1、第三章晶体结构与性质话说1939年，由于经济不景气，戴比尔斯不得不削减自己90%的钻石生产量，为了推动世界钻石需求，打出了“A diamond is forever”的经典口号，成功地把钻石推销给了大众，使钻石的价格一路走高，并最终形成了今天的高度垄断的钻石市场。 “A diamond is forever”这句20世纪堪称经典的广告语是纽约著名广告公司爱尔广告公司(NW Ayer)于1948年为国际钻石推广中心(DTC)创作的。它跨越了一个世纪，打动了无数沉溺在爱河中的情侣，并让他们更加期待爱情的永恒，同时被钻石这一稀有、珍贵的“宝石之王”所吸引。1993年是中国钻石发展史上不平凡的一年，这
2、一年DTC通过香港的奥美广告公司征集“A diamond is forever”的中文翻译，经过半年的评比，一名大学教师的一句话被选上，于是“钻石恒久远，一颗永流传”这句经典的广告语成功地进入中国，并历经超过十年的时间使中国消费者开始广泛接受钻石文化。而在这之前中国对钻石可谓知之甚少，钻石行业的发展并不成熟，钻石文化理念更是无从谈起。而打开这个历史性局面大门的钥匙就是这句20世纪最著名的广告语：“钻石恒久远，一颗永流传”。这句经典的广告语也从此改变了中国人婚庆佩戴黄金、翡翠首饰的传统习俗，进而形成了中国新婚人们“无钻不婚”的全新理念。“钻石恒久远，一颗永流传”作为20世纪最为经典的广告语，如同
3、一次爱情核爆炸，响彻全球。闪亮的钻石是晶体中的一种，这种晶体具有怎样的结构和性质呢？学习完这一章我们就能对这种晶体及其性质有更进一步的了解。要学好本章，需注意以下问题：1理解概念，形成研究物质结构与性质的思维方法。重视新旧知识之间的内在联系，学会运用离子键、共价键、金属键、范德华力和氢键的有关知识来分析解释四种晶体的结构和性质。运用对比的方法掌握四种晶体的概念、相互作用及重要的物理性质，运用晶体的性质来判断晶体的类型，根据晶体类型来判断晶体的熔沸点等。2重视结构，培养空间思维能力。通过本章的学习，要能够进一步掌握利用物质结构去理解物质性质的思维方法。要充分利用各种结构模型，理解分子的三维构型并
4、培养自己的空间想象能力。3纵横对比，掌握知识之间的联系，本章的内容前后联系紧密，逐渐递进，学习时要注意前后联系。4联系实际，体现知识的社会价值。知识的价值不仅体现在获得知识的途径上，更重要的是体现在知识的应用上。在本章的学习过程中，应注意与生产生活相联系，发现生产生活中的问题，探索解决实际问题的方法，完善自己的知识结构，增强科研意识，激发学习兴趣。第一节晶体的常识学习目标1.通过生活实例了解晶体与非晶体的本质差异。2通过实验验证并掌握晶体的基本性质。3掌握晶体与晶胞的关系。4掌握晶胞中原子个数的计算方法均摊法。一、晶体与非晶体1晶体与非晶体的本质差异2.获得晶体的三条途径(1)熔融态物质凝固。
5、(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晶体的特点(1)自范性定义：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。形成条件：晶体生长速率适当。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。(2)某些物理性质各向异性。(3)晶体有固定的熔沸点。(4)外形和内部质点的高度有序性。4区分晶体和非晶体最可靠的科学方法对固体进行X射线衍射实验。二、晶胞1概念：描述晶体结构的基本单元。2结构晶胞一般都是平行六面体，晶体是由无数晶胞“无隙并置”而成。(1)无隙：相邻晶胞之间没有间隙；(2)并置：所有晶胞都是平行排列的，取向相同。(3)所有晶胞的形状及内部的原子种类、个数及几何排列是
6、完全相同的。知识点一晶体与非晶体1区别晶体和非晶体在结构上的差异，导致它们在性质上有所不同。通过固体的某些性质，可以判断某一固体是晶体还是非晶体。二者的差异见下表：2.晶体和非晶体的鉴别当不易从外形上判断一种固体是不是晶体时，可利用晶体具有固定的熔点这一特性来进行判断。当然，最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验加以区分。例如，将单一波长的X射线分别通过晶体SiO2和非晶体SiO2时，晶体SiO2能使X射线产生衍射，而非晶体SiO2没有周期性结构，不能使X射线产生衍射，只有散射效应。非晶态二氧化硅与晶态二氧化硅X衍射图谱对比如下图所示。(1)晶体有规则的几何外形，但有规则几何外形的不一定是
7、晶体。如玻璃、塑料等相关制品。(2)同一物质有时是晶体，有时也是非晶体。如晶体SiO2和非晶体SiO2。1.(1)晶体为什么有自范性？(2)晶体一定是固体，固体一定是晶体吗？【点拨】(1)晶体具有自范性的本质原因是：晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列 。(2)晶体一定是固体，但固体不一定是晶体，如玻璃、橡胶等都是非晶体(又称玻璃体)，不属于晶体。2晶体有固定的熔点，而玻璃不具有固定的熔点，其属于非晶体，所以晶体与非晶体的本质区别是有没有固定的熔点。这句话正确吗？【点拨】不正确，晶体与非晶体的本质区别在于构成固体的粒子在微观空间里是否呈现周期性的有序排列，有无固定熔点只是其结构的外在性质
8、表现。观察教科书中玻璃的结构示意图可知，构成玻璃的粒子无周期性的排列，即排列是无序的，所以玻璃是非晶体。【例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【提示】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。【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
9、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。故选C。【答案】C下列物质中，属于晶体的是CDF，具有固定的熔点的是CDF。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)在空间按一定规律作周期性重复排列构成的固体物质，如食盐、冰、金属、水晶等都是晶体；非晶体是内部原子或分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。晶体有固定的熔沸点，非晶体无固定的熔沸点，据此可作出选择。知识点二均摊法计算晶胞中粒子的个数1晶胞晶胞是构成宏观晶体的基石，也是连接宏观晶体与微观原子之间的桥梁。晶胞是晶体微观
10、结构的基本单元，要研究晶体，必须先了解晶胞。在观察晶胞图时，切记晶胞只是晶体微观空间里的一个基本单元，在它的上、下、左、右、前、后“无隙并置”地排列着无数晶胞，而且所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数以及几何排列都是完全相同的。2均摊法(1)均摊法：指每个晶胞平均拥有的粒子数目。如某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。(2)中学中常见的晶胞为立方晶胞，原子在立方晶胞的顶角、棱、面上以及晶胞内时，一个晶胞平均占有的原子如下图所示。立方晶胞中粒子数的计算方法如下：如图所示的NaCl晶胞中，Na占据立方体的体心和12条棱的中心，Cl占据立方体的顶点和面心，则Na在晶胞中的数目为：121
11、14(个)，Cl在晶胞中的数目为：864(个)。因此，在NaCl晶胞中Na个数与Cl个数比为11，故NaCl晶体的化学式为NaCl。(3)非长方体(正方体)晶胞中粒子视具体情况而定，如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1个碳原子)被三个六边形共有，每个六边形占。(4)六棱柱晶胞处于顶点的微粒，同时为6个晶胞所共有，每个晶胞占有该微粒的；处于侧棱上的微粒，同时为3个晶胞所共有，每个晶胞占有该微粒的；处于底棱上的微粒，同时为4个晶胞所共有，每个晶胞占有该微粒的；处于面上的微粒，同时为2个晶胞所共有，每个晶胞占有该微粒的；处于晶胞内部的微粒，则完全属于该晶胞。(1)晶体的晶胞不一定只是一个小
12、立方体。例如食盐晶体的晶胞是由8个小立方体构成的大立方体。(2)晶胞中粒子个数的计算，要正确分析晶胞中任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共用。(3)对于独立原子构成的分子则不能用均摊法。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.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？【点拨】不表示，只表示每个晶胞中各类微粒的最简整数比。2晶胞是晶体的最小重复单位，也是物质最
13、基本的构成微粒吗？【点拨】不是，物质最基本的构成微粒可以看成原子、分子、离子或原子团。不同晶胞中所含微粒的种类、个数不同。并且根据粒子种类和作用力类型，把晶体分为：分子晶体、原子晶体、金属晶体、离子晶体四类。【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。【提示】【解析】(1)Xn位于晶胞的棱上，其数目为123个，N3位于晶胞的顶角，其数目为81个，故其个数比为31；(2)由晶体的化学式X3N知X
14、所带电荷为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)31(2)1(3)29(4)6某晶体的晶胞结构如图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的体心。晶体中每个Y同时吸引着4个X，每个X同时吸引着8个Y，该晶体的化学式为XY2(或Y2X)。解析：晶胞中的微粒，根据其在晶胞中的位置分为4种：体心上的微粒完全属于该晶胞；面心上的微粒有属于该晶胞；棱上的微粒有属于该晶胞；顶点上的微粒有属于该晶胞。本题中X位于顶点，则属于该晶胞的X的个数为4，Y位于体心，完全属于该晶胞，故属于该晶胞的
15、Y的个数为1，因此该晶体的化学式为XY2(或Y2X)。1关于晶体的自范性，下列叙述正确的是(B)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。故选B。2下列说法错误的是(B)A同一物质有时可以是晶体，有时可以是非晶体
16、B区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是确定有没有固定的熔点C雪花是水蒸气凝华得到的晶体D溶质从溶液中析出可以得到晶体解析：本题考查晶体获得的途径及区别晶体和非晶体的方法。A项，如晶态SiO2和非晶态SiO2，正确；B项，最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验，错误。3下列过程中得到的物质不是晶体的是(D)A降低NaCl饱和溶液的温度所得到的固体B气态碘直接冷却生成固态碘C熔融的KNO3冷却后所得的固体D将液态的塑料冷却后所得的固体解析：制取晶体有三条途径：溶质从溶液中析出；气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)；熔融态物质凝固。D项中塑料属于非晶体；A项中得到的食盐粉末用肉眼看不到晶体外形，但
17、在光学显微镜或电子显微镜下可观察到其规则的晶体外形。4从晶体与非晶体的角度分析，普通玻璃和水晶的根本区别是(B)A外形不一样B普通玻璃的基本构成粒子无序排列，水晶的基本构成粒子呈周期性有序排列C水晶有固定的熔点，普通玻璃无固定的熔点D水晶可用于能量转换，普通玻璃不能用于能量转换解析：水晶是晶体，普通玻璃是非晶体。晶体和非晶体的本质区别是粒子在三维空间里是否呈周期性有序排列。5某晶体的一部分如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是(B)A394 B142C294 D384解析：本题考查的是晶胞中微粒数的计算。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，
18、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632；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21142。故正确答案为B。6如图所示为某晶体的一个晶胞，该晶体由A、B、C三种基本粒子组成，试根据图示判断该晶体的化学式为(C)AA6B8C BA2B4CCA3BC DA3B4C解析：本题考查由晶胞拥有的微粒数来确定化学式的方法，用均摊法求出三种基本粒子的个数，从而求出A、B、C的个数比。晶胞中有A原子：63个，B原子：81个，C原子：1个。故该晶体的化学式为A3BC。故正确答案为C。7科学
19、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(C)A11 B21C31 D41解析：根据均摊法可知，该晶胞中K的个数为266，C60的个数为182，所以该物质中K和C60的个数之比为6231。8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YBa2Cu3O7。(2)该物质中Cu2与Cu3的个数比为21。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)883，N(Ba)2，N(Y)1，N(O)1287。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)21。