2023届新高考化学一轮复习晶体结构与性质学案.docx

晶体结构与性质 素养目标1.证据推理与模型认知：能举例说明对物质结构的认识是不断发展的，并能解释原因。2宏观辨识与微观探析：能从原子结构、分子、晶体层面推测晶体的结构特点，认识结构与性质之间的关系。3科学态度与社会责任：能从微粒的空间排布及相互作用的角度分析物质结构，并能举例说明配合物在生物、化学等领域的广泛应用，氢键对于生命的重大意义。考点考题考点一：物质的聚集状态与晶体常识2021山东等级考16题2021全国甲卷35题2021河北选择考17题考点二：几种简单的晶体结构2021全国甲卷35题2021全国乙卷35题2021山东等级考16题2021山东等级考9题2021湖南选择考18题考点三：过渡晶体与混合型晶体液晶纳米材料2019全国卷35题考点四：配合物与超分子2021全国乙卷35题2020山东等级考17题2020江苏高考21题分析近五年全国卷试题，高考命题在本讲有以下规律：1从考查题型和内容上看，高考命题以非选择题呈现，考查内容主要有以下两个方面：(1)晶体类型的判断，晶体熔沸点大小的判断。(2)晶体的密度、晶胞参数、核间距计算、晶体中原子的空间位置判断。2从命题思路上看，侧重以陌生物质的晶胞结构为情境载体考查晶体的密度、晶胞参数计算、晶体中原子的空间位置判断等。3从考查学科素养的角度看，注重考查宏观辨识与微观辨析、证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的学科素养。根据高考命题的特点和规律，复习时要注意以下几个方面：(1)晶胞中配位数、微粒间距离及原子分数坐标判断。(2)晶体化学式的计算及晶体密度的计算。(3)晶体类型的判断、熔点差异原因及熔沸点高低的比较等。考点一：物质的聚集状态与晶体常识(基础性考点)(一)从结构角度区分晶体与非晶体1晶体与非晶体晶体非晶体结构特征粒子在三维空间里呈周期性有序排列粒子无序排列性质特征自范性有无熔点固定不固定异同表现各向异性无各向异性外观有规则的几何外形无规则的几何外形区别方法间接方法有固定熔点无固定熔点科学方法对固体进行X-射线衍射实验2.获得晶体的途径(1)熔融态物质凝固(2)气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)(3)溶质从溶液中析出(二)晶胞概念晶体结构中基本的重复单元形状大小、形状完全相同的平行六面体晶体中晶胞的排列方式无隙并置“切割法”计算某晶胞中的微粒，如果被n个晶胞所共有，则微粒的属于该晶胞【辨易错】(1)有规则几何外形的固体就是晶体。(×)(2)晶体有固定的熔点，可以用此方法区分晶体与非晶体。()(3)同一物质可能是晶体，也可能是无定型。()(4)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中会慢慢变为完美的立方体块。()(5)已知晶胞的组成就可推知晶体的组成。()能力点一： 晶体与非晶体的判断1下列关于晶体的说法正确的是()A粉末状的硝酸钾固体没有多面体外形，故为非晶体B晶体呈现自范性的过程是非自发的过程C玛瑙和水晶皆为晶体，二者都是熔融二氧化硅凝固所形成的D当晶体生长速率适当时才可得到规则的多面体外形【解析】选D。A项：有的固体粉末，肉眼看不到晶体外形。放到光学显微镜下才可以看到整齐规则的晶体外形；B项：晶体自范性的呈现是一个自发的过程；C项：玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶则是热液缓慢冷却形成的；D项：熔融态物质冷却凝固速率过快只能得到看不到规则外形的粉末或块状物，玛瑙的形成就是一个例子。2如图是某固体的微观结构示意图，认真观察两图，判断下列说法正确的是() A.两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体B形成的固体物理性质有各向异性C形成的固体一定有固定的熔、沸点D二者的X­射线图谱是相同的【解析】选B。观察结构图知，中微粒呈周期有序排列，中微粒排布不规则，故为晶体，为非晶体。晶体具有各向异性，具有固定熔点，非晶体没有固定熔点，用X­射线检验两者，图谱明显不同。请总结判断固体是不是晶体最可靠的方法。提示：X射线衍射实验能力点二： 晶胞中粒子数目的计算长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算非长方体：如三棱柱示例：CaF2的晶胞如图所示。该晶胞含Ca24个，F8个。1(2021·广东选择考节选)理论计算预测，由汞(Hg)、锗(Ge)、锑(Sb)形成的一种新物质X为潜在的拓扑绝缘体材料。X的晶体可视为Ge晶体(晶胞如图a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。图b为Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一种单元结构，它不是晶胞单元，理由是_。图c为X的晶胞，X的晶体中与Hg距离最近的Sb的数目为_；该晶胞中粒子个数比HgGeSb_。【解析】对比图b和图c可得X晶体的晶胞中上下两个单元内的原子位置不完全相同，不符合晶胞是晶体的最小重复单元要求。以晶胞上方立方体中右侧面心中Hg原子为例，同一晶胞中与Hg距离最近的Sb的数目为2，晶胞右侧中有2个Sb原子与Hg原子距离最近，因此X的晶体中与Hg距离最近的Sb的数目为4；该晶胞中Sb原子均位于晶胞内，因此1个晶胞中含有Sb原子数为8，Ge原子位于晶胞顶点、面心、体心，因此1个晶胞中含有Ge原子数为18×4×4，Hg原子位于棱边、面心，因此1个晶胞中含有Hg原子数为6×4×4，则该晶胞中粒子个数比HgGeSb 448112。答案：不符合晶胞是晶体的最小重复单元要求41122(2021·湖南选择考节选)如图是Mg、Ge、O三种元素形成的某化合物的晶胞示意图。已知化合物中Ge和O的原子个数比为14，图中Z表示_原子(填元素符号)，该化合物的化学式为_。【解析】由晶胞结构可知，晶胞中位于顶点、面心、棱上和体内的X原子为8×6×4×38，位于体内的Y原子和Z原子分别为4和16，由Ge和O原子的个数比为14可知，X为Mg原子、Y为Ge原子、Z为O原子，则晶胞的化学式为Mg2GeO4。 答案：OMg2GeO4考点二：几种简单的晶体结构(综合性考点)从微粒及其相互作用角度认识四种晶体结构1晶体结构模型(1)共价晶体金刚石a每个碳原子与相邻4个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构。b键角均为109°28。c最小碳环由6个C组成且6个碳原子不在同一平面内。d每个C参与4条CC键的形成，C原子数与CC键数之比为12。SiO2a每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构。b每个正四面体占有1个Si，4个“O”，N(Si)N(O)12。c.最小环上有12个原子，即6个O，6个Si。(2)分子晶体a8个CO2分子构成立方体且在6个面心上各有1个CO2分子。b每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个。 (3)离子晶体NaCl型(Li、Na、K和Rb的卤化物、AgF、MgO等)aNa、Cl的配位数均为6。b每个Na(Cl)周围紧邻(距离最近且相等)的Cl(Na)构成正八面体。c每个Na(Cl)周围紧邻的Na(Cl)有12个。d每个晶胞中含有4个Na、4个Cl。CsCl型(CsBr、CsI、NH4Cl等)aCs、Cl的配位数均为8。b每个Cs(Cl)周围紧邻的Cl(Cs)构成正六面体。c每个Cs(Cl)周围紧邻的Cs(Cl)有6个。d每个晶胞中含1个Cs、1个Cl。ZnS型(BeO、BeS等)aZn2、S2的配位数均为4。b每个Zn2(S2)周围紧邻的S2(Zn2)构成正四面体。c每个晶胞中有4个S2、4个Zn2。dZn2与S2之间的最短距离为晶胞体对角线长的。CaF2型aCa2的配位数为8，F的配位数为4，二者的配位数之比等于二者电荷(绝对值)之比。b每个F周围紧邻的4个Ca2构成正四面体，每个Ca2周围紧邻的8个F构成立方体。c每个晶胞中有4个Ca2、8个F。dCa2与F之间的最短距离为晶胞体对角线长的。(4)金属晶体晶胞结构举例配位数每个晶胞包含原子数原子空间利用率Ca、Al、Cu、Ag、Pt、Au12474%Li、Na、K、Ba8268%Mg、Zn、Ti126(2)74%Po6152%2晶体的性质比较金属晶体分子晶体离子晶体共价晶体构成粒子金属阳离子和自由电子分子阴、阳离子原子作用力金属键分子间作用力离子键共价键物理性质熔沸点有的很大,有的很小较低较高高硬度较小较大大导电性、导热性、延展性良好的导电性、导热性、延展性一般不导电,溶于水后有的导电固态时不导电,熔融状态或水溶液中导电一般不具有导电性【微点拨】不同晶体微粒间相互作用强弱的判断金属晶体分子晶体离子晶体共价晶体作用力强弱金属阳离子半径越小、所带电荷数越多，金属键越强相对分子质量越大、形成氢键，分子间作用力越强阴阳离子的半径越小、所带电荷数越多，晶格能越大原子半径越小即键长越短，键能越大3晶格能(1)概念：气态离子形成1 mol离子晶体释放的能量，通常取正值，单位kJ·mol1。(2)影响因素：离子半径：半径越小，晶格能越大离子所带电荷数：离子所带电荷数越多，晶格能越大。(3)与离子晶体性质的关系：晶格能越大，熔沸点越高，硬度越大，晶体越稳定。【辨易错】分子晶体中都含有共价键。(×)常温下，金属单质都是以金属晶体的形式存在。(×)金属晶体的熔点一定比分子晶体的熔点高。(×)CO2和SiO2是同主族元素的氧化物，它们的晶体结构相似，性质也非常相似。(×)能力点一： 晶体类型的判断依据(1)依据构成晶体的粒子及粒子间的作用力(2)依据物质类别(3)依据晶体的熔沸点(4)依据导电性(5)依据硬度大小1(2021·全国甲卷节选)太阳能电池板主要材料为单晶硅或多晶硅。Si的价电子层的电子排布式为_；单晶硅的晶体类型为_。【解析】基态Si原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p2，因此Si的价电子层的电子排布式为3s23p2；晶体硅中Si原子与Si原子之间通过共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构，因此晶体硅为共价晶体。答案：3s23p2共价晶体2四乙醇钛能增加橡胶在金属表面的黏附性。Ti(OCH2CH3)4可溶于有机溶剂，常温下为淡黄色透明液体，其晶体类型为_。【解析】Ti(OCH2CH3)4可溶于有机溶剂，有机溶剂大多数都是分子晶体，根据相似相溶，Ti(OCH2CH3)4是分子晶体。答案：分子晶体【加固训练】 (2022·青岛模拟)HgCl2稀溶液可用作外科手术刀消毒剂，HgCl2晶体熔点较低，熔融状态下不导电。HgCl2属于_化合物(填“离子”或“共价”)。【解析】因为HgCl2晶体熔点较低，熔融状态下不导电，所以HgCl2属于共价化合物。答案：共价能力点二： 晶体熔沸点高低的比较(1)不同类型晶体的熔、沸点高低规律。一般为共价晶体>离子晶体>分子晶体。金属晶体的熔、沸点有的很高(如钨)，有的很低(如汞)。(2)同属于共价晶体。一般组成晶体的原子半径越小，熔、沸点越高。如熔点：金刚石(CC)>碳化硅(SiC)>晶体硅(SiSi)。(3)同属于离子晶体。离子所带电荷越多，离子半径越小，则离子键越强，熔、沸点越高。如熔点：MgO>NaCl>CsCl。(4)同属于金属晶体。金属原子的价电子数越多，半径越小，金属键越强，熔、沸点越高。如熔点：Al>Mg>Na。(5)同属于分子晶体。分子间作用力越强，熔、沸点越高。组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，分子间作用力越强，熔、沸点越高。如熔点：I2>Br2>Cl2>F2。相对分子质量相同或相近的物质，分子的极性越大，熔、沸点越高。如沸点：CO>N2。同分异构体之间：A一般是支链越多，熔、沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。B结构越对称，熔、沸点越低。如沸点：邻二甲苯>间二甲苯>对二甲苯。若分子间有氢键，则分子间作用力比结构相似的同类晶体大，故熔、沸点较高，如沸点：HF>HI>HBr>HCl。状态不同的物质在相同条件下，熔、沸点：固体>液体>气体。例如：S>Hg>O2。1(1)(2021·全国甲卷节选)甲醇的沸点(64.7 )介于水(100 )和甲硫醇(CH3SH，7.6 )之间，其原因是_。 (2)(2021·广东选择考节选)H2S、CH4、H2O的沸点由高到低顺序为_。 【解析】(1)甲醇分子之间和水分子之间都存在氢键，因此沸点高于不含分子间氢键的甲硫醇，水分子之间氢键的数目较多，因此甲醇的沸点介于水和甲硫醇之间。(2)H2S、CH4、H2O均为分子晶体，H2O分子间存在氢键，沸点较高，H2S、CH4的分子间范德华力随相对分子质量增大而增加，因此沸点由高到低顺序为H2O>H2S>CH4。答案：(1)甲硫醇不能形成分子间氢键，而水和甲醇均能，且水比甲醇的氢键多(2)H2O>H2S>CH42(2021·湖南选择考)硅、锗(Ge)及其化合物广泛应用于光电材料领域。回答下列问题：(1)基态硅原子最外层的电子排布图为_，晶体硅和碳化硅熔点较高的是_(填化学式)；(2)硅和卤素单质反应可以得到SiX4。SiX4的熔沸点0时，SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是_(填化学式)，沸点依次升高的原因是_，气态SiX4分子的空间构型是_。【解析】(1)硅元素的原子序数为14，价电子排布式为3s23p2，则最外层电子排布图为；共价晶体的熔点取决于共价键的强弱，晶体硅和碳化硅都是共价晶体，碳原子的原子半径小于硅原子，非金属性强于硅原子，碳硅键的键能大于硅硅键、键长小于硅硅键，则碳硅键强于硅硅键，碳化硅的熔点高于晶体硅；(2)由题给熔沸点数据可知，0 时，四氟化硅为气态，四氯化硅为液态，四溴化硅、四碘化硅为固态；分子晶体的沸点取决于分子间作用力的大小，SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大，则SiX4的沸点依次升高；SiX4分子中硅原子的价层电子对数为4，孤电子对数为0，则分子的空间构型为正四面体形。答案：(1)SiC(2)SiCl4SiX4都是结构相似的分子晶体，相对分子质量依次增大，分子间作用力依次增大正四面体形考点三：过渡晶体与混合型晶体液晶纳米材料(基础性考点)(一)从微粒的相互作用认识过渡晶体与混合型晶体1过渡晶体(1)概念：有些晶体的化学键既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，所以这些晶体既不是纯粹的离子晶体也不是纯粹的共价晶体，只是离子晶体与共价晶体之间的过渡晶体。(2)具体实例：偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如SiO2等。2混合型晶体石墨(1)石墨晶体的结构特点所有碳原子均采取sp2杂化，形成平面六元并环结构，因而石墨晶体是层状结构。层内每个碳原子以共价键与周围的3个C原子结合，层内最小环由6个C原子组成；每个C原子被3个最小环所共用；每个最小环含有2个C原子；C原子与碳碳键个数比为23。层间没有化学键相连，是靠范德华力结合的；所以石墨是混合型晶体。(2)石墨晶体的导电性和润滑性导电性润滑性原因没有参与杂化的2p电子形成离域大键，p电子可以在整个碳原子平面中运动，所以石墨的导电性只能沿石墨平面的方向层与层之间是范德华力结合，作用力弱，可以相对滑动，所以具有润滑性【微点拨】石墨的熔点比金刚石高。 (二)液晶纳米材料液晶纳米材料定义在一定温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体各向异性的聚集状态三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料结构特点液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列纳米颗粒内部具有晶状结构，原子排列有序；而界面则为无序结构。性质与用途液晶显示器、电子表、计算器、数字仪表化妆品、涂料、食品、化纤布料、隐形飞机种类联苯液晶、苯基环己烷液晶及酯类液晶等富勒烯、石墨烯、碳纳米管【辨易错】纳米材料是一种非晶体。(×)纳米材料具有丁达尔效应。(×)液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性。()纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分中原子都排列有序。(×)1(2022·广州模拟)下列说法不正确的是()A液晶态介于晶体状态和液态之间，液晶具有一定程度的晶体的有序性和液体的流动性B常压下，0 时冰的密度比水的密度小，水在4 时密度最大，这些都与分子间的氢键有关C金属易导电、易导热、有延展性、易锈蚀均能用金属的电子气理论解释D石墨晶体中既有共价键，又有金属键还有范德华力，是一种混合型晶体【解析】选C。A.液晶态是指介于晶体和液体之间的物质状态，像液体具有流动性，像固体具有晶体的有序性，故A正确；B.冰中存在氢键，具有方向性和饱和性，其体积变大，则相同质量时冰的密度比液态水的密度小，故B正确；C.金属易锈蚀与金属晶体结构无关、与化学性质有关，金属的化学性质比较活泼，容易被空气中的氧气所氧化，故金属易腐蚀不能用金属晶体结构加以解释，故C错误；D.石墨晶体层与层之间是分子间作用力，所以石墨晶体中的作用力有共价键、分子间作用力，石墨中有像金属一样的金属键，故D正确。2(2022·烟台模拟)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是带电的离子和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是长程无序和短程有序的C液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性D纳米材料包括纳米颗粒和颗粒间的界面两部分，两部分都是长程有序的【解析】选D。A.等离子体是呈准电中性的，其构成微粒可以是带电粒子或中性粒子，故A正确； B非晶体排列长程无序和短程有序，故B正确；C.液晶分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性，故C正确；D.纳米颗粒是长程有序的晶状结构，界面却是长程无序和短程无序的结构，故D错误。【加固训练】有关液晶的叙述，不正确的是()A液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性B液晶最重要的用途是制造液晶显示器C液晶不是物质的一种聚集状态D液晶分子聚集在一起时，其分子间相互作用很容易受温度、压力和电场的影响【解析】选C。液晶是物质的一种聚集状态，故C选项错误。考点四：配合物与超分子(基础性考点)(一)从结构角度认识配合物1配位键(1)定义：一方提供空轨道，另一方提供孤电子对 而形成的共价键被称为配位键。(2)基本概念中心原子(离子)：提供空轨道。配位体：提供孤电子对配位数：提供孤电子对的离子或分子的数目。(3)配位键具有饱和性和方向性。(4)表示方法：电子对给予体电子对接受体。2配合物(1)定义：中心离子或原子与配体以配位键结合形成的化合物称为配位化合物，简称配合物。(2)组成：(3)形成条件：(二)超分子定义微粒间的作用力大小特征及其应用超分子由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成具有特定结构和功能的聚集体非共价键(包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等)有的有限，有的无限延展分子识别如：分离C60和C70 ；冠醚识别碱金属离子微点拨超分子定义中的分子是广义的，包括离子。1(2022·济南模拟)一种以二茂铁为骨架的新型手性膦氮配合物结构示意图如图，其中Ph为苯基，Ir为铱元素。该结构中电负性最大的元素为_(填元素符号，下同)，分子中第二周期元素的第一电离能由大到小的顺序为_。P原子的杂化方式为_，分子中不含有的化学键类型是_(填标号)。A离子键B配位键C极性共价键 D非极性共价键 E键 F键【解析】该物质含有H、C、N、O、Fe、Ir元素，同周期元素从左至右电负性增大，同主族元素从上往下电负性减小，故该结构中电负性最大的元素为O；分子中第二周期元素为C、N、O，第一电离能由大到小的顺序为NOC。由图可知，P原子形成4根键，则P原子的价层电子对数为4，则其杂化方式为sp3；该分子中，N、P原子与Ir之间形成配位键，存在CH键、CO键、NH键等极性共价键，存在CC非极性共价键，两原子之间的共价键有且只有一个是键，C=N双键中有一个键，一个键，不含有离子键，故选A。答案：ONOCsp3A 2(2022·中山模拟)氮、锂、锌等元素及其化合物在现代农业、科技和国防建设中有着许多独特的用途。卟啉锌超分子结构如图所示。(1)卟啉锌超分子中的碳原子采取的杂化方式为_，图中处的化学键属于配位键的是_(填序号)。(2)已知离子核外没有未成对d电子的过渡金属离子形成的水合离子是无色的，Ti4、V3、Ni2三种离子的水合离子无颜色的是_(填离子符号)。【解析】(1)苯环、含氮杂环、碳碳双键中的碳原子均为sp2杂化，甲基中的碳原子为sp3杂化；图中所标四处中，为非极性共价键，为极性共价键，处N原子形成3个键，N原子价电子数为5，所以3个键均为极性共价键，N原子还有一对孤电子对，处N原子形成4个键，则与Zn原子形成的应是配位键；(2)Ti4的核外电子排布式：1s22s22p63s23p6，没有3d电子，则其水合离子无颜色；V3核外电子排布式：1s22s22p63s23p63d2，有未成对d电子，其水合离子有颜色；Ni2核外电子排布式：1s22s22p63s23p63d8，有未成对d电子，其水合离子有颜色；故上述三种离子中水合离子无颜色的是Ti4。答案：(1)sp2、sp3(2)Ti4