(寒假班)人教版高中化学选择性必修二同步讲义第三章 晶体结构与性质 第一节 物质的聚集状态与晶体的常识（解析版）

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【学习目标】
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。
【基础知识】
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。
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
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×eq \f(1,8)＋6×eq \f(1,2)＝ 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。
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。
【考点剖析】
考点一 晶体和非晶体
1．下列可用于判断某物质为晶体的方法是( )
A．质谱法 B．红外光谱法
C．核磁共振法 D．X射线衍射法
答案 D
解析 质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能判断某物质为晶体，故A错误；红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键，不能判断某物质为晶体，故B错误；核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目，不能判断某物质为晶体，故C错误；晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的粒子在微观空间是否呈周期性有序排列，X射线衍射可以看到微观结构，可以鉴别晶体与非晶体，故D正确。
2．下列物质属于非晶体的是( )
①松香；②冰；③石英；④沥青；⑤铜；⑥纯碱
A．①②③④⑤⑥ B．①④
C．①③ D．⑤⑥
答案 B
解析 松香在温度升高后会变软，沥青铺成的路面在高温的夏天会变软，因此二者均无固定的熔点，所以它们属于非晶体。
3．下列关于晶体性质的叙述中，不正确的是( )
A．晶体的自范性指的是在适宜条件下晶体能够自发地呈现规则的多面体几何外形
B．晶体的各向异性和对称性是矛盾的
C．晶体的对称性是微观粒子按一定规律做周期性重复排列的必然结果
D．晶体的各向异性直接取决于微观粒子的排列具有特定的方向性
答案 B
解析 晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同，即为各向异性，晶体的对称性是微观粒子按一定规律呈周期性重复排列，两者没有矛盾，故B错误；构成晶体的粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列，则晶体的对称性是微观粒子按一定规律做周期性重复排列的必然结果，故C正确；由于晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同，即为各向异性，具有特定的方向性，故D正确。
4．关于晶体和非晶体的说法，正确的是( )
A．晶体在三维空间里呈周期性有序排列，因此在各个不同的方向上具有相同的物理性质
B．晶体在熔化过程中需要不断的吸热，温度不断地升高
C．普通玻璃在各个不同的方向上力学、热学、电学、光学性质相同
D．晶体和非晶体之间不可以相互转化
答案 C
解析 晶体在三维空间里呈周期性有序排列，其许多物理性质常常会表现出各向异性，A不正确；晶体的熔点是固定的，所以在熔化过程中温度不会变化，B不正确；玻璃不属于晶体，不具有物理性质各向异性的特点，C正确；在一定条件下晶体和非晶体是可以相互转化的，D不正确。
5.如图为一块密度、厚度均匀的矩形样品，长为宽的两倍，若用多用电表沿两对称轴测其电阻均为R，则这块样品一定是( )
A．金属 B．半导体
C．非晶体 D．晶体
答案 D
解析 由于AB＝2CD，而AB、CD间的电阻却相等，说明样品横向(AB)与纵向(CD)的导电性不同，具有各向异性，而晶体的特征之一是各向异性，非晶体则具有各向同性，故该样品为晶体。
考点二 晶胞的理解及应用
6．有关晶胞的叙述正确的是( )
①晶胞是晶体结构中的基本结构单元 ②根据晶体的不同，晶胞可以是多种形状的几何体 ③习惯采用的晶胞是平行六面体 ④晶胞都是正八面体
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
答案 A
7．已知某化合物的晶体是由如图所示的最小结构单元密置堆积而成，下列关于该化合物的叙述错误的是( )
A．1 ml该化合物中含有1 ml Y
B．1 ml该化合物中含有3 ml Cu
C．1 ml该化合物中含有2 ml Ba
D．该化合物的化学式是YBa2Cu3O6
答案 D
解析 由图可知，白球代表的Y原子位于长方体的八个顶点上，大黑球代表的Ba原子位于长方体的四条棱上，灰球代表的Cu原子位于长方体的内部，小黑球代表的O原子有的位于长方体的内部、有的位于长方体的面上，运用均摊法可计算出Y原子个数为8×eq \f(1,8)＝1，Ba原子个数为8×eq \f(1,4)＝2，Cu原子个数为3，O原子个数为10×eq \f(1,2)＋2＝7，故该化合物的化学式为YBa2Cu3O7。综上可知，D项错误。
8.最近发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性，因这三种元素都是常见元素，从而引起广泛关注。该新型超导晶体的一个晶胞如图所示，则该晶体的化学式为( )
A．Mg2CNi3 B．MgCNi3
C．MgCNi2 D．MgC2Ni
答案 B
解析 利用均摊法确定晶胞的化学式，位于顶角上的一个原子被8个晶胞占有，位于面心上的原子被2个晶胞占有，位于体心上的一个原子被一个晶胞占有，据此计算晶胞的化学式。根据晶胞结构可知，碳原子位于该晶胞的体心上，所以该晶胞中含有一个碳原子，镁原子位于顶角处，因此镁原子个数为8×eq \f(1,8)＝1，所以该晶胞含有1个镁原子，镍原子位于面心处，因此镍原子个数＝6×eq \f(1,2)＝3，所以该晶胞中含有3个镍原子，故该晶体的化学式为MgCNi3，答案选B。
9．钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。钛酸钡晶胞结构示意图如图所示，它的化学式是( )
A．BaTi8O12 B．BaTi4O5
C．BaTi2O4 D．BaTiO3
答案 D
解析 观察钛酸钡晶胞结构示意图可知，Ba在立方体的中心，完全属于该晶胞；Ti处于立方体的8个顶点，每个Ti原子有eq \f(1,8)属于该晶胞；O处于立方体的12条棱的中点，每个O原子有eq \f(1,4)属于该晶胞。即晶体中N(Ba)∶N(Ti)∶N(O)＝1∶(8×eq \f(1,8))∶(12×eq \f(1,4))＝1∶1∶3。
10．(1)在下列物质中，__________(填序号，下同)是晶体，________是非晶体。
①塑料 ②明矾 ③松香 ④玻璃 ⑤CuSO4·5H2O ⑥冰糖 ⑦石蜡 ⑧单晶硅 ⑨铝块 ⑩橡胶
(2)晶体和非晶体在外形上有差别，晶体都具有______，而非晶体________；另外非晶体具有(物理性质)______的特点，而晶体具有(物理性质)________的特点。
(3)判断物质是晶体还是非晶体，比较正确的方法是________(填序号)。
①从外形上来判断
②从各向异性或各向同性上来判断
③从导电性能来判断
④从有无固定熔点来判断
(4)晶体中的微粒与晶胞的关系
①凡处于立方体顶角的微粒，同时为______个晶胞共有；
②凡处于立方体棱上的微粒，同时为______个晶胞共有；
③凡处于立方体面上的微粒，同时为______个晶胞共有；
④凡处于立方体体心的微粒，同时为______个晶胞共有。
答案 (1)②⑤⑥⑧⑨ ①③④⑦⑩ (2)规则的几何外形 没有规则的几何外形 各向同性 各向异性 (3)②④ (4)①8 ②4 ③2 ④1
解析 明矾是KAl(SO4)2·12H2O，它和CuSO4·5H2O、冰糖、单晶硅、铝块都是晶体；塑料、松香、玻璃、石蜡、橡胶都是非晶体。晶体的重要特征就是各向异性和有固定的熔点等。
11．某离子晶体的晶胞结构如图所示，X位于立方体的顶角，Y位于立方体的中心。
(1)晶体中每个Y同时吸引着________个X，每个X同时吸引着________个Y，该晶体的化学式为________。
(2)晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有________个。
(3)晶体中距离最近的两个X与一个Y形成的夹角∠XYX为________(填角的度数)。
答案 (1)4 8 Y2X(或XY2) (2)12 (3)109°28′
解析 晶胞中的粒子分为4种：①体心上的粒子完全属于该晶胞；②面心上的粒子eq \f(1,2)属于该晶胞；③棱上的粒子eq \f(1,4)属于该晶胞；④顶角上的粒子eq \f(1,8)属于该晶胞。本题粒子Y位于体心，粒子X位于顶角，所以该晶体的化学式为Y2X或XY2。观察下图，4个X和1个Y构成了一个正四面体，故∠XYX＝109°28′。
12．元素X的某价态离子Xn＋中所有电子正好充满K、L、M三个能层，它与N3－形成的晶体结构如图所示。
(1)该晶体的阳离子与阴离子个数之比为________。
(2)该晶体中离子Xn＋的n＝________。
(3)X元素的原子序数是________。
(4)晶体中每个N3－被________个等距离的Xn＋包围。
答案 (1)3∶1 (2)1 (3)29 (4)6
解析 (1)Xn＋位于晶胞的棱上，其数目为12×eq \f(1,4)＝3；N3－位于晶胞的顶角，其数目为8×eq \f(1,8)＝1，故二者个数之比为3∶1。(2)由晶体的化学式X3N知，X所带电荷数为1。(3)因为K、L、M三个能层充满，故Xn＋有2、8、18结构，所以X的原子序数是29。(4)N3－位于晶胞顶角，故其被6个Xn＋从上、下、左、右、前、后包围。
固体
自范性
微观结构
晶体
有
原子在三维空间里呈 周期性有序 排列
非晶体
无
原子排列相对 无序
实验内容
实验操作及现象
获取硫黄晶体
硫黄粉eq \(――→,\s\up7(加热))熔融态硫eq \(――――→,\s\up7(自然冷却)) 淡黄 色的 菱形 硫黄晶体
获取碘晶体
加热时，烧杯内产生大量 紫色 气体，没有出现液态的碘，停止加热，烧杯内的 紫色 气体渐渐消褪，最后消失，表面皿底部出现 紫黑 色晶体颗粒
获取氯化钠晶体
在烧杯底部慢慢析出立方体的 无色 晶体颗粒
测定方法
测熔点
晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点
可靠方法
对固体进行 X射线衍射 实验