微专题3 晶体结构的比较与分析-【核心素养新教学】2025-2026学年高二化学同步优质教学课件（人教版选择性必修2）

第一章 化学反应的热效应 第三章 晶体结与性质 微专题3　 晶体结构的比较与分析 1 主题1:化学键的比较 例1　下列现象与化学键有关的是(　　) A.F2、Cl2、Br2、I2的熔点依次升高 B.H2O的沸点远高于H2S的沸点 C.H2O在高温下难分解 D.干冰升华 C 解析 A项,卤素单质分子间存在范德华力,且随相对分子质量的增大,范德华力也增大,单质的熔点也就越高;B项,由于H2O分子间存在氢键,所以H2O的沸点要比H2S的高;C项,由于H—O键的键能很大,在较高温度时也难断裂,所以水分子很稳定,与共价键有关;D项,CO2分子间通过范德华力结合在一起,在升华时需要克服范德华力,而CO2分子内的化学键并没有断裂。 规律方法　化学键的比较 类型 离子键 非极性键 极性键 配位键 金属键 本质 阴、阳离子间通过静电作用形成 相邻原子间通过共用电子对(电子云重叠)与原子核间的静电作用形成 金属阳离子与自由电子间作用 成键条件 (元素种类) 成键原子的得、失电子能力差别很大(一般是金属元素与非金属元素之间) 成键原子得、失电子能力相同(一般是同种非金属元素之间) 成键原子得、失电子能力差别较小(大多存在于不同种非金属元素之间,少数存在于金属与非金属元素之间、同种非金属元素之间) 成键原子一方有孤电子对(配体),另一方有可接受孤电子对的空轨道(中心原子或离子) 同种金属或不同金属(合金) 主题1:化学键的比较 类型 离子键 非极性键 极性键 配位键 金属键 特征 无方向性、饱和性 一般有方向性、饱和性 无方向性、饱和性 存在 离子化合物 单质(如H2),共价化合物(如H2O2),离子化合物 (如Na2O2) 共价化合物(如HCl),离子化合物 (如NaOH),配位化合物{如 [Cu(NH3)4]SO4} 配位化合物如{[Ag(NH3)2]Cl} 金属单质、合金 影响强 弱的 因素 一般阴、阳离子电荷愈多,半径愈小,离子键愈强 — 成键原子电负性差值愈大,键的极性愈强;键能愈大,键长愈短,共价键愈牢固 — 金属阳离子半径愈小,自由电子愈多,金属键愈强 主题1:化学键的比较 下列有关化学键的叙述,正确的是(　　) A.离子化合物中一定含有离子键 B.单质分子中均不存在化学键 C.含有极性键的分子一定是极性分子 D.含有共价键的化合物一定是共价化合物 A 解析 离子化合物中一定含有离子键,A项正确;稀有气体分子中不存在化学键,其他非金属单质分子中存在化学键,B项错误;含有极性键且分子结构不对称的分子是极性分子,结构对称的是非极性分子,如CO2分子含有极性键,但属于非极性分子,C项错误;含有共价键的化合物可能是共价化合物(如HCl),也可能是离子化合物(如NH4Cl),共价化合物是只含有共价键的化合物,D项错误。 1.常见共价晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 2.常见分子晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 3.常见离子晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 [典型例题1] 按要求完成以下题目: (1)(2021·全国甲卷)我国科学家发明了高选择性的二氧化碳加氢合成甲醇的催化剂,其组成为ZnO/ZrO2固溶体。四方ZrO2晶胞如图所示。Zr4+离子在晶胞中的配位数是　　　　,晶胞参数为a pm、a pm、c pm,该晶体密度为 　　　　　　　　 g·cm-3(写出表达式)。在ZrO2中掺杂少量ZnO后形成的催化剂,化学式可表示为ZnxZr1-xOy,则y=　　　　(用x表达)。  主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 [典型例题1] 按要求完成以下题目: 主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 [典型例题1] 按要求完成以下题目: (3)(2020·全国Ⅲ卷)研究发现,氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm,α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。 氨硼烷晶体的密度ρ=　　　　　　　 g·cm-3(列出计算式,设NA为阿伏加德罗常数的值)。  主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 [典型例题1] 按要求完成以下题目: (4)(2019·全国Ⅰ卷)图(a)是MgCu2的拉维斯结构,Mg以金刚石方式堆积,八面体空隙和半数的四面体空隙中,填入以四面体方式排列的Cu。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见,Cu原子之间最短距离x=　　　pm,Mg原子之间最短距离y=　 　　pm。设阿伏加德罗常数的值为NA,则MgCu2的密度是 　　　　　　g·cm-3(列出计算表达式)。  主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 [典型例题1] 按要求完成以下题目: 主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 [典型例题1] 按要求完成以下题目: (6)(2018·全国Ⅲ卷)金属Zn晶体中的原子堆积方式如图所示,这种堆积方式称为　　　　　　　　　　　　　。六棱柱底边边长为a cm,高为 c cm,阿伏加德罗常数的值为NA,Zn的密度为　　　　　　　g·cm-3(列出计算式)。  主题2:几种典型晶体结构的分析 主题2:几种典型晶体结构的分析 规律方法 (2)在计算晶胞密度时,一定注意单位之间的换算,一般情况下边长的单位是pm,而密度的单位是g·cm-3,没有进行单位换算或没有正确进行换算(即1 pm=10-10cm),则会导致错误。 主题2:几种典型晶体结构的分析 [跟踪训练1] (1)Cu的一种氯化物晶胞结构如图所示(黑球表示铜原子,白球表示氯原子),该氯化物的化学式是　　　　。若该晶体的密度为ρ g·cm-3,以NA表示阿伏加德罗常数的值,则该晶胞的边长a=　 nm。  (2)用晶体的X射线衍射法对Cu测定得到以下结果:Cu的晶胞为面心立方最密堆积(如图),已知该晶体的密度为9.00 g·cm-3,Cu的原子半径为　　　　　　　　　cm(只要求列式表示,设阿伏加德罗常数的值为NA)。  (3)一种铜金合金晶胞如图所示(Au原子位于顶点,Cu原子位于面心),则该合金中Au原子与Cu原子个数之比为　　　 　,若该晶胞的边长为a pm,则合金的密度为 　　　　　　　　　　　g·cm-3(只要求列算式,不必计算出数值,设阿伏加德罗常数的值为NA)。  [典型例题2] (2020·山东等级考节选)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,称作原子的分数坐标。四方晶系CdSnAs2的晶胞结构如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。 　　坐标 原子　　 x y z Cd 0 0 0 Sn 0 0 0.5 As 0.25 0.25 0.125 一个晶胞中有　　 　个Sn,找出距离Cd(0,0,0)最近的Sn　  (用分数坐标表示)。CdSnAs2晶体中与单个Sn键合的As有　　　　个。  答案:4　(0.5,0,0.25)、(0.5,0.5,0)　4 规律方法 在晶体学习中要避免套路固定,从不同角度认识晶胞,比如尝试画晶胞投影图,并且利用投影图去推导原子坐标及其之间的距离,即晶胞除了有三维结构,还可降维到二维或一维或整体平移等,更准确地从微观上认识晶胞的微观结构,进而化繁为简顺利解决问题。 [跟踪训练2] (2019·全国Ⅱ卷节选)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。 1.AB型化合物形成的晶体结构多种多样。如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 专题集训 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: 答案:(1)金刚石晶体 请回答下列问题: (1)上述晶体中,粒子之间以共价键结合形成的晶体是　　　　　　　。  2.如图为几种晶体或晶胞的示意图: 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。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。 请回答下列问题: (2)冰、金刚石、MgO、CaCl2、干冰5种晶体的熔点由高到低的顺序为   　　　　　　 　　。  答案:(2)金刚石>MgO>CaCl2>冰>干冰 2.如图为几种晶体或晶胞的示意图: 请回答下列问题: (3)NaCl晶胞与MgO晶胞相同,NaCl晶体的熔点　　　　(填“大于”或“小于”)MgO晶体,原因是  　。  答案:(3)小于　MgO晶体中阴、阳离子的电荷数大于NaCl晶体中阴、阳离子电荷数,且r(Mg2+)<r(Na+)、r(O2-)<r(Cl-) 2.如图为几种晶体或晶胞的示意图: 请回答下列问题: (4)每个Cu晶胞中实际占有　　　　个Cu原子,CaCl2晶体中Ca2+的配位数为　　　　。  答案:(4)4　8　 3.(2017·全国Ⅲ卷节选)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 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)。  5.CaF2的晶胞为立方晶胞,结构如图所示: (1)CaF2晶胞中,Ca2+的配位数为　　　　。  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。 答案:(1)8　 5.CaF2的晶胞为立方晶胞,结构如图所示:   5.CaF2的晶胞为立方晶胞,结构如图所示:   (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)。  Thank you for watching 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ρ= g·cm-3(a为晶胞边长的值,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ρ= g·cm-3(a为晶胞边长的值,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)= g·cm-3;ρ(BP)= g·cm-3; ρ(AlN)=g·cm-3(a为晶胞边长的值,NA为阿伏加德罗常数的值) 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ρ= g·cm-3(a为晶胞边长的值,NA为阿伏加德罗常数 的值) 白磷 密度ρ= g·cm-3(a为晶胞边长的值,NA为阿伏加德罗常数的值) NaCl型 CsCl型 ZnS型 CaF2型 晶胞 配位数 6 8 4 F-:4;Ca2+:8 密度的计算(a为晶胞边长的值,NA为阿伏加德罗常数的值) g·cm-3 g·cm-3 g·cm-3 g·cm-3 解析:(1)以晶胞中右侧面心的Zr4+为例,同一晶胞中与Zr4+连接最近且等距的O2-数为4,同理可知右侧晶胞中有4个O2-与Zr4+相连,因此Zr4+离子在晶胞中的配位数是4+4=8;由晶胞可知,Zr位于顶点和面心,O位于晶胞体内,根据均摊法可知,一个晶胞中含有Zr的数目为8×+6×= 4,O的数目为8,1个晶胞的质量m= g,1个晶胞的体积为a×10-10 cm×a×10-10cm× c×10-10cm=a2c×10-30cm3,因此该晶体密度为=g·cm-3。在ZrO2中掺杂少量ZnO后形成的催化剂,化学式可表示为ZnxZr1-xOy,其中Zn元素为+2价,Zr为+4价,O元素为-2价,根据化合物正负化合价代数和为0可知,2x+4×(1-x)-2y=0,解得y=2-x。 答案:(1)8　　2-x (2)(2020·全国Ⅱ卷)一种立方钙钛矿结构的金属卤化物光电材料的组成为Pb2+、I-和有机碱离子CH3N,其晶胞如图(b)所示。其中Pb2+与图(a)中　　　　的空间位置相同,有机碱CH3N 中,N原子的杂化轨道类型是　　　 　;若晶胞参数为a nm,则晶体密度为　　　　　　　　g·cm-3(列出计算式)。  解析:(2)由图(a)和图(b)可以看出Pb2+与Ti4+空间位置相同;CH3N中N原子与2个H原子、1个C原子形成三个共价键,与H+形成一个配位键,故N原子的杂化轨道类型为sp3;利用均摊法可知图(b)晶胞中I-个数是6×=3,CH3N个数是8×=1,Pb2+个数为1,晶胞体积为(a×10-7cm)3,则晶胞密度ρ==×1021 g·cm-3。 答案:(2)Ti4+　sp3　×1021 解析:(3)氨硼烷的相对分子质量为31,一个氨硼烷的2×2×2超晶胞中含有16个氨硼烷,该超晶胞的质量为 g,体积为2a×10-10cm×2b×10-10 cm×2c×10-10cm=8abc× 10-30 cm3,则氨硼烷晶体的密度为 g·cm-3。 答案:(3) 解析:(4)根据晶胞结构可知,Cu原子之间最短距离为面对角线的,由于边长是a pm,则面对角线是a pm,则x=a pm;Mg原子之间最短距离为体对角线的,由于边长是a pm,则体对角线是a pm,则y=a pm;根据晶胞结构可知,晶胞中含有镁原子的个数是8×+ 6×+4=8,Cu原子个数是16,则晶胞的质量是g,由于边长是a pm,则MgCu2的密度是 g·cm-3。 答案:(4)a　a　 (5)(2018·全国Ⅱ卷)FeS2晶体的晶胞如图所示。晶胞边长为a nm、FeS2相对式量为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+位于所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为　　　　nm。  解析:(5)分析晶胞结构可知,Fe2+位于棱边和体心,位于顶点和面心,因此每个晶胞中含有的Fe2+个数为12×+1=4,每个晶胞中含有的个数为6×+8×=4,即每个晶胞中含有4个FeS2。一个晶胞的质量为 g,晶胞的体积为(a×10-7)3 cm3,该晶体密度为 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。 答案:(5)×1021 　a 解析:(6)金属Zn晶体为六方最密堆积方式(A3型)。六棱柱底边边长为a cm,则六棱柱上下面的面积均为6×a2 cm2,则六棱柱的体积为6×a2c cm3,锌原子在六棱柱的顶点、上下面心和晶胞内,一个晶胞含锌原子个数为12×+2×+3=6,因此一个晶胞质量为 g,由此可知,Zn的密度为 g·cm-3。 答案:(6)六方最密堆积(A3型)　 (1)晶体密度的求解过程:确定晶胞中微粒数(设为N个)→求该微粒的物质的量()→用物质的量乘以摩尔质量得到晶胞的质量→晶胞的质量除以晶胞的体积得到密度。 答案:(1)CuCl　　 解析:(1)晶胞中铜原子的个数是4,氯原子的个数是8×+6×=4,所以该氯化物的化学式为CuCl。根据m=Vρ可知,(a×10-7cm·nm-1)3×ρ g·cm-3=×99.5 g·mol-1,解得a= nm。 解析:(2)根据晶胞的结构图可知,晶胞中含有铜原子数为8×+6×=4,设晶胞的边长为a cm,则 a3 cm3×ρ g·cm-3×NA mol-1=4×64 g·mol-1,所以a=,晶胞面对角线为a cm,面对角线的为Cu原子半径,所以Cu原子半径为× cm。 答案:(2)×　 解析:(3)在晶胞中,Au原子位于顶点,Cu原子位于面心,该晶胞中Au原子个数为8×=1,Cu原子个数为6×=3,所以该合金中Au原子与Cu原子个数之比为1∶3,晶胞体积V=(a×10-10cm)3,每个晶胞中铜原子个数是3、Au原子个数是1,则ρ= g·cm-3= g·cm-3。 答案:(3)1∶3　 解析:由四方晶系CdSnAs2晶胞及原子的分数坐标可知,有4个Sn位于棱上,6个Sn位于面上,则属于一个晶胞的Sn的个数为4×+6×=4。与Cd(0,0,0)最近的Sn原子为如图所示的a、b两个Sn原子,a位置的Sn的分数坐标为(0.5,0,0.25),b位置的Sn的分数坐标为(0.5,0.5,0)。CdSnAs2晶体中Sn除与该晶胞中的2个As键合外,还与相邻晶胞中的2个As键合,故晶体中单个Sn与4个As键合。 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　　　 　　　　、 　　　　　　　。  解析:由图1可知,每个晶胞中含Sm原子数为4×=2,含Fe原子数为4×+1=2,含As原子数为4×=2,含O原子数为(8×+2×)(1-x)=2(1-x),含F原子数为(8×+2×)x=2x,所以该化合物的化学式为SmFeAsO1-xFx;根据该化合物的化学式可知,一个晶胞的质量为g,一个晶胞的体积为a2c×10-30cm3,则密度ρ=g·cm-3。根据原子1的坐标(,,),可知原子2和3的坐标分别为(,,0)、(0,0,)。 答案:SmFeAsO1-xFx　　(,,0)　(0,0,) 解析:(4)用均摊法分析,铜晶胞实际占有铜原子数为8×+6×=4;氯化钙类似于氟化钙,Ca2+的配位数为8,Cl-的配位数为4。 解析:MgO晶胞中,顶面对角线,可以看作是2个O原子的直径和,即4r(O2-)=a,所以r(O2-)=a= ×0.420 nm≈0.148 nm。MnO晶胞中的边长,可以看作是一个Mn原子直径加一个O原子直径,所以2r()+2r(Mn2+)=a′,代入数据得2×0.148 nm+2r(Mn2+)=0.448 nm,代入数据得r(Mn2+)=0.076 nm。 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)3cm3,即该晶体密度为 g·cm-3。 解析:(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。 答案:(2)　　 (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(　　　,　　　,)。  答案:(3) 解析:(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A、B、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。 $