近三年高考關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的考查分析

湖北

《晶體結(jié)構(gòu)》是《選修3》第三章的內(nèi)容，也是歷年高考選考題《選修3》部分的壓軸考點(diǎn)，但因?qū)W生掌握的知識(shí)有限、思維能力和空間想象能力不足等原因，導(dǎo)致這部分內(nèi)容成為了很多學(xué)生難以逾越的“一座高山”，甚至是“死穴”。下面我們來看看近三年高考考了些什么，我們又該怎樣復(fù)習(xí)。

一、近三年高考考情分析

1.問題條件的再現(xiàn)

晶胞圖示其他已知條件2017年全國(guó)卷ⅠKIO3晶體已知晶胞邊長(zhǎng)2017年全國(guó)卷Ⅱ化合物R晶體的局部結(jié)構(gòu)大π鍵概念、表示方法2017年全國(guó)卷ⅢMgO晶胞結(jié)構(gòu)已知晶胞參數(shù)2018年全國(guó)卷ⅠLi2O晶胞結(jié)構(gòu)已知晶胞參數(shù)、NA 2018年全國(guó)卷ⅡFeS2晶體晶胞已知晶胞邊長(zhǎng)、相對(duì)分子質(zhì)量、NA

續(xù)表

備考啟示：①每年的考題均給出了晶胞圖示(含局部結(jié)構(gòu))，有的是我們熟悉的單一圖示，如MgO晶胞結(jié)構(gòu)(NaCl型結(jié)構(gòu))、Li2O晶胞結(jié)構(gòu)(螢石結(jié)構(gòu))、金屬Zn晶體；有的是看上去不熟悉，但拆分一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是一些簡(jiǎn)單的、熟悉的晶胞“復(fù)合”圖示，如2017年全國(guó)卷Ⅰ的KIO3晶胞圖示，K、O原子圍成的圖形是面心立方最密堆積結(jié)構(gòu)圖，K、I原子圍成的圖形是體心立方最密堆積結(jié)構(gòu)圖，K原子圍成的圖形是簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)圖。所以，遇到復(fù)雜的晶胞結(jié)構(gòu)圖示時(shí)，一要冷靜，盡可能地拆分為簡(jiǎn)單圖示后，再進(jìn)行分析判斷；二要熟悉一些基本晶胞的結(jié)構(gòu)圖示，打好基礎(chǔ)，方能由繁到簡(jiǎn)。

②平時(shí)的教學(xué)或?qū)W習(xí)中，要注意對(duì)知識(shí)或問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣寡由臁Ｈ?019年全國(guó)卷Ⅰ的35題第(4)問，老師和考生們都反映題很難，我以為其原型知識(shí)來源于兩點(diǎn)：一是人教版教材《選修3》P78中的圖3-28“NaCl晶體中陰、陽離子的配位數(shù)”，該圖示中畫出了兩種八面體結(jié)構(gòu)，在我們教學(xué)或?qū)W習(xí)中能不能更進(jìn)一步研究一下一個(gè)NaCl晶胞中所含的八面體數(shù)、正四面體數(shù)呢？其原子的位置情況如何，這是我們要仔細(xì)研讀教材的原因；二是2018年全國(guó)卷Ⅱ“FeS2晶體的晶胞”圖示，該圖示中畫出了八面體結(jié)構(gòu)，并且還要求計(jì)算八面體的邊長(zhǎng)，這個(gè)問題在2019年全國(guó)卷Ⅰ中再次出現(xiàn)，這提示廣大教師在備考復(fù)習(xí)時(shí)一定要剖析歷年高考真題。

③試題中的晶胞參數(shù)單位有nm、pm、cm等，但nm、pm這些單位是需要與cm之間進(jìn)行換算的，很多同學(xué)在解答這一問題時(shí)常常出錯(cuò)，主要有兩個(gè)原因：一是審題不細(xì)，有的同學(xué)根本不顧題中所給單位，未進(jìn)行單位的轉(zhuǎn)化；二是有的同學(xué)不清楚nm、pm與cm之間的倍數(shù)關(guān)系(1 nm=10-7cm、1 pm=10-10cm)，常常導(dǎo)致求算密度(ρ)、距離或邊長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。這一點(diǎn)也是復(fù)習(xí)備考中一定要落實(shí)到位的問題。

④有的試題中給出的晶胞是不完整的(部分)、或需要對(duì)晶胞進(jìn)行拼加(平移重組)、重新切割，如2017年全國(guó)卷Ⅰ的35題第(5)問就是如此，唯有按這樣的思維進(jìn)行處理，才能快速確定K、O原子的正確位置。這也是備考復(fù)習(xí)中要嘗試的思維訓(xùn)練。

⑤2019年全國(guó)卷Ⅰ的35題第(4)問出現(xiàn)了“沿立方格子對(duì)角面取得的截圖”問題，有些學(xué)生根本未看懂圖(b)的意思。展望明年的高考，“沿其體對(duì)角線垂直在紙平面上的投影圖”、“六方最密堆積圖示中的正八面體、正四面體”、“大π鍵應(yīng)如何表示”等問題是否會(huì)出現(xiàn)，也是2020年高考備考要思考的問題。

2.涉及的考點(diǎn)分析

堆積模型晶胞參數(shù)坐標(biāo)參數(shù)求算化學(xué)式最短距離或離子半徑其他2017年全國(guó)卷Ⅰ√2017年全國(guó)卷Ⅱ√2017年全國(guó)卷Ⅲ√2018年全國(guó)卷Ⅰ√2018年全國(guó)卷Ⅱ√√2018年全國(guó)卷Ⅲ√√2019年全國(guó)卷Ⅰ√√2019年全國(guó)卷Ⅱ√√√

②配位數(shù)、與某微粒距離最近且距離相等的其他微粒(同種或異種)的數(shù)目、某微粒在“變形”晶胞圖示中的具體位置等，是近三年高考中已考過的問題。但像空間利用率、二維空間原子在三維空間的堆積方式等還未考過，備考復(fù)習(xí)中要引起重視。

③大π鍵的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、面心立方(或NaCl晶胞)、六方最密堆積圖示中的正八面體、正四面體情況等，這些還未考查到的知識(shí)點(diǎn)及一些新穎的考查形式，也是我們復(fù)習(xí)備考中應(yīng)該注意的內(nèi)容。

二、常見晶體的典型模型

【注】設(shè)晶胞的邊長(zhǎng)為a，球的半徑為r，面對(duì)角線的距離為x，體對(duì)角線的距離為l。

1.分子晶體

干冰晶胞(O2、C60、I2、CH4)

冰-Ⅶ的晶體結(jié)構(gòu)

備考啟示：①將一個(gè)CO2分子看成是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，干冰晶胞圖示就等同是(金屬晶體中的)面心立方最密堆積圖示，因此，CO2分子為面心立方最密堆積，且以一個(gè)CO2分子為中心，其周圍有12個(gè)緊鄰(距離最近且相等)的分子。

②均攤法求得一個(gè)晶胞中所含CO2分子的數(shù)目為4。

④網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖示中的系列問題從略，石墨結(jié)構(gòu)需要關(guān)注。

⑤冰的晶體結(jié)構(gòu)有多種，上述圖示為其中的一種，不采用密堆積。

2.原子晶體

金剛石晶胞

碳化硅晶胞

二氧化硅晶胞

立方氮化硼

備考啟示：①要弄清楚金剛石晶胞圖示、SiC晶胞圖示、BN晶胞圖示、SiO2晶胞圖示中的原子的位置關(guān)系。C、Si、N、B原子均能形成四個(gè)共價(jià)鍵，因此，各原子的雜化方式均為sp3雜化。

⑤C原子周圍距離最近且相等的Si原子有4個(gè)，Si原子周圍距離最近且相等的C原子也有4個(gè)，因此，碳化硅的化學(xué)式為SiC(電負(fù)性大的元素一般寫在化學(xué)式的右邊)，BN也是如此。

3.金屬晶體

堆積模型堆積圖示典型代表空間利用率配位數(shù)晶胞說明非密置層密置層

備考啟示：①鉀型、鎂型、銅型、ABC、ABA型的堆積方式也需弄清楚，要與表格中的知識(shí)一一對(duì)應(yīng)。空間利用率可用百分?jǐn)?shù)或含π的分?jǐn)?shù)表示。

4.離子晶體

晶體類型ZnSNaClCsClCaF2晶胞陽離子的配位數(shù)陰離子的配位數(shù)晶胞中所含離子數(shù)

備考啟示：①根據(jù)離子晶體結(jié)構(gòu)的幾何因素可知，所有離子晶體的晶胞圖示中，球大一些的為陰離子，球小一些的為陽離子。

②ZnS晶胞圖示：與SiC(或BN)晶胞圖示相似，配位數(shù)均為4。與每個(gè)Zn2+距離最近且相等的Zn2+有12個(gè)，與每個(gè)Zn2+距離最近且相等的S2-有4個(gè)。

④CsCl晶胞圖示：配位數(shù)均為8。當(dāng)Cl-位于一個(gè)立方體的體心時(shí)，Cs+位于該立方體的8個(gè)頂角。

三、變式練習(xí)

1.金剛石晶胞及變式

【例1】GaAs的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，其中As原子形成的空隙類型有正八面體形和正四面體形，該晶胞中Ga原子所處空隙類型為________。已知GaAs的密度為ρg/cm3，Ga和As的摩爾質(zhì)量分別為MGag/mol和MAsg/mol，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則GaAs晶胞中Ga之間的最短距離為________pm(寫出表達(dá)式)。

【例2】碳的第三種同素異形體——金剛石，其晶胞如圖所示。已知金屬鈉的晶胞(體心立方堆積)沿其體對(duì)角線垂直在紙平面上的投影圖如圖A所示，則金剛石晶胞沿其體對(duì)角線垂直在紙平面上的投影圖應(yīng)該是

( )

金剛石的晶胞

A

B

C

D

【答案】D

2.氯化鈉晶胞及拓展

【例3】如圖所示是從NaCl或CsCl的晶體結(jié)構(gòu)中分割出來的部分結(jié)構(gòu)圖，其中屬于從NaCl晶體中分割出來的結(jié)構(gòu)圖是

( )

A

B

C

D

【答案】AD

【例4】科學(xué)研究表明，F(xiàn)e3O4是由Fe2+、Fe3+、O2-通過離子鍵而組成的復(fù)雜離子晶體。O2-的重復(fù)排列方式如圖a所示，該排列方式中存在著兩種類型的由O2-圍成的空隙，如1、3、6、7的O2-圍成的空隙和3、6、7、8、9、12的O2-圍成的空隙，前者為正四面體空隙，后者為正八面體空隙，F(xiàn)e3O4中有一半的Fe3+填充在正四面體空隙中，另一半Fe3+和Fe2+填充在正八面體空隙中，則Fe3O4晶體中，正四面體空隙數(shù)與O2-數(shù)之比為________，其中有________%正四面體空隙填有Fe3+，有________%正八面體空隙沒有被填充。

圖a O2-的重復(fù)排列方式(白球表示O2-)