第3章 第2节 第5课时 晶体结构的复杂性-【新课程学案】2025-2026学年高中化学选择性必修2教师用书word（鲁科版 山东专用）

本讲义聚焦晶体结构的复杂性核心知识点，先以石墨为例解析混合型晶体的层状结构、杂化方式及性质用途，再阐述物质组成复杂性与键型过渡导致结构复杂的原因，最后系统讲解晶胞参数计算等应用，构建从具体晶体到原理再到计算的学习支架。 该资料通过石墨结构分析、晶胞计算实例等设计，培养学生科学思维（模型建构、证据推理）和科学探究能力，题点多维训练巩固知识。课中辅助教师教学，课后帮助学生查漏补缺，体现“结构决定性质”的化学观念，提升学习效果。

第五课时　晶体结构的复杂性 新知探究——晶体结构的复杂性 1.混合型晶体——石墨晶体的结构、性质及用途 晶体 模型 结构 特点 ①石墨晶体是层状结构,在每一层中,每个C原子与其他3个C原子以共价键结合,形成无限的六边形平面网状结构。每个C原子有1个未参与杂化的2p轨道,并含有1个未成对电子,能够形成遍及整个平面的大π键。 ②C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 石墨晶体中既含有共价键,又有范德华力,同时还有类似金属键的特性,因此石墨晶体属于混合型晶体 物理 性质 熔点高、质软、易导电 用途 制造电极、润滑剂、铅笔芯、原子反应堆中的中子减速剂等 [微点拨]　在石墨晶体中,每个碳原子参与了3个C—C键的形成,而每个键对正六边形的贡献只有一半,故每个正六边形平均占有的碳原子数为6×=2,碳原子个数与C—C键数之比为2∶=2∶3。 2.晶体结构复杂性的原因 (1)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。如: ①BaTiO3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在Na2SiO3固体中并不存在单个的简单Si,Si通过共价键与4个O原子相连,形成硅氧四面体。硅氧四面体通过共用顶角O原子而连成较大的链状硅酸盐{Si}∞单元,再与金属阳离子以离子键相互作用。 (2)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。由于微粒间的作用存在键型过渡,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状态,形成过渡晶体。 [题点多维训练] 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)石墨属于共价晶体,能导电,也属于电解质。 (×) (2)石墨中含有范德华力,所以石墨的熔点低。 (×) (3)石墨的硬度比金刚石大。 (×) (4)物质组成的复杂性及微粒间的作用存在键型过渡导致了晶体结构的复杂性。 (√) 2.石墨晶体为层状结构,每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成的平面片层,同层相邻碳原子间距为142 pm、相邻片层间距为335 pm。如图是其晶体结构片层俯视图。下列说法不正确的是 (　　) A.碳原子采用sp2杂化 B.每个碳原子形成3个σ键 C.碳原子数与σ键数之比为2∶3 D.片层之间的碳形成共价键 解析:选D　每个碳原子形成3个σ键,采取sp2杂化,故A、B正确;每个碳原子平均含有 ×3= 个σ键,所以碳原子数与σ键数之比为2∶3,故C正确;石墨片层之间的碳以范德华力结合,故D错误。 3.磷及其化合物在电池、催化等领域有重要应用。黑磷与石墨类似,也具有层状结构(如图1)。为大幅度提高锂电池的充电速率,科学家最近研发了黑磷—石墨复合材料,其单层结构俯视图如图2所示。 下列说法正确的是 (　　) A.黑磷中P—P键的键能完全相同 B.黑磷与石墨都属于混合型晶体 C.由石墨与黑磷制备该复合材料的过程,未发生化学反应 D.复合材料单层中,P原子与C原子之间的作用力为范德华力 解析:选B　据图1可知黑磷中P—P键的键长不完全相等,所以键能不完全相同,故A错误;黑磷与石墨类似,每一层原子之间由共价键组成六元环结构,层与层之间存在范德华力,所以为混合型晶体,故B正确;由石墨与黑磷制备该复合材料的过程中,P—P键和C—C键断裂,形成P—C键,发生了化学反应,故C错误;复合材料单层中,P原子与C原子之间的作用力为共价键,故D错误。 4.决定物质性质的重要因素是物质结构。请回答下列问题: (1)上图是石墨的结构,其晶体中存在的作用力有　　　　(填字母)。  A.σ键　B.π键　C.氢键　D.配位键　 E.范德华力　F.金属键　G.离子键 (2)碳纳米管由单层或多层石墨层卷曲而成,其结构类似于石墨晶体,每个碳原子通过　　　　杂化与周围碳原子成键,多层碳纳米管的层与层之间靠　　　　　　结合在一起。  (3)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。 ①关于这两种晶体的说法正确的是　　　(填字母)。  a.立方相氮化硼含有σ键和π键,所以硬度大 b.六方相氮化硼层间作用力小,所以质地软 c.两种晶体中的B—N键均为共价键 d.两种晶体均为分子晶体 ②六方相氮化硼晶体同层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间结构为　　　　　　,其结构与石墨相似却不导电,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  ③NH4BF4(氟硼酸铵)是合成氮化硼纳米管的原料之一。1 mol NH4BF4含有　　　　mol配位键。  答案:(1)ABEF　(2)sp2　范德华力 (3)①bc　②平面三角形　层状结构中没有自由移动的电子　③2 命题热点——晶胞参数与晶胞计算 导学设计 长信宫灯是西汉青铜器,被称为“中华第一灯”。长信宫灯设计十分巧妙,宫女一手执灯,另一手袖似在挡风,实为虹管,用以吸收油烟,既防止了空气污染,又有审美价值。 1.金属铜的晶胞如图所示,则该晶胞拥有铜原子的个数是多少?铜原子距离最近且相等的铜原子个数是多少? 提示:一个晶胞中铜原子个数为8×+6×=4,Cu原子周围最近且距离相等的Cu原子有12个。 2.一种铜金合金晶体也具有与铜晶胞相似的结构,在晶胞中Cu原子处于面心、Au原子处于顶点位置,则该合金中Cu原子与Au原子数目之比为多少;若该晶胞的边长为a cm,则该合金密度是多少g·cm-3(设NA为阿伏加德罗常数的值)。 提示:由题给信息可知,一个晶胞内Cu原子的个数为6×=3,Au原子的个数为8×=1,则该合金中Cu原子与Au原子数目之比为3∶1;1个晶胞的质量为 g,则该合金密度为 g·cm-3。 3.铜金合金晶体具有储氢功能,氢原子可进入由Cu原子与Au原子构成的四面体空隙中。 若将Cu原子与Au原子等同看待,该晶体储氢后的晶胞结构与CaF2的结构(如图)相似,写出该晶体储氢后的化学式。 提示:CaF2晶胞中含有Ca2+的个数为8×+6×=4,含有F-的个数为8,所以该合金晶体储氢后一个晶胞内有8个氢原子,该晶体储氢后的化学式为H8AuCu3。 [系统融通知能] 1.立方晶胞中各物理量的关系 a3×ρ×NA=n×M a:表示晶胞的棱长; ρ:表示晶体的密度; NA:表示阿伏加德罗常数的值; n:表示1 mol晶胞中晶体的物质的量; M:表示晶体的摩尔质量; a3×ρ×NA表示1 mol晶胞的质量。 2.计算晶胞中微粒的数目,进而求化学式 根据切割法计算出一个晶胞中所含微粒数目,求出晶胞所含微粒个数的最简整数比,从而写出晶体的化学式。 3.计算晶胞的质量和体积,进而计算晶体的密度 利用公式ρ=,式中N为晶胞中所含微粒个数,M为所含微粒的摩尔质量,NA为阿伏加德罗常数的值,V为晶胞的体积,其单位为cm3,ρ为晶体的密度,其单位为g·cm-3。 4.计算晶胞的空间利用率 晶胞的空间利用率=×100%。 5.计算晶胞中微粒间的距离或晶胞参数 立方晶胞中可利用公式V===a3,得a=。 6.原子分数坐标 概念 表示晶胞内部各原子的相对位置 确定 方法 ①依据已知原子的坐标确定坐标系取向。 ②一般以坐标轴所在平行六面体的棱长为1个单位。 ③从原子所在位置分别向x、y、z轴作垂线,所得坐标轴上的截距即为该原子的分数坐标。 7.投影图 (1)面心立方堆积模型的投影分析 (2)体心立方堆积投影分析 (3)金刚石晶胞投影图分析 [题点多维训练] 题点(一)　晶胞参数与晶胞计算 1.Mg2Si具有反萤石结构,晶胞结构如图所示,其晶胞参数为0.635 nm。 下列叙述正确的是 (　　) A.Si的配位数为4 B.紧邻的两个Mg原子的距离为 nm C.紧邻的两个Si原子间的距离为 nm D.Mg2Si的密度计算式为 g·cm-3 解析:选B　灰球表示镁原子,白球表示硅原子,该晶胞中镁原子个数为8,硅原子个数为8×+6×=4。一个硅原子周围距离最近且相等的镁原子有8个,则硅原子的配位数为8,故A错误;紧邻的两个镁原子的距离是晶胞参数的一半,该距离为 nm,故B正确;紧邻的两个硅原子间的距离是面对角线的一半,该距离为 nm,故C错误;一个晶胞含有4 个Mg2Si,一个晶胞的质量为 g,该晶体的密度为 g·cm-3,故D错误。 2.(2025·黑、吉、辽、内蒙古卷)NaxWO3晶体因x变化形成空位而导致颜色各异,当0.44≤x≤0.95时,其立方晶胞结构如图。设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法错误的是 (　　) A.与W最近且等距的O有6个 B.x增大时,W的平均价态升高 C.密度为 g·cm-3时,x=0.5 D.空位数不同,吸收的可见光波长不同 解析:选B　W位于立方体的顶角,以顶角W为例,在此晶胞内,离该顶角最近且距离相等的O原子位于该顶角所在3条棱的棱心,由于该顶角在8个晶胞里,而棱上的原子被4个晶胞共有,所以与W最近且距离相等的O原子有3×8×=6,故A正确;O元素化合价为-2价,负化合价总数为-6,设W元素的平均化合价为y,据正负化合价代数和为0可得:-6+y+x=0,y=6-x,x的值增大y减小,即W元素的平均化合价降低,故B错误;0.44≤x≤0.95时,立方晶胞中W个数为8×=1、O个数为12×=3,若x=0.5,晶胞质量为m= g,晶胞体积为V=(a×10-10)3 cm3,则密度ρ== g·cm-3= g·cm-3,解得x=0.5,故C正确;NaxWO3晶体因x变化形成空位而导致颜色各异,即空位数不同,吸收的可见光波长不同,故D正确。 3.FeS2晶体的晶胞形状为立方体,边长为a nm,结构如图。 一个晶胞中Fe2+的个数为　　　　;该晶体的密度为　　　　　g·cm-3。(阿伏加德罗常数为NA)  解析:Fe2+位于晶胞的顶点和面心,个数为8×+6×=4,个数为1+12×=4。一个晶胞中相当于含有4个FeS2,因此一个晶胞的质量m=4×g,所以晶体密度ρ=== g·cm-3。 答案:4　 题点(二)　分数坐标及投影图 4.(2025·阜阳市第三中学二调)立方砷化硼(BAs)是一种优良的半导体材料,BAs的晶胞结构如图所示。若晶胞参数为 a pm,下列说法正确的是 (　　) A.As位于第5周期ⅤA族 B.1号砷的坐标为 C.BAs晶体中存在着配位键 D.晶体BAs的摩尔体积为a3NA×10-36m3·mol-1 解析:选C　As为33号元素,则As位于第4周期ⅤA族,A错误;1号砷在体对角线的四分之一处,其坐标为,B错误;B最外层有3个电子,易形成3个共价键,根据图中结构BAs晶体中B有4个价键,说明BAs晶体中存在着配位键,C正确;根据晶体BAs的结构分析可知,1个晶胞中含有4个BAs,其摩尔体积为(a×10-12)3 m3·mol-1=a3×10-36 m3·mol-1,D错误。 5.(2025·河北卷)SmCok(k>1)是一种具有优异磁性能的稀土永磁材料,在航空航天等领域中获得重要应用。SmCok的六方晶胞示意图如下,晶胞参数a=500 pm、c=400 pm,M、N原子的分数坐标分别为、。设NA是阿伏加德罗常数的值。 下列说法错误的是 (　　) A.该物质的化学式为SmCo5 B.体心原子的分数坐标为 C.晶体的密度为 g·cm-3 D.原子Q到体心的距离为100 pm 解析:选D　由晶胞图知,白球位于体心,晶胞中数目为1,黑球位于顶角、棱心、体内,晶胞中数目为4×+4×+8×+2=5,结合题意知,白球为Sm、黑球为Co,该物质化学式为SmCo5,A正确;体心原子位于晶胞的中心,其分数坐标为,B正确;每个晶胞中含有1个“SmCo5”,晶胞底面为菱形,晶胞体积为a2c,则晶体密度为ρ==g·cm-3,C正确;原子Q的分数坐标为,由体心原子向上底面作垂线,垂足为上底面面心,连接该面心与原子Q、体心与原子Q可得直角三角形,则原子Q到体心的距离= pm=50 pm,D错误。 6.(2025·陕晋宁青卷)一种负热膨胀材料的立方晶胞结构如图,晶胞密度为d g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,下列说法错误的是 (　　) A.沿晶胞体对角线方向的投影图为 B.Ag和B均为sp3杂化 C.晶体中与Ag最近且距离相等的Ag有6个 D.Ag和B的最短距离为××1010 pm 解析:选A　由晶胞图可知,晶胞中Ag位于体心,B位于顶点,C、N位于体对角线上,沿晶胞体对角线方向投影,体对角线上的原子投影到中心(重叠),其余6个顶点原子分别投影到六边形的顶点上,其他体内的C、N原子投影到对应顶点原子投影与体心的连线上,则投影图为,A错误;Ag位于体心,与周围4个N原子成键,价层电子对数为4,且与4个N原子形成正四面体,则Ag为sp3杂化;由晶胞中成键情况知,共用顶点B原子的8个晶胞中,有4个晶胞中存在1个C原子与该B原子成键,即B原子的价层电子对数为4,为sp3杂化,B正确;晶胞中Ag位于体心,与Ag最近且距离相等的Ag就是该晶胞上、下、左、右、前、后6个相邻的晶胞体心中的Ag原子,为6个,C正确;B位于顶点,其个数为8×=1,Ag、C、N均位于晶胞内,个数分别为1、4、4,由晶胞密度可知晶胞参数a=×1010pm,Ag和B的最短距离为体对角线的一半,即××1010 pm,D正确。 7.铜的晶胞结构如图所示。 (1)铜晶胞在x轴方向的投影图是　　　(填标号)。  (2)假设铜晶胞参数为a nm,铜晶体的密度为b g·cm-3,则铜的相对原子质量为　　　　　　(设NA为阿伏加德罗常数的值,用含a、b、NA的代数式表示)。  解析:结合晶胞结构和坐标系可知,上下两面心处的铜原子投影到上下两边的中心、左右两面心处的铜原子投影到左右两边的中心、前后两面心处的铜原子投影到面心处,即铜晶胞在x轴方向的投影图为A;相对原子质量在数值上等于摩尔质量,又由切割法算出一个晶胞中含有4个铜原子,结合晶胞密度计算公式b=,即M=,所以相对原子质量为。 答案:(1)A　(2) 学科网（北京）股份有限公司 $