3.第一节　物质的聚集状态与晶体的常识

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课程目标1．了解晶体和非晶体的本质差异。2．了解获得晶体的途径。3．了解晶体的特点。4．了解晶胞的概念，能够运用均摊法计算晶胞中的微粒数。图说考点基础知识[新知预习]一、物质的聚集状态1．组成物质的微粒20世纪初，通过X射线衍射，许多常见的晶体中并无分子，如NaCl、石墨、二氧化硅、金刚石以及各种________等。2．聚集状态有晶态、非晶态，以及介乎晶态和非晶态之间的________、________等。二、晶体与非晶体1．晶体概念具有规则的________的固体，叫晶体。如：NaCl晶体，I2晶体……；不具有规则的________的固体，叫非晶体(又称玻璃体)。2．获得晶体的三条途径(1)________物质凝固。(2)________物质冷却不经液态直接凝固(________)。(3)________从溶液中析出。3．晶体的特征(1)自范性a．定义：在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现规则的____________，这称为晶体的________。非晶态物质没有这个特性。b．形成条件：晶体____________适当。c．本质原因：晶体中粒子在__________里呈现__________的__________排列。(2)晶体在不同的方向上表现出不同的物理性质即________。(3)晶体的________固定。(4)外形和内部质点的高度________。(5)晶体的外形和内部结构都具有特有的________。三、晶胞1．概念晶胞是晶体中最小的____________。2．结构晶胞一般都是____________，晶体是由无数晶胞“____________”而成。(1)无隙：相邻晶胞之间无任何________。(2)并置：所有晶胞都是________排列的，取向________。(3)所有晶胞的________及内部的原子________及几何排列是完全相同的。3．一个晶胞平均占有的原子数：四、晶体结构的测定1．测定方法：测定晶体结构最常用的仪器是________________。2．测定结果通过对乙酸晶体进行测定，可以得出乙酸晶胞，每个晶胞中含有________个乙酸分子，并可通过计算分析，确定________和________，从而得出分子的空间结构。[即时性自测]1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)晶体有自范性但其微粒排列无序。()(2)晶体具有各向同性，非晶体也具有各向异性。()(3)晶体有固定的熔点。()(4)熔融态物质快速冷却即可得到晶体。()(5)粉末状的固体也有可能是晶体。()(6)晶胞是晶体的最小的结构重复单元。()(7)不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同。()(8)晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞。()(9)已知晶胞的组成就可推知晶体的组成。()(10)由晶胞构成的晶体，其化学式表示一个分子中原子的数目。()2．我们熟悉的食盐、金属、刨冰、钻石、水晶等都是晶体；而同样透明的玻璃却是非晶体。下列关于晶体和非晶体的本质区别的叙述中，正确的是()A．是否是具有规则几何外形的固体B．是否是具有固定组成的物质C．是否是具有固定熔点D．内部构成微粒是否在空间呈有规则的重复排列3．下列途径不能得到晶体的是()A．熔融态物质快速冷却B．熔融态物质凝固C．气态物质凝华D．溶质从溶液中析出4．如图是某固体的微观结构示意图，请认真观察两图，判断下列说法正确的是()A．两种物质在一定条件下都会自动形成有规则的几何外形的晶体B．Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性C．Ⅱ形成的固体一定有固定的熔、沸点D．二者的X­射线图谱是相同的5．元素X位于第四周期，其基态原子的内层轨道全部排满电子，且最外层电子数为2。元素Y基态原子的3p轨道上有4个电子。X与Y所形成化合物晶体的晶胞如图所示。(1)在1个晶胞中，X离子的数目为________。(2)该化合物的化学式为________。技能素养提升点一晶体与非晶体[例1](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，晶体一般都具有____________________，而非晶体____________________；另外非晶体具有物理性质____________________，而晶体具有物理性质____________________。(3)判断物质是晶体还是非晶体，合理的方法是________(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eq\x(状元随笔)混合物一般为非晶体；晶体与非晶体判断有多种方法。[提升1]下列叙述中正确的是()A．具有规则几何外形的固体一定是晶体B．晶体与非晶体的根本区别在于是否具有规则的几何外形C．具有各向异性的固体一定是晶体D．晶体、非晶体均具有固定的熔点eq\x(状元随笔)依据晶体的特性判断固体是不是晶体，存在一定的不确定，应从本质特征上进行把握。[关键能力]晶体与非晶体1．晶体与非晶体的比较晶体非晶体微观结构特征粒子周期性有序排列粒子排列相对无序性质特征自范性有无熔点固定不固定各向异性有无鉴别方法间接方法看是否具有固定的熔点或根据某些物理性质的各向异性科学方法对固体进行X­射线衍射实验举例NaCl、I2、SiO2、Na晶体等玻璃、橡胶等2.晶体与非晶体的本质差异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3.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SiO2热液缓慢冷却形成的。eq\x(状元随笔)(1)有规则几何外形或美观、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。(2)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，如无定形SiO2。(3)晶体不一定都有规则的几何外形，如玛瑙。提升点二晶胞中粒子数目及晶体化学式的确定[例2]元素X的某价态离子Xn＋中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，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比为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)该晶体中Xn＋离子中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＋离子包围。[提升2]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________。[关键能力]晶胞中粒子数目及晶体化学式的确定1．晶体化学式含义一般地，晶体的化学式表示的是晶体(也可以说是晶胞)中各类原子或离子的最简整数比。2．均摊法确定晶胞中粒子的个数如晶胞中某个粒子为n个晶胞所共用，则该粒子有eq\f(1,n)属于这个晶胞。(1)长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献。(2)六方晶胞中不同位置粒子对晶胞的贡献。(3)晶胞中粒子数目的计算要先根据具体情况分析晶胞中的粒子在晶胞中的位置以及为几个晶胞所共有，然后运用均摊法具体计算。如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点碳原子被三个六边形共有，每个六边形占有该原子的1/3，则每个六元环占有的碳原子数为6×eq\f(1,3)＝2，如下图所示：eq\x(状元随笔)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，由晶胞构成的晶体，其化学式并不是表示一个分子中含有多少个原子。

形成性自评1．下列途径不能得到晶体的是()A．熔融态SiO2快速冷却B．熔融态SiO2热液缓慢冷却C．FeCl3蒸气冷凝D．CuSO4溶液蒸发浓缩后冷却2．关于晶体的自范性，下列叙述正确的是()A．破损的晶体能够在固态时自动变成规则的多面体B．缺角的氯化钠晶体在饱和NaCl溶液中慢慢变为完美的立方体块C．圆形容器中结出的冰是圆形的体现了晶体的自范性D．由玻璃制成规则的玻璃球体现了晶体的自范性3．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．①③B．②④C．①②③D．①②③④4．铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构如图所示。Pb4＋处于立方晶胞顶角，Ba2＋处于晶胞中心，O2－处于晶胞面心，则该化合物的化学式为()A．BaPbO3B．BaPb2O3C．BaPbOD．BaPbO45．下图是CsCl晶体的一个晶胞，相邻的两个Cs＋的核间距为acm。NA为阿伏加德罗常数，CsCl的相对分子质量用M表示，则CsCl晶体的密度为()A.eq\f(8M,NA·a3)B.eq\f(6M,NA·a3)C.eq\f(4M,NA·a3)D.eq\f(M,NA·a3)6．科学家把C60和K掺杂在一起制造出的物质具有超导性能，其晶胞结构如图所示。该物质中K和C60的个数之比为()A．1:1B．2:1C．3:1D．4:17．钇钡铜氧是一种新型节能高温超导体，其晶胞结构如图所示。研究发现，此高温超导体中的Cu元素有两种价态，分别为＋2和＋3，Y元素的化合价为＋3，Ba元素的化合价为＋2。(1)该物质的化学式为____________。(2)该物质中Cu2＋与Cu3＋的个数比为________。eq\x(温馨提示：请完成课时作业10)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基础知识新知预习一、1．金属2．塑晶态液晶态二、1．几何外形几何外形2．熔融态气态凝华溶质3．多面体外形自范性生长的速率微观空间周期性有序各向异性熔点有序性对称性三、1．结构重复单元2．平行六面体无隙并置间隙平行相同形状种类3．842四、1．X射线衍射仪2．4键长键角即时性自测1．(1)×(2)×(3)√(4)×(5)√(6)√(7)×(8)×(9)√(10)×2．解析：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；具有固定组成的物质也不一定是晶体，如某些无定形体也具有固定的组成。晶体和非晶体的本质区别在于微观结构不同。答案：D3．解析：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)熔融态物质凝固。晶体表现自范性是需要一定条件的，即晶体生长的速率要适当，因此熔融态物质快速冷却时不能得到晶体。答案：A4．解析：观察结构图可知，Ⅰ中微粒呈周期性有序排布，Ⅱ中微粒排列不规则，故Ⅰ为晶体，Ⅱ为非晶体。晶体有各向异性，具有固定的熔、沸点，非晶体没有固定的熔、沸点，用X－射线衍射实验检验晶体和非晶体，图谱明显不同，故应选B。答案：B5．解析：X为Zn元素、Y为S元素，从晶胞图分析，一个晶胞中含有X离子的数目为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，Y离子的数目也是4，所以化合物中X与Y之比为1:1，则化学式为ZnS。答案：(1)4(2)ZnS技能素养例1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。答案：(1)②⑤⑥⑧⑨①③④⑦⑩(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提升1解析：晶体与非晶体的根本区别在于其内部微粒在空间是否按一定规律做周期性重复排列，B项错误；晶体所具有的规则几何外形、各向异性是其内部微粒规律性排列的外部反映。有些人工加工而成的固体也具有规则的几何外形，但具有各向异性的固体一定是晶体，A项错误，C项正确；晶体具有固定的熔点而非晶体不具有固定的熔点，D项错误。答案：C例2解析：(1)Xn＋位于晶胞的棱上，其数目为12×eq\f(1,4)＝3个，N3－位于晶胞的顶角，其数目为8×eq\f(1,8)＝1，故其个数比为3:1。(2)由晶体的化学式X3N知X所带的电荷数为1。(3)因为K、L、M三个电子层充满，故为2、8、18，所以X的原子序数是29。(4)N3－位于晶胞顶角，故其被6个X＋在上、下、左、右、前、后包围。答案：(1)3:1(2)1(3)29(4)6提升2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的个数＝8×eq\f(1,8)＝1，B的个数＝6×eq\f(1,2)＝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；丙晶体中每个D周围结合E的个数是8。答案：X2Y1:3:18形成性自评1．解析：晶体呈现自范性是需要一定条件的，即晶体生长的速率要适当。熔融态物质快速冷却时不能得到晶体，如熔融态SiO2快速冷却得到看不到晶体外形的玛瑙，热液缓慢冷却则形成水晶。FeCl3、AlCl3等固体均易升华，其蒸气凝华则得到晶体。CuSO4溶液蒸发浓缩后冷却析出胆矾晶体(CuSO4·5H2O)。答案：A2．解析：晶体的自范性指的是在适宜条件下，晶体能够自发地呈现封闭的规则的多面体外形的性质，这一适宜条件一般指的是自动结晶析出的条件，A选项所述过程不可能实现；C选项中的圆形并不是晶体冰本身自发形成的，而是受容器的限制形成的；D项中玻璃是非晶体。答案：B3．解析：晶体的各向异性主要表现在物理性质方面。答案：D4．解析：1个晶胞中有1个Ba2＋，Pb4＋的个数为8×eq\f(1,8)＝1，O2－的个数为6×eq\f(1,2)＝3，故化学式为BaPbO3。答案：A5．解析：由均摊法求得CsCl晶胞含有1个Cs＋和1个Cl－，其质量是M/NA，再由相邻的两个Cs＋的核间距为acm，求出该晶胞的体积是a3，所以晶胞的密度是eq\f(M,NA·a3)，晶体的密度和晶胞的密度是相同的。答案：D6．解析：根据均摊法可知，该晶胞中K的个数为2×6×eq\f(1,2)＝6，C60的个数为1＋8×eq\f(1,8)＝2，所以该物质中K和C60的个数之比为6:2＝3:1。答案：C7．解析：本题的疑难之处一是不会计算晶胞中氧原子的个数；二是在求Cu2＋与Cu3＋的个数比时不能灵活运用化合物中各元素的正负化合价的代数和为零这一规律。(1)由图可知，该晶胞中N(Cu)＝8×eq\f(1,8)＋8×eq\f(1,4)＝3，N(Ba)＝2，N(Y)＝1，N(O)＝12×eq\f(1,4)＋8×eq\f(1,2)＝7。即该物质的化学式为YBa2Cu3O7。(2)根据题中各元素的化合价，再结合化合物中各元素的正负化合价的代数和为零可知，＋2价铜与＋3价铜的化合价之和为7，即N(Cu2＋):N(Cu3＋)＝2:1。答案：(1)YBa2Cu3O7(2)2:1阶段重点突破练一、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。1．下列说法中，正确的是()A．冰融化时，分子中H—O键发生断裂B．共价晶体中，共价键越强，熔点越高C．分子晶体中，共价键键能越大，该分子晶体的熔、沸点一定越高D．分子晶体中，分子间作用力越大，该物质越稳定答案B解析A项，冰为分子晶体，融化时破坏的是分子间作用力，错误；B项，共价晶体熔点的高低取决于共价键的强弱，共价键越强，熔点越高，正确；分子晶体熔、沸点高低取决于分子间作用力的大小，而共价键的强弱决定了分子的稳定性大小，C、D项错误。2．氮氧化铝(AlON)属共价晶体，是一种超强透明材料，下列描述错误的是()A．AlON和石英的化学键类型相同B．AlON和石英晶体类型相同C．AlON和Al2O3的化学键类型不同D．AlON和Al2O3晶体类型相同答案D解析AlON与石英(SiO2)均为共价晶体，所含化学键均为共价键，A、B项正确；Al2O3不是共价晶体，晶体中含离子键，不含共价键，C项正确、D项错误。3．干冰和二氧化硅晶体同属ⅣA族元素的最高价氧化物，它们的熔、沸点差别很大的原因是()A．二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量B．C—O的键能比Si—O的键能小C．干冰为分子晶体，二氧化硅为共价晶体D．干冰易升华，二氧化硅不能答案C解析干冰和SiO2所属晶体类型不同，干冰为分子晶体，熔化时破坏分子间作用力；SiO2为共价晶体，熔化时破坏共价键，所以SiO2的熔点较高。4．下图为碘晶体晶胞结构。下列有关说法中正确的是()A．碘分子的排列有2种不同的取向，2种取向不同的碘分子以4配位数交替配位形成层结构B．用均摊法可知平均每个晶胞中有4个碘原子C．碘晶体为无限延伸的空间结构，是共价晶体D．碘晶体中的碘原子间存在非极性键和范德华力答案A解析在立方体的顶面上，有5个I2，4个方向相同，A项正确；每个晶胞中有4个碘分子，B项错误；碘晶体是分子晶体，C项错误；碘原子间只存在非极性共价键，范德华力存在于分子与分子之间，D项错误。5．最近科学家成功的制成了一种新型的碳氧化合物，该化合物晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合为一种三维骨架的无限伸展结构，下列对该晶体的叙述错误的是()A．该物质的化学式为CO2B．晶体的熔、沸点高，硬度大C．晶体中碳原子数与C—O化学键数之比为1∶2D．该物质的性质与二氧化碳相似答案CD解析晶体中每个碳原子均以四个共价单键与氧原子结合，每个氧原子和2个碳原子以共价单键相结合，所以碳氧原子个数之比为1∶2，化学式为CO2，A正确；该化合物晶体属于共价晶体，熔、沸点高，硬度大，B正确；该晶体中，每个碳原子含有4个C—O共价键，C原子与C—O化学键数目之比为1∶4，C错误；该化合物晶体属于共价晶体，二氧化碳为分子晶体，性质与二氧化碳不相似，D错误。6．黑磷是一种黑色有金属光泽的晶体，是一种比石墨烯更优秀的新型材料。白磷、红磷都是分子晶体，黑磷晶体具有与石墨类似的层状结构，如图所示。下列有关黑磷晶体的说法正确的是()A．黑磷晶体中磷原子的杂化方式为sp2杂化B．黑磷晶体中层与层之间的作用力是分子间作用力C．黑磷晶体的每一层中磷原子都在同一平面上D．P元素三种常见的单质中，黑磷的熔、沸点最高答案BD解析由结构可知黑磷晶体中磷原子的杂化方式为sp3杂化，故A错误；黑磷晶体中层与层之间的作用力是分子间作用力，故B正确；石墨中碳原子为sp2杂化，每层原子均在同一平面内，但磷原子的杂化方式为sp3杂化，每一层的各原子不可能在同一平面内，故C错误；黑磷为共价晶体，而其他两种单质为分子晶体，则黑磷的熔、沸点最高，故D正确。二、非选择题7．锗、砷、硒、溴的第一电离能由大到小的顺序为________(用元素符号表示)；其中锗的化合物四氯化锗可用作光导纤维掺杂剂，其熔点为－49.5℃，沸点为83.1℃，则其晶体类型为________，中心原子的杂化类型为________。答案Br>As>Se>Ge分子晶体sp38．(1)某短周期元素组成的分子的球棍模型如图所示。已知分子中所有原子的最外层均达到8电子稳定结构，原子间以单键相连。下列有关说法中错误的是________(填字母)。A．X原子可能为ⅤA族元素B．Y原子一定为ⅠA族元素C．该分子中，既含极性键，又含非极性键D．从圆球的大小分析，该分子可能为N2F4(2)若上述模型中Y原子最外层达到2电子稳定结构且其相对分子质量与O2相同，则该物质的分子式为______，它与P2H4常温下均为气体，但比P2H4易液化，常用作火箭燃料，其主要原因是______________________________________________________________________。答案(1)B(2)N2H4N2H4分子之间形成氢键，致使N2H4沸点升高，易液化9．在高压下氮气会发生聚合得到高聚氮，晶体结构如图所示。晶体中每个氮原子与另外三个氮原子结合形成三维骨架结构。氮原子的杂化轨道类型为________。这种高聚氮N—N的键能为160kJ·mol－1，而N2的键能为942kJ·mol－1，其可能潜在的应用是________________________________________________________________________。答案sp3制炸药(或高能燃料)10．白磷(P4)的晶体属于分子晶体，其晶胞结构如图(小圆圈表示白磷分子)。已知晶胞的边长为acm，阿伏加德罗常数为NAmol－1，则该晶胞中含有的P原子的个数为________，该晶体的密度为________g·cm－3(用含NA、a的式子表示)。答案16eq\f(496,a3NA)解析根据均摊法，P原子的个数为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(8×\f(1,8)＋6×\f(1,2)))×4＝16；晶胞的摩尔质量是16×31g·mol－1＝496g·mol－1，1个晶胞的体积是a3cm3，ρ＝eq\f(m,V)＝eq\f(496,a3NA)g·cm－3。11．金刚石的晶胞如图，若以硅原子代替金刚石晶体中的碳原子，便得到晶体硅；若将金刚石晶体