3.1 物质的聚集状态与晶体的常识 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修第二册
文档属性
| 名称 | 3.1 物质的聚集状态与晶体的常识 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修第二册 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 373.1KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-10 21:55:03 | ||
图片预览
文档简介
3.1 物质的聚集状态与晶体的常识
【学习目标】
1.知道物质的聚集状态随构成物质的粒子种类、粒子间相互作用、粒子聚集程度的不同而有所不同。
2.能从微观角度理解晶体的结构特征,并能结合晶体的特点判断晶体与非晶体。
3.能运用多种晶体模型来描述和解释有关晶体性质的现象,形成分析晶胞结构的思维模型(均摊法),能根据晶胞的结构确定粒子个数及化学式。
【自主预习】
一、物质的聚集状态
1.物质三态间的相互转化
2.物质的聚集状态
物质的聚集状态除了 、 、 外,还有更多的聚集状态,如晶态、非晶态,以及介乎二者之间的塑晶态、液晶态等。
(1)等离子体
①概念
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。
②特点
等离子体具有良好的 性和 性。
③应用
运用等离子体显示技术可以制造等离子体显示器;利用等离子体可以进行化学合成;核聚变也是在等离子态下发生的;等等。
(2)液晶
①概念
物质加热达到熔点后,先呈浑浊态,再加热达到一定温度时,浑浊态变透明清亮态,将熔点至澄清点温度范围内的物质状态称为液晶。
②特征
液晶是介于液态和晶态之间的物质状态,既具有液体的流动性、黏度、形变性等,又具有晶体的某些物理性质,如导热性、光学性质等。
③应用
液晶已有广泛的应用。例如,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。再如,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。
【微点拨】
(1)固态、液态和气态物质不一定都由分子构成,也可能由原子或离子等微粒构成;由分子构成的物质,其聚集状态也不一定只有固态、液态和气态,也可能为晶态、非晶态等。
(2)同种物质在不同条件下可形成不同的聚集状态,物质的聚集状态会影响物质的性质,如硬度、熔点等。
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(玻璃又称玻璃体、炭黑又称无定形体)。
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 较固定。
(4)外形和内部质点排列高度 。
(5)晶体的外形和内部结构都具有特有的 。
三、晶胞
1.概念
晶胞是晶体结构的 。
2.结构
常规的晶胞都是 ,整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“ ”而成的。
(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(包括取向)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,可以得出每个乙酸晶胞中含有 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。
【参考答案】一、2.气态 液态 固态 导电 流动
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 对称性
三、1.基本单元 2.平行六面体 无隙并置 间隙 平行 相同 形状 种类 3.8 4 2
四、1.X射线衍射仪 2.4 键长 键角
【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.如何使气体转变为等离子体
【答案】高温加热气体或用紫外线、X射线和γ射线照射气体,都可以使气体转变为等离子体。
3.为什么非晶体没有晶体所具有的各向异性和自范性
【答案】因为非晶体的内部微粒的排列是相对无序的。
4.晶体与非晶体的本质区别是什么
【答案】物质内部的微粒是否呈周期性的有序排列。
【合作探究】
任务1：物质的聚集状态
情境导入 北京冬奥会开幕式运用的创新高新技术带来了视觉盛宴,展现出了中华文化的魅力和浪漫。而实现视觉盛宴的是世界最大的LED三维立体舞台,完美呈现裸眼3D效果。舞台应用的LED液晶显示屏总面积接近15000平方米,LED舞台呈现了从二十四节气倒计时、黄河之水天上来、冰立方逐渐破碎到晶莹剔透的冰雪五环等精彩画面,通过LED显示屏与光影完美融合,书写中国式的浪漫。
问题生成
1.有同学认为:“液晶内部沿分子长轴方向呈有序排列,因此液晶也属晶体”。这个观点对吗 说出你的判断理由。
【答案】不对,液晶内部是沿分子长轴方向呈有序排列,但晶体是三维有序,因此液晶不属于晶体。
2.为什么液晶具有显示功能
【答案】液晶的显示功能与液晶材料内部分子的有序排列有关,在施加电场时,液晶分子能够沿电场方向有序排列,而在移去电场后,液晶分子又恢复到原来的状态,所以液晶具有显示功能。
3.液晶有哪些用途
【答案】液晶显示器,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。
【核心归纳】
物质的聚集状态
物质除了固、液、气三种聚集状态,还有晶态、非晶态、液晶态、塑晶态和等离子体等聚集状态。
聚集状态 组成与结构特征 主要性能
非晶态 内部微粒的排列呈现杂乱无章(长程无序,短程有序)的分布状态的固体 某些非晶体合金强度和硬度高、耐腐蚀性强,非晶态硅对光的吸收系数大
等离子体 由电子、阳离子和电中性粒子组成,整体上呈电中性,含有带电粒子且能自由移动 具有良好的导电性和流动性
液晶态 内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列 既具有液体的流动性、黏度、形变性,又具有晶体的导热性、光学性质等
【典型例题】
【例1】1925年贝尔德在英国首次成功装配世界第一台电视机。短短几十年时间,电视机经历了从黑白到彩色,从手动到遥控,从平板电视机到液晶电视机的发展历程。下列关于液晶的叙述中,错误的是( )。
A.液晶是物质的一种聚集状态
B.液晶具有流动性
C.液晶和液态是物质的同一种聚集状态
D.液晶具有各向异性
【答案】C
【解析】液晶是介于液态和晶态之间的一种特殊的聚集状态,A项正确、C项错误;液晶是液态晶体的简称,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,B、D两项正确。
思维引导：解答有关物质聚集状态的思维流程
【例2】电子表、电子计算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。下列有关其显示原理的叙述中正确的是( )。
A.施加电场时,液晶分子沿垂直于电场的方向排列
B.移去电场后,液晶分子恢复到原来的状态
C.施加电场时,液晶分子恢复到原来的状态
D.移去电场后,液晶分子沿电场方向排列
【答案】B
【解析】液晶是在一定的温度范围内既具有液体的可流动性,又具有晶体的各向异性的特殊物质,在施加电场时,液晶分子能够沿电场方向排列,A、C两项错误;在移去电场之后,液晶分子又恢复到原来的状态,B项正确,D项错误。
任务2：晶体与非晶体
情境导入 素材1:西汉时期有位名叫韩婴的诗人,他写了一本《韩诗外传》,该书中明确指出:“凡草木花多五出,雪花独六出”。
素材2:《本草纲目》中提到:“光明盐……大者如升,皆正方光彻。”这说明在当时的生产条件下,盐均为方形。
问题生成
1.素材1中“雪花独六出”是什么意思 雪花和冰都是由水分子凝聚而成的,二者中,水分子间的作用力类型是否相同
【答案】“雪花独六出”是指大气中的水蒸气凝结成的雪花,在自然条件下是六瓣的;雪花和冰中水分子间的作用力类型相同。
2.素材2中自然形成的固体盐为方形,如果我们将盐溶液快速加热,能否得到“方形”盐
【答案】不能。晶体呈现自范性需满足一定条件,条件之一是晶体生长的速率适当。将盐溶液快速加热常得到看不到多面体外形的粉末或无规则外形的块状物。
3.在一定温度下,将不规则的NaCl固体,放入饱和NaCl溶液中,经过一段时间,会发生什么变化 为什么
【答案】NaCl固体会变为规则的立方体。因为溶解和结晶是可逆过程,根据晶体的自范性可知,在溶解和结晶的过程中,离子会自发地规则排列,形成规则的立方体。
【核心归纳】
1.晶体与非晶体的比较
物质 晶体 非晶体
结构特征 结构微粒周期性有序排列 结构微粒无序排列
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 看是否有固定的熔点
科学方法 对固体进行X射线衍射实验
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,常常只得到肉眼看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。如玛瑙是由熔融态SiO2快速冷却形成的,而水晶是由熔融态SiO2热液缓慢冷却形成的。
4.晶体的分类
(1)分类标准:根据晶体内部微粒的种类和微粒间相互作用的不同。
(2)分类
晶体类型 构成微粒 微粒间的相互作用 实例
离子晶体 阴、阳离子 离子键 NaCl
金属晶体 金属阳离子、自由电子 金属键 铜
共价晶体 原子 共价键 金刚石
分子晶体 分子 分子间作用力 冰
【典型例题】
【例3】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4】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3：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.晶体的化学式表达的意义是什么
【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)六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算:
【典型例题】
【例5】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6】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】
课堂基础
1.下列物质中,前者为晶体,后者为非晶体的是( )。
A.金刚石、胆矾 B.陶瓷、塑料
C.白磷、橡胶 D.食盐、蔗糖
【答案】C
【解析】金刚石、胆矾、白磷、食盐、蔗糖是晶体,其余物质是非晶体。
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.下列选项中,不支持石墨是晶体这一事实的是( )。
A.石墨和金刚石互为同素异形体
B.石墨中的碳原子呈周期性有序排列
C.石墨的熔点很高,熔点为3625 ℃
D.在石墨的X射线衍射图谱上有明锐谱线
【答案】A
【解析】根据晶体的特点可知,B、C、D三项正确,石墨和金刚石互为同素异形体,与石墨是晶体之间没有必然联系。
对接高考
4.(2021·辽宁卷,7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,16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点原子位于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= pm。
2
【学习目标】
1.知道物质的聚集状态随构成物质的粒子种类、粒子间相互作用、粒子聚集程度的不同而有所不同。
2.能从微观角度理解晶体的结构特征,并能结合晶体的特点判断晶体与非晶体。
3.能运用多种晶体模型来描述和解释有关晶体性质的现象,形成分析晶胞结构的思维模型(均摊法),能根据晶胞的结构确定粒子个数及化学式。
【自主预习】
一、物质的聚集状态
1.物质三态间的相互转化
2.物质的聚集状态
物质的聚集状态除了 、 、 外,还有更多的聚集状态,如晶态、非晶态,以及介乎二者之间的塑晶态、液晶态等。
(1)等离子体
①概念
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。
②特点
等离子体具有良好的 性和 性。
③应用
运用等离子体显示技术可以制造等离子体显示器;利用等离子体可以进行化学合成;核聚变也是在等离子态下发生的;等等。
(2)液晶
①概念
物质加热达到熔点后,先呈浑浊态,再加热达到一定温度时,浑浊态变透明清亮态,将熔点至澄清点温度范围内的物质状态称为液晶。
②特征
液晶是介于液态和晶态之间的物质状态,既具有液体的流动性、黏度、形变性等,又具有晶体的某些物理性质,如导热性、光学性质等。
③应用
液晶已有广泛的应用。例如,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。再如,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。
【微点拨】
(1)固态、液态和气态物质不一定都由分子构成,也可能由原子或离子等微粒构成;由分子构成的物质,其聚集状态也不一定只有固态、液态和气态,也可能为晶态、非晶态等。
(2)同种物质在不同条件下可形成不同的聚集状态,物质的聚集状态会影响物质的性质,如硬度、熔点等。
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(玻璃又称玻璃体、炭黑又称无定形体)。
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 较固定。
(4)外形和内部质点排列高度 。
(5)晶体的外形和内部结构都具有特有的 。
三、晶胞
1.概念
晶胞是晶体结构的 。
2.结构
常规的晶胞都是 ,整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“ ”而成的。
(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(包括取向)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,可以得出每个乙酸晶胞中含有 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。
【参考答案】一、2.气态 液态 固态 导电 流动
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 对称性
三、1.基本单元 2.平行六面体 无隙并置 间隙 平行 相同 形状 种类 3.8 4 2
四、1.X射线衍射仪 2.4 键长 键角
【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.如何使气体转变为等离子体
【答案】高温加热气体或用紫外线、X射线和γ射线照射气体,都可以使气体转变为等离子体。
3.为什么非晶体没有晶体所具有的各向异性和自范性
【答案】因为非晶体的内部微粒的排列是相对无序的。
4.晶体与非晶体的本质区别是什么
【答案】物质内部的微粒是否呈周期性的有序排列。
【合作探究】
任务1：物质的聚集状态
情境导入 北京冬奥会开幕式运用的创新高新技术带来了视觉盛宴,展现出了中华文化的魅力和浪漫。而实现视觉盛宴的是世界最大的LED三维立体舞台,完美呈现裸眼3D效果。舞台应用的LED液晶显示屏总面积接近15000平方米,LED舞台呈现了从二十四节气倒计时、黄河之水天上来、冰立方逐渐破碎到晶莹剔透的冰雪五环等精彩画面,通过LED显示屏与光影完美融合,书写中国式的浪漫。
问题生成
1.有同学认为:“液晶内部沿分子长轴方向呈有序排列,因此液晶也属晶体”。这个观点对吗 说出你的判断理由。
【答案】不对,液晶内部是沿分子长轴方向呈有序排列,但晶体是三维有序,因此液晶不属于晶体。
2.为什么液晶具有显示功能
【答案】液晶的显示功能与液晶材料内部分子的有序排列有关,在施加电场时,液晶分子能够沿电场方向有序排列,而在移去电场后,液晶分子又恢复到原来的状态,所以液晶具有显示功能。
3.液晶有哪些用途
【答案】液晶显示器,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。
【核心归纳】
物质的聚集状态
物质除了固、液、气三种聚集状态,还有晶态、非晶态、液晶态、塑晶态和等离子体等聚集状态。
聚集状态 组成与结构特征 主要性能
非晶态 内部微粒的排列呈现杂乱无章(长程无序,短程有序)的分布状态的固体 某些非晶体合金强度和硬度高、耐腐蚀性强,非晶态硅对光的吸收系数大
等离子体 由电子、阳离子和电中性粒子组成,整体上呈电中性,含有带电粒子且能自由移动 具有良好的导电性和流动性
液晶态 内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列 既具有液体的流动性、黏度、形变性,又具有晶体的导热性、光学性质等
【典型例题】
【例1】1925年贝尔德在英国首次成功装配世界第一台电视机。短短几十年时间,电视机经历了从黑白到彩色,从手动到遥控,从平板电视机到液晶电视机的发展历程。下列关于液晶的叙述中,错误的是( )。
A.液晶是物质的一种聚集状态
B.液晶具有流动性
C.液晶和液态是物质的同一种聚集状态
D.液晶具有各向异性
【答案】C
【解析】液晶是介于液态和晶态之间的一种特殊的聚集状态,A项正确、C项错误;液晶是液态晶体的简称,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,B、D两项正确。
思维引导：解答有关物质聚集状态的思维流程
【例2】电子表、电子计算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。下列有关其显示原理的叙述中正确的是( )。
A.施加电场时,液晶分子沿垂直于电场的方向排列
B.移去电场后,液晶分子恢复到原来的状态
C.施加电场时,液晶分子恢复到原来的状态
D.移去电场后,液晶分子沿电场方向排列
【答案】B
【解析】液晶是在一定的温度范围内既具有液体的可流动性,又具有晶体的各向异性的特殊物质,在施加电场时,液晶分子能够沿电场方向排列,A、C两项错误;在移去电场之后,液晶分子又恢复到原来的状态,B项正确,D项错误。
任务2：晶体与非晶体
情境导入 素材1:西汉时期有位名叫韩婴的诗人,他写了一本《韩诗外传》,该书中明确指出:“凡草木花多五出,雪花独六出”。
素材2:《本草纲目》中提到:“光明盐……大者如升,皆正方光彻。”这说明在当时的生产条件下,盐均为方形。
问题生成
1.素材1中“雪花独六出”是什么意思 雪花和冰都是由水分子凝聚而成的,二者中,水分子间的作用力类型是否相同
【答案】“雪花独六出”是指大气中的水蒸气凝结成的雪花,在自然条件下是六瓣的;雪花和冰中水分子间的作用力类型相同。
2.素材2中自然形成的固体盐为方形,如果我们将盐溶液快速加热,能否得到“方形”盐
【答案】不能。晶体呈现自范性需满足一定条件,条件之一是晶体生长的速率适当。将盐溶液快速加热常得到看不到多面体外形的粉末或无规则外形的块状物。
3.在一定温度下,将不规则的NaCl固体,放入饱和NaCl溶液中,经过一段时间,会发生什么变化 为什么
【答案】NaCl固体会变为规则的立方体。因为溶解和结晶是可逆过程,根据晶体的自范性可知,在溶解和结晶的过程中,离子会自发地规则排列,形成规则的立方体。
【核心归纳】
1.晶体与非晶体的比较
物质 晶体 非晶体
结构特征 结构微粒周期性有序排列 结构微粒无序排列
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 看是否有固定的熔点
科学方法 对固体进行X射线衍射实验
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,常常只得到肉眼看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。如玛瑙是由熔融态SiO2快速冷却形成的,而水晶是由熔融态SiO2热液缓慢冷却形成的。
4.晶体的分类
(1)分类标准:根据晶体内部微粒的种类和微粒间相互作用的不同。
(2)分类
晶体类型 构成微粒 微粒间的相互作用 实例
离子晶体 阴、阳离子 离子键 NaCl
金属晶体 金属阳离子、自由电子 金属键 铜
共价晶体 原子 共价键 金刚石
分子晶体 分子 分子间作用力 冰
【典型例题】
【例3】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4】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3：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.晶体的化学式表达的意义是什么
【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)六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算:
【典型例题】
【例5】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6】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】
课堂基础
1.下列物质中,前者为晶体,后者为非晶体的是( )。
A.金刚石、胆矾 B.陶瓷、塑料
C.白磷、橡胶 D.食盐、蔗糖
【答案】C
【解析】金刚石、胆矾、白磷、食盐、蔗糖是晶体,其余物质是非晶体。
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.下列选项中,不支持石墨是晶体这一事实的是( )。
A.石墨和金刚石互为同素异形体
B.石墨中的碳原子呈周期性有序排列
C.石墨的熔点很高,熔点为3625 ℃
D.在石墨的X射线衍射图谱上有明锐谱线
【答案】A
【解析】根据晶体的特点可知,B、C、D三项正确,石墨和金刚石互为同素异形体,与石墨是晶体之间没有必然联系。
对接高考
4.(2021·辽宁卷,7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,16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点原子位于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= pm。
2