3.1 认识晶体 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2

3.1 认识晶体
【学习目标】
1.通过生活中常见晶体和非晶体的实例,了解晶体的特征,认识晶体与非晶体的区别。培养宏观辨识与微观探析的核心素养。
2.了解晶体中微粒的空间排布存在周期性,认识简单的晶胞,会用切割法确定晶胞微粒数目及晶体化学式。建立晶体结构认知模型。
【自主预习】
一、晶体的特性
1.晶体与非晶体的概念
固体类型 内部微粒 排列方式
晶体 原子、离子 或分子 内部微粒在空间按一定规律做　　　　构成的固体物质
非晶体 内部微粒无周期性重复排列的固体物质
2.晶体的特性
晶体的特性 具体表现 举例或应用
自范性 在适宜的条件下,晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面体外形 水晶,晶体完好时呈六棱柱状
对称性 由于晶体内部的微粒在空间按照一定规律做周期性重复排列,使晶体在生长过程中依据内部微粒的规则排列形成规则的多面体几何外形,从而具有特定的对称性 规则的食盐晶体具有立方体外形,它既有对称轴也有对称面
各向 异性 在不同的方向上表现出不同的物理性质(如导电性、导热性、膨胀系数、折光率等) 石墨在与层平行的方向上的电导率数值约为在与层垂直的方向上的电导率数值的1万倍
固定的 熔、沸点 加热晶体温度达到熔点时即开始熔化,在没有全部熔化之前,继续加热,温度不再升高,完全熔化后,温度才继续升高 氯化钠、冰等都具有固定的熔、沸点
3.晶体的分类
(1)依据:根据晶体内部微粒的　　　　　　和微粒间　　　　的不同。
(2)类型
晶体类型 构成微粒种类 微粒间的相互作用 实例
　　 阴、阳离子 离子键 NaCl
　　 金属阳离子、自由电子 金属键 Fe
　　 原子 共价键 SiO2晶体
　　 分子(包括单原子分子) 分子间作用力(一定包含范德华力,可能包含氢键) 冰
4.晶体与非晶体的用途
(1)晶体
①把机械能转变成电能;②制作红外夜视仪;③制作电子元件。
(2)非晶体
①某些非晶态合金的强度和硬度比相应晶态合金的强度和硬度高;
②非晶态硅对阳光的吸收系数比单晶硅大,可以有效吸收阳光。
二、晶体结构的基本重复单元——晶胞
1.晶胞的定义
(1)定义:晶体中的微粒呈现可重复的周期性排列,晶体结构中基本的　　　　称为晶胞,晶胞的形状为　　　　。
(2)金属铜和金属镁晶体及其中截取出的晶胞
金属 金属铜及其晶胞 金属镁及其晶胞
图示
结构特点 8个顶点各有1个粒子,6个面的面心各有1个粒子 8个顶点各有1个粒子,体心有1个粒子
2.晶胞与晶体的关系
将一个个晶胞及其中包含的微粒上、下、前、后、左、右并置,就构成了整个晶体结构。因此,知道了晶胞的大小和形状以及晶胞中包含的微粒的　　　　　　、　　　　　　和　　　　　　,就可以了解整个晶体的结构。
3.计算晶胞中微粒数——“切割法”
某晶胞中的微粒,如果被n个晶胞所共有,则微粒的　　　　属于该晶胞。
【参考答案】一、1.周期性重复排列　3.(1)种类　相互作用　(2)离子晶体　金属晶体　共价晶体　分子晶体
二、1.(1)重复单元　平行六面体　2.种类　数目　空间位置　3.
【效果检测】
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)晶体具有各向异性,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)晶胞是晶体结构中最小的重复单元。 (　　)
(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。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)×　(9)√　(10)×
2.晶体一定是固体吗 固体一定是晶体吗
【答案】晶体一定是固体,固体不一定是晶体,如玻璃、橡胶等。
3.晶体的各向异性及对称性是由哪些因素引起的
【答案】晶体内部微粒在空间按照一定规律做周期性重复排列,使晶体具有规则几何外形和对称性;内部微粒在不同方向上排列规律不同是晶体具有各向异性的本质原因。
【合作探究】
任务1：晶体的分类与特征
情境导入　在实验室中,你会见到许多固体。如橙红色的重铬酸钾、紫黑色的碘和高锰酸钾、蓝色的胆矾、黄色的硫黄、白色的碳酸钙、蜡状的白磷等。放眼世界,自然界中绝大多数矿物也都是固体,你是否知道固体有晶体和非晶体之分 对于晶体,你一点也不陌生,盐、金属、宝石、水晶、大部分矿石等都是晶体。那么,究竟什么样的物质才能被称为晶体 晶体与玻璃、橡胶等非晶体有什么不同 晶体为什么具有明显不同于非晶体的特性
问题生成
1.有规则的几何外形的固体一定是晶体吗
【答案】有规则的几何外形或美观、对称外形的固体不一定是晶体。例如,玻璃制品可以加工成规则的几何外形,具有美观对称的外观。
2.有固定组成的物质一定是晶体吗
【答案】具有固定组成的物质不一定是晶体,某些无定形体也有固定的组成,如无定形SiO2。
3.晶体呈现自范性的条件是什么
【答案】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。
【核心归纳】
1.晶体与非晶体的区别
晶体 非晶体
外观 具有规则的几何外形 不具有规则的几何外形
微观结构 微粒在三维空间周期重复排列 微粒排列相对无序
自范性 有 没有
各向异性 各向异性 各向同性
熔点 固定 不固定
能够发生X射线衍射 能 不能
本质区别 微观粒子在三维空间是否呈现周期性重复排列
2.获得晶体的途径
气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华),熔融态物质凝固,溶质从溶液中析出。
【典型例题】
【例1】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,而非晶体不能
【答案】B
【解析】易将晶体与非晶体的本质区别及性质区别混为一谈。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),而晶体的性质是有固定的熔、沸点,能使X射线产生衍射等。
思维引导：　解答有关晶体与非晶体的比较问题的思维流程
【例2】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
【答案】B
【解析】A项,将饱和CuSO4溶液降温可析出胆矾,胆矾属于晶体。B项,宝石的硬度较大,玻璃制品的硬度较小,可以根据有无划痕来鉴别。C项,非晶体没有固定熔点。D项,晶体的各向异性导致蓝宝石在不同方向上的硬度有些差异。
灵犀一点：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。
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。
任务2：晶体结构的基本重复单元——晶胞
情境导入　俄国的费多罗夫、德国的熊富利斯和英国的巴洛三位科学家分别于1890年、1891年和1894年以晶体结构周期性重复单位为基础,推导出描述晶体空间排列的对称性理论——230种空间群。这些思考完全是在不能测定晶体内部结构的情况下产生的,科学和技术的发展后来完全证实了上述理性思考的正确性。
问题生成
1.晶体的“空间点阵结构”中,构成晶体的相邻微粒间是否相切
【答案】是。构成晶体的微粒是“无隙并置”的,故这些相邻微粒间相切。
2.如何理解晶体结构中“周期性重复单位”
【答案】“周期性重复单位”是指晶体中最小的结构单元可以无限重复(答案合理即可)。
3.晶体的化学式表示的意义是什么
【答案】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。
【核心归纳】
1.晶胞
概念 晶体结构中最小的重复单元
形状 常规的晶胞是大小、形状完全相同的平行六面体
类型 六方最密堆积——六方晶胞
面心立方最密堆积——面心立方晶胞
2.均摊法确定晶胞中粒子的个数
均摊法:若某个粒子为n个晶胞所共有,则该粒子的属于这个晶胞。
(1)长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子数的计算:
(2)六棱柱结构中不同位置的粒子数的计算:
【典型例题】
【例3】已知CaF2是离子晶体,如果用“”表示F-;用“”表示Ca2+,下图符合CaF2晶体结构的是(　　)。
【答案】B
【解析】A项,F-数目为4×=,Ca2+数目为1,不符合CaF2的组成;B项,F-数目为1,Ca2+数目为4×=,符合CaF2的组成;C项,F-数目为8×=1,Ca2+数目为1,不符合CaF2的组成;D项,N(Ca2+)∶N(F-)=1∶1,不符合CaF2的组成。
【例4】科学家可视化了某复杂钙钛矿晶体结构系统的三维原子和电子密度结构。如图,以1号原子为坐标原点,晶胞参数为单位长度建立坐标系。下列有关说法错误的是(　　)。
A.该晶体的化学式为CaTiO3
B.Ti原子位于氧原子形成的正八面体中心
C.2号原子的原子分数坐标为(,1,)
D.a为晶胞参数,则2、3号原子间的距离为
【答案】D
【解析】 A项,根据均摊原理可知该晶体的化学式为CaTiO3,正确;B项,Ti位于晶胞的中心,上下底面的氧原子与四个侧面上的氧原子形成正八面体,正确;C项,2号氧原子在侧面的中心,其原子坐标参数为(,1,),正确;2、3号原子间的距离为面对角线的一半,即,错误。
【随堂检测】
1.下列物质不具有各向异性的是(　　)。
A.胆矾　　　B.水晶　　　C.陶瓷　　　D.芒硝
【答案】C
【解析】各向异性是晶体的性质,只有陶瓷是非晶体,不具有各向异性,故C项正确。
2.等离子体的用途十分广泛,运用等离子体切割金属或进行外科手术,其利用了等离子体的特点是(　　)。
A.微粒带有电荷　 B.高能量
C.基本构成微粒多样化　 D.准电中性
【答案】B
【解析】运用等离子体切割金属或进行外科手术,是利用了等离子体具有高能量的特点。
3.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粒子无规则排列,水晶的基本构成粒子按一定规律做周期性重复排列
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
【答案】B
【解析】晶体和非晶体的本质区别就是粒子在微观空间里是否呈现周期性的有序排列。
4.(2021·辽宁卷,改编)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料,其晶胞如图。下列说法错误的是(　　)。
A.S位于元素周期表p区
B.该物质的化学式为H3S
C.S位于H构成的八面体空隙中
D.该晶体中与S原子最近且距离相等的H原子数为8
【答案】D
【解析】S原子的价层电子排布为3s23p4,最后排入的是3p电子,所以S元素位于p区,A项正确;该晶胞中S原子个数=1+8×=2,H原子个数=12×+6×=6,则S、H原子个数之比=2∶6=1∶3,其化学式为H3S,B项正确;以体心上的S原子为例,S原子位于H构成的正八面体空隙中,如图,C项正确;该晶体中与S原子最近且距离相等的H原子数为6,分别在上下、左右、前后,D项错误。
5.(2021·山东卷,节选)XeF2晶体属四方晶系,晶胞参数如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,该晶胞中有　　　　个XeF2分子。以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称为原子的分数坐标,如A点原子的分数坐标为(,,)。已知Xe—F键长为r pm,则B点原子的分数坐标为　　　　;晶胞中A、B间距离d=　　　　pm。
【答案】2　(0,0,)　
【解析】由晶体结构和键合方式可知,大球为Xe原子,小球为F原子,利用均摊法可计算出晶胞中含有2个Xe原子和4个F原子,则晶胞中含有2个XeF2分子。由题图可知,B原子位于z轴的棱上,因Xe—F键长为r pm,且晶胞常数为c pm,则B点原子的分数坐标为(0,0,)。设晶胞位于z轴的中点为C点,则B、C点的距离为(-r) pm,A、C点的距离为a pm。A、B、C三点构成直角三角形,则斜边AB的距离d= pm= pm。
6.(1)铜元素的一种氯化物晶体的晶胞结构如图1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,其晶胞结构示意图如图2,则每个晶胞中含有B原子的个数为　　　　,该功能陶瓷的化学式为　　　　。
(3)某晶体结构模型如图3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　　　　　、　　　　。
【答案】(1)CuCl
(2)2　BN
(3)CoTiO3　6　12
【解析】(1)晶胞中灰球代表的微粒个数为4,白球代表的微粒个数为6×+8×=4,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×+1=2,灰球表示的原子个数为1+4×=2,所以每个晶胞中含有的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。
(3)晶胞中含有O原子的个数为6×=3,含Co原子的个数为8×=1,含Ti原子的个数为1,故该晶体的化学式为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;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。
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