3.1物质的聚集状态与晶体的常识 课件(共47张PPT) 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修2

(共47张PPT)
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
日常生活中所接触到的物质有哪些状态呢？
钻石
松香
塑料
玻璃
固态：
流水
液态：
氧气
气态：
极光
雷电
那么雷电和极光里的物质又是什么状态的呢？
【问题情境】
物质的七种形态
物质的形态：气态、液态、固态、等离子态、超固态、辐射场态、反物质
一、物质的聚集状态
1、物质的组成
20世纪前，人们认为物质是由分子构成。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。
氯化钠
Na+和Cl-离子
金刚石
碳原子构成
硫单质
S8分子
——分子、原子、离子、电子等
等离子体
电子、阳离子和电中性粒子
2、物质的聚集状态
物质的聚集状态
气态
固态
液态
超固态
塑晶态
液晶态
反物质
晶态
非晶态
辐射场态
等离子态
(1)常温下大部分的气态和液态物质如CO2、H2O等是由分子组成的。
特例：①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。
②离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液态物质。熔融盐也存在离子。
(2)固态物质：
氯化钠、氟化钙是由阳离子和阴离子组成的;金刚石、二氧化硅等是由原子构成；
单质硫、白磷等则是由分子构成。
气态物质在高温或者在外加电场激发下，分子发生分解，产生电子和阳离子等。这种由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的物质聚集体称为等离子体。
(1)概念：
等离子体是一种特殊的气体
(2)等离子体存在于我们周围
日光灯和霓虹灯的灯管里
蜡烛的火焰里
极光和雷电里
1. 等离子体
【科学 技术 社会】
等离子体显示器 化学合成 核聚变
含有带电粒子且能自由运动，具有良好的导电性和流动性
(3)等离子体特性和用途
介于液态和晶态之间的物质状态
(1)概念：
(2)分类
热致液晶（从熔点至澄清点温度范围内的物质状态）如图
溶致液晶（从溶液中获取的液晶即胶束等）
固体
液体
液晶的温度范围
液晶
T1(熔点)
T2(澄清点)
温度逐渐升高
(3)特点
既具有液体的流动性、黏度、形变性等，又具有晶体的导热性、光学性质等。表现出类似晶体的各向异性。
2. 液晶
【科学 技术 社会】
(5)应用
①手机、电脑和电视的液晶显示器。由于施加电场可使液晶的长轴取向发生不同程度的改变，从而显示数字、文字或图像。
(4)结构
实用液晶常温下十分稳定，其中热致液晶均为刚性棒状强极性（或易于极化的）分子。其分子有取向序，长轴取向一致，但无位置序，分子可滑动（如图）。还有平板状、盘状、叶状分子等液晶。
②合成高强度液晶纤维已广泛应用于飞机、火箭、坦克、舰船、防弹衣、防弹头盔等。
绝大多数常见的固体是晶体
蜡状的白磷（P4）
黄色的硫黄(S8)
紫黑色的碘（I2）
蓝色的硫酸铜
（CuSO4·5H2O）
玻璃又称玻璃体
炭黑又称无定形体
二、晶体与非晶体
只有如玻璃、炭黑之类的物质属于非晶体
自范性 微观结构
晶体 有(能自发呈现多面体外形) 原子在三维空间里呈
周期性有序排列
非晶体 没有(不能自发呈现多面体外形) 原子排列相对无序
晶体中粒子排列的周期性是指一定方向上每隔一定距离就重复出现的排列，粒子排列的周期性导致晶体呈现规则的几何外形。
晶体：内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性排列而构成的具有规则几何外形的固体。
非晶体：内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈相对无序排列而构成的不具有规则几何外形的固体。
1、晶体与非晶体的本质差异
从熔融态结晶出来的硫晶体
凝华得到的碘晶体
从饱和硫酸铜溶液中得到的硫酸铜晶体
固态
液态
气态
凝固
凝华
融化
升华
气化
液化
(放热)
(放热)
(放热)
(吸热)
(吸热)
(吸热)
2、得到晶体的途径
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。
【实验3-1】
实验现象：
(3)有白色细小晶体析出。
注意：
(1)硫黄粉末用量不宜太少，加热时间不宜过长，硫熔融即可停止加热，以防硫燃烧。
(2)表面皿的大小要合适，以减少碘蒸气道逸出，也可用烧瓶代替。该实验是分离碘的方法之一。
(3)虽然NaCl易溶于水，但在饱和溶液中也存在沉淀溶解平衡。滴入浓盐酸，使平衡发生移动，有利于NaCl析出。
【实验探究】
(1)硫加热融化，自然冷却结晶后，得到黄色晶体。
(2)固体直接变成紫色蒸气，蒸气遇冷又重新凝聚成紫黑色的固体。
许多固体粉末用肉眼看不到晶体外形，但在光学显微镜或电子显微镜下可观察到规则的晶体外形。这充分证明固体粉末仍是晶体，只因晶粒太小，肉眼看不到而已。
制备晶体的三种途径都可制得有重要价值的大晶体
熔融态硅制备的“拉单晶”
KH2PO4 的水溶液结晶
气相沉积得CVD
【资料卡片】
(1)晶体的自范性
①概念：
晶体的自范性即晶体能自发地呈现多面体外形的性质。
②晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当。
天然水晶球里的玛瑙和水晶
玛瑙
水晶
天然水晶球是熔融态SiO2侵入地壳内的空洞冷却形成的
玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成——没有规则外形
水晶是熔融态SiO2缓慢冷却形成——有规则外形
3、晶体的性质
③本质
晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。
非晶体粒子的排列则相对无序，因而无自范性
图3-6 晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图
晶体在不同方向上表现出不同的物理性质，称为晶体的各向异性，包括晶体的强度、光学性质、导电性、导热性等物理性质。
(2)晶体的各向异性
石墨在与层平行的方向导电率约为在与层垂直方向上导电率的1万倍
分别用红热的铁丝接触蜡面中央
表面涂蜡的玻璃
表面涂蜡的云母
各方向不均匀导热
各方向均匀导热
内部质点的有序排列
晶体的各向异性
决定
反映
微观本质
微观现象
反映在步冷曲线上出现平台, 而非晶体没有固定的熔点，反映在步冷曲线上不会出现平台。
t/min
T/K
t/min
T/K
晶体步冷曲线
非晶体步冷曲线
(3)晶体具有固定的熔点
(2)X射线衍射实验
最可靠的科学方法
(1)测熔点
晶体有固定熔点，非晶体没有固定熔点
晶态SiO2
非晶态SiO2
衍射
散射效应
4、区别晶体与非晶体
(1)图 3-7 是某同学找到的一张玻璃结构的示意图，根据这张图判断玻璃是不是晶体。为什么？
玻璃中的粒子无周期性地排列，是无序的。所以，玻璃不是晶体。
(2)根据晶体物理性质各向异性的特点，能鉴别用玻璃仿造的假宝石。请你列举一些可能有效的方法鉴别假宝石？
a.观察宝石的形状，具有多面体的外形；b.测试它的硬度，在玻璃上刻画；c.利用宝石的折光率鉴别；d.可进行X射线衍射实验鉴别。
【思考与讨论】
④晶体不一定都有规则的几何外形
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。
特别提醒：
总结：晶体和非晶体
固体 外观 微观结构 自范性 各向异性 熔点
晶体
非晶体
本质区别 具有规则的几何外形
有
没有
粒子在三维空间周期性有序排列
各向异性
固定
微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序排列
各向同性
不固定
粒子排列相对无序
不具有规则的几何外形
怎样描述晶体中的微粒在空间的排列规律？
氯化钠晶体结构
铜晶体结构
晶体：内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性排列而构成的具有规则几何外形的固体。
金刚石结构
【回顾设问】
1、概念
描述晶体结构的基本单元叫晶胞。
铜晶胞
铜晶体结构
晶胞是晶体中最小的结构重复单元。
三、晶胞
2、 晶体和晶胞的关系
一般来说，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”是相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)“并置”是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。
平行六面体
无隙并置
晶胞
平行六面体
8个顶角相同
3套各2个平行面分别相同
3套各4根平行棱分别相同
金刚石晶胞
CO2晶胞
NaCl晶胞
铜晶胞
Na＋
Cl－
分析以下几种晶胞，总结平行六面体晶胞满足的条件
【分析讨论】
【课堂练习1】
判断下列六面体是否是晶胞？
A图中的晶体结构满足
晶胞的特点，是晶胞。
B图中的晶体结构，不满足晶胞“8个顶角相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。
C图中的晶体结构，不满足晶胞“三套各4根平行棱分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。
D图中的晶体结构，不满足“三套各两个平行面分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。
3、晶胞中粒子个数的计算—— 均摊法
讨论：我们能计算出这个铜晶胞平均含有的铜原子数目吗？
每个顶点: 1/8
每个面心: 1/2
金属铜一个晶胞的铜原子数：8×1/8+6×1/2=4
铜晶胞中含有8个顶点、6个面心
1
2
4
3
7
6
8
5
1
2
2
1
3
4
1
体心：1
面心：1/2
顶点：1/8
棱边：1/4
【课堂练习2】请计算出NaCl晶胞Na+和Cl-的个数。
Na+数＝12× +1 ＝4
1
4
1
8
Cl-数＝8× +6 × ＝4
1
2
Na+数: Cl-数=1:1
氯化钠的化学式为NaCl
一个晶胞含4个NaCl
应用：根据晶胞确定化学式。
(1)晶胞有几套平行棱？有几套平行面？
(2)数一数，它们分别平均含有几个原子？
晶胞有三套各4根平行棱，有3套各两个平行面
金属钠（Na） 金属锌（Zn） 碘（I2） 金刚石（C）
【思考与讨论】
晶胞顶角原子为8个晶胞共用，每个晶胞占 1/8
晶胞棱上原子为4个晶胞共用，每个晶胞占 1/4
晶胞面上原子为2个晶胞共用，每个晶胞占 1/2
晶胞内部的原子为1个晶胞独自占有，即为 1
（1）长方体（或正方体）晶胞
位置 顶角 棱上 面上 内部
份额
1/8
1/4
1/2
1
晶胞都是平行六面体吗？
（2）六棱柱（六方）晶胞
位置 顶角 水平棱 竖直棱 面上 内部
份额
1/6
1/4
1/3
1/2
1
顶角：1/6
上、下棱：1/4
侧棱：1/3
面上：1/2
内部：1
（3）三棱柱晶胞
位置 顶角 水平棱 竖直棱 面上 内部
份额
1/12
1/4
1/6
1/2
1
顶点：1/12
侧棱：1/6
内部：1
上下棱：1/4
【课堂练习3】根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：(A表示阳离子)
A
B
化学式：
AB
化学式：
AB2
C
化学式：
ABC3
晶胞1
晶胞2
X：6/12=1/2
Y：6/4+3/6=2
Z：1
Mg：12/6+2/2=3
B:（在体内） 6
【课堂练习4】计算下列晶胞中原子数目，确定化学式。
化学式：X2ZY4
化学式：MgB2
【课堂练习5】科学家发现了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.Ti14C13 B.Ti4C4
C.TiC D.Ti13C14
A
特别注意：气态团簇分子和纳米小颗粒不采用无隙并置方式排列，故不能采用均摊法来确定化学式！
准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。是一种特殊的聚集状态。
准晶具有完全有序的结构,然而又不具有晶体所应有的平移对称性,因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
准晶
银铝准晶体的原子模型
准晶具有独特的属性,坚硬又有弹性、非常平滑,而且与大多数金属不同的是其导电性、导热性很差,因此在日常生活中大有用武之地。
晶体的平面点阵只能有二、三、四、六重轴（重轴n=360/α，α为旋转角度）而准晶可以有五、八、十、十二重轴。
【思考与讨论】
X射线管
铅板
晶体
1、测定晶体结构仪器、方法及原理
X射线衍射原理：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明锐的衍射峰。
最常用的仪器是X射线衍射仪
四、晶体结构的测定
图3－13 单晶衍射图
图3－14 非晶态和晶态SiO2粉末X射线衍射图谱的对比
衍射图
计算获得
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
2、X射线衍射图谱的应用
①X射线衍射实验获得晶胞信息
晶体的周期性结构
衍射图
计算获得
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
结合晶体化学组成的信息推出原子之间的相互关系
②X射线衍射实验获得分子信息
根据原子坐标，可以计算原子间的距离，判断哪些原子之间存在化学键，确定键长和键角，得出分子的空间结构。
乙酸晶体
乙酸晶胞
图3－15乙酸分子的空间结构
1、晶体密度计算公式：
m: 晶胞质量（g），
V：晶胞体积（cm3）
晶体密度的计算
【拓展延伸】
2、晶胞质量m的计算
①选取一个晶胞。
②用“均摊法”确定晶胞（或所截取的结构单元）中所含的原子、分子或离子数目，进而确定组成单质或化合物“粒子”的数目，设为N。
③计算晶胞中所含“粒子”的物质的量： NA：阿伏伽德罗常数
④计算晶胞的质量： M：该微粒的摩尔质量。
3、计算晶胞的体积V
注意：单位换算: 1m=102cm=109nm=1010 =1012pm
【课堂练习6】该晶胞中，若两个距离最近的Na＋核间距为a cm，则晶体的密度ρ = _______ g·cm-3。
Na+
Cl－
晶胞的边长:
b=√2 a cm
晶胞分摊4个NaCl
ρ = =
N · M
b3 · NA
4×58·5
(√2 a)3 ×NA
=
58·5√2
a3 · NA
g·cm－3
4、晶体密度计算公式：
课堂小结
晶胞
概念
计算原子个数—均摊法
特点
结构的测定—X射线衍射实验
晶体
晶胞是晶体中最小的结构重复单元。
整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。
8个顶角相同、3套各4根平行棱分别相同、3套各2个平行面分别相同的最小平行六面体