1、第三章 晶体结构与性质 第一节 晶体的常识 一、晶体与非晶体 1.晶体与非晶体的区别:必备知识自主学习 自范性微观结构晶体_(能自发呈现多面体外形)原子在三维空间里呈周期 性_非晶体_(不能自发呈现多面体外形)原子排列_有 有序排列 没有 相对无序 2.获得晶体的途径:(1)_物质凝固。(2)_物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。(3)_从溶液中析出。3.晶体的特点:(1)自范性。定义:晶体能_呈现多面体外形的性质。形成条件:晶体生长的_适当。本质原因:晶体中粒子在微观空间里呈现_的有序排列。熔融态 气态 溶质 自发地 速率 周期性(2)各向异性:许多物理性质(如_、_、_等)常常会表现出 各向
2、异性。(3)熔点:_(填“有”或“没有”)固定的熔点。(4)外形和内部质点排列的高度_。4.区分晶体和非晶体的方法: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科学的方法对固体进行X-射线衍射实验强度 导热性 光学性质 有 有序性【自主探索】(1)有固定组成的物质一定是晶体吗?举例说明。提示:具有固定组成的物质不一定是晶体,如某些无定形体也有固定的组成,属于非晶体,如无定形SiO2。(2)分别将SiO2晶体和普通玻璃加热至熔化,各有什么现象?该现象说明晶体、非晶体的哪种性质?提示:加热晶体SiO2,温度达到熔点时开始熔化,在全部熔化以前,继续加热,温度基本不变,完全熔化后,温度才开始
3、升高,故晶体有固定熔点。而加热普通玻璃时,温度升高到一定程度后开始软化,流动性增强,最后变为液体,从软化到完全熔化,中间经过较大的温度范围,所以非晶体无固定的熔点。(3)判断下列说法是否正确。固态物质一定是晶体。()提示:。固态物质分为晶体和非晶体,有规则几何外形、有各向异性和固定熔点的固体才是晶体。冰和固体碘晶体中相互作用力相同。()提示:。冰中除范德华力外,还含有氢键,碘晶体中只有范德华力。具有规则几何外形的固体一定是晶体。()提示:。非晶体也可能有规则几何外形,如玻璃,故有规则几何外形的固体不一定是晶体。二、晶胞 1.概念:描述晶体结构的_。2.结构:晶胞一般都是_,晶体是由无数晶胞_而
4、成。(1)无隙:相邻晶胞之间无_。(2)并置:所有晶胞都是_排列的,取向_。(3)所有晶胞的_及其内部的原子_、_及几何排列是完全相同的。基本单元 平行六面体 无隙并置 任何间隙 平行 相同 形状 种类 个数 3.晶胞中粒子数的计算:例如金属铜的一个晶胞的原子数为_。18128 +6 =4【自主探索】(1)晶胞是否全是平行六面体?提示:不一定,如有的晶胞呈六棱柱形。(2)由晶胞构成的晶体,其化学式表示一个分子中原子的数目吗?提示:化学式只表示每个晶胞中各类原子的最简整数比。(3)如图为离子晶体空间构型示意图:(阳离子,阴离子)以M代表阳离子,以N表示阴离子,写出各离子晶体的组成表达式:A_、B
5、_、C_。MN MN3 MN2 提示:在A中,含M、N的个数相等,故组成为MN;在B中,含M:4+1=(个),含 N:4+2+4 (个),MN=13;在C中含M:4=(个),含N 为1个,MN=12。18321219823 92 21812关键能力合作学习 知识点一 晶体与非晶体的比较 比较晶体非晶体结构特征结构粒子周期性有序排列结构粒子无序排列性质 特征自范性有无熔点固定不固定异同表现各向异性各向同性二者区 别方法间接方法:测定其是否有固定的熔点科学方法:对固体进行X-射线衍射实验【易错提醒】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。
6、(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。【合作探究】(1)(思维升华)晶体的各向异性和对称性是相互矛盾的吗?(宏观辨识与微观探析)提示:不矛盾。晶体的各向异性取决于微观粒子的排列具有特定的方向性,而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。(2)(思维升华)晶体内部的微粒一定按一定规律呈周期性的排列吗?提示:晶体内部的粒子一定按一定规律呈周期性的排列,而非晶体中的粒子排列是无规则的。
7、(3)(思维升华)缺角的NaCl晶体在饱和NaCl溶液中能否慢慢变为完美的立方体块?(证据推理与模型认知)提示:能。NaCl从溶液中析出,可形成NaCl晶体。【典例示范】【典例】(2020成都高二检测)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.粉末状的固体一定不是晶体【解题指南】解答本题需要注意理解以下两个方面:(1)晶体与非晶体的特征。(2)晶体与非晶体的判断方法。【解析】选C。有些人工加工而成的固体也具有规则的几何外形,但不是晶体,如玻璃制品,A项错误;晶体与非晶体的根本区别在于其
8、内部微粒是否呈周期性有序排列,晶体所具有的规则几何外形、各向异性和特定的对称性都是其内部粒子规律性排列的外部反映,B项错误;具有各向异性的固体一定是晶体,非晶体不具有各向异性,C项正确;不管固体的颗粒大小如何,只要其组成粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列就属于晶体,D项错误。【母题追问】(1)区分晶体与非晶体的最可靠方法是什么?提示:对固体进行X-射线衍射实验。(2)若将D项改为“将晶体研碎为粉末状即变为非晶体”,正确吗?提示:不正确。晶体研碎为粉末状并没有改变晶体的结构排列。【素养训练】1.(2020锦州高二检测)下列说法错误的是()A.同一物质有时可以是晶体,有时可以是非晶体 B.区分晶
9、体和非晶体最可靠的科学方法是确定有没有固定熔点 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】选B。A项正确,如晶态SiO2和非晶态SiO2;B项错误,最可靠的科学方法是对固体进行X-射线衍射实验。2.(2020昆明高二检测)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【解析】选B。A选项,将饱和CuSO4溶液降温,可析出胆矾,胆矾属于晶体;B选项,一般宝石的硬度较大,玻璃制品的硬度较小,可
10、以根据有无划痕来鉴别;C选项,非晶体没有固定的熔点;D选项,由于晶体的各向异性导致蓝宝石在不同方向上的硬度存在差异。3.(2020成都高二检测)不能够支持石墨是晶体这一事实的选项是()A.石墨和金刚石是同素异形体 B.石墨中的碳原子呈周期性有序排列 C.石墨的熔点为3 625 D.在石墨的X-射线衍射图谱上有明锐的谱线【解析】选A。石墨与金刚石互为同素异形体,与是否是晶体没有关系,如无定形碳也是金刚石和石墨的同素异形体,但它属于非晶体,所以不能说明石墨是晶体,故A符合题意;石墨中的碳原子呈周期性有序排列,符合晶体的有序排列规则,可以说明石墨是晶体,故B不符合题意;石墨的熔点为3 625,符合晶
11、体有固定的熔点的特征,可以说明石墨是晶体,故C不符合题意;在石墨的X-射线衍射图谱上有明锐的谱线,符合晶体的X-射线衍射图谱上有分立的斑点或谱线的特征,可以说明石墨是晶体,故D不符合题意。【补偿训练】1.(2020武汉高二检测)下列过程所得不是晶体的是()A.将NaCl饱和溶液降温,所得到的固体 B.气态H2O冷却为液态,然后再降温形成的固体 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【解析】选D。得到晶体的三条途径:溶质从溶液中析出,气态物质凝华,熔融态物质的凝固。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。2.(2020资阳高二检测)关于晶体的下
12、列说法中正确的是()A.溶质从溶液中析出是得到晶体的三条途径之一 B.区别晶体和非晶体最好的方法是观察是否有规则的几何外形 C.水晶在不同方向上的硬度、导热性、导电性相同 D.只有无色透明的固体才是晶体【解析】选A。获得晶体的方法有熔融态物质凝固、气态物质凝华、溶质从溶液中结晶析出,因此溶质从溶液中析出是得到晶体的三条途径之一,A正确;区别晶体和非晶体最好的方法是对固体进行X-射线衍射实验,而不是通过观察是否有规则的几何外形,B错误;水晶是晶体SiO2,其物理性质常表现出各向异性,如在不同方向上的硬度、导热性、导电性不相同,C错误;晶体不一定是无色透明的,如CuSO45H2O,无色透明的也不一
13、定是晶体,如玻璃属于玻璃体物质,D错误。知识点二“均摊法”突破晶胞组成的计算 1.原则 晶胞任意位置上的一个原子如果被n个晶胞所共有,那么,每个晶胞对这个原子 分得的份额就是 。1n2.方法(1)长方体(包括正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算:(2)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,其顶角(1个碳原子)被三个六边形共有,每个六边形占该粒子的1/3。【易错提醒】(1)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。(2)根据均摊法计算出1个晶胞中各原子个数的最简整数比可确定该物质的化学式。(3)对于独立原子构成的分子,其
14、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。【合作探究】(1)(思维升华)某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。晶胞中铜原子与镍原子的数量比为_。(证据推理与模型认知)提示:31。Cu原子位于面心,个数为6 =3,Ni原子位于顶点,个数为8 =1,铜原子与镍原子的数目比为31。1218(2)任何晶胞中,位于顶点上的粒子,一定被8个晶胞共有吗?提示:不一
15、定。长方体(包括立方体)晶胞中位于顶点上的粒子同为8个晶胞共有,而六棱柱晶胞中,顶点上的粒子被6个晶胞共有。(3)(思维升华)晶体微粒与M、之间如何换算?(宏观辨识与微观探析)提示:若一个晶胞中含x个微粒,则1 mol晶胞中含有x mol微粒,其质量为x M g(M为微粒的相对质量)。1个晶胞质量为 a3(a3为晶胞的体积,为晶胞密度)。则1 mol晶胞质量为 a3NA g,故xM=a3NA。【典例示范】【典例】(1)元素铜的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示,该氯化物的化学式是_。(2)利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷,如图为其晶胞结构示意图,则每个晶胞中含有B原子的个数为_,
16、该功能陶瓷的化学式为_。(3)某晶体结构模型如图所示。该晶体的化学式是_,在晶体中1个Ti原子、1个Co原子周围距离最近的O原子数目分别为_个、_个。（4）(2020天津等级考)CoO的面心立方晶胞如图所示。设阿伏加德罗常数的值为NA，则CoO晶体的密度为_gcm-3。三种元素二价氧化物的晶胞类型相同，其熔点由高到低的顺序为_。【解题指南】解答本题时要注意以下两点:(1)准确判断晶胞中不同粒子所处的位置。(2)正确应用“均摊法”计算并确定晶胞的组成。【解析】(1)晶胞中灰球代表的微粒有4个,白球代表的微粒有6 +8 =4个,所以化学式为CuCl。(2)每个氮化硼晶胞中白球表示的原子个数为8 +
17、1=2,灰球表示的原子个数 为1+4 =2,所以每个晶胞中含有N原子和B原子各2个;N的电负性大于B,所以 该陶瓷的化学式为BN。12181418(3)晶胞中含有O:6 =3个,含Co:8 =1个,含Ti:1个,故化学式为CoTiO3。Ti原子位于晶胞的中心,其周围距离最近的O原子位于6个面的中心,所以周围距 离最近的O原子数目为6个;Co原子位于晶胞的顶点,O原子位于晶胞的面心,所以 Co原子周围距离最近的O原子数目为12个。1218(4)该晶胞中Co2+个数为12+14，O2个数为8 +6 4，晶胞质量为 晶胞体积为(a107 cm)3，故晶体的密度为 (a 107cm)3 gcm-3。三
18、种元素二价氧化物均为离子晶体，由于离子半 径：Fe2+Co2+Ni2+，则晶格能：NiOCoOFeO，故熔点：NiOCoOFeO。答案:(1)CuCl (2)2 BN (3)CoTiO3 6 12(4)NiOCoOFeO 141812AA59 164300 g gNN，A300N233A3 10Na233A3 10Na【规律方法】解答晶体结构计算，关键是对晶体进行晶胞组成和空间关系两种 分析。计算方法为以一个晶胞为研究对象，根据m V，其一般的计算规律 和公式可表示为 n a3，其中M为晶体的摩尔质量，n为晶胞所占有的 粒子数，NA为阿伏加德罗常数，为晶体密度，a为晶胞参数。AMN【素养训练】
19、1.(2020衡水高二检测)已知某晶体晶胞如图所示,则该晶体的化学式为()A.XYZ B.X2Y4Z C.XY4Z D.X4Y2Z【解析】选C。该晶体的晶胞是正方体形晶胞。该晶胞拥有的X原子数为8 =1;Y原子位于该晶胞内,共有4个;Z只有1个,位于晶胞的体心上,故该晶体的化 学式为XY4Z。182.(2020忻州高二检测)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()【解析】选B。确定了晶胞中原子或离子的数目比,就确定了晶体的化学式。确 定晶胞中粒子的数目比,关键是利用“均摊法”确定顶角、棱上、面上、内部 的一个粒子为几个晶
20、胞所共用。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 )=11,化学式为XY,错误;C项中X的数 目:4 +1=,Y的数目:4 ,化学式为X3Y,正确;D项中X的数目:8 =1,Y的数目:6 =3,Z位于体心,数目为1,化学式为XY3Z,正确。181832118218123.(2020福州高二检测)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,则这种纳米颗粒的表面粒子数与总粒子数的比值为 ()A.78 B.1314 C.11 D.2627【解析】选D。由题意知一
21、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。【补偿训练】1.某离子晶体的晶体结构中最小重复单元如图所示:A为阴离子,在正方体内,B 为阳离子,分别在顶点和面心,则该晶体的化学式为()A.B2A B.BA2 C.B7A4 D.B4A7【解析】选B。根据均摊原则,A在正方体内,晶胞中的8个A离子完全被这1个晶 胞占用;B分别在顶点和面心,顶点上的离子被1个晶胞占用 ,面心上的离子被 1个晶胞占用 ,故1个晶胞实际占用的B离子为8 +6 =4,则该晶体的 化学式为BA2,B 正确。181218122.(2020西安高二检测
22、)如图为甲、乙、丙三种晶体部分结构:试写出:(1)甲晶体化学式(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周围结合E的个数是_个。【解析】顶角微粒在立方体中实占 ,立方体面上微粒实占 ,立方体棱边上 微粒实占 ,立方体内部微粒按有1算1统计。(1)甲中X位于立方体体心,算作 1,Y位于立方体顶角,实际占有 4=,XY(个数比)=1 =21,所以甲 的化学式为X2Y。(2)乙中A占有 8=1,B占有 6=3,C占有1,由此推出ABC(个数比)=131。(3)丙中每个D周围的E的个数与每个E周 围D的个数相同,每个E周围有8个D,所以每个D周围有8个E。答
23、案:(1)X2Y(2)131(3)8 1412181812121812【课堂小结】【三言两语话重点】1.晶体原子在三维空间里呈周期性有序排列,而非晶体原子排列相对无序。2.有关晶体的3个“三”(1)获得晶体的“三途径”:熔融态物质凝固、凝华、溶质从溶液中析出。(2)晶体的“三特征”:自范性、各向异性和有固定熔点。(3)区别晶体与非晶体的“三方法”:是否有固定的熔点、是否有自范性、X-射线衍射实验。3.确定晶胞中微粒数目的方法“均摊法”。课堂检测素养达标 1.(2020南宁高二检测)普通玻璃和水晶的根本区别在于()A.外形不一样 B.普通玻璃的基本构成微粒无规则排列,水晶的基本构成微粒按一定规律
24、作周期性重复排列 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】选B。普通玻璃为非晶体,水晶为晶体,它们的根本区别在于内部微粒是否按一定规律作周期性重复排列。两种物质在性质上的差异正是其内部结构不同的体现。【补偿训练】(2020衢州高二检测)晶体与非晶体的本质区别是()A.晶体具有各向异性,而非晶体具有各向同性 B.晶体具有自范性,而非晶体没有自范性 C.晶体具有固定的熔、沸点,而非晶体没有固定的熔、沸点 D.晶体能使X-射线产生衍射,而非晶体则不能【解析】选B。晶体与非晶体的性质差异是二者本质区别的外在表现。晶体具有自范性(本质),而晶体
25、的性质是有固定的熔、沸点,能使X-射线产生衍射等。2.(2020衡水高二检测)下列叙述正确的是()A.固体SiO2一定是晶体 B.晶体有固定的组成,非晶体没有固定的组成 C.晶体内部的微粒按一定规律呈周期性有序排列 D.冰和固体碘晶体中相互作用力相同【解析】选C。SiO2其存在形态有结晶形和无定形两大类,即SiO2也有非晶体,A错误;纯净物都有固定的组成,纯净物包括晶体和非晶体,B错误;晶体内部的微粒按一定规律呈周期性有序排列,C正确;冰晶体中存在氢键和范德华力,碘晶体中只有范德华力,相互作用力不相同,D错误。3.(2020贵阳高二检测)下列有关晶胞的说法正确的是()A.晶胞是晶体中最小的结构
26、单元 B.晶胞中所有的粒子都为几个晶胞共用 C.晶胞均为长方体 D.不同晶体的晶胞不一定相同【解析】选D。晶胞是晶体的最小重复单元,但不一定是最小结构单元;B项晶胞中有些粒子为晶胞独自拥有;C项晶胞多数为平行六面体,不一定为长方体。4.(2020双鸭山高二检测)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165 K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【解析】选C。玻璃态
27、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。5.(2020南京高二检测)如图所示,在较高温度时,钾、氧两种元素形成的一种 晶体结构与NaCl晶体结构相似,则该化合物的化学式为()A.K2O B.K2O2 C.K2O3 D.KO2【解析】选D。K+的个数:8 +6 =4;的个数:12 +1=4,故其比值 为11,应选D。1812142O6.(2020成都高二检测)某晶体的晶胞为如图所示的正三棱柱,该晶体中X、Y、Z三种粒子数之比是()A.394 B.142 C.294 D.384【解析】选B。解答此题的
28、关键是正确分析顶角及棱上的粒子被几个结构单元 共用。题图中不是一个平行六面体晶胞,而是一个正三棱柱结构的晶胞,它分摊 到的粒子为顶角粒子的 ,水平棱上粒子的 ,竖直棱上粒子的 及内部的 所有粒子,X都在顶角,6个Y在水平棱上,3个Y在竖直棱上,Z位于内部,所以X、Y、Z三种粒子数之比为(6 )(6 +3 )1=142。112141611214167.(2020绵阳高二检测)测知氯化钠晶体中相邻的Na+与Cl-的距离为a cm,该晶体密度为d gcm-3,则阿伏加德罗常数可表示为()33330.58558.558.5117A.B.C.D.4a d8a d2a da d【解析】选C。一个NaCl的
29、晶胞中所包含的Na+与Cl-数目并不是1个而是4个,即 1个NaCl晶胞的体积实际上是4个Na+和4个Cl-共同所占的体积。由NaCl晶胞示意 图可知1个Na+与1个Cl-共同占有的体积为V=(2a cm)3=2a3 cm3,由等式 NAdV=58.5可得NA=。14358.52a d8.现由甲、乙、丙(如图所示)三种晶体的晶胞(甲中X处于晶胞的中心,乙中A处于晶胞的中心)可推知,甲晶体中X与Y的个数比是_,乙中A与B的个数比是_,丙晶胞中有_个C离子,有_个D离子。【解析】本题考查晶胞中微粒个数的计算方法,用均摊法计算晶胞中拥有的每 一种粒子的个数。根据均摊规律,甲中,体心X占有的个数为1,
30、顶点Y占有的个数 为6 ,所以N(X)N(Y)=1 =43;乙中,N(A)N(B)=1 =11;丙中,C离子的个数为12 +1=4,D离子的个数为8 +6 =4。答案:43 11 4 4 18681412181(8)89.(2019全国卷节选)图(a)是MgCu2的拉维斯结构,Mg以金刚石方式堆积,八面体空隙和半数的四面体空隙中,填入以四面体方式排列的Cu。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见,Cu原子之间最短距离x=_pm,Mg原子之间最短距离y=_pm。设阿伏加德罗常数的值为NA,则MgCu2的密度是_gcm-3(列出计算表达式)。【解析】根据晶胞结构可知Cu原子之间最短距离为面对角线的 ,由于边长是 a pm,则面对角线是 a pm,则x=a pm;Mg原子之间最短距离为体对角线 的 ,由于边长是a pm,则体对角线是 a pm,则y=a;根据晶胞结构可知 晶胞中含有镁原子的个数是8 +6 +4=8,则Cu原子个数为16,晶胞的质 量是 g。由于边长是a pm,则MgCu2的密度是 gcm-3。答案:a a 14224143341218A8 24 16 64N330A8 24 16 64N a102434330A8 24 16 64N a10