物质结构与性质分析思维模型的构建及应用

广东

刘汉国

物质结构包括原子结构(原子核外电子排布、原子的杂化方式、元素电负性大小比较、元素金属性、非金属性的强弱)、分子结构(化学键、分子的电子式、结构式、结构简式的书写、化学式的种类、官能团等)、晶体结构(晶体类型的判断、物质熔沸点的高低、影响因素、晶体的密度、均摊方法的应用等)。物质结构的考查，涉及前36号元素核外电子排布式的书写、元素周期律、第一电离能规律、空间构型、杂化轨道、晶体熔点高低的判断、晶体类型以及晶胞的计算等，要求学生掌握物质结构与性质基础知识，做到知识的灵活运用等，考查了学生综合运用所学化学知识解决相关化学问题的能力。只有掌握这些，才可以更好地解决物质结构的问题。本文通过构建“分析晶体熔沸点、分析空间立体构型和晶体密度相关计算”的思维模型，突破考查物质结构与性质知识的难题，供同仁们在教学时参考借鉴。

一、思维模型的构建与应用

1.分析晶体熔沸点的思维模型

在分析晶体熔沸点时，首先判断晶体属于同种类型还是不同种类型，若为不同种晶体类型，则按照一般规律：原子晶体>离子晶体>分子晶体，而金属晶体的熔沸点差别很大，如钨、铂等沸点很高，汞、镓、铯等沸点很低，金属晶体一般不参与比较。若为同种晶体类型：原子晶体中原子半径小的键长短，键能大，晶体的熔沸点高；离子晶体，一般地说，阴、阳离子所带电荷数越多，离子半径越小，则离子间的相互作用就越强，其离子晶体的熔沸点就越高；分子晶体，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；金属晶体，金属离子半径越小，离子所带电荷数越多，其金属键越强，金属熔沸点就越高。构建分析晶体熔沸点的思维模型如图1所示。

图1 分析晶体熔沸点的思维模型

【例1】(2018·全国卷Ⅱ·35·节选)图(a)为S8的结构，其熔点和沸点要比二氧化硫的熔点和沸点高很多，主要原因为___________________。

图(a)

【答案】S8相对分子质量大，分子间范德华力强

【解析】根据分析晶体熔沸点的思维模型，首先判断出S8和二氧化硫同属于分子晶体类型，而S8的相对分子质量比二氧化硫的相对分子质量大，S8的分子间范德华力比二氧化硫的大，所以S8的熔点和沸点比二氧化硫的高。

【例2】(2016·全国卷Ⅲ·37·节选)砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料，可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。回答下列问题：GaF3的熔点高于1 000℃，GaCl3的熔点为77.9℃，其原因是___________________。

【答案】GaF3为离子晶体，GaCl3为分子晶体

【解析】根据分析晶体熔沸点的思维模型，GaF3的熔点高于GaCl3，而GaF3相对式量低于GaCl3，因此可以推断出GaF3与GaCl3属于不同晶体类型。由不同类型晶体熔点高低的一般规律可以推断出：GaF3是离子晶体，GaCl3是分子晶体，所以离子晶体GaF3的熔沸点更高。

2.分析空间立体构型的思维模型

由价层电子特征判断分子立体构型时需注意：价层电子对互斥模型说明的是价层电子对的立体构型，而分子的立体构型指的是成键电子对的立体构型，不包括孤电子对。①当中心原子无孤电子对时，两者的构型一致；②当中心原子有孤电子对时，两者的构型不一致；价层电子对互斥模型能预测分子的几何构型，但不能解释分子的成键情况；杂化轨道理论能解释分子的成键情况，但不能预测分子的几何构型。两者相结合，具有一定的互补性，可达到处理问题简便、迅速、全面的效果。分析空间立体构型时，对于ABm型分子或离子，可以先根据价层电子对互斥模型判断出杂化类型，再根据孤对电子的有无，最终判断出分子或离子的空间构型；而对于AnBm型分子或离子，要根据结构求出σ键数和孤对电子的数目判断出杂化类型，再根据孤对电子的有无最终判断出分子或离子的空间构型。构建分析空间立体构型的思维模型如图2所示。

图2 分析空间构型的思维模型

【例3】(2018·全国卷Ⅱ·35·节选)气态三氧化硫以单分子形式存在，其分子的立体构型为________形，其中共价键的类型有________种；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为________。

图(b)

【答案】平面三角 2 sp3

【解析】气态三氧化硫以单分子形式存在，根据价层电子对互斥模型计算出中心原子含有的价层电子对数是3，从而判断出中心原子杂化类型为sp2，且不存在孤对电子，所以其分子的立体构型为平面三角形；分子中存在氧硫双键，因此其中共价键的类型有2种，即σ键、π键；固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子，根据结构求出该分子中硫原子形成4个σ键，孤对电子的数目为0，因此其杂化轨道类型为sp3。

【答案】V形 sp3

【答案】sp2和sp39NA

【解析】丙酮属于AnBm型分子，根据结构可知甲基上每个C原子都有4个σ键且无孤对电子，故甲基上的碳原子的杂化方式为sp3，同理，羧基(或酮基)上的碳原子为sp2杂化；据以上分析1 mol丙酮分子中含有σ键的数目为9NA。

3.晶体密度相关计算的思维模型

图3 晶体密度相关计算的思维模型

图(c)

【例7】(2016·全国卷Ⅲ·37·节选)砷化镓(GaAs)是优良的半导体材料，可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等。回答下列问题：GaAs的熔点为1 238℃，密度为ρg·cm-3，其晶胞结构如图所示。该晶体的类型为________，Ga与As以________键键合。Ga和As的摩尔质量分别为MGag·mol-1和MAsg·mol-1，原子半径分别为rGapm和rAspm，阿伏加德罗常数值为NA，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为________。

二、备考建议

1.结合《考试大纲》，夯实基础

一轮复习时，教师应引导学生依据《考试大纲》，结合教材，逐一把考点消化。对于晶体结构的相关计算，一是要掌握晶体“均摊法”的原理，二是要有扎实的立体几何知识，三是要熟悉常见晶体的结构特征，并能融会贯通，举一反三。

2.精选习题，适量训练

复习中，除了注重知识的网络构建，也要重视练习。选择高考热点、难点、易错点等典型题目进行适量练习，在训练中掌握常考题目的套路，寻找创新题的答题模式。

3.细研真题，构建模型

把同种类型的高考题放在一起，准确了解高考题型、命题方式、命题意图和热点，难点，通过构建思维模型，形成高效的解题思维，提高解题效率，提升解题能力。