它们的硬度大、熔点高，化学性质稳定。
氮化硅的硬度________(填“大于”或“小于”)氮化碳的硬度，原因是___________________
_______________________________________________________________________________。
(2)第ⅢA、ⅤA族元素组成的化合物GaN、GaP、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与单晶硅相似。
①在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________________，GaN属于________晶体。
②三种新型半导体材料的熔点由高到低的顺序为____________________________________。
答案 (1)小于 氮化硅和氮化碳均为共价晶体，氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小
(2)①4 正四面体 共价 ②GaN＞GaP＞GaAs
解析 (1)氮化硅和氮化碳均为共价晶体。氮化硅中N—Si键的键长比氮化碳中C—N键的键长长，键能小，所以氮化硅硬度比氮化碳小。
(2)①GaN与单晶硅结构相似，所以每个Ga原子与4个N原子形成共价键，每个N原子与4个Ga原子形成共价键。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结构，GaN与晶体硅都是共价晶体。②原子半径越小，共价键越强，晶体的熔点越高。
8．纳米技术制成的金属燃料、非金属固体燃料、氢气等已应用到社会生活和高科技领域。
(1)A和B的单质单位质量的燃烧热大，可用作燃料。已知A和B为短周期元素，其原子的第一至第四电离能如下表所示：
电离能/(kJ·mol－1)
I1
I2
I3
I4
A
932
1
821
15
390
21
771
B
738
1
451
7
733
10
540
①某同学根据上述信息，推断B的核外电子排布如右图所示，该同学所画的电子排布图违背了________。
②根据价层电子对互斥理论，预测A和氯元素形成的简单分子空间结构为________。
(2)氢气作为一种清洁能源，必须解决它的储存问题，C60可用作储氢材料。
①已知金刚石中C—C的键长为154.45
pm，C60中C—C的键长为145～140
pm，有同学据此认为C60的熔点高于金刚石，你认为是否正确并阐述理由：____________________________
_______________________________________________________________________________。
②科学家把C60和K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物，其晶胞如图所示，该物质在低温时是一种超导体。该物质的K原子和C60分子的个数之比为________。
③继C60后，科学家又合成了Si60、N60，C、Si、N原子的电负性由大到小的顺序是________。Si60分子中每个硅原子只跟相邻的3个硅原子形成共价键，且每个硅原子最外层都满足8电子稳定结构，则Si60分子中π键的数目为______________。
答案 (1)①能量最低原理 ②直线形 (2)①不正确。C60为分子晶体，熔化时破坏的是分子间作用力，无需破坏共价键，而分子间作用力较弱，所需能量较低，故C60的熔点低于金刚石的熔点 ②3∶1 ③N>C>Si 30
解析 (1)①从图上看，3p轨道上的1个电子应排布在3s轨道上，且自旋方向相反，该同学所画的电子排布图违背了能量最低原理。②从A的第一至第四电离能看，A的第三电离能发生突变，因此A最外层有2个电子，且A的第一电离能比B大，则A为Be，B为Mg。则A和氯元素形成的简单分子为BeCl2，则分子中价层电子对数为2＋＝2，因此为直线形，中心原子的杂化方式为sp杂化。(2)①结构决定性质，对于物质熔、沸点的分析应从物质的晶体类型来分析。C60属于分子晶体，熔化时破坏的是分子间作用力，无需破坏共价键，而分子间作用力较弱，所需能量较低，故C60的熔点低于金刚石的熔点。②晶胞中的K原子在面上，对晶胞的贡献为，每个晶胞中含有K原子的个数为12×＝6个；C60在晶胞的顶角和中心，因此每个晶胞中C60的分子数是1＋8×＝2个，因此K原子和C60分子的个数之比为6∶2＝3∶1。③同一周期元素电负性自左向右呈增大趋势，同一主族元素电负性自上向下逐渐减小，因此电负性由大到小的顺序为N>C>Si。根据题意可知每个Si原子形成4个共价键，其中3个σ键，1个π键，每个化学键为两个原子形成，则π键为化学键总数的，60个原子可形成化学键总数为
＝120个，因此π键数为＝30个。选择性必修2人教版2019版
专题2
晶体结构的分析与计算
知识梳理
1．常见共价晶体结构的分析
晶体
晶体结构
结构分析
金刚石
(1)每个C与相邻4个C以共价键结合，形成正四面体结构
(2)键角均为109°28′
(3)最小碳环由6个C组成且6个C不在同一平面内
(4)每个C参与4个C—C的形成，C原子数与C—C数之比为1∶2
(5)密度＝(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)
SiO2
(1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构
(2)每个正四面体占有1个Si，4个“O”，因此二氧化硅晶体中Si与O的个数比为1∶2
(3)最小环上有12个原子，即6个O，6个Si
(4)密度＝(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)
SiC、BP、AlN
(1)每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体结构
(2)密度：ρ(SiC)＝；ρ(BP)＝；ρ(AlN)＝(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)
2.常见分子晶体结构的分析
晶体
晶体结构
结构分析
干冰
(1)每8个CO2构成1个立方体且在6个面的面心又各有1个CO2
(2)每个CO2分子周围紧邻的CO2分子有12个
(3)密度＝(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)
白磷
密度＝(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)
3.常见离子晶体结构的分析
NaCl型
CsCl型
ZnS型
CaF2型
晶胞
配位数
6
8
4
F－：8；Ca2＋：4
密度的计算(a为晶胞边长，NA为阿伏加德罗常数的值)
强化训练
1．AB型化合物形成的晶体结构多种多样。下图所示的几种结构所表示的物质最有可能是分子晶体的是( )
A．①③
B．②⑤
C．⑤⑥
D．③④⑤⑥
答案 B
解析 从各图中可以看出②⑤都不能再以化学键与其他原子结合，所以最有可能是分子晶体。
2．如图为几种晶体或晶胞的示意图：
请回答下列问题：
(1)上述晶体中，微粒之间以共价键结合形成的晶体是________。
(2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为______________________。
(3)NaCl晶胞与MgO晶胞相同，NaCl晶体的离子键________(填“大于”或“小于”)MgO晶体的离子键，原因是___________________________________________________________。
(4)CaCl2晶体中Ca2＋的配位数________。
(5)冰的熔点远高于干冰，除H2O是极性分子、CO2是非极性分子外，还有一个重要的原因是_______________________________________________________________________________。
答案 (1)金刚石晶体
(2)金刚石＞MgO＞CaCl2＞冰＞干冰
(3)小于 MgO晶体中离子所带电荷数大于NaCl晶体中离子所带电荷数；且r(Mg2＋)＜r(Na＋)、r(O2－)＜r(Cl－)
(4)8
(5)水分子之间形成氢键
解析 (2)离子晶体的熔点与离子半径及离子所带电荷数有关，离子半径越小，离子所带电荷数越多，则离子晶体熔点越高，故MgO的熔点高于CaCl2；金刚石是共价晶体，熔点最高；冰、干冰均为分子晶体，冰中存在氢键，冰的熔点高于干冰。(4)氯化钙类似氟化钙，Ca2＋的配位数为8，Cl－的配位数为4。
3．[2017·全国卷Ⅲ，35(5)]MgO具有NaCl型结构(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型结构，晶胞参数为a′＝0.448
nm，则r(Mn2＋)为________nm。
答案 0.148 0.076
解析 由题意知在MgO中，阴离子作面心立方堆积，氧离子沿晶胞的面对角线方向接触，所以a＝2r(O2－)，r(O2－)≈0.148
nm；MnO的晶胞参数比MgO更大，说明阴离子之间不再接触，阴、阳离子沿坐标轴方向接触，故2[r(Mn2＋)＋r(O2－)]＝a′，r(Mn2＋)＝0.076
nm。
4．Li2O具有反萤石结构，晶胞如图所示。已知晶胞参数为0.466
5
nm，阿伏加德罗常数的值为NA，则Li2O的密度为________________________________________g·cm－3(列出计算式)。
答案
解析 由题给图示可知，Li位于晶胞内部，O位于顶点和面心，因此一个晶胞有8个Li，O原子个数为6×＋8×＝4。因此一个Li2O晶胞的质量为
g，一个晶胞的体积为(0.466
5×10－7)3
cm3，即该晶体密度为
g·cm－3。
5．[2018·全国卷Ⅱ，35(5)]FeS2晶体的晶胞如图所示。晶胞边长为a
nm、FeS2相对分子质量为M、阿伏加德罗常数的值为NA，其晶体密度的计算表达式为__________________g·cm－3；晶胞中Fe2＋位于S所形成的正八面体的体心，该正八面体的边长为________nm。
答案 ×1021 a
解析 分析晶胞结构可知，Fe2＋位于棱心和体心，S位于顶点和面心，因此每个晶胞中含有的Fe2＋个数为12×＋1＝4，每个晶胞中含有的S个数为6×＋8×＝4，即每个晶胞中含有4个FeS2。一个晶胞的质量＝
g，晶胞的体积＝(a×10－7)3
cm3，该晶体的密度为
g·cm－3＝×1021
g·cm－3。正八面体的边长即为两个面心点的距离，因此正八面体的边长为a
nm。
6．CaF2的晶胞为立方晶胞，结构如下图所示：
(1)CaF2晶胞中，Ca2＋的配位数为__________。
(2)“原子坐标参数”可表示晶胞内部各原子的相对位置，已知A、B两点的原子坐标参数如图所示，则C点的“原子坐标参数”为(____________，____________，)
(3)晶胞中两个F－的最近距离为273.1
pm，用NA表示阿伏加德罗常数的值，则晶胞的密度为__________g·cm－3(列出计算式即可)。
答案 (1)8 (2) (3)
解析 (1)以面心Ca2＋为研究对象，在一个晶胞中连接4个F－，通过该Ca2＋可形成2个晶胞，所以与该Ca2＋距离相等且最近的F－共有8个，因此Ca2＋的配位数是8。
(2)观察A、B、C的相对位置，可知C点的x轴坐标是，y轴坐标是，z轴坐标是。
(3)根据晶胞结构可知，在一个晶胞中含有Ca2＋的个数：×8＋×6＝4，含有F－的个数：1×8＝8，即一个晶胞中含有4个CaF2，根据C点的坐标可知：晶胞中F－之间的距离为晶胞边长的一半，所以晶胞参数L＝2×273.1
pm＝546.2
pm，则该晶胞的密度为ρ＝＝
g·cm－3。
7．Cu与Cl形成某种化合物的晶胞如图所示，该晶体的密度为ρ
g·cm－3，晶胞边长为a
cm，则阿伏加德罗常数为________(用含ρ、a的代数式表示)。
答案
mol－1
解析 晶胞中黑色球数目为4、白色球数目为8×＋6×＝4，该化合物为CuCl，晶胞质量为＝ρ
g·cm－3×(a
cm)3，整理可得NA＝
mol－1。
