(完整版)难点3晶体结构分析与计算突破

“公式法”突破晶体计算难点问题作者：王志刚来源：《中学化学》2021年第11期高考中选修3《物质结构与性质》的考查，难点集中在晶体计算方面，学生在复习备考中遇到的问题主要表现在以下三个方面：（1）如何计算？（2）如何找几何关系？（3）如何进行单位换算？解决好了这三个问题，晶体计算的难点，也就基本突破了。

下面以近3年高考试题中晶体计算问题为研究对象，分析研究，寻找晶体计算问题的一般解题思路和办法。

例题（2020年全国理综卷Ⅲ题35，节选）（4）研究发现，氮硼烷（NH3·BH3）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1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）。

解析观察氨硼烷2×2×2超晶胞结构，可以发现该结构中含有16（4×4）个氮硼烷微粒，即Z=16，运用公式进行如下计算：ρ=ZMVNA=16×312a×10-10×2b×10-10×2c×10-10NA=62abc×10-30NA总结晶体计算问题的一般解题思路：（1）灵活运用公式M=m（微粒）×NA=ρVZ×NA（或ρ=ZMVNA）进行计算。

①M：微粒的摩尔质量;②Z：一个晶胞（或结构单元）中含有的微粒个数;③V：一个晶胞（或结构单元）的体积;④NA：阿伏加德罗常数。

（2）知道常见两点间距离的计算方法，能进行基本几何分析与计算（注意勾股定理在计算中的使用）。

①体心立方，两原子间最短距离：d=32a;②面心立方，两原子间最短距离：d=22a;③其余则根据几何关系进行计算。

（3）计算时要特别注意单位换算问题。

①1 pm=10-12m=10-10cm②1 nm=10-9m=10-7cm巩固（2019年全国理综卷Ⅰ题35，节选）（3）图2（a）是MgCu2的拉维斯结构，Mg以金刚石方式堆积。

晶体结构分析与计算湖南省浏阳市第一中学潘丹张水强410300在2005年高考考纲中，在思维能力中增加了“对原子、分子、化学键等微观结构有一定的三维想象能力”的要求。

三维想象能力可能通过“晶体结构”试题来体现，而“晶体结构”这一知识点前几年是高考的热点之一（如92年的金刚石、96年的SiO2 、97年的C60、98年的GBO、99年的NiO等等）。

间隔了几年，笔者认为有必要引起广大考生足够的重视。

本文从最常见的几种晶体结构题型入手，分析晶体结构有关的问题，帮助同学们更好地掌握晶体结构的内容，培养空间想象能力和形象思维能力。

一、常见的几种晶体结构分析(一)、氯化钠晶体1、NaCl晶体是一种简单立方结构——Na+和Cl-交替占据立方体的顶点而向空间延伸。

2、在每个Na+周围最近且等距离（设边长为a）的Cl-有6个，在每个Cl-周围最近且等距离的Na+有6个。

3、在每个Na+周围最近且等距离（平面对角线为2a）的Na+有12个，在每个Cl-周围且最近等距离（平面对角线为2a）的Cl-有12个。

(二)、氯化铯晶体1、CsCl晶体是一种立方体心结构——每8个Cs+、8个Cl-各自构成立方体。

在每个立方体的中心有一个异种离子（Cl-或Cs+）。

2、在每个Cs+周围最近且等距离的Cl-（设为3a/2）有8个。

在每个Cl-周围最近且等距离的Cs+有8个。

3、在每个Cs+周围最近且等距离（必为a）的Cs+有6个，在每个Cl-周围最近且等距离的Cl-有6个。

(三)、金刚石晶体1、金刚石晶体是一种空间网状结构——每个C原子与另4个C原子以共价键结合，前者位于正四面体中心，后者位于正四面体顶点。

2、晶体中所有C—C键键长相等（1.55×10-10m），键角相等（均为109028'），晶体中最小碳环由6个C组成且六者不在同一平面内。

3、晶体中每个C原子参与了4条C—C键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子个数与C—C键数之比为1：4×21=1：2。

难点3　晶体结构分析与计算突破【试题特点】 晶体结构分析与计算主要有两种考查方式:一是晶胞组成的分摊法原理与计算;二是有关晶胞的立体结构以及相关基本概念,主要是晶胞的棱长、晶体的密度、阿伏加德罗常数的值、晶体的摩尔质量等计算。

晶体类问题的核心基础是晶胞结构,这就要求我们对中学教材中已经出现的晶体结构非常熟悉。

【例1】 (2017·全国Ⅲ卷,35) 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(O 2-)为 nm 。

MnO 也属于NaCl 型结构,晶胞参数为a ′=0.448 nm,则r(Mn 2+)为 nm 。

解析:因为O 2-是面心立方最密堆积方式,面对角线是O 2-半径的4倍,即4r(O 2-)=a,解得r(O 2-)=×0.420 nm=0.148 nm;MnO 也属于NaCl224型结构,根据晶胞的结构,晶胞参数=2r(O 2-)+2r(Mn 2+),则r(Mn 2+)=(0.448 nm-2×0.148 nm)/2=0.076 nm 。

答案:0.148　0.076【例2】 (2017·江西九江联考)O 元素和Na 元素能够形成化合物F,其晶胞结构如图所示,晶胞参数a=0.566 nm,F 的化学式为 ;晶胞中O 原子的配位数为 ;列式计算晶体F 的密度(g·cm -3) 。

解析:根据晶胞结构可知氧原子的个数=8×+6×=4,Na 全部在晶胞1812中,共计8个,则F 的化学式为Na 2O 。

以顶点氧原子为中心,与氧原子距离最近的钠原子的个数为8,即晶胞中O 原子的配位数为8。

晶体F的密度===2.27 g/cm 3。

m V 4×62 g/mol (0.566×10-7cm)3×6.02×1023mol -1答案:Na 2O 8　=2.27 g/cm 34×62 g/mol (0.566×10-7cm)3×6.02×1023mol -11.晶胞中微粒的计算方法——均摊法晶胞任意位置上的一个原子如果是被n 个晶胞所共有, 那么,每个晶胞对这个原子分得的份额就是。

晶体结构知识汇总及解题方法技巧一、晶胞中质点得占有率在一个晶胞结构中出现得多个原子,并不就是只为这一个晶胞所独立,而就是为多个晶胞共用,所以每一个晶胞只能按比例分摊。

分摊得根本原则:晶胞任意位置上得原子如果就是被n 个晶胞所共有,则每个晶胞只能分得这个原子得n 1。

立方晶胞,顶点上得粒子占 棱上得粒子占 面上得粒子占 体心得粒子占二、常见晶胞分析1. NaCl 型⑴每个晶胞占有 个Na+, 个Cl-,即 个NaCl 粒子⑵每个Na ＋周围有 个Cl －,每个Cl －周围有 个Na ＋,与一个Na ＋距离最近且相等得Cl－围成得空间构型为 。

每个Na ＋周围与其最近且距离相等得Na ＋有 个。

⑶0、585g NaCl 晶体(0、01mol)含有 个晶胞。

⑷若已知Na+与Cl-得最短距离为a cm,则NaCl 晶体得密度为 。

2. CsCl 型⑴在CsCl 晶体中,每个Cs+周围与之最接近得且距离相等得Cs+有 个,每个Cs+周围与之最接近得且距离相等得Cl-有 个。

⑵每个晶胞占有 个CsCl 粒子。

3. 干冰型在干冰晶体中,每个CO2分子周围与之最接近得且距离相等得CO2分子有 个。

每个晶胞中含有 个CO2分子。

4. 金刚石型金刚石得网状结构中,,每个碳原子与其她4个碳原子等距离紧邻,含有由共价键形成得碳原子环,其中最小得环上有6个碳原子,每个碳原子上得任意两个C—C键得夹角都就是109°28′,其中C原子个数:C—C个数= 。

5.石英晶体在二氧化硅晶体中,一个硅原子与4个氧原子形成4个共价键,1个氧原子与2个硅原子形成2个共价键,故Si原子与O原子数目之比为。

实际上,该晶体就是由硅原子与氧原子按1:2得比例组成得立体网状晶体,没有单个分子存在。

在晶体中最小得环为十二元环,每个环占有6个Si原子与6个O原子。

6.石墨晶体结构石墨晶体就是一种混合型晶体,层内存在共价键,层间以范德华力结合,兼具有原子晶体、分子晶体得特征与特性。

晶胞结构的分析与计算——晶体结构与性质章复习（第2课时）【学习目标】1.能根据分摊法确定晶体的组成；提高抽象思维能力，提升宏观辨识与微观探析的发展水平。

（重难点）2.通过典型晶胞再认识，学会利用晶胞的基本特点分析晶体中微粒配位数。

3.建立解晶胞的一般观念、思维模型，能类比迁移相关知识解决新情境新问题；提升解决复杂问题的能力。

（重难点），则晶胞中最邻近两个金属原子间的距离为？最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式是？分摊法能解决哪些问题？使用分摊法时应注意什么问题？石英晶体的晶胞如图，确定其化学式的方法有哪些？晶胞中，配位情况对比CsCl晶胞数目NaCl晶胞数目CaF2晶胞数目+Ca2+配位数【随堂练习】1.有下列某晶体的空间结构示意图。

图中●和化学式中M分别代表阳离子，图中○和化学式中N分别代表阴离子，则化学式为MN2的晶体结构为（）A B C D 2.下列说法正确的是（）（N A表示阿伏加德罗常数）A.1mol冰中含有氢键的个数为2 N AB.12g石墨中含有C-C键的个数为3N AC.二氧化硅晶体中存在四面体网状结构，O处于中心，Si处于4个顶点D.密置层在三维空间堆积可得体心立方堆积和面心立方最密堆积3.氮化碳结构如下图所示，其硬度超过金刚石，下列有关氮化碳的说法不正确的是（）A.氮化碳属于原子晶体B.氮化碳中碳显－4价，氮显＋3价C.氮化碳的化学式为C3N4D.每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连4.ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛。

立方ZnS晶体结构如下图所示，其晶胞边长为540.0 pm．密度为（列式并计算），a位置S2－离子与b位置Zn2+离子之间的距离为pm（列示表示）5.晶胞有两个基本要素：①原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置，下图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为（0，0，0）；B为（1/2，0，1/2）；C为（1/2，1/2，0）。

有关金属晶体结构中几个难点问题的归纳与分析ʏ刘云贵金属晶体作为物质结构模块的重点,虽然仍有许多未解之谜,但仅就高中化学而言,许多知识㊁理论已经基本成形,本文拟结合高考试题的考查热点加以总结归纳,以飨读者㊂一㊁晶体结构的堆积模型我们在分析金属晶体的内部结构时,通常从密堆积模型开始,晶体微粒可看成等径实心小球排列㊂因此,晶体微粒结构从一维㊁二维㊁三维逐次展开有以下几种㊂1.一维只有一种密排列方式;二维有两种排列方式,一种是非密置层排列,另一种是密置层排列,如图1所示㊂图12.三维空间的密置层与密置层排列有两种方式,如图2所示㊂图2(1)A B排列方式:第2层(即B层)对准第1层(即A层)的1㊁3㊁5空隙或2㊁4㊁6空隙,第3层(即A层)对准第1层(即A层)的1㊁3㊁5空隙或2㊁4㊁6空隙,形成A B的简单重复㊂(2)A B C排列方式:第2层(即B层)对准第1层(即A层)的1㊁3㊁5空隙,第3层(即C层)对准第1层(即A层)的2㊁4㊁6空隙,第4层为A层的重复,形成A B C的简单重复㊂二㊁晶胞的截取与晶胞微粒个数的均摊1.晶胞的截取㊂晶胞都是从晶体结构中截取的六面体㊂根据重复㊁周期排列规则,截取的晶胞大小㊁形状完全相同且包含必要的循环元素㊂2.晶胞微粒个数的均摊㊂(1)简单立方堆积㊂由于1个晶胞上㊁下㊁左㊁右㊁前后并置构成整个晶体,因此,处于顶点的微粒实际属于8个晶胞共用,故此,此类晶胞实际 均摊 1个微粒㊂(2)体心立方堆积㊂同理,在简单立方堆积的基础上,由于体心占有1个微粒,故本类晶胞实际 均摊 2个微粒㊂三㊁晶体结构的若干计算1.晶胞的参数(基本要素)㊂晶胞包含微粒个数及空间位置(空间坐标参数)两个参数㊂通常而言,晶胞的边长设为a,单位为p m(1p m=10-10c m)㊂2.晶体的计算㊂(1)空间利用率的计算㊂晶胞中实际占有的金属原子的总体积在整个晶胞空间中所占有的体积百分比即为空间利用率㊂计算思路:先确定晶胞微粒的个数,以圆的体积代替单个微粒的体积,求出微粒的总体积;再根据晶胞参数求出晶胞的体积;最后代入公式空间利用率=V球V晶胞ˑ100%计算即可㊂晶胞参数与微粒半径的换算关系如下(以体心立方㊁面心立方为例,设边长为a,微粒半径为r):面对角线长=2a,体对角线长=3a,体心立方堆积有4r=3a,面心立方堆积有4r=2a㊂(2)晶胞密度的计算㊂先根据均摊法,求出每个晶胞实际包含的金属原子的个数,确定化学式,求出晶胞的总质量;再根据晶胞参数计算晶胞体积;最后根据ρ=m V进行计算求得结果㊂作者单位:安徽省太和第一中学34基础化学障碍分析自主招生2019年11月。