内容正文:
第四节 不同聚集状态的物质与性质
第四章 原子结构与元素周期律
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第四章 原子结构与元素周期律
高考总复习 化学(LK)
知识复盘 考点突破
01
感悟真题 高考知势
02
课时作业
03
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第四章 原子结构与元素周期律
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★[课程标准]
1.能说出晶体与非晶体的区别;能结合实例描述晶体中微粒排列的周期性规律。
2.能借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用。
考点一 晶体的常识
一、晶体与非晶体
1.晶体与非晶体的区别
比较
晶体
非晶体
结构特征
结构粒子在三维空间中呈
周期性有序 排列
结构粒子 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
各向同性
二者
区别
方法
间接方法
测定其是否有固定的 熔点
科学方法
对固体进行 X射线衍射 实验
2.获得晶体的三条途径
(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
1.概念:晶胞是描述晶体结构的基本单元。
2.晶体中晶胞的排列——无隙并置
(1)无隙:相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)并置:所有晶胞 平行 排列、 取向 相同。
三、突破晶胞组成的计算——均摊法
1.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eq \f(1,n)。
2.方法
(1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算
(2)非长方体晶胞中粒子视具体情况而定,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)被三个六边形共有,每个六边形占有eq \f(1,3)个碳原子,一个六边形实际占有6×eq \f(1,3)=2个碳原子。又如,在六棱柱晶胞(如图中所示的MgB2晶胞)中,顶点上的原子为6个晶胞(同层3个,上层或下层3个)共有,面上的原子为2个晶胞共有,因此镁原子个数为12×eq \f(1,6)+2×eq \f(1,2)=3,硼原子个数为6。
四、晶胞中粒子数与M、ρ(晶体密度,g·cm-3)之间的关系
若1个晶胞中含有x个粒子,则1 mol该晶胞中含有x mol粒子,其质量为xM g;又1个晶胞的质量为ρa3 g(a3为晶胞的体积,单位为cm3),则1 mol晶胞的质量为ρa3NA g,因此有xM=ρa3NA。
1.易错辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)凡有规则外形的固体一定是晶体( × )
(2)晶体表现自范性的过程是自发过程,不需要外界条件( × )
(3)不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同( × )
(4)用X射线衍射摄取石英玻璃和水晶的粉末得到的图谱是相同的( × )
(5)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 ( × )
(6)晶体内部的微粒按一定规律周期性的排列( √ )
(7)区分晶体和非晶体最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验( √ )
(8)等离子体和离子液体都具有良好的导电性( √ )
2.有关晶体的下列说法中正确的是( )
A.晶体中分子间作用力越大,分子越稳定
B.氯化钠熔化时离子键未被破坏
C.冰熔化时水分子中共价键发生断裂
D.共价晶体中共价键越强,熔点越高
解析:D [A.分子的稳定性取决于共价键的强弱,与分子间作用力大小无关,故A错误;B.氯化钠为离子晶体,熔化时破坏离子键,故B错误;C.冰是分子晶体,融化时只破坏分子间作用力,与共价键无关,故C错误;D.共价晶体熔化时要破坏共价键,所以共价晶体共价键越强,熔点越高,故D正确。]
3.某晶体的一部分如图所示,这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是( )
A.1∶4∶2
B.2∶9∶4
C.3∶8∶4
D.3∶9∶4
解析:A [A位于正三棱柱的顶角,则有eq \f(1,12)的A属于该晶胞,该晶胞中含A的个数为6×eq \f(1,12)=eq \f(1,2),B分为两类,位于侧棱上的B有eq \f(1,6)属于该晶胞,位于上下底面边上的B有eq \f(1,4)属于该晶胞,该晶胞含B原子个数为3×eq \f(1,6)+6×eq \f(1,4)=2,含C原子个数为1,则A、B、C三种原子个数之比为eq \f(1,2)∶2∶1=1∶4∶2。]
◆[题组1] 晶胞中微粒数目的计算
1.(2025·南昌市高三摸底)莫桑德于1839年在含有杂质的硝酸铈中发现了镧(La),镧主要用于制造特种合金精密光学玻璃、高折射光学纤维板等。La晶胞为最密面心立方,如图所示。
已知:La晶胞的晶胞参数为a nm,NA为阿伏加德罗常数的值。
下列叙述正确的是( )
A.6个La与La最近且等距离
B.La原子半径r(La)=eq \f(\r(2),4)a nm
C.N的分数坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),\f(1,4),\f(1,4)))
D.La晶体密度ρ=eq \f(5.56×1032,a3×NA) g·cm-3
解析:B [A.面心上La与顶角上La最近且等距离,12个La与La等距离且最近,A项错误;B.面对角线上3个La相切,4r(La)=eq \r(2)a nm则r(La)=eq \f(\r(2),4)a nm,B项正确;C.N代表的La位于面心,分数坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2),0,\f(1,2))),C项错误;D.1个La晶胞含4个La,晶体密度ρ=eq \f(4×139,NA×a×10-73) g·cm-3=eq \f(5.56×1023,a3NA) g·cm-3,D项错误。]
2.(2025·长沙市高三月考)镍酸镧电催化剂立方晶胞如图所示,晶胞参数为a,具有催化活性的是Ni,图①和图②是晶胞的不同切面。下列说法错误的是( )
A.催化活性:①>②
B.镍酸镧晶体的化学式为LaNiO3
C.La周围紧邻的O有4个
D.La和Ni的最短距离为eq \f(\r(3),2)a
解析:C [A.具有催化活性的是Ni,图②中没有Ni原子,则催化活性:①>②,故A正确;B.镍酸镧电催化剂立方晶胞中含有1个La,12×eq \f(1,4)=3个O,8×eq \f(1,8)=1个Ni,镍酸镧晶体的化学式为LaNiO3,故B正确;C.由晶胞结构可知,La在晶胞体心,O在晶胞的棱心,则La周围紧邻的O有12个,故C错误;D.由晶胞结构可知,La和Ni的最短距离为体对角线的一半,为eq \f(\r(3),2)a,故D正确;故选C。]
◆[题组2] 晶体密度及微粒间距离的计算
3.(双选)(2025·聊城市模拟)中科院福建物质结构研究所陈教授团队将Bi3+掺杂Cs2SnCl6(晶胞结构为a)获得空位有序型双钙钛矿纳米晶体(晶胞结构为b),过程如图所示。若a和b的晶胞参数均为x nm,下列说法正确的是( )
A.a中的Cs+位于[SnCl6]2-组成的八面体空隙中
B.b中两个最近的[BiCl5]2-的距离为eq \f(\r(2),2)x nm
C.[SnCl6]2-和[BiCl5]2-的中心原子的价层电子对数不相同
D.晶体b的密度为eq \f(64×133+9×209+23×119+183×35.5,8×NA×x3×10-21)g/cm3
答案:BD
4.(2023·山东卷)卤素可形成许多结构和性质特殊的化合物。回答下列问题:
(1)-40 ℃时,F2与冰反应生成HOF和HF。常温常压下,HOF为无色气体,固态HOF的晶体类型为____________,HOF水解反应的产物为____________(填化学式)。
(2)一定条件下,CuCl2、K和F2反应生成KCl和化合物X。已知X属于四方晶系,晶胞结构如图所示(晶胞参数a=b≠c,α=β=γ=90°),其中Cu化合价为+2。上述反应的化学方程式为_______________。若阿伏加德罗常数的值为NA,化合物X的密度ρ=____________g·cm-3(用含NA的代数式表示)。
答案:(1)分子晶体 HF、H2O2
(2)CuCl2+4K+2F2eq \o(=====,\s\up17(一定条件),\s\do17( ))2KCl+K2CuF4 eq \f(4.36×1032,a2cNA)
考点二 四种晶体性质的比较
一、四种晶体类型的比较
类型
比较
分子晶体
共价晶体
金属晶体
离子晶体
构成微粒
分子
原子
金属阳离子、
自由电子
阴、阳离子
粒子间
的相互
作用力
范德华力
(某些含
氢键)
共价键
金属键
离子键
硬度
较小
很大
有的很大,
有的很小
较大
熔、沸点
较低
很高
有的很高,
有的很低
较高
溶解性
相似相溶
难溶于
任何溶剂
难溶于常
见溶剂
大多易溶于
水等极性溶剂
导电、
导热性
一般不导电,
溶于水后
有的导电
一般不具
有导电性
电和热的
良导体
晶体不导电,水溶液或熔融态导电
物质
类别
及举
例
大多数非金属单质、气态氢化物、酸、非金属氧化物(SiO2除外)、绝大多数有机物(有机盐除外)
部分非金属单质(如金刚石、硅、晶体硼)、部分非金属化合物(如SiC、SiO2)
金属单质与合金(如Na、Al、Fe、青铜)
金属氧化物
(如K2O、Na2O)、
强碱(如KOH、NaOH)、绝大部分盐(如NaCl)
二、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·mol-1。
2.影响因素
(1)离子所带电荷数:离子所带电荷数越多,晶格能越大。
(2)离子的半径:离子的半径越小,晶格能越大。
3.与离子晶体性质的关系
晶格能越大,形成的离子晶体越 稳定 ,且熔点越高,硬度越大。
三、晶体熔、沸点的高低的比较
1.不同类型晶体熔、沸点的比较
(1)不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律:共价晶体>离子晶体>分子晶体。
(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。
2.同种类型晶体熔、沸点的比较
(1)共价晶体
共价半径越小→键长越短→键能越大→熔、沸点越高
如熔点:金刚石>碳化硅>晶体硅。
(2)离子晶体
一般地说,阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,则晶格能越大,晶体的熔、沸点越高,如熔点:MgO>MgCl2,NaCl>CsCl。
(3)分子晶体
①分子间范德华力越大,物质的熔、沸点越高;具有氢键的分子晶体熔、沸点反常高。如H2O>H2Te>H2Se>H2S。
②组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,熔、沸点越高,如SnH4>GeH4>SiH4>CH4。
③组成和结构不相似的分子晶体(相对分子质量接近),其分子的极性越大,熔、沸点越高,如CH3Cl>CH3CH3。
④同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。
如CH3CH2CH2CH2CH3>
(4)金属晶体
金属离子半径越小,离子电荷数越多,其金属键越强,金属晶体的熔、沸点越高,如熔、沸点:Na<Mg<Al。
1.易错辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)(2024·黑吉辽卷)SiO2的晶体类型:分子晶体( × )
(2)(2023·广东卷)“深地一号”为进军万米深度提供核心装备,制造钻头用的金刚石为金属晶体( × )
(3)(2023·海南卷)我国科学家由嫦娥五号带回的月壤样品中,首次发现了天然玻璃纤维,该纤维中的主要氧化物SiO2属于离子晶体( × )
(4)SiC的晶体结构与晶体硅相似,则SiC晶体中微粒间存在的作用力是共价键( √ )
(5)在晶体中只要有阳离子就一定有阴离子( × )
(6)金属元素和非金属元素组成的晶体不一定是离子晶体( √ )
(7)金属钠形成的晶体中,每个钠原子周围与其距离最近的钠原子有8个( √ )
(8)在CsCl晶体中,每个Cs+周围与其距离最近的Cl-有8个( √ )
2.(2025·安徽安庆检测)下列物质所属晶体类型分类正确的是( )
选项
A
B
C
D
共价晶体
石墨
生石灰
碳化硅
金刚石
分子晶体
冰
固态氨
氯化铯
干冰
离子晶体
氮化铝
食盐
明矾
芒硝
金属晶体
铜
汞
铝
铁
解析:D [A.氮化铝常用作砂轮及耐高温的材料,熔融时不导电为共价化合物,熔点高、硬度大,为共价晶体,另外石墨属于混合型晶体,故A错误;B.生石灰为CaO,为离子晶体,故B错误;C.氯化铯为活泼金属的氯化物,为离子晶体,故C错误;D.金刚石为共价晶体,干冰为二氧化碳,属于分子晶体,芒硝为硫酸钠,属于离子晶体,铁为金属单质,为金属晶体,故D正确。]
3.分析下列物质的物理性质,判断其晶体类型。
(1)碳化铝,黄色晶体,熔点2 200 ℃,熔融态不导电:____________________________。
(2)五氟化矾,无色晶体,熔点19.5 ℃,易溶于乙醇、氯仿、丙酮等:____________。
(3)溴化钾,无色晶体,熔融时或溶于水中都能导电:____________________。
(4)硼,熔点2 300 ℃,沸点2 550 ℃,硬度大:__________。
(5)硒,熔点217 ℃,沸点685 ℃,溶于氯仿:____________。
(6)锑,熔点630.74 ℃,沸点1 750 ℃,导电:____________。
答案:(1)共价晶体 (2)分子晶体 (3)离子晶体
(4)共价晶体 (5)分子晶体 (6)金属晶体
◆[题组1] 晶体的性质
1.(2021·辽宁卷)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料,其晶胞如图。下列说法错误的是( )
A.S位于元素周期表p区
B.该物质的化学式为H3S
C.S位于H构成的八面体空隙中
D.该晶体属于分子晶体
答案:D
2.(2025·山东日照校际联考)现有几组物质的熔点(℃)数据:
A组
B组
C组
D组
金刚石:3 550 ℃
Li:181 ℃
HF:-83 ℃
NaCl:801 ℃
硅晶体:1 410 ℃
Na:98 ℃
HCl:-115 ℃
KCl:776 ℃
硼晶体:2 300 ℃
K:64 ℃
HBr:-89 ℃
RbCl:718 ℃
二氧化硅:1 723 ℃
Rb:39 ℃
HI:-51 ℃
CsCl:645 ℃
据此回答下列问题:
(1)A组属于____________晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是____________;
(2)B组晶体共同的物理性质是__________(填序号)。
①有金属光泽 ②导电性
③导热性 ④延展性
(3)C组中HF熔点反常是由于_______________________。
(4)D组晶体可能具有的性质是__________(填序号)。
①硬度小 ②水溶液能导电
③固体能导电 ④熔融状态能导电
(5)D组晶体的熔点由高到低的顺序为NaCl>KCl>RbCl>CsCl,其原因为__________________________________________________________
___________________________________________________________。
答案:(1)共价 共价键
(2)①②③④
(3)HF分子间能形成氢键,其熔化时需要消耗的能量更多(只要答出HF分子间能形成氢键即可)
(4)②④
(5)D组晶体都为离子晶体,r(Na+)<r(K+)<r(Rr+)<r(Cs+),在离子所带电荷数相同的情况下,半径越小,晶格能越大,熔点就越高
◆[题组2] 结构决定性质类简答题突破
3.碳和硅的有关化学键键能如下所示,简要分析和解释下列有关事实:
化学键
C—C
C—H
C—O
Si—Si
Si—H
Si—O
键能/(kJ·mol—1)
356
413
336
226
318
452
(1)硅和碳同族,也有系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是_________________________________________________
_________________________________________________________。
(2)SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物,原因为
_____________________________________________________。
答案:(1)硅烷中Si—Si和Si—H的键能小于烷烃分子中C—C和C—H的键能,稳定性差,易断裂,导致长链硅烷难以形成
(2)C—H键的键能大于C—O,C—H比C—O稳定,而Si—H的键能小于Si—O,Si—H不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O
4.完成下列填空
(1)(天津高考)Fe、Co、Ni三种元素二价氧化物的晶胞类型相同,其熔点由高到低的顺序为_____________________________________。
(2)(全国卷Ⅰ)Li2O是离子晶体,其晶格能可通过如图所示的BornHaber循环计算得到。
Li2O晶格能为____________kJ·mol-1。
(3)(全国卷Ⅰ)K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子构型相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是____________________。
答案:(1)NiO>CoO>FeO
(2)2 908
(3)K的原子半径较大且价电子数较小,金属键较弱
考点三 几种常见的晶体模型
一、晶体类型判断
1.依据构成晶体的粒子和粒子间的作用判断
(1)离子晶体的构成粒子是阴、阳离子,粒子间的作用是离子键。
(2)共价晶体的构成粒子是原子,粒子间的作用是共价键。
(3)分子晶体的构成粒子是分子,粒子间的作用为范德华力或氢键。
(4)金属晶体的构成粒子是金属离子和自由电子,粒子间的作用是金属键。
2.依据物质的类别判断
(1)金属氧化物(如K2O、Na2O2等)、强碱(如NaOH、KOH等)和绝大多数的盐类是离子晶体。
(2)大多数非金属单质(金刚石、石墨、晶体硅、晶体硼除外)、气态氢化物、非金属氧化物(SiO2除外)、酸、绝大多数有机物(有机盐除外)是分子晶体。
(3)常见的共价晶体单质有金刚石、晶体硅、晶体硼等;常见的共价晶体化合物有碳化硅、二氧化硅等。
(4)金属单质(常温汞除外)与合金是金属晶体。
3.依据晶体的熔点判断
(1)离子晶体的熔点较高,常在数百至1 000余度。
(2)共价晶体熔点高,常在1 000度至几千度。
(3)分子晶体熔点低,常在数百度以下至很低温度。
(4)金属晶体多数熔点高,但也有相当低的。
4.依据导电性判断
(1)离子晶体在水溶液中及熔化时能导电。
(2)共价晶体一般为非导体。
(3)分子晶体为非导体,而分子晶体中的电解质(主要指酸和非金属氢化物)溶于水,使分子内的化学键断裂形成自由离子也能导电。
(4)金属晶体是电的良导体。
5.依据硬度和机械性能判断
(1)离子晶体硬度较大或硬而脆。
(2)共价晶体硬度大。
(3)分子晶体硬度小且较脆。
(4)金属晶体多数硬度大,但也有较低的,且具有延展性。
二、典型晶体模型
晶体
晶体结构
晶体详解
共
价
晶
体
金
刚
石
①每个碳与相邻4个碳以共价键结合,形成 正四面体 结构
②键角均为 109°28′
③最小碳环由6个C组成且六原子不在同一平面内
④每个C参与4条C—C的形成,C原子数与C—C的键数之比为 1∶2
共
价
晶
体
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“eq \f(1,2)O”,
n(Si)∶n(O)= 1∶2
③最小环上有12个原子,即6个O,6个Si
分
子
晶
体
干冰
①8个CO2分子构成立方体且在6个面心又各占据1个CO2分子
②每个CO2分子周围等距且紧邻的CO2分子有12个
离
子
晶
体
NaCl
型
①每个Na+(Cl-)周围等距且紧邻的Cl-(Na+)有6个,每个Na+周围等距且紧邻的Na+有12个
②每个晶胞中含4个Na+和4个Cl-
CsCl
型
①每个Cs+周围等距且紧邻的Cl-有8个,每个Cs+(Cl-)周围等距且紧邻的Cs+(Cl-)有6个
②如图为8个晶胞,每个晶胞中含1个Cs+、1个Cl-
金
属
晶
体
简单
立方
堆积
典型代表Po,配位数为6,空间利用率52%
面心
立方
最密
堆积
典型代表Cu、Ag、Au,配位数为12,空间利用率74%
金
属
晶
体
体心
立方
堆积
典型代表Na、K、Fe,配位数为8,空间利用率68%
六方
最密
堆积
典型代表Mg、Zn、Ti,配位数为12,空间利用率74%
1.易错辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)铜原子的堆积方式为致密层的体心立方( × )
(2)在NaCl晶胞中,一个晶胞中含有4个“NaCl”分子,一个CsCl晶胞中含有8个“CsCl”分子( × )
(3)在NaCl晶胞中,与一个Na+配位的6个Cl—构成一个正八面体( √ )
(4)1 mol晶体Si中含有2 mol Si—Si,同样1 mol SiO2中也含有2 mol Si—O( × )
(5)在NaCl晶体中,每个Na+周围等距且紧邻的Na+有12个,故Na+的配位数为12( × )
(6)在石墨中,C原子个数与C—C的键数之比为1∶3( × )
2.(2025·安徽安庆检测)下列有关说法不正确的是( )
A.
B.CaF2晶体的晶胞如图所示,每个CaF2晶胞平均占有4个Ca2+
C.
D.金属Cu中Cu原子堆积模型如图所示,该金属晶体为最密堆积,每个Cu原子的配位数均为12
解析:C [A.如题图所示,铜离子与4个水分子结合,所以1个水合铜离子中有4个配位键,故A正确;B.晶胞中Ca2+处于晶胞的顶点和面心,则每个CaF2晶胞中Ca2+数为8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=4,故B正确;C.H原子外只有一个电子,在原子核附近运动,故C错误;D.在金属晶体的最密堆积中,对于每个原子来说,在其周围的原子有与之同一层上有六个原子和上一层的三个及下一层的三个,故每个原子周围都有12个原子与之相连,故D正确。]
◆[题组1] 晶体类型的判断
1.下列晶体分类中正确的一组是( )
选项
离子晶体
共价晶体
分子晶体
A
NaOH
Ar
SO2
B
H2SO4
石墨
S
C
CH3COONa
水晶
D
Ba(OH)2
金刚石
玻璃
答案:C
2.(1)(全国卷Ⅲ)苯胺(NH2)的晶体类型是____________。
(2)(高考全国卷Ⅲ)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。
(3)CO能与金属Fe形成Fe(CO)5,该化合物的熔点为253 K,沸点为376 K,其固体属于__________晶体。
(4)A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素,A2-和B+具有相同的电子构型,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)分子晶体
(2)共价晶体 共价
(3)分子
(4)O3 O3的相对分子质量较大,范德华力大
分子晶体 离子晶体
◆[题组2] 典型晶体模型与晶胞计算
3.(2025·福建南安检测)有关晶体的叙述中正确的是( )
A.在SiO2晶体中,最小的单元环是由6个硅原子组成的六元环
B.在124 g白磷(P4)晶体中,含P—P共价键个数为4NA
C.金刚石的熔沸点高于晶体硅,是因为C—C的键能小于Si—Si
D.28 g晶体Si中含Si原子与Si—Si键之比为1∶2
答案:D
4.(1)一个Cu2O晶胞(如图)中,Cu原子的数目为____________。
(2)NH4H2PO4和LiFePO4属于简单磷酸盐,而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐,如:焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如图所示:
这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为___________________(用n代表P原子数)。
(3)GaAs的熔点为1 238 ℃,密度为ρ g·cm-3,其晶胞结构如图所示。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rGapm和rAspm,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____________________________________。
答案:(1)4 (2)[PnO3n+1](n+2)-
(3)eq \f(4πNAρr\o\al(3,Ga)+r\o\al(3,As)×10-30,3MGa+MAs)×100%
考点四 配合物和超分子、液晶和纳米材料
一、配位键及配合物
1.配位键
由一个原子提供孤电子对与另一个接受孤电子对的原子形成的 共价键 。
2.配位键的表示方法
如A→B:A表示 提供 孤电子对的原子,B表示 接受 孤电子对的原子。
3.配位化合物
(1)组成
(2)形成条件eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(配位体有 孤电子对 \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(中性分子,如H2O、NH3和CO等,离子,如F-、Cl-、CN-等)),中心离子有 空轨道 ,如Fe3+、Cu2+、Zn2+、Ag+等))
二、超分子
1.超分子是由 两种或两种以上的 分子通过 分子间相互作用 形成的分子聚集体。超分子是广义的,包括离子。
2.超分子实例
(1)用超分子分离 C60和C70 。
(2)冠醚识别碱金属离子(如K+)。
三、液晶
1.定义
在一定的温度范围内既具有液体的 可流动 性,在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面又表现出类似晶体的 各向异 性的物质。
2.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,由此在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质。
四、纳米材料
1.定义
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。
2.结构特点
纳米材料由直径为几或几十 纳米 的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。通常,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。
1.易错辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)(2023·湖北卷)冠醚(18冠6)的空穴与K+尺寸适配,两者能通过弱相互作用形成超分子( √ )
(2)形成配位键的条件是一方有空轨道,另一方有孤电子对( √ )
(3)配合物Na2[Fe(CN)5(NO)]中存在离子键、配位键、极性键( √ )
(4)配位化合物中的配体可以是分子也可以是阴离子( √ )
(5)Zn2+与CN-生成的配离子[Zn(CN)4]2-中,σ键和π键的数目之比为1∶1( √ )
(6)超分子是相对分子质量很大的有机化合物( × )
(7)(全国卷Ⅲ改编)FeCl3中化学键具有明显的共价性,蒸汽状态下以双聚分子存在的FeCl3的结构式为
(8)[Co(NH3)5Cl]Cl2中的Co3+提供接受孤电子对的空轨道,配体是NH3分子和Cl原子( × )
2.下列关于配位化合物的叙述中,不正确的是( )
A.配位化合物中必定存在配位键
B.配位化合物中只有配位键
C.[Fe(SCN)6]3-中的Fe3+提供空轨道,SCN-中的硫原子提供孤电子对形成配位键
D.许多过渡元素的离子(如Cu2+、Ag+等)和某些主族元素的离子或分子(如Cl-、NH3等)能形成配合物
解析:B [配位化合物中一定含有配位键,但也可能含有离子键等其他化学键,A正确,B错误;Fe3+、Cu2+、Ag+等过渡元素的离子有空轨道,可与有孤电子对的分子或离子形成配合物;NH3中的氮原子、SCN-中的硫原子等有孤电子对,可以形成配合物,C、D均正确。]
◆[题组1] 微粒间作用力对物质性质、变化的影响
1.在下列变化过程中,属于“破坏极性键和非极性键,形成极性键和非极性键”过程的是( )
A.冰→水→水蒸气→H2和O2
B.2Na+Cl2eq \o(=====,\s\up17(点燃))2NaCl
C.2H2+O2eq \o(=====,\s\up17(点燃))2H2O
D.2H2O2eq \o(=====,\s\up17(MnO2))2H2O+O2↑
答案:D
2.化学反应的本质是反应物化学键断裂和生成物化学键形成的过程,下列关于化学反应2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2的叙述正确的是( )
A.反应过程中只涉及离子键和极性共价键的断裂
B.反应过程中只涉及离子键和非极性共价键的形成
C.反应过程中既涉及离子键和极性共价键的断裂,又涉及离子键和非极性共价键的形成
D.反应过程中既涉及离子键、极性和非极性共价键的断裂,又涉及离子键、极性和非极性共价键的形成
答案:D
◆[题组2] 配位理论及其应用
3.在10-9~10-7 m范围内,对原子、分子进行操纵的纳米超分子技术往往能实现意想不到的变化。纳米铜颗粒一遇到空气就会剧烈燃烧,甚至发生爆炸,下列说法正确的是( )
A.纳米铜是一种新型胶体
B.纳米铜颗粒比普通铜更易与氧气发生反应
C.纳米铜与普通铜所含铜原子的种类不同
D.纳米铜无需密封保存
答案:B
4.超分子化学已逐渐扩展到化学的各个分支,还扩展到生命科学和物理学等领域。由Mo将2个C60分子、2个p甲酸丁酯吡啶及2个CO分子利用配位键自组装的超分子结构如图所示:
(1)Mo处于第五周期第ⅥB族,价电子排布与Cr相似,它的基态价电子排布式是___________;核外未成对电子数是________________个。
(2)该超分子中存在的化学键类型有____________。
A.σ键 B.π键 C.离子键 D.氢键
(3)该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是________________(填元素符号),p-甲酸丁酯吡啶配体中C原子的杂化方式有_________。
(4)从电负性角度解释CF3COOH的酸性强于CH3COOH的原因是:_____________________________________________________________。
(5)C60与金刚石互为同素异形体,从结构与性质之间的关系解释C60的熔点远低于金刚石的原因是____________________________。
答案:(1)4d55s1 6 (2)AB (3)C sp2和sp3
(4)F的电负性大,对电子的吸引能力强,使共用电子对偏向F,进而使O—H键极性增强,更易断裂,故CF3COOH的酸性强于CH3COOH
(5)C60是分子晶体,金刚石是共价晶体,共价晶体熔化时破坏共价键所需的能量远高于分子晶体熔化时破坏分子间作用力所消耗的能量
[例] (2024·黑吉辽卷)环六糊精(D吡喃葡萄糖缩合物)具有空腔结构,腔内极性较小,腔外极性较大,可包合某些分子形成超分子。图1、图2和图3分别表示环六糊精结构、超分子示意图及相关应用。下列说法错误的是( )
A.环六糊精属于寡糖
B.非极性分子均可被环六糊精包合形成超分子
C.图2中甲氧基暴露在反应环境中
D.可用萃取法分离环六糊精和氯代苯甲醚
思“原
理”
寡糖为1 mol糖水解后能产生2~10 mol单糖的糖;由“相似相溶”的规律可知非极性基团存在于非极性基团中,极性基团处于极性基团中;环六糊精存在多羟基,易与水形成分子间氢键,氯代苯甲醚难溶于水。
判“选
项”
①1 mol环六糊精水解可得6 mol单糖,属于寡糖;②环六糊精腔内极性小,苯环进入其中,腔外极性大,极性基团甲氧基暴露在外侧反应环境中;③环六糊精有多个羟基,与水形成分子间氢键,易溶于水,氯代苯甲醚难溶于水,可以用水作萃取剂从而分离。
解析:B [A.1 mol糖水解后能产生2~10 mol单糖的糖称为寡糖或者低聚糖,环六糊精是葡萄糖的缩合物,属于寡糖,A正确;B.要和环六糊精形成超分子,该分子的直径必须要匹配环六糊精的空腔尺寸,故不是所有的非极性分子都可以被环六糊精包含形成超分子,B错误;C.由于环六糊精腔内极性小,可以将苯环包含在其中,腔外极性大,故将极性基团甲氧基暴露在反应环境中,C正确;D.环六糊精空腔外有多个羟基,可以和水形成分子间氢键,故环六糊精能溶解在水中,而氯代苯甲醚不溶于水,所以可以选择水作为萃取剂分离环六糊精和氯代苯甲醚,D正确。]
1.(2024·贵州卷)我国科学家首次合成了化合物[K(2,2,2-crypt)]5[K@Au12Sb20]。其阴离子[K@Au12Sb20]5-为全金属富勒烯(结构如图),具有与富勒烯C60相似的高对称性。下列说法错误的是( )
A.富勒烯C60是分子晶体
B.图示中的K+位于Au形成的二十面体笼内
C.全金属富勒烯和富勒烯C60互为同素异形体
D.锑(Sb)位于第五周期第ⅤA族,则其基态原子价层电子排布式是5s25p3
解析:C [A.富勒烯C60是由C60分子通过范德华力结合形成的分子晶体,A正确;B.由题图可知,中心K+周围有12个Au形成二十面体笼(每个面为三角形,上、中、下层分别有5、10、5个面),B正确;C.全金属富勒烯不是碳元素的单质,因此其与富勒烯C60不能互为同素异形体,C错误;D.锑(Sb)位于第五周期第ⅤA族,则根据元素位置与原子结构关系可知:其基态原子价层电子排布式是5s25p3,D正确。]
2.(2024·甘肃卷)βMgCl2晶体中,多个晶胞无隙并置而成的结构如图甲所示,其中部分结构显示为图乙,下列说法错误的是( )
A.电负性:Mg<Cl
B.单质Mg是金属晶体
C.晶体中存在范德华力
D.Mg2+的配位数为3
解析:D [A.电负性越大的元素吸引电子的能力越强,活泼金属的电负性小于活泼非金属,因此,Mg的电负性小于Cl,A正确;B.金属晶体包括金属单质及合金,单质Mg是金属晶体,B正确;C.由晶体结构可知,该结构中存在层状结构,层与层之间存在范德华力,C正确;D.由图乙中结构可知,每个Mg2+与周围有6个Cl-距离最近且相等,因此,Mg2+的配位数为6,D错误。]
3.(2024·河北卷)金属铋及其化合物广泛应用于电子设备、医药等领域。如图是铋的一种氟化物的立方晶胞及晶胞中MNPQ点的截面图,晶胞的边长为a pm,NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
A.该铋氟化物的化学式为BiF3
B.粒子S、T之间的距离为eq \f(\r(11),4)a pm
C.该晶体的密度为eq \f(1 064,NA×a3×10-30) g·cm-3
D.晶体中与铋离子最近且等距的氟离子有6个
解析:D [根据题给晶胞结构,由均摊法可知,每个晶胞中含有1+12×eq \f(1,4)=4个Bi,含有8+8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=12个F,故该铋氟化物的化学式为BiF3,A正确;将晶胞均分为8个小立方体,则晶胞体内的8个F位于8个小立方体的体心,以M为原点建立坐标系,设N的原子分数坐标为(0,0,1),与Q、M均在同一条棱上的F的原子分数坐标为(1,0,0),则T的原子分数坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1,\f(1,2),\f(1,2))),与Q、M均在同一条棱上的F的原子分数坐
标为(1,0,0),S的原子分数坐标为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4),\f(1,4),\f(3,4))),故粒子S、T之间的距离为eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(1,4)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)-\f(1,4)))2+\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)-\f(3,4)))2)×a pm=eq \f(\r(11),4)a pm,B正确;由A项分析可知,每个晶胞中有4个BiF3单元,晶胞体积为a3×10-30cm3,则晶体密度为eq \f(4×266,NA×a3×10-30)g·cm-3=eq \f(1 064,NA×a3×10-30)g·cm-3,C正确;以晶胞体心处铋离子为分析对象,距离其最近且等距的氟离子位于晶胞体内,有8个,D错误。]
4.(2023·北京卷)硫代硫酸盐是一类具有应用前景的浸金试剂。硫代硫酸根(S2Oeq \o\al(2-,3))可看作是SOeq \o\al(2-,4)中的一个O原子被S原子取代的产物。
(1)同位素示踪实验可证实S2Oeq \o\al(2-,3)中两个S原子的化学环境不同,实验过程为SOeq \o\al(2-,3)
eq \o(――→,\s\up17(S),\s\do17(ⅰ))S2Oeq \o\al(2-,3)
eq \o(――→,\s\up17(Ag+),\s\do17(ⅱ))Ag2S+SOeq \o\al(2-,4)。过程ⅱ中,S2Oeq \o\al(2-,3)断裂的只有硫硫键,若过程ⅰ所用试剂是Naeq \o\al(32,2)SO3和35S,过程ⅱ含硫产物是________________________________。
(2)MgS2O3·6H2O的晶胞形状为长方体,边长分别为a nm、b nm、c nm,结构如图所示。
晶胞中的[Mg(H2O)6]2+个数为______________。已知MgS2O3·6H2O的摩尔质量是M g·mol-1,阿伏加德罗常数为NA,该晶体的密度为______________g·cm-3。(1 nm=10-7cm)
(3)浸金时,S2Oeq \o\al(2-,3)作为配体可提供孤电子对与Au+形成[Au(S2O3)2]3-。分别判断S2Oeq \o\al(2-,3)中的中心S原子和端基S原子能否做配位原子并说明理由:___________________________________________________________________________________________________________________________。
解析:(1)过程Ⅱ中S2Oeq \o\al(2-,3)断裂的只有硫硫键,根据反应机理可知,整个过程中SOeq \o\al(2-,3)最终转化为SOeq \o\al(2-,4),S最终转化为Ag2S。若过程ⅰ所用的试剂为Naeq \o\al(32,2)SO3和35S,过程Ⅱ的含硫产物是Naeq \o\al(32,2)SO4和Ageq \o\al(35,2)S;
(2)由晶胞结构可知,1个晶胞中含有8×eq \f(1,8)+4×eq \f(1,4)+2×eq \f(1,2)+1=4个[Mg(H2O)6]2+,含有4个S2Oeq \o\al(2-,3);该晶体的密度ρ=eq \f(NM,NAV)=eq \f(4M,NAabc×10-21)g·cm-3;
(3)具有孤电子对的原子就可以给中心原子提供电子配位。S2Oeq \o\al(2-,3)中的中心原子S的价层电子对数为4,无孤电子对,不能做配位原子;端基S原子含有孤电子对,能做配位原子。
答案:(1)Naeq \o\al(32,2)SO4和Ageq \o\al(35,2)S
(2)4 eq \f(4M,NAabc)×1021
(3)S2Oeq \o\al(2-,3)中的中心原子S的价层电子对数为4,无孤电子对,不能做配位原子;端基S原子含有孤电子对,能做配位原子
5.(化学与科学技术)(2025·菏泽市模拟)我国在新材料领域研究的重大突破,为“天宫”空间站的建设提供了坚实的物质基础。“天宫”空间站使用的材料中含有B、C、N、Ni、Cu等元素。回答下列问题:
(1)下列不同状态的硼中,失去一个电子需要吸收能量最多的是__________(填标号,下同),用光谱仪可捕捉到发射光谱的是__________。
(2)铵盐大多不稳定。从结构的角度解释NH4F比NH4I更易分解的原因是_____________________________________________________。
(3)镍能形成多种配合物,其中Ni(CO)4是无色挥发性液体,K2[Ni(CN)4]是红黄色单斜晶体。K2[Ni(CN)4]中的配位原子是:________________;K2[Ni(CN)4]的熔点高于Ni(CO)4的原因是__________________________
_____________________________________________________。
(4)氮化硼(BN)晶体存在如图所示的两种结构,六方氮化硼的结构与石墨类似,可做润滑剂;立方氮化硼的结构与金刚石类似,可作研磨剂。六方氮化硼的晶体类型为______________________;立方氮化硼晶胞的密度为ρ g·cm-3,晶胞的边长为a cm。则阿伏加德罗常数的表达式为______________________________________________。
解析:(1)硼为5号元素,基态硼原子电子排布式为1s22s22p1;
为s轨道全充满的较稳定结构,故其失去一个电子需要吸收能量最多;
中电子处于激发态,电子跃迁回低能量态时会释放能量形成发射光谱,故选CD;
(2)氟离子半径小于碘离子,氢氟键键能更大,更容易形成,故氟更易夺取铵根离子中氢生成HF,导致NH4F比NH4I更易分解;
(3)K2[Ni(CN)4]中镍可以提供空轨道,碳可以提供孤电子对,故配位原子是:C;K2[Ni(CN)4]的熔点高于Ni(CO)4的原因是K2[Ni(CN)4]为离子晶体、而Ni(CO)4为分子晶体,离子晶体熔点一般高于分子晶体;
(4)六方氮化硼的晶体结构类似石墨晶体,为混合型晶体;立方氮化硼晶胞中,根据“均摊法”,晶胞中含8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=4个B、4个N,则晶体密度为ρg·cm-3=eq \f(4×25,NAa3)g·cm-3,则NA=eq \f(4×25,ρa3) mol-1。
答案:(1)A CD (2)氟离子半径小于碘离子,氢氟键键能更大,更容易形成,故氟更易夺取铵根离子中氢生成HF (3)C K2[Ni(CN)4]为离子晶体、而Ni(CO4)为分子晶体 (4)混合型晶体 eq \f(4×25,ρa3)mol-1
6.(2025·顺义区高三月考)NaCN是优良的浸金试剂,但毒性强,有望被低毒的硫氰酸盐替代。
(1)NaCN属于离子晶体。一定温度下,NaCN某种晶型的立方晶胞如图所示,已知其边长为a nm。
①NaCN中,σ键和π键的个数比为____________。
②距离Na+最近的阴离子有____________个。
③已知阿伏加德罗常数的值为NA,该晶体的密度是____________g·cm-3。(1 nm=10-7cm)
(2)CN-配位能力强,故NaCN可作浸金试剂。
①补全浸金反应的离子方程式:
□Au+□CN-+O2+□____________===□Au(CN)eq \o\al(-,2)+□OH-
②浸金时,若不除去矿浆中的Cu2+和Zn2+,浸金效果会降低。结合配位键的形成条件解释原因:___________________________________
_____________________________________________________。
(3)SCN-也是一种常见的配体,其中S和N均能与金属离子以M←S-C≡N或M←N===C===S的方式配位。
①SCN-中,C不能参与配位,原因是____________。
②在两种配位方式中,C的杂化方式______(填“相同”或“不同”)。
(4)已知:HCN和HSCN均有挥发性,HCN为弱酸,HSCN为强酸。相同条件下,使用NaSCN作为浸金试剂比NaCN更安全,逸出的有毒酸雾更少,可能的原因是____________(填序号)。
a.CN-更容易水解
b.HSCN的沸点比HCN高
c.HCN分子间易形成氢键
解析:(1)①氰酸根离子中含有碳氮三键,三键中含有1个σ键和2个π键,所以氰化钠中σ键和π键的个数比为1∶2;
②由晶胞结构可知,晶胞中位于体心的氰酸根离子与位于面心的钠离子的距离最近,则距离氰酸根离子最近的钠离子的个数为6,由化学式可知,距离钠离子最近的氰酸根离子的个数也为6;
③由晶胞结构可知,晶胞中位于顶角和面心的钠离子个数为8×eq \f(1,8)+6×eq \f(1,2)=4,位于棱上和体心的氰酸根离子的个数为12×eq \f(1,4)+1=4,设晶体的密度为d g/cm3,由晶胞的质量公式可得:eq \f(4×49,NA)=(10—7a)3d,解得d=eq \f(1.96×1023,a3NA);
(2)①由未配平的化学方程式可知,浸金反应为金与氧气和溶液中的氰酸根离子反应生成二氰合金离子和氢氧根离子,反应的离子方程式为4Au+8CN-+O2+2H2O===4Au(CN)eq \o\al(-,2)+4OH-;
②铜离子和锌离子均能提供空轨道,可与具有孤电子对氰酸根离子形成配位键,导致溶液中的氰酸根离子浓度减小,使得浸金效果降低,所以浸金时,要除去矿浆中的铜离子和锌离子;
(3)①由结构简式可知,硫氰酸根离子中碳原子上已没有孤电子对,无法提供孤电子对形成配位键;
②由结构式可知,在两种配位方式中,碳原子的价层电子对数都为2,原子的杂化方式相同,都为sp杂化;
(4)由题意可知,NaSCN是强酸强碱盐,在溶液中不能水解生成具有挥发性的HSCN,NaCN是强碱弱酸盐,在溶液中水解生成具有挥发性的HCN,且HSCN的相对分子质量大于HCN,分子间作用力大于HCN,沸点高于HCN,所以相同条件下,使用NaSCN作为浸金试剂比NaCN更安全,逸出的有毒酸雾更少,故选ab。
答案:(1)①1∶2 ②6 ③eq \f(1.96×1023,a3NA)
(2)①4Au+8CN-+O2+2H2O===4Au(CN)eq \o\al(-,2)+4OH- ②Cu2+、Zn2+均能提供空轨道,可与提供孤电子对的CN-形成配位键,消耗CN-导致,浸金效果降低
(3)①C上已没有孤电子对,无法形成配位键
②相同 (4)ab
体系构建
核心巧记
1.熟悉四种晶体类型
共价晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体。
2.熟记几种晶体的结构
干冰、NaCl晶体、CsCl晶体、金刚石、石墨。
3.掌握判断熔点高低的一般规律
共价晶体>离子晶体>分子晶体。
4.牢记立方体晶胞分摊粒子数的四条规律
(1)顶点粒子数×eq \f(1,8)
(2)棱上粒子数×eq \f(1,4)
(3)面心粒子数×eq \f(1,2)
(4)体心粒子数×1
5.熟悉晶体计算的四种方式
(1)计算晶胞中所含有的微粒个数。
(2)能写出晶胞中某些粒子的坐标参数。
(3)计算出晶胞中某些特殊点之间的距离。
(4)计算出晶胞的密度。
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