物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)分析思維模型的構(gòu)建及應(yīng)用

廣東

劉漢國

物質(zhì)結(jié)構(gòu)包括原子結(jié)構(gòu)(原子核外電子排布、原子的雜化方式、元素電負(fù)性大小比較、元素金屬性、非金屬性的強弱)、分子結(jié)構(gòu)(化學(xué)鍵、分子的電子式、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡式的書寫、化學(xué)式的種類、官能團等)、晶體結(jié)構(gòu)(晶體類型的判斷、物質(zhì)熔沸點的高低、影響因素、晶體的密度、均攤方法的應(yīng)用等)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的考查，涉及前36號元素核外電子排布式的書寫、元素周期律、第一電離能規(guī)律、空間構(gòu)型、雜化軌道、晶體熔點高低的判斷、晶體類型以及晶胞的計算等，要求學(xué)生掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)基礎(chǔ)知識，做到知識的靈活運用等，考查了學(xué)生綜合運用所學(xué)化學(xué)知識解決相關(guān)化學(xué)問題的能力。只有掌握這些，才可以更好地解決物質(zhì)結(jié)構(gòu)的問題。本文通過構(gòu)建“分析晶體熔沸點、分析空間立體構(gòu)型和晶體密度相關(guān)計算”的思維模型，突破考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)知識的難題，供同仁們在教學(xué)時參考借鑒。

一、思維模型的構(gòu)建與應(yīng)用

1.分析晶體熔沸點的思維模型

在分析晶體熔沸點時，首先判斷晶體屬于同種類型還是不同種類型，若為不同種晶體類型，則按照一般規(guī)律：原子晶體>離子晶體>分子晶體，而金屬晶體的熔沸點差別很大，如鎢、鉑等沸點很高，汞、鎵、銫等沸點很低，金屬晶體一般不參與比較。若為同種晶體類型：原子晶體中原子半徑小的鍵長短，鍵能大，晶體的熔沸點高；離子晶體，一般地說，陰、陽離子所帶電荷數(shù)越多，離子半徑越小，則離子間的相互作用就越強，其離子晶體的熔沸點就越高；分子晶體，分子間作用力越大，物質(zhì)的熔沸點越高；具有氫鍵的分子晶體，熔沸點反常的高；金屬晶體，金屬離子半徑越小，離子所帶電荷數(shù)越多，其金屬鍵越強，金屬熔沸點就越高。構(gòu)建分析晶體熔沸點的思維模型如圖1所示。

圖1 分析晶體熔沸點的思維模型

【例1】(2018·全國卷Ⅱ·35·節(jié)選)圖(a)為S8的結(jié)構(gòu)，其熔點和沸點要比二氧化硫的熔點和沸點高很多，主要原因為___________________。

圖(a)

【答案】S8相對分子質(zhì)量大，分子間范德華力強

【解析】根據(jù)分析晶體熔沸點的思維模型，首先判斷出S8和二氧化硫同屬于分子晶體類型，而S8的相對分子質(zhì)量比二氧化硫的相對分子質(zhì)量大，S8的分子間范德華力比二氧化硫的大，所以S8的熔點和沸點比二氧化硫的高。

【例2】(2016·全國卷Ⅲ·37·節(jié)選)砷化鎵(GaAs)是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，可用于制作微型激光器或太陽能電池的材料等?；卮鹣铝袉栴}：GaF3的熔點高于1 000℃，GaCl3的熔點為77.9℃，其原因是___________________。

【答案】GaF3為離子晶體，GaCl3為分子晶體

【解析】根據(jù)分析晶體熔沸點的思維模型，GaF3的熔點高于GaCl3，而GaF3相對式量低于GaCl3，因此可以推斷出GaF3與GaCl3屬于不同晶體類型。由不同類型晶體熔點高低的一般規(guī)律可以推斷出：GaF3是離子晶體，GaCl3是分子晶體，所以離子晶體GaF3的熔沸點更高。

2.分析空間立體構(gòu)型的思維模型

由價層電子特征判斷分子立體構(gòu)型時需注意：價層電子對互斥模型說明的是價層電子對的立體構(gòu)型，而分子的立體構(gòu)型指的是成鍵電子對的立體構(gòu)型，不包括孤電子對。①當(dāng)中心原子無孤電子對時，兩者的構(gòu)型一致；②當(dāng)中心原子有孤電子對時，兩者的構(gòu)型不一致；價層電子對互斥模型能預(yù)測分子的幾何構(gòu)型，但不能解釋分子的成鍵情況；雜化軌道理論能解釋分子的成鍵情況，但不能預(yù)測分子的幾何構(gòu)型。兩者相結(jié)合，具有一定的互補性，可達到處理問題簡便、迅速、全面的效果。分析空間立體構(gòu)型時，對于ABm型分子或離子，可以先根據(jù)價層電子對互斥模型判斷出雜化類型，再根據(jù)孤對電子的有無，最終判斷出分子或離子的空間構(gòu)型；而對于AnBm型分子或離子，要根據(jù)結(jié)構(gòu)求出σ鍵數(shù)和孤對電子的數(shù)目判斷出雜化類型，再根據(jù)孤對電子的有無最終判斷出分子或離子的空間構(gòu)型。構(gòu)建分析空間立體構(gòu)型的思維模型如圖2所示。

圖2 分析空間構(gòu)型的思維模型

【例3】(2018·全國卷Ⅱ·35·節(jié)選)氣態(tài)三氧化硫以單分子形式存在，其分子的立體構(gòu)型為________形，其中共價鍵的類型有________種；固體三氧化硫中存在如圖(b)所示的三聚分子，該分子中S原子的雜化軌道類型為________。

圖(b)

【答案】平面三角 2 sp3

【解析】氣態(tài)三氧化硫以單分子形式存在，根據(jù)價層電子對互斥模型計算出中心原子含有的價層電子對數(shù)是3，從而判斷出中心原子雜化類型為sp2，且不存在孤對電子，所以其分子的立體構(gòu)型為平面三角形；分子中存在氧硫雙鍵，因此其中共價鍵的類型有2種，即σ鍵、π鍵；固體三氧化硫中存在如圖(b)所示的三聚分子，根據(jù)結(jié)構(gòu)求出該分子中硫原子形成4個σ鍵，孤對電子的數(shù)目為0，因此其雜化軌道類型為sp3。

【答案】V形 sp3

【答案】sp2和sp39NA

【解析】丙酮屬于AnBm型分子，根據(jù)結(jié)構(gòu)可知甲基上每個C原子都有4個σ鍵且無孤對電子，故甲基上的碳原子的雜化方式為sp3，同理，羧基(或酮基)上的碳原子為sp2雜化；據(jù)以上分析1 mol丙酮分子中含有σ鍵的數(shù)目為9NA。

3.晶體密度相關(guān)計算的思維模型

圖3 晶體密度相關(guān)計算的思維模型

圖(c)

【例7】(2016·全國卷Ⅲ·37·節(jié)選)砷化鎵(GaAs)是優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，可用于制作微型激光器或太陽能電池的材料等?；卮鹣铝袉栴}：GaAs的熔點為1 238℃，密度為ρg·cm-3，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。該晶體的類型為________，Ga與As以________鍵鍵合。Ga和As的摩爾質(zhì)量分別為MGag·mol-1和MAsg·mol-1，原子半徑分別為rGapm和rAspm，阿伏加德羅常數(shù)值為NA，則GaAs晶胞中原子的體積占晶胞體積的百分率為________。

二、備考建議

1.結(jié)合《考試大綱》，夯實基礎(chǔ)

一輪復(fù)習(xí)時，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)《考試大綱》，結(jié)合教材，逐一把考點消化。對于晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)計算，一是要掌握晶體“均攤法”的原理，二是要有扎實的立體幾何知識，三是要熟悉常見晶體的結(jié)構(gòu)特征，并能融會貫通，舉一反三。

2.精選習(xí)題，適量訓(xùn)練

復(fù)習(xí)中，除了注重知識的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，也要重視練習(xí)。選擇高考熱點、難點、易錯點等典型題目進行適量練習(xí)，在訓(xùn)練中掌握?？碱}目的套路，尋找創(chuàng)新題的答題模式。

3.細(xì)研真題，構(gòu)建模型

把同種類型的高考題放在一起，準(zhǔn)確了解高考題型、命題方式、命題意圖和熱點，難點，通過構(gòu)建思維模型，形成高效的解題思維，提高解題效率，提升解題能力。