人教版 (2019)选择性必修2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学案设计

第一节　物质的聚集状态与晶体的常识

基础课时10　物质的聚集状态与晶体的常识

一、物质的聚集状态

1．物质三态间的相互转化

2．物质的聚集状态

物质的聚集状态除了气态、液态、固态外，还有更多的物质聚集状态如晶态、非晶态以及介乎二者之间的塑晶态、液晶态等。

微点拨：构成物质三态的粒子不一定都是分子，还可以是原子或离子等，如水的三态都是由分子构成的，离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。

　下列说法正确的是(　　)

A．水蒸气转化为液态水的过程中，水分子变小，水的体积减小

B．二氧化碳气体在一定条件下转化为干冰，吸收热量

C．等离子体和离子液体都由阴、阳离子构成，故都能导电

D．固态时的粒子不能自由移动

D　[物质(水)由气态变为液态时，粒子(水分子)大小不变，粒子(水分子)间距离变小，导致体积减小，A项错误。物质在一定条件下由气态不经液态直接变为固态的过程称为凝华，分子间距离减小，放出热量，B项错误。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物质聚集体，不存在阴离子；离子液体是熔点不高的仅由阴、阳离子组成的液体物质，二者均可以导电，C项错误。同种物质的粒子，在气态时能自由移动，在固态时只能在固定的位置上振动，在液态时介于二者之间，D项正确。]

二、晶体与非晶体

1．晶体与非晶体的本质差异

2．晶体的特点

(1)自范性：

①定义：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。

②形成条件：晶体生长的速率适当。

③本质原因：晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。

(2)各向异性：许多物理性质常常会表现出各向异性。

(3)晶体有固定的熔点。

(4)外形和内部质点排列的高度有序性。

3．获得晶体的途径

(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。

　具有规则几何外形的固体，一定是晶体吗？

提示：不一定。晶体规则的几何外形是自发形成的。在人力作用下形成的有规则几何外形的固体不是晶体，如玻璃、塑料等相关制品。

　下列物质中，属于晶体的是________(填序号)。

A．橡胶　B．玻璃　　C．食盐　 D．水晶　　E．塑料　　 F．胆矾　 G．陶瓷

[解析]　固体有晶体和非晶体之分。晶体是内部粒子(原子、离子或分子)在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质，食盐、冰、水晶、大部分矿石等都是晶体；非晶体是内部粒子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质，如玻璃、橡胶等都是非晶体。

[答案]　CDF

三、晶胞

1．概念：晶胞是描述晶体结构的基本单元。

2．结构：常规的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”：相邻晶胞之间没有任何间隙。

(2)“并置”：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)平行六面体(立方体形)晶胞中粒子数目的计算。

①晶胞的顶角原子是8个晶胞共用；

②晶胞棱上的原子是4个晶胞共用；

③晶胞面上的原子是2个晶胞共用。

如金属铜的一个晶胞(如图所示)均摊到的原子数为8×＋6×＝4。

(2)几种晶胞中原子数目的确定。

结合图示，钠、锌、碘、金刚石晶胞中含有原子的数目分别为2、2、8、8。

钠、锌、碘、金刚石晶胞图

　晶胞是否全是平行六面体？由晶胞构成的晶体，其化学式是否表示一个分子中原子的数目？

提示：不一定，如有的晶胞呈六棱柱形。由晶胞构成的晶体，其化学式不表示一个分子中原子的数目，只表示每个晶胞中各类原子的最简整数比。

　(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)晶胞是晶体的最小重复单元。 (√)

(2)不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同。 (×)

(3)晶胞中的任何一个粒子都只属于该晶胞。 (×)

(4)雪花是水蒸气凝华得到的晶体。 (√)

　已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体，其晶胞如图所示，则下列表示该化合物的化学式正确的是(　　)

A．ZXY3　　B．ZX2Y6　　C．ZX4Y8　　D．ZX8Y12

A　[该晶胞中，X原子均位于平行六面体的顶角，故含X的个数为8×＝1；Y原子均位于平行六面体的棱上，故含Y的个数为12×＝3；Z原子位于平行六面体内部，故含Z的个数为1，则该化合物的化学式为ZXY3，A项正确。]

四、晶体结构的测定

1．测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪。在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明锐的衍射峰。

2．由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。

　晶体是一类非常重要的材料，在很多领域都有广泛的应用。我国现已能够拉制出直径为300毫米、重量达81千克的大直径单晶硅，晶体硅大量用于电子产业。下列对晶体硅的叙述正确的是(　　)

A．形成晶体硅时速率越快越好

B．晶体硅没有固定的熔点

C．可用X射线衍射实验来区别晶体硅和玻璃

D．晶体硅的形成与晶体的自范性有关，而与各向异性无关

C　[形成晶体的适宜条件之一是适当的生长速率，生长速率过快，粒子难以形成周期性的有序排列，A项错误；晶体均具有固定的熔点，B项错误；区别晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验，晶体能产生衍射，非晶体只能产生散射，C项正确；晶体硅的形成与晶体的自范性和各向异性都有密切关系，D项错误。]

材料1　西汉时期有位名叫韩婴的诗人，他写了一本《韩诗外传》，该书中明确指出，“凡草木花多五出，雪花独六出”。

材料2　《本草纲目》中提到：“光明盐……大者如升，皆正方光彻。”这说明在当时的生产条件下，盐均为方形。

[问题1]　材料1中“雪花独六出”是什么意思？雪花和冰都是由水分子凝聚成的，二者中，水分子间的作用力类型是否相同？

提示：“雪花独六出”是指大气中的水蒸气凝结成的雪花，在自然条件下是六瓣的；雪花和冰中水分子间的作用力类型相同。

[问题2]　材料2中自然形成的固体盐为方形，如果我们将盐溶液快速加热，能否得到“方形”盐？

提示：不能。晶体呈现自范性需满足一定条件，条件之一是晶体生长的速率适当。将盐溶液快速加热常得到看不到多面体外形的粉末或无规则外形的块状物。

[问题3]　在一定温度下，将不规则的NaCl固体，放入饱和NaCl溶液中，经过一段时间，会发生什么变化？为什么？

提示：NaCl固体会变为规则的立方体。因为溶解和结晶是可逆过程，根据晶体的自范性可知，在溶解和结晶的过程中，离子会自发地规则排列，形成规则的立方体。

1．晶体与非晶体的比较

2．晶体呈现自范性的条件

晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当。熔融态物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过快时，常常只得到看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。如玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶是熔融态SiO2缓慢冷却形成的。

晶体的其他基本性质

(1)均一性：晶体的化学组成、密度等性质在晶体中各部分都是相同的。

(2)对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。在外形上，常有相等的晶面、晶棱和顶角重复出现。这种相同的性质在不同的方向或位置上存在有规律的重复，就是对称性。

(3)稳定性：结晶状态是一个相对稳定的状态。

1．下列关于晶体和非晶体的本质区别的叙述正确的是(　　)

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．内部微粒在三维空间里是否按一定规律呈周期性有序排列

D　[具有规则几何外形或美观对称的固体不一定都是晶体，如玻璃制品，A、C项错误；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，B项错误；晶体与非晶体的本质区别在于其内部粒子在三维空间里是否按一定规律呈周期性有序排列，D项正确。]

2．下列关于晶体的说法正确的是(　　)

A．将饱和硫酸铜溶液降温，析出的固体不是晶体

B．假宝石往往是玻璃仿造的，可以用划痕的方法鉴别宝石和玻璃制品

C．石蜡和玻璃都是非晶体，但它们都有固定的熔点

D．蓝宝石在不同方向上的硬度一定相同

B　[选项A，将饱和CuSO4溶液降温可析出胆矾，胆矾属于晶体。选项B，宝石的硬度较大，玻璃制品的硬度较小，可以根据有无划痕来鉴别。选项C，非晶体没有固定熔点。选项D，晶体的各向异性导致蓝宝石在不同方向上的硬度有些差异。]

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，如晶体SiO2和非晶体SiO2。

(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。

人们最初对晶体的认识完全是理性思考的结果。法国的结晶学家阿羽衣依据晶体具有沿一定晶面碎裂的性质，对晶体的微观结构做了合理而大胆的设想，于1784年提出晶体是由具有多面体形状的晶胞平行而无间隙地堆积而成的。阿羽衣的思想被法国物理学家布拉维发展为空间点阵学说，即构成晶体的粒子按一定规则排列为空间点阵结构。   

俄国的费多罗夫、德国的熊富利斯和英国的巴洛三位科学家分别于1890年、1891年和1894年以晶体结构周期性重复单位为基础，推导出描述晶体空间排列的对称性理论——230种空间群。这些思考完全是在不能测定晶体内部结构的情况下产生的，科学和技术的发展后来完全证实了上述理性思考的正确性。

[问题1]　晶体的“空间点阵结构”中，构成晶体的相邻微粒间是否相切？

提示：是。构成晶体的微粒是“无隙并置”的，故这些相邻微粒间相切。

[问题2]　如何理解晶体结构中“周期性重复单位”？

提示：“周期性重复单位”是指晶体中最小的结构单元可以无限重复(答案合理即可)。

[问题3]　晶体的化学式表达的意义是什么？

提示：晶体的化学式表示的是晶体(或晶胞)中各类原子或离子的最简整数比。

1．均摊法确定晶胞中粒子的个数

均摊法：若某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子的属于这个晶胞。

(1)长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子数的计算：

(2)六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算：

(3)均摊法在计算其他结构晶胞中微粒数的应用   

其他结构晶胞中微粒数目的计算同样可以用均摊法，其关键是根据立体结构特点分析某处微粒被几个晶胞共用。如：某晶体的晶胞结构如图所示，该晶胞中，1个A微粒为12个晶胞共用，1个C微粒为1个晶胞所有，而B微粒分两种情况；位于上底面和下底面棱上的B微粒被4个晶胞共用，位于侧面棱上的B微粒被6个晶胞共用，则一个晶胞中包含的A、B、C三种微粒的数目分别是、2、1，则该晶体的化学式(按A、B、C顺序)为AB4C2。

2．晶体密度的计算

ρ＝(n0：晶胞包含的物质组成个数，M：该物质组成的摩尔质量，a：晶胞边长，NA：阿伏加德罗常数。

例如：如图是CsCl晶体的一个晶胞，相邻的两个Cs＋的核间距为a cm，NA为阿伏加德罗常数，CsCl的摩尔质量用M g·mol－1表示，则CsCl晶体的密度为ρ＝g·cm－3。

3．钒(V)的某种氧化物的晶胞结构如图所示。该晶体的化学式为(　　)

A．VO3　　B．VO2　　C．V2O3　　D．V2O4

B　[由晶胞结构可知，V位于晶胞的顶角和体心，V的个数为1＋8×＝2；有4个O位于晶胞面上，2个O位于晶胞内部，则O的个数为4×＋2＝4，则该晶体的化学式为VO2，故选B。]

4．甲、乙、丙三种晶体的晶胞结构如图所示：

甲　　　　　　乙　　　　　丙

(1)甲晶体的化学式(X为阳离子)为__________。

(2)乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是__________。

(3)丙晶体中每个D微粒周围结合E微粒的个数是__________________________________________________________。

[解析]　(1)X位于正方体体心，该晶胞中含有1个X；Y位于顶角，该晶胞中Y的个数＝4×＝，则该晶胞中X、Y的个数比是2∶1，又X为阳离子，所以甲晶体的化学式为X2Y。(2)乙晶胞中A的个数＝8×＝1，B的个数＝6×＝3，C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。(3)丙晶体中每个D微粒周围结合E微粒的个数是8，即共用D微粒的8个晶胞中的E微粒的个数，这8个E微粒与D微粒的距离最近且相等。

[答案]　(1)X2Y　(2)1∶3∶1　(3)8

(1)根据均摊法计算出1个晶胞中，各种原子个数的最简整数比可确定该物质的化学式。

(2)对于独立原子构成的分子，其分子式的确定则不能用均摊法。如由金属原子M和非金属原子N构成的气态团簇分子，如图所示，顶角和面上的原子是M原子，棱中心和体心的原子是N原子，由于M、N原子并不存在共用关系，所以由气态团簇分子结构图可知，其分子式可由示意图查原子个数来确定，M原子共14个，N原子13个，即分子式为M14N13。

1．(2021·江苏南通检测)下列关于晶体的说法正确的是(　　)

A．固体都是晶体

B．不同的晶体可能有不同的几何外形

C．有规则几何外形的固体就是晶体

D．研碎后的晶体即变为非晶体

B　[固体不一定都是晶体，如玻璃是非晶体(玻璃体)，A项错误；有规则几何外形的固体可能是人为加工而成的非晶体，C项错误；研碎后的晶体内部微粒的排列并未改变，仍为晶体，D项错误。]

2．下列关于晶胞的说法不正确的是(　　)

A．所有的晶胞都是平行六面体

B．晶胞是晶体结构的基本单元

C．晶胞和晶体的各原子个数比相等

D．晶胞和晶体的密度相同

A　[常规的晶胞都是平行六面体，但并非所有的晶胞都是平行六面体，A项错误；晶胞是晶体中基本的重复结构单元，整块晶体可看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成，所以晶胞和晶体的各原子个数比相等，晶胞和晶体的密度相同，B、C、D项正确。]

3．下列过程得到的固体不是晶体的是(　　)

A．将NaCl饱和溶液降温，所得到的固体

B．气态H2O冷却直接形成的固体

C．熔融的KNO3冷却后所得到的固体

D．将液态的玻璃冷却后所得到的固体

D　[得到晶体的三个途径是：①溶质从溶液中析出，②气态物质凝华，③熔融态物质的凝固。A选项符合①，B选项符合②，C选项符合③。由于玻璃本来就属于非晶体，熔融后再冷却所得固体仍为非晶体。]

4．某晶体的部分结构为正三棱柱(如图所示)，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是(　　)

A．3∶9∶4 B．1∶4∶2

C．2∶9∶4  D．3∶8∶4

B　[由图可知该晶体部分结构的上下两面为正三角形，因此处于顶点的粒子为12个该结构共用，故该结构中A的数目为6×＝；处于水平棱上的粒子为4个该结构共用，处于垂直棱上的粒子为6个该结构共用，故该结构单元中包含B粒子的数目为6×＋3×＝2；该结构中包含C粒子的数目为1，由此可见A、B、C三种粒子的数目之比为∶2∶1＝1∶4∶2。]

5．在高温超导领域中，有一种化合物叫钙钛矿，其晶胞结构如图所示。试回答：

(1)在该晶体中每个Ti周围与它距离最近且相等的Ti的个数为________。

(2)在该晶体中氧、钙、钛的粒子个数之比为________。

[解析]　 (1)由晶胞结构可知，在每个Ti的上、下、左、右、前、后各有1个等距离的Ti，与它距离最近且相等的Ti有6个。(2)Ca位于晶胞的体心，为一个晶胞独占；Ti位于晶胞的顶点，则一个晶胞含有8×＝1个Ti；O位于晶胞的棱上，则一个晶胞含有12×＝3个O。故该晶体中氧、钙、钛的粒子个数之比为3∶1∶1。

[答案]　 (1)6　(2)3∶1∶1