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2017届高三化学一轮复习 第十一章 物质结构与性质 第三节 晶体结构与性质课件

时间:2016-08-03


第三节

晶体结构与性质

基础知识梳理 知识结构网络

典例解析方法

考点能力突破

晶体

一、晶体的基本类型和性质
1.晶体与非晶体

(1)晶体和非晶体本质区别是:结构微粒是否周期性有序排列 (2)晶体和非晶体最科学判断方法是:X—射线衍射实验 (3)晶体和非晶体常见区分方法还有:看是否有固定熔沸点,看是 否有规则的几何外形。

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2.几种典型的晶体模型 (1)原子晶体(金刚石和二氧化硅)

键角为 109° 28', 每个最小的环上有 6 个碳原子。SiO 2(正四面体)键角 (O—Si 键)为 109°28',每个最小的环上有 12 个原子,其中,有 6 个 Si 和 6 个 O 。

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(2)分子晶体(干冰)

干冰的结构模型(晶胞)

每个 CO2 分子周围等距且紧邻的 CO2 分子有 12 个。 (3)离子晶体 ①NaCl 型 在晶体中,每个 Na+ 同时吸引 6 个 Cl-,每个 Cl-同时吸引 6 个 Na+ ,配位数 为 6。每个晶胞含 4 个 Na+ 和 4 个 Cl-。

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②CsCl 型 在晶体中,每个 Cl-吸引 8 个 Cs+,每个 Cs+ 吸引 8 个 Cl-, 配位数为 8 。

③晶格能 ⅰ.定义:气态离子形成 1 摩尔离子晶体释放的能量, 单位 kJ/mol,通常取 正值。 ⅱ.影响因素 a.离子所带电荷:离子所带电荷越多,晶格能越大。 b.离子的半径:离子的半径越小,晶格能越大。 ⅲ.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。

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3. 晶体的基本类型和性质比较
类型 比较 分子晶体 分子间靠 概念 分子间作 用力结合 而成的晶 体 构成 结 构 粒子 粒子间 的相互 作用力 分子 分子间 作用力 原子晶体 原子之间以 共价键结合 而形成的具 有空间网状 结构的晶体 原子 金属晶体 金属阳离子和 自由电子以金 属键结合而形 成的晶体 金属阳离子、 自由电子 金属键 离子晶体 阳离子和阴 离子通过离 子键结合而 形成的晶体 阴、阳离子

共价键

离子键

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密度 硬度 熔、沸点 性 质

较小 较小 较低

较大 很大 很高 难溶于任何 溶剂

有的很大, 有的很小 有的很大, 有的很小 有的很高, 有的很低 难溶于常见 溶剂

较大 较大 较高 大多易溶 于水等极 性溶剂 晶体不导 电,水溶液 或熔融态 导电

溶解性

相似相溶 一般不导

导电、 传热性

电, 溶于水后 有 的导电 无

一般不具有 导电性

电和热的 良导体

延展性



良好



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大多数非金属单质 物质 类别 及举 例 (如 P4、Cl 2) 气态氢化物、酸(如 HCl、H2SO4)、非金 属氧化物(如 SO2、 CO2,SiO2 除外)、 绝大 多数有机物(如 CH4, 有机盐除外)

一部分非金 属单质(如 金刚石、 硅、 金属单质与合 晶体硼),一 部分非金属 化合物(如 SiC、SiO2)

金属氧化物 (如 K2O、 Na2O)、 强碱(如

金(如 Na、Al、 KOH、 Fe、青铜) NaOH)、 绝大 部分盐(如 NaCl)

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4.晶胞中粒子数目的计算 晶胞是描述晶体结构的基本单元,晶胞在晶体中的排列呈“无隙并置”。 计算晶胞中粒子数目的常用方法是均摊法。均摊法是指每个晶胞平均 1 拥有的粒子数目。如某个粒子为 n 个晶胞所共有,则该粒子有 属于这个 n 晶胞。 (1)长方体(正方体) 晶胞中不同位置的粒子数的计算

(2)非长方体( 正方体)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 1/3 。

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在晶胞中粒子个数的计算过程中,不要形成思维定势,任何形状的晶胞 均使用上述计算方法。 不同形状的晶胞,应先分析任意位置上的一个粒子被 几个晶胞共用,如六棱柱晶胞中,顶点、侧棱、底面上的棱、面心依次被 6 、 3、4、2 个晶胞共用。

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(1)( 2013·课标全国卷Ⅱ) A、B 和 D(已推出 A 、B、D 分别为 F、K、 Ni)三种元素组成的一个化合物的晶胞如图 1 所示。 ①该化合物的化学式为 ;D 的配位数为 ; ②列式计算该晶体的密度 g/cm3。

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(2)(2013· 江苏卷,节选)X 与 Y 所形成化合物晶体的晶胞如图 2 所示。 ①在 1 个晶胞中,X 离子的数目为 ②该化合物的化学式为 。 。

(3)(2012· 海南卷, 节选) 用晶体的 X 射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。 对金属铜的测定得到以下结果:晶胞为面心立方最密堆积, 边长为 361 pm。 又知铜的密度为 9.00 g· cm-3,则铜晶胞的体积是 是 g,阿伏加德罗常数为 cm3,晶胞的质量

[列式计算,已知 Ar(Cu)=63.6]

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解析:(1)①据均摊法,F 的个数为 16× +4× +2=8,K 的个数为 8× +2=4,Ni 的 个数为 8× +1=2,该晶体的化学式为 K2NiF4;Ni 的配位数是 6;②1 mol K4Ni2F8 晶胞的质量为(39× 4+59× 2+19× 8)g,一个晶胞的质量为
(39×4+59×2+19×8)g ;一个晶胞的体积为 A 一个晶胞质量 1 8

1 4

1 2

1 4

4002× 1 308× 10-30 cm3,密度

=

一个晶胞体积



(2)从晶胞图分析,一个晶胞中含有 X 离子的个数为 8× +6× =4,含有 Y 离子的个数为 4 个,所以化合物中 X 与 Y 的个数比为 1∶1,则化学式为 XY。 (3)铜的晶胞为面心立方最密堆积,一个晶胞能分摊到 4 个 Cu 原子;1 pm=10-10 cm,故一个晶胞的体积为(361× 10-10 cm)3=4.7× 10-23 cm3;一个晶胞 的质量为 4.7× 10-23 cm3× 9.00 g·cm-3=4.23× 10-22 g;由 M(Cu)=63.6 g·mol
-1

1 8

1 2

4.23×10-22g = × NA,得 4

NA=6.01× 1023 mol-1。

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答案:(1)①K2NiF4 ②
23

6
2 -30

39×4+59×2+19×8

6.02×10 ×400 ×1308×10

=3.4
4.23×10-22g g/mol= × NA,得 4

(2)①4

②XY
-23

(3)4.7× 10

4.23× 10

-22

M(Cu)=63.6

NA=6.01× 1023 mol-1

1.(1)(2013· 福建卷,节选)NF3可由NH3和F2在Cu催化剂存在下反应直接得到: 4NH3+3F2 NF3+3NH4F 上述化学方程式中的5种物质所属的晶体类型有____ (填序号)。 a.离子晶体 b.分子晶体 c.原子晶体 d.金属晶体 (2)(2013· 山东卷,节选)利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷, 下图为其晶胞结构示意图,则每个晶胞中含有B原子的个数为 ,该功 能陶瓷的化学式为 。

Cu

(3)(2013· 四川卷,节选)Al2O3在一定条件下可制得AlN,其晶体结构如下图所 示,该晶体中Al的配位数是 。

(4)(2010· 江苏卷,节选)CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如图所 示),但CaC2晶体中哑铃形C22-的存在,使晶胞沿一个方向拉长。CaC2晶 体中1个Ca2+周围距离最近的C22-数目为 。

(5)(2012· 全国新课标卷,节选)立方ZnS晶体结构如图所示,其晶胞边长 为540.0 pm,密度为 g· cm-3(列式并计算),a位置S2-与b位置Zn2+ 之间的距离 pm(列式表示)。

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二、晶体类型的判断及熔沸点高低的比较
1.晶体类型的判断 (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原子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 ,粒子间的作用为分子间作用力。 ④金属晶体的构成粒子是金属阳离子和自由电子 ,粒子间的作用是金 属键。 (2)依据物质的分类判断 ①金属氧化物(如 K2O、Na2O2 等)、强碱(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(除金刚石、石墨、晶体硅等),气态氢化物、非金 属氧化物(除 SiO2 外)、酸、绝大多数有机物(除有机盐外)是分子晶体。 ③常见的原子晶体单质有金刚石、 晶体硅、 晶体硼等,常见的原子晶体化合 物有碳化硅、二氧化硅等。

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④金属单质是金属晶体。 (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 摄氏度以上。 ②原子晶体熔点高,常在 1 000 摄氏度至几千摄氏度。 ③分子晶体熔点低,常在数百摄氏度以下至很低温度。 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 离子晶体水溶液及熔融时能导电。 原子晶体一般为非导体。 分子晶体为非导体,而分子晶体中的电解质(主要是酸和强极性非金属 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。 金属晶体是电的良导体。

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(5)依据硬度和机械性能判断 离子晶体硬度较大或略硬而脆。 原子晶体硬度大。 分子晶体硬度小且较脆。 金属晶体多数硬度大,但也有较低的,且具有延展性。 2.晶体熔、沸点高低的比较 (1)不同类型晶体的熔、沸点高低一般规律 原子晶体>离子晶体>分子晶体。 金属晶体的熔、沸点差别很大 ,如钨、铂等沸点很高,如汞、镓、铯等 沸点很低。 (2)原子晶体 由共价键形成的原子晶体中 ,原子半径小的键长短,键能大,晶体的熔、 沸点高。如熔点:金刚石>石英>碳化硅>硅。

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(3)离子晶体 一般来说,阴阳离子的电荷数越多,离子半径越小,则离子间的作用力就 越强,其离子晶体的熔、沸点就越高 ,如熔点:MgO>MgCl2>NaCl>CsCl。 (4)分子晶体 ①分子间作用力越大,物质的熔、沸点越高;具有氢键的分子晶体熔、 沸点反常的高。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物质(相对分子质量接近 ),分子的极性越大,其 熔、沸点越高,如 CO>N2,CH3OH>CH3CH3。

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④同分异构体,支链越多,熔、沸点越低。 例如: >

> (5)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,金属熔、沸点就越 高,如熔、沸点:Na<Mg<Al。 上述总结的规律都是一般规律 ,不能绝对化。 在具体比较晶体的熔、 沸 点高低时,应先弄清晶体的类型 ,然后根据不同类型晶体进行判断 ,但应注意 具体问题具体分析 ,如 MgO 为离子晶体,其熔点(2 852 ℃)要高于原子晶体 SiO2(1 710 ℃)。

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(1)(2013· 山东卷, 节选)下列曲线表示卤族元素某种性质随核电荷数的 变化趋势,正确的是 。

(2)NaCl 的熔点 是 。

(填“>”“<”或“=”)

的熔点,其原因

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解析:(1)卤族元素随核电荷数增大 ,元素的非金属性依次减弱 ,则电负性逐 渐变小;F 无正价,Cl、Br 的最高正价均为 +7;因 HF 分子间存在氢键,沸点反 常地高,即沸点 HF>HCl;卤族元素单质结构相似 ,F2、Cl2、Br2 的相对分子质 量依次增大,则分子间作用力依次增大 ,熔点依次升高。 (2)离子晶体的熔点通过晶格能比较,晶格能与两个因素有关 ,一是离子 半径,离子半径越小 ,晶格能越大;二是电荷,离子所带电荷数越多 ,晶格能越 大。而晶格能大 ,熔点高。两种物质中阴、阳离子所带电荷数均相同 ,但是 后者中阴、阳离子的半径大 ,故晶格能小,所以熔点低。 答案:(1)a (2)> 两者均为离子化合物,且阴、阳离子所带电荷数均为 1,但后者中 阴、阳离子的半径较大,离子键较弱,因此其熔点较低

1.(1)(2015· 山东卷)氟在自然界中常以CaF2的形式存在。下列关于CaF2 的表述正确的是__________。 a.Ca2+与F-间仅存在静电吸引作用 b.F-的离子半径小于Cl-,则CaF2的熔点高于CaCl2 c.阴阳离子比为2:1的物质,均与CaF2晶体构型相同 d.CaF2中的化学键为离子键,因此CaF2在熔融状态下能导电 (2)(2014· 全国新课标Ⅰ卷)早期发现的一种天然准晶颗粒由三种Al、Cu、 Fe元素组成。回答下列问题:准晶是一种无平移周期序,但有严格准 周期位置序的独特晶体,可通过_____方法区分晶体、准晶体和非晶 体。氧化亚铜为半导体材料,在其立方晶胞内部有四个氧原子,其余 氧原子位于面心和顶点,则该晶胞中有____个铜原子;铝单质为面心 立方晶体,其晶胞参数a=0.405 nm,晶胞中铝原子的配位数为_____。 列式表示铝单质的密度__________g· cm-3(不必计算出结果)。

2.(1)(2012· 浙江卷,节选) 熔点的高低:KCl

MgO (填“>”“<”或

“=”)。
(2)(2010· 海南卷,节选) NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同, Ni2+和Fe2+的离子半径分别为69 pm和78 pm,则熔点NiO “<”或“>”)。 (3)(2012· 福建卷,节选)硅烷(SinH2n+2)的沸点与其相对分子质量的变化 关系如图所示,呈现这种变化关系的原因是 。 (4)火山喷出岩浆中含有多种化合物,其中有Ag2O和Ag2S,Ag2O比 FeO(填

Ag2S先结晶,请解释原因
是 ,CS2熔点高于CO2,其原因



(5)(2014· 上海卷,节选)已知CS2与CO2分子结构相似,CS2的电子式





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1.紫金矿业发生铜酸水渗漏事故,铜酸水主要成分是 CuSO4。 铜及其化合物 有许多重要用途。 (1)Cu 位于元素周期表第ⅠB 族。 其基态核外电子排布式为 。 已知氧化铜在高温下分解生成氧化亚铜,请从物质结构角度分析高温下 Cu2+和 Cu+哪个更稳定? 。 (2)胆矾 CuSO4· 5H2O 可写成[Cu(H2O)4]SO4· H2O,其结构示意图如下:

胆矾晶体中除共价键、 配位键及微弱的范德华力外,还存在的两种作用力是 和 。

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(3)向盛有硫酸铜水溶液的试管里加入过量氨水,得到蓝色溶液,写出该反 应的离子方程式: 。

(4)在 1 个 Cu2O 晶胞中(结构如图所示),所包含的 Cu 原子数目为 Cu2O 的熔点比 Cu2S 的 因: (填“高”或“低”),请解释原 。



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2.(2014·福建卷) 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)基态硼原子的电子排布式为 。 (2)关于这两种晶体的说法,正确的是 ( 填序号)。 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 (3)六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型 为 ,其结构与石墨相似却不导电,原因是 。 (4)立方相氮化硼晶体中,硼原子的杂化轨道类型为 。 该晶体的天然矿物在青藏高原地下约 300 km 的古地壳中被发 现。 根据这一矿物形成事实, 推断实验室由六方相氮化硼合成 立方相氮化硼需要的条件应是 。 (5)NH4BF4(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。 (6)已知镧镍合金 LaNin 的晶胞结构如下图,则 LaNin 中 n= 。

3.(2015· 湖北七市)铁和铜都是日常生活中常见的金属,有着广泛的用途。 请回答下列问题: (1)铁在元素周期表中的位置为。 (2)配合物Fe(CO)x的中心原子价电子数与配体提供电子数之和为18,则 x=____。Fe(CO)x在一定条件下发生反应:Fe(CO)x≒(s)Fe(s)+ xCO(g)。已知 反应过程中只断裂配位键,则该反应生成物含有的化学键类型有______、 ______。 (3)K3[Fe(CN)6]溶液可用于检验_____(填离子符号)。CN-中碳原子杂化轨 道类型为______,C、N、O三元素的第一电离能由大到小的顺序为 ____________(用元素符号表示)。 (4)铜晶体铜原子的堆积方式如下图所示。

每个铜原子周围距离最近的铜原子数目_____。

(5)某M原子的外围电子排布式为3s23p5,铜与M形成化合物的晶胞如附图 所示(黑点代表铜原子,空心圆代表M原子)。 ①该晶体的化学式为_________。 ②已知铜和M的电负性分别为1.9和3.0,则铜与M形成的化合物属于 ___(填“离子”、“共价”)化合物。 (6)NiO晶体结构与NaCl晶体类似,其晶胞的棱长为a cm,则该晶体中距离 最近的两个阳离子核间的距离为______(用含有a的代数式表示)。在一定 温度下,NiO晶体可以自发地分散并形成“单分子层”(如图),可以认为 氧离子作密致单层排列,镍离子填充其中,列式计算每平方米面积上分 散的该晶体的质量为________g(只要求列出算式,氧离子的半径为r m)。

(7)原子晶体不能形成最密堆积结构,原因是_______________________ _______________________________________________。 (8)下表是几种碳酸盐的热分解温度和阳离子半径

请解释碳酸钙热分解温度最低的原因:__________________________ __________________________________________________。

4.(1)(2015· 全国新课标Ⅰ卷)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。碳有多种同素异形体,其中石墨烯与金刚 石的晶体结构如图所示:

在石墨烯晶体中,每个C原子连接__个六元环,每个六元环占有个__C原子。在 金刚石晶体中,C原子所连接的最小环也为六元环,每个C原子连接__个六元环, 六元环中最多有__个C原子在同一平面。 (2)(2015· 海南卷)钒的某种氧化物的晶胞结构如图1所示。晶胞中实际拥有的阴、 阳离子个数分别为___、___。

(3)(2015· 海南卷)V2O5常用作SO2 转化为SO3的催化剂。SO2 分子中S原子价层电子对 数是___对,分子的立体构型为_____;SO3气态为单分子,该分子中S原子的杂化轨道 类型为____;SO3的三聚体环状结构如图2所示,该结构中S原子的杂化轨道类型为___; 该结构中S—O键长由两类,一类键长约140 pm,另一类键长约为160 pm,较短的键为 ___(填图2中字母),该分子中含有___个σ键。

(4)(2015· 海南卷)V2O5 溶解在NaOH溶液中,可得到钒酸钠(Na3VO4),该盐 阴离子的立体构型为_____;也可以得到偏钒酸钠,其阴离子呈如图3所 示的无限链状结构,则偏钒酸钠的化学式为______。

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5.(密码改编)四种短周期元素 A、B、C、D 的原子序数依次递增,其中 A、 B、 C 三元素的基态原子 2p 能级都有未成对电子,未成对电子个数分别是 2、 3、2;D 与 C 可以形成 D2C 和 D2C2 两种化合物。 (1)已知 A 元素与氢元素形成的气态化合物在标准状况下的密度为 1.161 g/L,则在该化合物的分子中 B 原子的杂化方式为 (2)A、B、C 三种元素的第一电离能数值由小到大的顺序为 。 (填

元素符号)。 (3)AC2 在高温高压下所形成的晶体其晶胞如图 1 所示。 该晶体的类型属于 (选填“分子”“原子”“离子”或“金属”)晶体,该晶体中 A 原子轨道的杂化类型 为 。 (4)+1 价气态基态阳离子再失去一个电子形成+2 价气态基态阳离子所需要 的能量称为第二电离能 I2,依次还有 I3、I4、I5…,推测 D 元素的电离能突增 应出现在第 电离能。

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(5)C 和 D 形成的一种离子化合物的晶胞结构如图 2 所示,该晶体中阳离子 的配位数为 几何体为 求晶胞边长 a= 。距一个阴离子周围最近的所有阳离子为顶点构成的 。已知该晶胞的密度为 ρ g/cm3,阿伏加德罗常数为 NA, cm。(用含 ρ、NA 的计算式表示)

图2

(6)A、 B 都能和 C 形成原子个数比为 1∶3 的常见微粒,推测这两种微粒的空 间构型为 。

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6.(1)(2012·山东卷)下列关于金属及金属键的说法正确的是 a. 金属键具有方向性与饱和性 b.金属键是金属阳离子与自由电子间的相互作用 c. 金属导电是因为在外加电场作用下产生自由电子 d.金属具有光泽是因为金属阳离子吸收并放出可见光



(2)(2013·福建卷,节选)BF3 与一定量水形成(H2 O)2·BF3 晶体 Q ,Q 在一定条件下可转化为 R :

晶体Q中各种微粒间的作用力不涉及 (填序号)。 a.离子键 b.共价键 c.配位键 d.金属键 e.氢键

f.范德华力

(3)(2012· 福建卷,节选)硼砂是含结晶水的四硼酸钠,其阴 离子Xm-(含B、O、H三种元素)的球棍模型如图所示: ①在Xm-中,硼原子轨道的杂化类型有;配位键存在于 原子之间(填原子的数字标号);m= (填数字)。 ②硼砂晶体由Na+、Xm-和H2O构成 ,它们之间存在的作用 力有 (填序号)。 A.离子键 B.共价键 C.金属键 D.范德华力 E.氢键

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(4)(2011·福建卷,节选)左图表示某种含氮有机化合物的结构,其分子内 4 个氮原子分 别位于正四面体的 4 个顶点(右图),分子内存在空腔,能嵌入某离子或分子并形成 4 个氢键予以识别。下列分子或离子中,能被该有机化合物识别的是 a.CF4 b.CH4 c.NH4+ d.H2O 。 (填标号)。

(5)水在 4℃时密度最大的原因是


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