高中化学人教版 (2019)选择性必修2第一节 物质的聚集状态与晶体的常识学案设计

第一节　物质的聚集状态与晶体的常识

[核心素养发展目标]　1.认识物质的聚集状态。2.能从微观角度理解晶体的结构特征，并能结合晶体的特点判断晶体和非晶体。3.能运用多种晶体模型来描述和解释有关晶体性质的现象，形成分析晶胞结构的思维模型，利用思维模型，根据晶胞结构确定微粒个数和化学式。4.了解晶体结构的测定方法。

一、物质的聚集状态

1．20世纪前，人们以为分子是所有化学物质能够保持其性质的最小粒子，物质固、液、气三态的相互转化只是分子间距离发生了变化。

2．20世纪初，通过X射线衍射等实验手段，发现许多常见的晶体中并无分子，如氯化钠、石墨、二氧化硅、金刚石以及各种金属等。

3．气态和液态物质不一定都是由分子构成。如等离子体是由电子、阳离子和电中性粒子(分子或原子)组成的整体上呈电中性的气态物质；离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。

4．其他物质聚集状态，如晶态、非晶态、塑晶态、液晶态等。

(1)物质的聚集状态只有固、液、气三种状态(　　)

(2)气态和液态物质均是由分子构成的(　　)

(3)等离子体是一种特殊的气体，含有带电粒子，呈电中性(　　)

(4)液晶分为热致液晶和溶致液晶，胶束是一种溶致液晶(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√

二、晶体与非晶体

1．晶体与非晶体的本质差异

2.获得晶体的途径

(1)实验探究

(2)获得晶体的三条途径

①熔融态物质凝固。

②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。

③溶质从溶液中析出。

3．晶体的特性

(1)自范性：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。

(2)各向异性：晶体在不同方向上表现出不同的物理性质。

(3)固定的熔点。

4．晶体与非晶体的测定方法

(1)晶体有自范性且其微粒排列有序，在化学性质上表现各向异性(　　)

(2)熔融态物质快速冷却即得到晶体(　　)

(3)熔融的硝酸钾冷却可得晶体，故液态玻璃冷却也能得到晶体(　　)

(4)粉末状的固体也有可能是晶体(　　)

(5)晶体一定比非晶体的熔点高(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×

1．在室温下，将一块不规则的CuSO4·5H2O固体放入饱和CuSO4溶液中，经过一段时间后会发生什么变化？

提示　CuSO4·5H2O固体会变成规则的立方体。

2．将冰和玻璃加热各有什么现象。

提示　加热冰时，0 ℃达到冰的熔点，冰开始熔化，在全部熔化以前，继续加热，温度基本保持不变，完全熔化后，温度才开始升高。加热玻璃，温度升高到某一程度后开始变软，继续加热流动性增强，最后变为液体。玻璃从软化到完全熔化，中间经过较大的温度范围。

3.(2019·淄博高二检测)下列物质中属于晶体的是(　　)

①橡胶　②玻璃　③食盐　④水晶　⑤塑料　⑥胆矾

A．①④⑤   B．②③⑥

C．①③④   D．③④⑥

答案　D

解析　固体有晶体和非晶体之分，晶体是内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律呈周期性有序排列而构成的具有规则几何外形的固体，如食盐、冰、金属、水晶、胆矾等都是晶体；非晶体中内部粒子的排列则相对无序，如玻璃、橡胶、塑料等都是非晶体。

4．晶体具有各向异性。如蓝晶石(Al2O3·SiO2)在不同方向上的硬度不同；又如石墨与层垂直的方向上的电导率是与层平行的方向上的电导率的。晶体的各向异性主要表现在(　　)

①硬度　②导热性　③导电性　④光学性质

A．①③   B．②④

C．①②③   D．①②③④

答案　D

解析　晶体的各向异性主要表现在物理性质方面。

 关于晶体与非晶体的认识误区

(1)同一物质可以是晶体，也可以是非晶体，如水晶和石英玻璃。

(2)有着规则几何外形或者美观、对称外形的固体，不一定是晶体。例如，玻璃制品(非晶体)可以塑造出规则的几何外形，也可以具有美观、对称的外观。

(3)具有固定组成的物质也不一定是晶体，如某些无定形体也有固定的组成。

(4)晶体不一定都有规则的几何外形，如玛瑙。

三、晶胞

1．概念

描述晶体结构的基本单元。

2．晶胞与晶体的关系

一般来说，晶胞都是平行六面体，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。

(1)“无隙”是指相邻晶胞之间无任何间隙。

(2)“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。

(3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。

3．晶胞中粒子数目的计算

(1)铜晶胞

①位于顶角上的铜原子为 8个晶胞共有。

②位于面心上的铜原子为 2个晶胞共有。

因此晶体铜中完全属于某一晶胞的铜原子数是8×＋6×＝4。

(2)NaCl晶胞

①Cl－位于顶点和面心，共有4个。

②Na＋位于棱上和体心，共有4个。

1.晶胞是最小的平行六面体，它有8个顶角，三套各4根平行棱，三套各两个平行面。

2．均摊法确定晶胞中粒子的个数

若晶胞中某个粒子为n个晶胞所共用，则该粒子有属于这个晶胞。

长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献

(1)晶胞是晶体的最小的结构重复单元(　　)

(2)不同的晶体中，晶胞的大小和形状都相同(　　)

(3)晶胞中任何一个粒子都属于该晶胞(　　)

(4)一般地，晶体的化学式表示晶体中各类原子或离子的最简整数比(　　)

答案　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√

1．下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(I2)、金刚石(C)晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含几个原子？

(1)钠________个；(2)锌________个；(3)碘________个；(4)金刚石________个。

答案　(1)2　(2)2　(3)8　(4)8

2．(2019·南通高二调研)下列各项是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式，图中：○—X，●—Y，—Z。其中对应的化学式不正确的是(　　)

答案　B

解析　A项中X、Y的位置、数目完全等同，化学式为XY，正确；B项中X、Y的个数比为1∶(8×)＝1∶1，化学式为XY，错误；C项中X的数目：4×＋1＝，Y的数目：4×＝，化学式为X3Y，正确；D项中X的数目：8×＝1，Y的数目：6×＝3，Z位于体心，数目为1，化学式为XY3Z，正确。

3．科学家发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如图所示。顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是(　　)

A．TiC   B．Ti6C7

C．Ti14C13   D．Ti13C14

答案　C

解析　如果利用“均摊法”来计算，就会得出：钛原子数为8×＋6×＝4；碳原子数为12×＋1＝4，从而错选A。若该图是一个晶胞，则这种计算正确，但它是一个气态团簇分子，其化学式就是其分子式，应直接数出原子数。

 团簇分子或纳米颗粒中，所含微粒为其本身所有，不与其他分子或颗粒共用。

四、晶体结构的测定

1．常用仪器：X射线衍射仪。

2．测定过程：当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，会在记录仪上产生分立的斑点或者明锐的衍射峰。

3．作用：根据衍射图，经过计算可以获得晶体结构的有关信息。

1．通过X射线衍射图通常能获取晶体结构的哪些信息？

提示　从衍射图形获得晶体结构的信息，包括晶胞形状和大小、分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等。

2．因生产金属铁的工艺和温度等因素不同，产生的铁单质的晶体结构、密度和性质均不同，对铁晶体用X射线衍射进行测定，测得A、B两种晶胞，其晶胞结构示意图如下：

则A、B两种晶胞中含有的铁原子数分别是：__________、__________。

答案　2　4

3．原子坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置。下图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0，0，0)；B为(，0，)；C为(，，0)。则D原子的坐标参数为________。

答案　(，，)

1．下列关于晶体和非晶体的本质区别的叙述中，正确的是(　　)

A．是否为具有规则几何外形的固体

B．是否具有各向异性

C．是否具有美观、对称的外形

D．内部微粒在空间是否呈周期性有序排列

答案　D

解析　具有规则几何外形的固体不一定都是晶体，如玻璃，故A错误；具有各向异性的固体一定是晶体，但是否具有各向异性不是晶体和非晶体的本质区别，故B错误；美观对称的固体不一定都是晶体，如玻璃，故C错误；晶体与非晶体的本质区别在于其内部微粒在空间是否按一定规律呈周期性有序排列，故D正确。

2．水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的。玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述中正确的是(　　)

A．水由液态变为玻璃态，体积缩小

B．水由液态变为玻璃态，体积膨胀

C．玻璃态是水的一种特殊状态

D．X射线通过玻璃态水时，能产生谱线

答案　C

解析　玻璃态水无固定形状，不存在晶体结构，故玻璃态水不是晶体，X射线通过玻璃态水时不能产生谱线，因密度与普通水相同，故水由液态变为玻璃态时体积不变。

3．下列过程中不能得到晶体的是(　　)

A．对NaCl饱和溶液降温所得到的固体

B．气态水直接冷却成固态水

C．熔融的KNO3冷却后所得到的固体

D．液态的玻璃冷却后所得到的固体

答案　D

解析　得到晶体的三条途径：①溶质从溶液中析出；②气态物质凝华；③熔融态物质凝固。A选项符合①，B选项符合②，C选项符合③。由于玻璃属于非晶体，熔融后再冷却所得到的固体仍为非晶体。

4．下列有关晶胞的叙述中正确的是(　　)

A．晶胞的结构是晶体的结构

B．不同的晶体中，晶胞的大小和形状都相同

C．晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞

D．已知晶胞的组成就可推知晶体的组成

答案　D

解析　相同晶体中晶胞的大小和形状完全相同，不同晶体中，晶胞的大小和形状不一定相同，B选项错误；晶体中的大部分粒子被若干个晶胞所共有，不完全属于某个晶胞，C选项错误；知道晶胞的组成，利用“均摊法”即可推知晶体的组成，D选项正确。

5．纳米材料的表面粒子数占总粒子数的比例极大，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(如图所示)，则这种纳米颗粒的表面粒子数与总粒子数之比为(　　)

A．7∶8   B．13∶14

C．1∶1   D．26∶27

答案　D

解析　由题意知一个氯化钠晶胞即为一个氯化钠纳米颗粒，则其表面粒子数＝8＋6＋12＝26，总粒子数＝表面粒子数＋中心粒子数＝26＋1＝27。

6．如图所示的甲、乙、丙三种晶体：

试推断，甲晶体的化学式(X为阳离子)：__________________________________________；

乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是_____________________________；丙晶体中每个D周围结合E的个数是_____________________________________________________________。

答案　X2Y　1∶3∶1　8

解析　X位于立方体体心，该晶胞中含有1个X，Y位于顶角，该晶胞中Y原子的个数＝4×＝，则该晶胞中X、Y的个数之比是2∶1，又X为阳离子，所以甲晶体的化学式为X2Y；乙晶胞中A原子的个数＝8×＝1，B原子的个数＝6×＝3，C原子的个数为1，所以乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比为1∶3∶1；丙晶体中每个D周围结合E的个数是8。