高中化学新教材同步选择性必修第二册 第3章 第一节 物质的聚集状态与晶体的常识

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2.获得晶体的途径(1)实验探究实验内容实验操作及现象获取硫黄晶体硫黄粉eq\o(→,\s\up7(加热))熔融态硫eq\o(→,\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(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(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．②③⑥C．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eq\f(1,104)。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．②④C．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×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。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eq\f(1,n)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)82．(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×eq\f(1,8))＝1∶1，化学式为XY，错误；C项中X的数目：4×eq\f(1,8)＋1＝eq\f(3,2)，Y的数目：4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，化学式为X3Y，正确；D项中X的数目：8×eq\f(1,8)＝1，Y的数目：6×eq\f(1,2)＝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．Ti6C7C．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×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4；碳原子数为12×eq\f(1,4)＋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243．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(eq\f(1,2)，0，eq\f(1,2))；C为(eq\f(1,2)，eq\f(1,2)，0)。则D原子的坐标参数为________。答案(eq\f(1,4)，eq\f(1,4)，eq\f(1,4))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165K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∶14C．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X2Y1∶3∶18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×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，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×eq\f(1,8)＝1，B原子的个数＝6×eq\f(1,2)＝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。题组一晶体和非晶体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．①④C．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。题组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．①③B．②④C．①④D．②③答案A7．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．1mol该化合物中含有1molYB．1mol该化合物中含有3molCuC．1mol该化合物中含有2molBaD．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．MgCNi3C．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．BaTi4O5C．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．有一种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，它的化学式为()A．Ti14C13 B．TiCC．Ti4C4 D．Ti4C3答案A解析由题意知该物质是气态团簇分子，故题目中图示应是该物质的一个完整的分子，由14个钛原子和13个碳原子构成。11．请仔细观察下列几种物质的结构示意图，判断下列说法正确的是()A.硼镁超导物质的晶体结构单元如图所示，则这种超导材料的化学式为Mg3B2B.锂的某种氧化物的晶胞如图所示，则该氧化物的化学式为Li2OC.某晶体的一部分如图所示，则这种晶体中A、B、C三种粒子数目之比是3∶9∶4D.Mn和Bi形成的某种晶体的结构示意图如图所示(白球均在六棱柱内)，则该晶体物质的化学式为Mn2Bi答案B解析该晶胞中Mg原子个数为12×eq\f(1,6)＋2×eq\f(1,2)＝3，B原子个数为6，Mg、B原子个数之比为3∶6＝1∶2，所以其化学式为MgB2，故A错误；该晶胞中Li原子个数为8，O原子个数为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，则Li、O原子个数之比为8∶4＝2∶1，所以其化学式为Li2O，故B正确；该晶胞中B粒子个数为6×eq\f(1,4)＋3×eq\f(1,6)＝2，A粒子个数为6×eq\f(1,12)＝eq\f(1,2)，C粒子个数为1，则A、B、C粒子个数之比为eq\f(1,2)∶2∶1＝1∶4∶2，故C错误；Mn原子个数为12×eq\f(1,6)＋2×eq\f(1,2)＋1＋6×eq\f(1,3)＝6，Bi原子个数为6，所以Mn、Bi原子个数之比为6∶6＝1∶1，所以其化学式为MnBi，故D错误。12．(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⑤CuSO4·5H2O⑥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