nacl晶体结构

nacl晶体结构

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氯化钠晶胞结构的运用与拓展

2005年第2期河北理科教学研究'口]题讨论

氯化钠晶胞结构的运用与拓展

浙江金华市汤溪中学盛宝根胡华321075

中学化学教材中已经图示了氯化钠晶

胞,习题中以氯化钠晶胞为载体的运用相当

普遍,它可以考察学生对晶胞的认识理解,空

间想象能力,运用数学解决化学问题的能力,

实验分析能力,由此拓展还可以考察学生对

纳米材料,团簇分子的认识及相关知识的综

合运用能力,本文拟对氯化钠晶胞结构的运

用与拓展作例题分析.

1.根据晶胞中Na与c1分布的结构特

点,通过对Na周围与它最接近的且距离相

等的Na共有几个及与Na距离相等且最

近的cl一所围成的空间几何构型等形式的题

型,考察学生观察能力,空间想象能力.

[例1](1992年全

国)如图1,直线交点

的圆圈为NaC1晶体中

Na或cl一所处的位

置.请将其中代表

Na的圆圈涂黑(不考

虑体积大小),以完成

NaC1晶体的结构示意图1

图.晶体中,在每个Na周围与它最接近且

距离相等的Na共有个.

[解析]本题旨在考察考生对一个很普

通,很常见的事实,有没有敏锐的观察能力与

深刻的思维能力.观察能力也是以思维能力

为依托的,考生需要从给在纸平面上的图形.

通过思维运作作空间想象,将之立体化为三

维结构,并对此结构给以必要的剖析,才能给

出圆满的回答.本题正是对考生进行了空间

想象能力的考察.

氯化钠晶体是由Na离子和cl一离子相

互结合在一起而堆积起来的.图1所给的晶

体的9个平面,每个平面的中心是1个离子,

其上,下,前,后,左,右共有6个与之相反电

荷的离子,平面的4个角上则是4个与之相

同电荷的离子.按照这种认识,只要将题目中

任何一个圆圈涂黑(即认为它是Na离子),

然后再将与之相间隔一个的圆圈涂黑,就得

到了NaC1晶体示意图.

但是,这样的涂黑,会得到两种不同的图

形:一种是处于立方体中心的是Na,另一

种则是处于立方体中心的是c1.…'一

如果得到前一种图形,对第二个问题的

回答将比较方便;如果得到后一种图形,回答

第二个问题时将困难一些.因此,首先应该把

处于立方体中心的那个圆圈涂黑,以它表示

Na.

一

平面

I:

工:

z一平面

图2

31?

2005年第2期河北理科教学研究问题讨论

居于立方体中心的Na,实际上共有3

个平面通过它.如将这3个平面分别从图2

可以清楚地看出,在通过中心Na的3个平

面内,每个平面都有4个Na居于平面的4

个角上(也即4个顶点上),这4个Na与中

心Na距离最近且相等,符合题目的要求.

因此,氯化钠晶体中,每个Na周围与其距

离最近且相等的Na共12个.

[答案]见图2;12

[例2]图3为Na—

Cl晶体结构示意图,

其中与每个Na距离

相等且最近的Cl一所

围成的空间几何构型

为()

A.正四面体B.

正六面体C.正八面

体D.正十二面体

图3

[解析]把立方体中心看作Na,则以

中心Na为原点建立立体坐标xyz轴的上,

下,左,右,前,后共有与之距离相等且最

近的C1—6个,即6个Cl一分布在立方体6

个面的面心,围成的空间几何构型为正八面

体.

[答案]C

2.根据氯化钠晶胞特点,在熟练掌握

均摊法求算每个氯化钠晶胞中Na与cl一真

实个数及搞清物质的量计算中各物理量之间

关系基础上,通过求算两个距离最近的

Na中心间的距离及

实验法测定阿伏加德

罗常数NA等题型,

考察学生运用数学解

决化学问题的能力及

实验分析能力.

[例3]氯化钠晶

体结构中,Na和cl一

32?

图4

都是等距离交错排列的(如图4)

己知食盐摩尔质量为58.5g/mol,密度

为2.2g?em～,阿伏加得罗常数为6.02×

～.在食盐晶体中两个距离最近的

Na中心间的距离接近于()

A.3.0×10—8CmB.3.5×10—cm

C.4.0×10—8CmD.5.0×10—cm

[解析]通过观察可知,两个距离最近

Na中心间的距离(bcm)为面对角线的{.

只要求出晶胞的边长(ocm)即可,(2b=√2

a).根据均摊法分析:晶胞含Na:1+12×

=4q-,C1一:8×1+6×1=4个?由晶胞

的质量知:4×58.5/(6.02×10)=2.200求

出a.

[答案]C

[例4]随着科学技术的发展,阿伏加得

罗常数的测定手段越来越多,测定精度也越

来越高,现有一种简单可行的测定方法,具体

步骤为:

①将固体NaC1研细,干燥后,准确称取

mgNaC1固体转移到定容仪器A中.

②用滴定管向仪器中滴加苯,不断震

荡,继续加苯至仪器的刻度线,计算出

NaC1固体的体积为Vcm0.

(1)步骤①中仪器最好用

(填仪器名称).

(2)步骤②中用酸式滴定管好还是碱式

滴定管好.理由是

(3)能否用胶头滴管代替步骤②中的滴

定管.理由是.

是

(4)能否用水代替苯,理由

(5)已知NaCI晶体结构如图5所示,用

x射线测得NaC1晶体中靠得最近的Na与

2005年第2期河北理科教学研究'口]题讨论

cl一间的平均距离为

aem,则用上述测定

方法测得的阿伏加德

罗常NA的表示式为

NA=

[解析]这是一个

定量测定问题,从实验

的精度考虑A容器应

●NaOC1一

图5

选择容量瓶,向容量瓶中加苯时,由于苯对橡

胶有溶胀,老化作用,所以滴定管用酸式滴定

管,由于胶头滴管的误差大,不能用胶头滴管

代替滴定管,若用水代替苯,NaC1会溶解,造

成NaC1的体积不能准确测定出来.由图6可

看出各结构单元所含的各粒子数分别为cl一

=

(1+12×1/4)=4个,Na=6×1/2+8×

1/8=4个,该结构单元中有4个NaC1,该结

构单元的边长为2aem,实验测出的NaC1的

密度为m/,所以有8a3m/V=4×58.5/

NA,NA=58.5V/2ma.

3.以氯化钠晶胞结构为载体,通过求解

纳米颗粒的表面微粒数与总微粒数的比值,

钛原子和碳原子构成的气态团簇分子分子

式,NiO晶体的密度及晶体中Ni与Ni的

离子数之比及FeO的摩尔质量等题型,考

察学生对纳米材料,气态团簇分子认知程度,

对信息的分析处理能力,及熟练运用元素守

恒,电中性等化学思维解决问题的能力.

[例5]纳米材料

的表面微粒占总微粒

的比例极大,这是它有

许多特殊性质的原因.

假设某氯化钠纳米颗

粒的大小和形状恰好

与氯化钠晶胞的大小

和形状相同(如图6)图6

则这种纳米颗粒的表面微粒数与总微粒数的

比值为()

A.7/8B.13/l4

C.25/26D.26/27

[解析]这是一道综合性试题,涉及纳米

材料,晶体类型及相关的微粒数.

本题首先要搞清所给NaC1纳米颗粒的

晶体类型,隐含条件是NaC1纳米颗粒的直

径大小在胶体微粒直径范围内,而胶体形成

的晶体为分子晶体,故图示中所给出的为

NaC1纳米颗粒的1个分子.

观察图形可知,表面粒子为上底9个,下

底9个,再加中间一周8个,共有26个,总粒

子数为26个,再加晶胞中心1个,故二者的

比值为26/27.

[答案]D

[例6]最近科学

家发现一种由钛原子

和碳原子构成的气态

团簇分子.如图7所

示,顶角和面心的原子

是钛原子,棱的中点和

体心的原子是碳原子,

则它的分子式是

()

图7

.'l'i6C7

~Cl4

[解析]往往许多同学由于受NaC1晶胞

思维定势影响,从而错选A.由于本题团簇分

子指的是一个分子的具体结构,并不是晶体

中最小的一个重复单位,不能采用均摊法分

析,所以只需数出该结构内两种原子的数目

就可以了.

[答案]C

[例7](1999年全国高考第33题)(1)中

学教材上图示了NaC1晶体结构,它向三维

空间延伸得到完美晶体.NiO(氧化镍)晶体

的结构与NaC1相同,Ni与最邻近O一的核

间距离为a×10～em.计算NiO晶体的密度

33?

2005年第2期河北理科教学研究问题讨论

(已知NiO的摩尔质量为74.7g?mol).

(2)天然的和绝大部分人工制备的晶体

都存在各种缺陷,例如在某种NiO晶体中就

存在如图8所示的缺陷:一个Ni空缺,另

有两个Ni被两个Ni所取代.其结果晶体

仍呈电中性,但化合物中Ni和O的比值却

发生了变化.某氧化镍样品组成为Nb.97O,

试计算该晶体中Ni与Ni的离子数之比.

图8

[解析]这道高考题在当年的考试中得分

率并不高,其主要原因在于不能灵活地拓展

NaC1晶胞,如何从NaC1晶胞结构迁移到

NiO成为应试的一个切人点,而晶体缺陷这

一

知识并不是中学化学教材所要认识的内

容,但这正好考查了学生的学习能力及应变

心理素质.

(1)根据晶体结构特点,可以推知NiO

晶体结构,取出如上图所示的小立方体,黑球

代表Ni,白球代表O.运用均摊法分析:

该小立方体中含有Ni个数:4×1/8=1/2;

含有O一个数:4×1/8:1/2.所以小立方体

中NiO的质量为(74.7/6.02×10.)×1/2=

6.20×10—23g.

晶体的密度为

.

6.20×10一g/(n×10～cm)=

62.0a一3g/cm3.

(2)设lmolNb,

97O含Ni物质的量为

凡(Ni),Ni物质的量为凡(Ni)

凡(Ni)+凡(Ni)=0.97mol

根据电中性原理,

3凡(Ni)+2凡(Ni)=2mol

34?

二式联立得:

凡(Ni3)=0.06mol

凡(Ni)=0.91mol

该晶体中离子的数目比为:

凡(Ni3)/凡(Ni)=0.06moL/0.91mol

=

6/91.

[例8]晶胞具有规则的几何外形,晶体

中最基本的重复单位称为晶胞.教材中已经

图示了NaC1晶胞.已知FeO晶胞结构为

NaC1型,由于晶体缺陷,值小于1.测知

FeO晶胞密度为～,晶胞边长为

4.28×10.m.

求值.(精确到0.01)

[解析]此题只要求出FeO摩尔质量即

可.根据题意,FeO晶胞结构为NaC1型,知

每个FeO晶胞含4个FeO,求出M=5.71

×(4.28×10—)×6.02艾100/4:67.38.

=

(67.38—16)/56=0.92.

[答案]0.92

综上分析,氯化钠晶胞结构的知识应当

作为高三化学复习的重点,我们不仅要掌握

其知识的内涵,更重要的是在于知识的拓展

与迁移,这类试题正符合了新课程的理念,值

得点评分析.