课程标准要求 学科核心素养
1.能说出粒子间作用(离子键、共价键、配位键和分子间作用力等)的主要类型、特征和实质;能比较不同类型的粒子间作用的联系与区别。 2.能运用离子键、配位键、金属键等模型,解释离子化合物、配合物、金属等物质的某些典型性质。 3.能说出晶体与非晶体的区别;能结合实例描述晶体中粒子排列的周期性规律;能借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的粒子及粒子间的相互作用。 4.能从粒子的空间排布及其相互作用的角度对生产、生活、科学研究中的简单案例进行分析,举例说明物质结构研究的应用价值,如配合物在生物、化学等领域的广泛应用。 5.能举例说明物质在原子、分子、超分子、聚集状态等不同尺度上的结构特点对物质性质的影响,能举例说明结构研究对于发现、制备新物质的作用。 1.宏观辨识与微观探析:能从原子、分子、超分子、聚集状态等不同尺度认识物质结构特点及其与物质性质之间的关系;能从构成粒子、粒子间相互作用、粒子的空间排布规律等角度分析不同类型晶体结构的特点、相似性与差异性。 2.证据推理与模型认知:能说出科学家认识物质微观结构的基本思路和主要实验手段及不同实验手段为建立模型所提供的证据;能描述晶体结构的典型模型,说明模型表示的具体含义,并能认识到模型的典型性与真实物质结构的复杂性。 3.科学探究与创新意识:体会现代实验手段在化学研究中的应用,认识借助实验获得证据进而建立物质结构模型的过程,感受化学研究创新发展的前沿与方向。 4.科学态度与社会责任:体会科学家探索物质微观结构并建构相关理论过程的艰辛,认识物质结构研究对材料科学、生命科学等许多学科领域的重大问题解决的支持作用,形成通过科学研究促进社会发展、推动构建人类命运共同体的意识。
第一节 物质的聚集状态与晶体的常识
[学习目标] 1.通过认识物质的聚集状态,能举例说明人类对物质结构的认识在不断发展,能说明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.通过认识与探究晶体与非晶体,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和非晶体,能说明X射线衍射等实验手段在物质结构研究中的作用。3.通过晶体制备的实验探究,能依据探究目的设计探究方案,运用化学实验等方法进行实验探究并对相关现象进行解释。4.通过运用多种晶体模型来描述和解释晶胞及有关晶体性质的现象,能根据晶胞结构确定粒子个数和化学式。
学习任务1 认识物质的聚集状态
1.人们对物质组成及聚集状态的认识历程
2.物质的聚集状态
(1)物质三态间的相互转化。
(2)物质的特殊聚集状态。
①等离子体: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,等离子体具有良好的导电性和流动性。
②离子液体:是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。
③晶态、非晶态以及介于二者之间的塑晶态、液晶态等。
液晶、等离子体与离子液体的特征与应用
聚集 状态 液晶 等离子体 离子液体
定义 在一定温度范围内既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性的聚集状态 由大量带电粒子和中性粒子所组成的呈电中性的物质聚集体 在室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物
特征 表现出各向异性,液晶显示的驱动电压低、功率小 良好的导电性和流动性 难挥发
重要 应用 液晶显示器、高强度液晶纤维 切割金属、代替手术刀进行外科手术、进行化学合成、制造等离子显示器、核聚变的发生 用作有机合成的溶剂和催化剂;在生物化学等科研领域也有广泛应用
1.下列关于物质聚集状态的叙述错误的是( )
[A] 物质只有气、液、固三种聚集状态
[B] 气态是高度无序的存在状态
[C] 固态中的原子或者分子结合得较紧凑,相对运动较弱
[D] 液态物质的粒子间距离和作用力的强弱介于固、气两态之间,表现出明显的流动性
【答案】 A
【解析】 物质的聚集状态,除了气、液、固三态外,还有塑晶态、液晶态和等离子体等,A错误;物质处于气态时,分子间距离大,分子运动速度快,体系处于高度无序状态,B正确;由物质固态时粒子间距离较小可判断,固态中的原子或者分子结合得较紧凑,相对运动较弱,C正确;对液态物质而言,粒子相距比较近,分子间作用力也较强,表现出明显的流动性,D正确。
2.电视机经历了从黑白到彩色,从手动到遥控,从平板到液晶的发展历程。下列关于液晶的叙述错误的是( )
[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正确,C错误;液晶既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,B、D正确。
3.(2024·浙江杭州期中)我国某研究所研制出一种新型离子液体[CPMIm]Cl,该物质可弥补钙钛矿电池表面的Pb2+和I-缺陷,进一步提高该电池的性能。下列说法不正确的是( )
[A] 该离子液体作溶剂比传统有机溶剂难挥发,是范德华力导致的
[B] 该离子液体中存在的化学键有:离子键、共价键
[C] 该离子液体的碳原子存在sp、sp2和sp3等杂化类型
[D] 该离子液体中的3个N结合H+的能力不同
【答案】 A
【解析】 该离子液体中存在[CPMIm]+、Cl-,阴、阳离子间存在离子键,强于范德华力,故该离子液体沸点比较高,难挥发,A错误;该离子液体中存在[CPMIm]+和Cl-之间的离子键,还包含C—H、C—N等极性共价键和C—C非极性共价键,B正确;根据该离子液体的结构可知,环上的3个碳原子均形成双键,为sp2杂化,碳氮三键中碳原子为sp杂化,其他4个碳原子形成4个单键,为sp3杂化,C正确;该离子液体中碳氮三键中的氮原子含有孤电子对,且电负性:N大于C,则孤电子对偏向氮原子,形成4个化学键的氮原子没有孤电子对,形成3个化学键的氮原子含有孤电子对,且形成了大π键,则孤电子对偏离氮原子,因此3个氮原子结合H+的能力不同,D 正确。
学习任务2 辨析晶体与非晶体
1.晶体与非晶体的本质差异
固体 自范性 微观结构
晶体 有(能自发呈现多面体外形) 粒子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体 无(不能自发呈现多面体外形) 粒子排列相对无序
2.晶体的特性
(1)自范性。
①定义:晶体能自发地呈现多面体外形的性质。
②形成条件:晶体生长的速率适当。
③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的宏观表象。
(2)各向异性:晶体在不同方向上表现许多物理性质(如强度、导热性、光学性质等)的差异。
(3)固定的熔点。
3.获得晶体的途径
(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。
[示例] 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,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。
4.晶体与非晶体的测定方法
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
可靠方法 对固体进行X射线衍射实验
探究 晶体与非晶体的区别
问题1:根据固体的微观结构示意图(图Ⅰ、Ⅱ)判断固体Ⅰ、Ⅱ的类型。
提示:根据结构图可知,Ⅰ中粒子呈周期性有序排列,为晶体;Ⅱ中粒子排列不规则,为非晶体。
问题2:图Ⅲ、Ⅳ是将固体加热至熔化的T-t图像,找出Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ、Ⅳ的对应关系并说明原因。
提示:图Ⅲ为固体Ⅱ加热的图像,图Ⅳ为固体Ⅰ加热的图像。加热晶体Ⅰ,温度达到熔点时晶体Ⅰ开始熔化,在全部熔化前,继续加热,温度基本保持不变,完全熔化后,温度才开始升高,所以晶体有固定的熔点,为图Ⅳ。加热非晶体Ⅱ时,温度升高到某一程度后非晶体Ⅱ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,为图Ⅲ。
问题3:食盐和小苏打都是粉末状,它们是否为晶体 能否通过对小苏打加热的方式加以验证
提示:不能仅仅通过外观判断晶体和非晶体,非晶体经过加工也能具有规则的几何外形。小苏打加热会分解,不能通过加热的方式验证。
问题4:玻璃晶莹剔透,某同学找到一张玻璃的结构示意图,据图判断玻璃是否为晶体。
提示:题给结构示意图显示粒子排布不规则,没有晶体的自范性,所以玻璃为非晶体。
问题5:如何鉴别用玻璃仿造的假宝石
提示:宝石为晶体,玻璃为非晶体,可以根据其不同的特性进行鉴别,如利用X射线衍射实验鉴别;利用宝石的折光率鉴别;测试硬度,玻璃上可刻画出痕迹。
晶体与非晶体的比较
项目 晶体 非晶体
微观结构特征 粒子呈周期性 有序排列 粒子排列 相对无序
性质 特征 自范性 有 没有
熔点 固定 不固定
各向异性 有 没有
鉴别 方法 间接方法 看是否具有固定的熔点或根据某些物理性质的各向异性
科学方法 对固体进行X射线衍射实验
举例 NaCl、I2、SiO2、Na晶体等 玻璃、 橡胶等
1.下列关于晶体和非晶体的鉴别错误的是( )
[A] 晶体具有自范性
[B] 晶体具有各向异性
[C] 只要有规则的几何外形就是晶体
[D] 可以通过X射线衍射实验来鉴别
【答案】 C
【解析】 晶体具有自范性,而非晶体不具有,故A正确;晶体具有各向异性,而非晶体不具有,故B正确;非晶体可以通过机械加工成规则的几何外形,所以有规则的几何外形不一定是晶体,故C错误;X射线衍射实验能够测出物质的内部结构,区分出晶体与非晶体,故D正确。
2.下列有关晶体常识的叙述错误的是( )
[A] 水晶属于晶体,有固定的熔点,而玻璃无固定的熔点,属于非晶体
[B] 当单一波长的X射线通过晶体时可以看到明显的分立的斑点或者明锐的衍射峰
[C] 晶体都具有自范性,自范性是晶体的本质属性
[D] 晶体都具有规则的几何外形,而非晶体都不具有规则的几何外形
【答案】 D
【解析】 水晶的化学成分是二氧化硅,属于晶体,而玻璃是混合物,属于非晶体,A正确;当单一波长的X射线通过晶体时,可发生衍射,可以看到明显的分立的斑点或者明锐的衍射峰,B正确;在适宜条件下,晶体能够自发地呈现多面体外形的性质,即晶体的自范性,C正确;晶体具有规则的几何外形,但非晶体也可能具有规则的几何外形,如钻石形状的玻璃制品,D错误。
3.下列关于晶体性质的叙述不正确的是( )
[A] 晶体的自范性指的是在适宜条件下,晶体能够自发地呈现多面体外形的性质
[B] 晶体的各向异性和对称性是矛盾的
[C] 晶体的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
[D] 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
【答案】 B
【解析】 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。故选B。
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,如水晶和石英玻璃。
(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(非晶体)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。
学习任务3 认识晶胞及晶体结构的测定
1.晶胞
描述晶体结构的基本单元。
2.晶胞与晶体的关系
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”是指相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)“并置”是指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。
3.长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算
[示例] NaCl晶胞
①Cl-位于顶角和面心,共有4个。
②Na+位于棱上和体心,共有4个。
4.晶体结构的测定
(1)仪器:测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪。
(2)原理:当单一波长的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者明锐的衍射峰,而非晶体没有该现象。
(3)应用:通过晶体的X射线衍射图可获知的信息有晶胞的形状和大小、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等。
以下是三种晶体的晶胞结构示意图:
探究 用均摊法计算晶胞中含有的粒子数目
问题1:依据图Ⅰ分析,CO2分别位于晶胞的何种位置 干冰晶胞中平均含有CO2的分子数是多少
提示:CO2分别位于晶胞的顶点和面心;干冰晶胞中平均含有CO2的分子数为8×+6×=4。
问题2:依据图Ⅱ分析,钛酸钙的化学式是什么
提示:晶胞中含钙原子数为8×=1,含钛原子数为1,含氧原子数为12×=3。故钛酸钙的化学式为CaTiO3。
问题3:依据图Ⅲ分析,金刚石晶胞中平均含有的碳原子数是多少
提示:碳原子分别位于晶胞的顶点(8个)、面心(6个)和体内(4个),故晶胞中平均含有的碳原子数为8×+6×+4=8。
问题4:由晶胞构成的晶体,其化学式是否表示构成该晶体实际的粒子数目
提示:否,只表示每个晶胞或晶体中各类粒子的最简整数比。
(1)晶胞中粒子个数的计算。
关键是正确分析晶胞(或晶体结构)中任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共用。不同形状的晶胞情况不同。如非长方体晶胞中的粒子均摊情况举例如下。
①正三棱柱结构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。
如图所示,六方晶胞结构中所含粒子数目为12×+3+2×=6。
(2)确定晶体化学式的方法。
观察粒子种类→确定粒子在晶胞中的位置→用均摊法求各粒子的数目→求各粒子的最简个数比→确定化学式。
题点一 晶胞的理解辨析
1.(2024·河南开封期末)下列有关晶胞的说法正确的是( )
[A] 晶胞是晶体中最小的平行六面体
[B] 晶胞是描述晶体结构的基本单元
[C] 晶胞中的粒子都完全属于该晶胞
[D] 不同晶体中晶胞的大小和形状均相同
【答案】 B
【解析】 大部分晶体是由平行六面体形晶胞“无隙并置”而成,但不是所有晶体,A错误;晶胞是描述晶体结构的基本单元,B正确;由于晶胞要无隙并置排列,必然出现相邻晶胞共用粒子的情况,C错误;不同晶体中的晶胞形状可能相同,但晶胞的大小不一定相同,如果形状和大小均相同,则是同一种晶胞,D错误。
2.整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。对这句话的理解错误的是( )
[A] 相邻晶胞之间没有任何间隙
[B] 晶体是晶胞简单、随意堆积而成的
[C] 晶胞排列时,取向相同
[D] “并置”是指所有晶胞都是平行排列的
【答案】 B
【解析】 晶体并不是晶胞简单、随意堆积而成的,而是晶胞平行排列而成的,取向相同,且相邻晶胞之间没有任何间隙。故选B。
题点二 晶体化学式的确定
3.(2024·福建福州二中月考)根据晶体中的晶胞结构判断,下列晶体的化学式不正确的是( )
选项 晶胞结构 化学式
[A] MN2
[B] P2W
[C] EF
[D] XY3Z
【答案】 A
【解析】 在晶胞中,M位于晶胞的内部,则属于该晶胞的M有1个,8个N位于晶胞的顶点,则属于该晶胞的N的个数为8×=1,M、N的个数之比为1∶1,该晶体的化学式为MN,A错误;在晶胞中,P位于晶胞的内部,则属于该晶胞的P有1个,4个W位于晶胞的顶点,则属于该晶胞的W的个数为4×=,P、W的个数之比为2∶1,该晶体的化学式为P2W,B正确;在晶胞中,
4个E和4个F均位于晶胞的顶点,则属于该晶胞的E和F的个数均为4×=,E、F的个数之比为1∶1,该晶体的化学式为EF,C正确;在晶胞中,1个X位于晶胞的内部,则属于该晶胞的X有1个,6个Y位于晶胞的面心,则属于该晶胞的Y的个数为6×=3,8个Z位于晶胞的顶点,则属于该晶胞的Z的个数为8×=1,X、Y、Z的个数之比为1∶3∶1,该晶体的化学式为XY3Z,
D正确。
4.回答下列问题。
(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,该功能陶瓷的化学式为 。
(3)某晶体的晶胞结构模型如图所示。该晶体的化学式是 。
(4)有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,它的化学式为 (填字母)。
A.Ti14C13 B.TiC
C.Ti14C4 D.Ti4C3
【答案】 (1)CuCl
(2)BN
(3)CoTiO3
(4)A
【解析】 (1)由晶胞结构可知,白球有8个位于顶点、6个位于面心,个数为8×+6×=4,灰球
4个都在体内,则Cu和Cl的原子个数比为1∶1,化学式为CuCl。
(2)由晶胞结构可知,灰球有1个在体内、4个在棱上,个数为1+4×=2,白球有1个在体内、
8个在顶点,个数为1+8×=2,则该晶胞中B、N的个数均为2,化学式为BN。
(3)由题图可知,晶胞中有6个氧原子位于面心,个数为 6×=3,8个钴原子位于顶点,个数为8×=1,1个钛原子位于体心,则该晶体的化学式为CoTiO3。
(4)由题意知该物质是气态团簇分子,故题目中图示应是该物质的一个完整的分子,由14个钛原子和13个碳原子构成,A正确。
题点三 晶胞的相关计算
5.(2025·湖北市级示范高中智学联盟月考)铁的一种硫化物的晶胞如图所示。已知晶胞的边长为n pm,NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
[A] 晶胞中Fe2+的个数为4
[B] 在中,x=2
[C] ef的距离为 n pm
[D] 该晶体的密度为 g·cm-3
【答案】 D
【解析】 在晶胞中,含Fe2+的个数为12×+1=4,含的个数为8×+6×=4,则硫化物的化学式为FeS2。由分析可知,A正确;硫化物的化学式为FeS2,根据化学式中正、负化合价的代数和为零,可得中x=2,B正确;在晶胞中,ed间的距离为n pm,df间的距离为 pm,则ef的距离为 pm=n pm,C正确;该晶体的密度为= g·cm-3,D错误。
6.过渡金属的氮化物因其优异的催化性能(加氢处理、光和电化学催化等)受到了广泛关注。贵金属钼(Mo)的氮化物可用作将N2还原为氨反应的催化剂,其立方晶胞如图所示。已知晶胞参数为 a nm,则该晶体的化学式为 ,晶体的密度为 (列出计算式)g· cm-3(NA表示阿伏加德罗常数的值)。
【答案】 Mo2N
【解析】 根据晶胞结构可知,一个晶胞中有4个灰球、2个黑球,
故晶体的化学式为Mo2N;晶胞的体积为a3 nm3=(a×10-7)3 cm3,
1个晶胞的质量为 g,
所以晶体的密度为 g· cm-3。
立方晶胞中各物理量的关系
a3×ρ×NA=n×M
a:表示晶胞的棱长;
ρ:表示晶体的密度;
NA:表示阿伏加德罗常数;
n:表示1 mol 晶胞中所含粒子的物质的量;
M:表示物质的摩尔质量;
a3×ρ×NA:表示1 mol 晶胞的质量。
[footnoteRef:0] 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各粒子的位置,称作原子分数坐标。某氮化铁的晶胞结构如图所示: [0:
命题解密与解题指导
情境解读:以晶体结构为载体,考查晶胞中原子分数坐标、晶胞内粒子间距、晶胞分析与计算等。
素养立意:通过晶胞分析与计算等知识强化证据推理与模型认知素养。
思路点拨:
所求目标原子坐标参数确定的方法
]
(1)在晶胞中,原子分数坐标A为(0,0,0),B为( ,,),C为(0,1,1),则D为 。
(2)若该晶体的密度是ρ g·cm-3,则晶胞中两个最近的Fe的核间距为 (用含NA、ρ的代数式表示,不必化简)。
(3)在该晶胞结构中,Cu可以完全替代a位置Fe或者b位置Fe(如图甲),形成Cu替代型产物Fe(x-n)CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如图乙所示,其中更稳定的是
(填“Cu替代a位置Fe型”或“Cu替代b位置Fe型”),替代后不稳定物质的化学式为 。
【答案】 (1) (1,,) (2)× cm (3)Cu替代a位置Fe型 FeCu3N
【解析】 (1)由题图可知,在晶胞中,B位于体心,原子分数坐标为(,,),D位于面心,原子分数坐标为(1,,)。
(2)根据均摊法可知,题给晶体的化学式为Fe4N,若该晶体的密度是ρ g·cm-3,则晶胞的边长为 cm,晶胞中两个最近的Fe的核间距为面对角线长的一半,即为× cm。
(3)能量越低越稳定,由图乙知,Cu替代a位置Fe型会更稳定;替代后不稳定物质的晶胞中Fe位于8个顶角,N(Fe)=8×=1,Cu位于面心,N(Cu)=6×=3,N位于体心,N(N)=1,其化学式为FeCu3N。
(时间:30分钟 满分:57分)
(选择题1~14题,每小题3分,共42分)
(一)认识物质的聚集状态
1.物质的聚集状态与其性能之间关系密切。下列说法错误的是( )
[A] 等离子体由电子、阳离子和电中性粒子组成,具有良好的导电性和流动性
[B] 大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子,呈液态,难挥发
[C] 液晶既具有液体的流动性,又具有类似晶体的各向异性
[D] 圆形容器中结出的冰是圆形的,体现了晶体的自范性
【答案】 D
【解析】 晶体的自范性就是晶体能自发呈现多面体外形的性质,圆形容器中结出的冰是圆形的,是外部容器的形状,不能体现晶体的自范性,D错误。
2.(2024·浙江浙东北联盟期中联考)下列有关物质聚集状态的说法不正确的是( )
[A] 金属铅晶体颗粒小至纳米级时熔点会下降
[B] 离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质
[C] 气态物质在高温或者在外加电场激发下,分子发生电离产生电子和阳离子生成等离子体
[D] 将晶体加热到熔点至澄清点之间的物质状态称为液晶,液晶可分为热致液晶和溶致液晶
【答案】 C
【解析】 纳米晶体的结构和性质与较大尺寸的晶体有所不同,纳米级金属铅晶体的热稳定性降低,从而在加热时更容易达到熔化状态,其熔点更低,A正确;离子液体是熔点低于或稍高于室温的离子化合物,故其是熔点不高的仅由离子组成的液体物质,B正确;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,C错误;液晶是介于液态和晶态之间的物质状态,将晶体加热到熔点至澄清点之间的物质状态称为液晶,液晶可分为热致液晶和溶致液晶,D正确。
(二)晶体与非晶体
3.(2024·广东惠州博罗中学月考)下列物质属于晶体的是( )
[A] 玻璃 [B] 石蜡和沥青
[C] 塑料 [D] 水晶
【答案】 D
【解析】 玻璃、石蜡、沥青和塑料在熔化过程中温度不断升高,没有固定熔点,不是晶体,A、B、C不符合题意;水晶有规则的几何外形,有固定的熔点,是晶体,D符合题意。
4.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
【答案】 B
【解析】 晶体与非晶体的本质区别是晶体具有自范性而非晶体没有自范性,B符合题意。
5.如图是某固体的微观结构示意图,请认真观察两图,判断下列说法正确的是( )
[A] 两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体
[B] Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性
[C] Ⅱ形成的固体一定有固定的熔、沸点
[D] 两者的X射线衍射图谱是相同的
【答案】 B
【解析】 观察结构图知,Ⅰ中粒子呈周期性有序排列,Ⅱ中粒子排布不规则,故Ⅰ为晶体,Ⅱ为非晶体。晶体具有各向异性,有固定的熔、沸点,非晶体没有固定的熔、沸点,用X射线检验两者,图谱明显不同。故选B。
6.下列叙述错误的是( )
[A] 区分晶体与非晶体最科学的方法是对固体进行X射线衍射实验
[B] 外观呈现规则多面体的物质,内部微观粒子在三维空间一定呈周期性有序排列
[C] 晶体具有各向异性,所以用红热的铁针刺中涂有石蜡的水晶柱面,熔化的石蜡呈椭圆形
[D] 液晶具有液体的流动性和晶体的各向异性
【答案】 B
【解析】 构成晶体的粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列,晶体的这一结构特征可以通过X射线衍射图谱反映出来,因此,区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验,A正确;晶体与非晶体的根本区别在于其内部粒子在空间上是否按一定规律做周期性重复排列,不是在于是否具有规则的几何外形,B错误;晶体的外形和内部质点排列高度有序,物理性质表现出各向异性,水晶属于晶体,具有各向异性,不同方向导热性能不同,而石蜡属于非晶体,不具有各向异性,所以用红热的铁针刺中涂有石蜡的水晶柱面,熔化的石蜡呈椭圆形,C正确;在一定范围内存在液体流动性,也存在晶体各向异性的物质,称为液晶,D正确。
7.下列关于晶体的说法正确的是( )
[A] 将熔化的二氧化硅冷却一定得到晶体
[B] 晶体呈现自范性的过程是非自发的过程
[C] 玛瑙和水晶皆为晶体,两者都是熔融态SiO2通过相同途径凝固形成的
[D] 当晶体生长速率适当时才可得到规则的多面体外形
【答案】 D
【解析】 形成晶体需要适当的生长速度,故A错误;晶体的规则几何外形是自发形成的,即晶体自范性的呈现,故B错误;玛瑙不是晶体,水晶是晶体,玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的,而水晶是熔融态SiO2缓慢冷却形成的,故C错误;熔融态物质冷却凝固速率过快只得到看不到规则外形的粉末或块状物,玛瑙的形成就是一个例子,故D正确。
(三)认识晶胞 、晶胞分析与计算
8.下列有关晶胞的叙述不正确的是( )
[A] 晶体中的晶胞不一定都是平行六面体
[B] 晶胞是晶体中基本的结构重复单元
[C] 已知晶胞的结构,可推知晶体的结构
[D] 使用“切割法”计算晶胞中的粒子数,处于顶点、棱、面、体心的粒子对晶胞的贡献分别为、、、1
【答案】 D
【解析】 晶体中的晶胞不一定都是平行六面体,也可能是六方晶胞,A正确;晶胞是晶体中基本的结构重复单元,B正确;晶胞并置起来,则得到晶体,故已知晶胞的结构,可推知晶体的结构,C正确;在六方晶胞中,处于顶点、棱上的粒子对晶胞的贡献分别为、,D错误。
9.下列对于某晶胞(如图所示)的描述错误的是( )
[A] 该晶胞是所在晶体内最小的平行六面体
[B] 该晶胞的每个顶点上和每个面的面心上都各有一个粒子
[C] 平均每个晶胞中有14个粒子
[D] 含该晶胞的整块晶体中,相邻晶胞之间没有任何间隙
【答案】 C
【解析】 晶胞是最小的重复单元,A正确;由题图可知,在晶胞的每个顶点上和每个面的面心上都各有一个粒子,B正确;由于顶点为8个晶胞所共有,面为2个晶胞所共有,所以平均每个晶胞中含有的粒子个数为8×+6×=4,即平均每个晶胞中有4个粒子,C错误;晶胞是人为取出的结构单元,实际上并不存在,整块晶体中,相邻晶胞之间无任何间隙,D正确。
10.如图所示是硼和镁形成的化合物的晶体结构单元,镁原子间形成正六棱柱,且棱柱的上下底面各有一个镁原子,6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为( )
[A] MgB [B] MgB2 [C] Mg2B [D] Mg3B2
【答案】 B
【解析】 根据题给示意图可知,位于正六棱柱顶点的镁原子,属于本“单元”的为;上下底面的镁原子,属于本“单元”的为,则该结构单元共有镁原子数为12×+2×=3;6个硼原子位于棱柱内,均属于本“单元”。因此,该结构单元的镁原子与硼原子个数之比为3∶6=1∶2,即化学式为MgB2。
11.(2024·河北正定中学期末)锆(Zr)是重要的战略金属,可从其氧化物中提取。右图是某种锆的氧化物晶体的立方晶胞,NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
[A] 该氧化物的化学式为ZrO2
[B] 该氧化物的密度为 g·cm-3
[C] 锆原子之间的最短距离为 a pm
[D] 每个氧原子周围有6个紧邻的氧原子
【答案】 B
【解析】 根据均摊法,晶胞中Zr的个数为4,O的个数为8×+12×+6×+1=8,则立方氧化锆的化学式为ZrO2,A正确;结合A项分析可知,晶体密度为×1030 g·cm-3=×1030 g·cm-3,B错误;锆原子之间的最短距离为面对角线长的一半,即 a pm,C正确;每个氧原子在x、y、z轴方向上各有2个紧邻的氧原子,则周围有6个紧邻的氧原子,D正确。
综合应用
12.固体有晶体和非晶体之分(实际上还有介于两者之间的晶体),下列对晶体SiO2和非晶体SiO2相关叙述不正确的是( )
[A] 相同质量的晶体SiO2转变为非晶体SiO2属于熵增过程
[B] 晶体SiO2具有自范性,非晶体SiO2没有自范性
[C] 晶体SiO2不具有物理性质各向异性的特点
[D] 图中 a 表示的是晶态SiO2的衍射图谱
【答案】 C
【解析】 从图中可知,晶体SiO2原子排列有序,非晶体SiO2原子排列无序,从晶体二氧化硅到非晶体二氧化硅是熵增过程,A正确;晶体SiO2中原子规则排列,故晶体二氧化硅具有自范性,非晶体SiO2中原子排列无序,故非晶体二氧化硅不具有自范性,B正确;晶体SiO2具有物理性质各向异性的特点,C错误;晶体的衍射图谱有明锐的衍射峰,故a表示的是晶态SiO2的衍射图谱,D正确。
13.M是铁和碳组成的二元合金,其晶胞结构如图所示。连接面心上的铁原子构成正八面体。已知掺入碳原子不改变铁原子间的距离,晶胞棱长为a pm。下列说法错误的是( )
[A] 每个铁原子周围与它相邻且等距离的铁原子有12个
[B] 该正八面体棱长为a pm
[C] 该晶胞中铁、碳原子个数之比为1∶1
[D] 基态铁原子有4个未成对电子
【答案】 B
【解析】 以顶点铁原子看,与其相邻且等距离的铁原子位于面心,则与铁原子相邻且等距离的铁原子有=12(个),故A正确;该正八面体棱长等于晶胞面对角线长度的一半,即为a pm,故B错误;根据均摊法,在该晶胞中,铁原子的数目为8×+6×=4,碳原子数目为1+12×=4,所以两者个数之比为1∶1,故C正确;基态铁原子价层电子排布式为3d64s2,有4个未成对电子,故D正确。
14.高温下,超氧化钾晶体呈立方体外形。晶体中氧的化合价部分为0,部分为-2。如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞。下列说法正确的是( )
[A] 超氧化钾的化学式为KO2,每个晶胞中含有4个 K+和8个
[B] 晶体中每个K+周围有8个,每个周围有8个K+
[C] 晶体中与每个K+距离最近且相等的K+有8个
[D] 晶体中0价O与-2价O的个数之比为3∶1
【答案】 D
【解析】 晶胞中含有K+的个数为8×+6×=4,的个数为12×+1=4,A项错误;晶体中每个K+周围有6个,每个周围有6个K+,B项错误;晶体中与每个K+距离最近且相等的K+的个数为3×8×=12,C项错误;设晶体中0价O、-2价O与K+的个数分别为x、y、n,则有x+y=2n,2y=n,解得 x∶y=3∶1,D项正确。
15.(15分,每空3分)热敏电阻的主要成分——钡钛矿晶体的晶胞结构如图所示,晶胞棱长为a cm。顶点位置被Ti4+占据,体心位置被Ba2+占据,所有棱心位置被O2-占据(已知相对原子质量:O—16 Ti—48 Ba—137)。
(1)写出该晶体的化学式: 。
(2)若将Ti4+置于晶胞的体心,Ba2+置于晶胞的顶点,则O2-处于立方体的 位置。
(3)在该物质的晶体中,每个Ti4+周围距离相等且最近的Ti4+有 个;若将它们连接起来,形成的空间结构为 。
(4)若晶体的密度为ρ g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则a= 。
【答案】 (1)BaTiO3 (2)面心 (3)6 正八面体 (4)
【解析】 (1)在题给晶胞中Ba2+、Ti4+和O2-的离子个数比为1∶(8×)∶(12×)=1∶1∶3,则该晶体的化学式为BaTiO3。
(2)将共用一个Ti4+的8个晶胞的体心Ba2+连起来构成新的晶胞的顶点,则每个O2-正好分别处在六个面的面心位置。
(3)晶胞中一个顶点的Ti4+与其前、后、左、右、上、下的Ti4+最近且距离相等,若连接起来,形成正八面体。
(4)由题意知1个晶胞的体积为a3cm3。根据晶体的化学式BaTiO3可得1个晶胞的质量为 g,则ρ=,则a=。
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晶体结构与性质
第三章
课程标准要求 学科核心素养
1.能说出粒子间作用(离子键、共价键、配位键和分子间作用力等)的主要类型、特征和实质;能比较不同类型的粒子间作用的联系与区别。
2.能运用离子键、配位键、金属键等模型,解释离子化合物、配合物、金属等物质的某些典型性质。 1.宏观辨识与微观探析:能从原子、分子、超分子、聚集状态等不同尺度认识物质结构特点及其与物质性质之间的关系;能从构成粒子、粒子间相互作用、粒子的空间排布规律等角度分析不同类型晶体结构的特点、相似性与差异性。
2.证据推理与模型认知:能说出科学家认识物质微观结构的基本思路和主要实验手段及不同实验手段为建立模型所提供的证据;能描述晶体结构的典型模型,说明模型表示的具体含义,并能认识到模型的典型性与真实物质结构的复杂性。
3.能说出晶体与非晶体的区别;能结合实例描述晶体中粒子排列的周期性规律;能借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的粒子及粒子间的相互作用。
4.能从粒子的空间排布及其相互作用的角度对生产、生活、科学研究中的简单案例进行分析,举例说明物质结构研究的应用价值,如配合物在生物、化学等领域的广泛应用。 3.科学探究与创新意识:体会现代实验手段在化学研究中的应用,认识借助实验获得证据进而建立物质结构模型的过程,感受化学研究创新发展的前沿与方向。
4.科学态度与社会责任:体会科学家探索物质微观结构并建构相关理论过程的艰辛,认识物质结构研究对材料科学、生命科学等许多学科领域的重大问题解决的支持作用,形成通过科学研究促进社会发展、推动构建人类命运共同体的意识。
5.能举例说明物质在原子、分子、超分子、聚集状态等不同尺度上的结构特点对物质性质的影响,能举例说明结构研究对于发现、制备新物质的作用。
第一节 物质的聚集状态与晶体的常识
1.通过认识物质的聚集状态,能举例说明人类对物质结构的认识在不断发展,能说明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.通过认识与探究晶体与非晶体,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和非晶体,能说明X射线衍射等实验手段在物质结构研究中的作用。3.通过晶体制备的实验探究,能依据探究目的设计探究方案,运用化学实验等方法进行实验探究并对相关现象进行解释。4.通过运用多种晶体模型来描述和解释晶胞及有关晶体性质的现象,能根据晶胞结构确定粒子个数和化学式。
认识物质的聚集状态
学习任务1
1.人们对物质组成及聚集状态的认识历程
分子
2.物质的聚集状态
(1)物质三态间的相互转化。
(2)物质的特殊聚集状态。
①等离子体:由 、 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,等离子体具有良好的 和流动性。
②离子液体:是熔点不高的仅由 组成的液体物质。
③晶态、非晶态以及介于二者之间的塑晶态、液晶态等。
电子
阳离子
导电性
离子
液晶、等离子体与离子液体的特征与应用
归纳拓展
聚集
状态 液晶 等离子体 离子液体
定义 在一定温度范围内既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性的聚集状态 由大量带电粒子和中性粒子所组成的呈电中性的物质聚集体 在室温或稍高于室温时呈液态的离子化合物
归纳拓展
特征 表现出各向异性,液晶显示的驱动电压低、功率小 良好的导电性和流动性 难挥发
重要
应用 液晶显示器、高强度液晶纤维 切割金属、代替手术刀进行外科手术、进行化学合成、制造等离子显示器、核聚变的发生 用作有机合成的溶剂和催化剂;在生物化学等科研领域也有广泛应用
1.下列关于物质聚集状态的叙述错误的是( )
[A] 物质只有气、液、固三种聚集状态
[B] 气态是高度无序的存在状态
[C] 固态中的原子或者分子结合得较紧凑,相对运动较弱
[D] 液态物质的粒子间距离和作用力的强弱介于固、气两态之间,表现出明显的流动性
A
【解析】 物质的聚集状态,除了气、液、固三态外,还有塑晶态、液晶态和等离子体等,A错误;物质处于气态时,分子间距离大,分子运动速度快,体系处于高度无序状态,B正确;由物质固态时粒子间距离较小可判断,固态中的原子或者分子结合得较紧凑,相对运动较弱,C正确;对液态物质而言,粒子相距比较近,分子间作用力也较强,表现出明显的流动性,D正确。
2.电视机经历了从黑白到彩色,从手动到遥控,从平板到液晶的发展历程。下列关于液晶的叙述错误的是( )
[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
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正确,C错误;液晶既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,B、D正确。
3.(2024·浙江杭州期中)我国某研究所研制出一种新型离子液体[CPMIm]Cl,该物质可弥补钙钛矿电池表面的Pb2+和I-缺陷,进一步提高该电池的性能。下列说法不正确的是( )
[A] 该离子液体作溶剂比传统有机溶剂难挥发,是范德华力导致的
[B] 该离子液体中存在的化学键有:离子键、共价键
[C] 该离子液体的碳原子存在sp、sp2和sp3等杂化类型
[D] 该离子液体中的3个N结合H+的能力不同
A
【解析】 该离子液体中存在[CPMIm]+、Cl-,阴、阳离子间存在离子键,强于范德华力,故该离子液体沸点比较高,难挥发,A错误;该离子液体中存在[CPMIm]+和Cl-之间的离子键,还包含C—H、C—N等极性共价键和C—C非极性共价键,B正确;根据该离子液体的结构可知,环上的3个碳原子均形成双键,为sp2杂化,碳氮三键中碳原子为sp杂化,其他4个碳原子形成4个单键,为sp3杂化,C正确;该离子液体中碳氮三键中的氮原子含有孤电子对,且电负性:N大于C,则孤电子对偏向氮原子,形成4个化学键的氮原子没有孤电子对,形成3个化学键的氮原子含有孤电子对,且形成了大π键,则孤电子对偏离氮原子,因此3个氮原子结合H+的能力不同,D 正确。
辨析晶体与非晶体
学习任务2
1.晶体与非晶体的本质差异
固体 自范性 微观结构
晶体 (能自发呈现 外形) 粒子在三维空间里呈
排列
非晶体 (不能自发呈现多面体外形) 粒子排列相对
有
多面体
周期性有序
无
无序
2.晶体的特性
(1)自范性。
①定义:晶体能 呈现 外形的性质。
②形成条件:晶体 适当。
③本质原因:晶体中粒子在 里呈现 的宏观表象。
(2)各向异性:晶体在不同方向上表现许多 性质(如 、 、
等)的差异。
(3)固定的 。
自发地
多面体
生长的速率
微观空间
周期性的有序排列
物理
强度
导热性
光学性质
熔点
3.获得晶体的途径
(1) 物质凝固。
(2) 物质冷却不经液态直接 (凝华)。
(3) 从溶液中析出。
熔融态
气态
凝固
溶质
[示例] 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,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 可知,在溶解和结晶的过程中,离子会 ,形成规则的立方体。
自范性
自发地规则排列
4.晶体与非晶体的测定方法
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
可靠方法 对固体进行 实验
X射线衍射
探究 晶体与非晶体的区别
问题1:根据固体的微观结构示意图(图Ⅰ、Ⅱ)判断固体Ⅰ、Ⅱ的类型。
提示:根据结构图可知,Ⅰ中粒子呈周期性有序排列,为晶体;Ⅱ中粒子排列不规则,为非晶体。
问题2:图Ⅲ、Ⅳ是将固体加热至熔化的T-t图像,找出Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ、Ⅳ的对应关系并说明原因。
提示:图Ⅲ为固体Ⅱ加热的图像,图Ⅳ为固体Ⅰ加热的图像。加热晶体Ⅰ,温度达到熔点时晶体Ⅰ开始熔化,在全部熔化前,继续加热,温度基本保持不变,完全熔化后,温度才开始升高,所以晶体有固定的熔点,为图Ⅳ。加热非晶体Ⅱ时,温度升高到某一程度后非晶体Ⅱ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,为图Ⅲ。
问题3:食盐和小苏打都是粉末状,它们是否为晶体 能否通过对小苏打加热的方式加以验证
提示:不能仅仅通过外观判断晶体和非晶体,非晶体经过加工也能具有规则的几何外形。小苏打加热会分解,不能通过加热的方式验证。
问题4:玻璃晶莹剔透,某同学找到一张玻璃的结构示意图,据图判断玻璃是否为晶体。
提示:题给结构示意图显示粒子排布不规则,没有晶体的自范性,所以玻璃为非晶体。
问题5:如何鉴别用玻璃仿造的假宝石
提示:宝石为晶体,玻璃为非晶体,可以根据其不同的特性进行鉴别,如利用X射线衍射实验鉴别;利用宝石的折光率鉴别;测试硬度,玻璃上可刻画出痕迹。
晶体与非晶体的比较
归纳拓展
项目 晶体 非晶体
微观结构特征 粒子呈周期性有序排列 粒子排列相对无序
性质
特征 自范性 有 没有
熔点 固定 不固定
各向异性 有 没有
鉴别
方法 间接方法 看是否具有固定的熔点或根据某些物理性质的各向异性
科学方法 对固体进行X射线衍射实验
归纳拓展
举例 NaCl、I2、SiO2、Na晶体等 玻璃、橡胶等
1.下列关于晶体和非晶体的鉴别错误的是( )
[A] 晶体具有自范性
[B] 晶体具有各向异性
[C] 只要有规则的几何外形就是晶体
[D] 可以通过X射线衍射实验来鉴别
C
【解析】 晶体具有自范性,而非晶体不具有,故A正确;晶体具有各向异性,而非晶体不具有,故B正确;非晶体可以通过机械加工成规则的几何外形,所以有规则的几何外形不一定是晶体,故C错误;X射线衍射实验能够测出物质的内部结构,区分出晶体与非晶体,故D正确。
2.下列有关晶体常识的叙述错误的是( )
[A] 水晶属于晶体,有固定的熔点,而玻璃无固定的熔点,属于非晶体
[B] 当单一波长的X射线通过晶体时可以看到明显的分立的斑点或者明锐的衍射峰
[C] 晶体都具有自范性,自范性是晶体的本质属性
[D] 晶体都具有规则的几何外形,而非晶体都不具有规则的几何外形
D
【解析】 水晶的化学成分是二氧化硅,属于晶体,而玻璃是混合物,属于非晶体,A正确;当单一波长的X射线通过晶体时,可发生衍射,可以看到明显的分立的斑点或者明锐的衍射峰,B正确;在适宜条件下,晶体能够自发地呈现多面体外形的性质,即晶体的自范性,C正确;晶体具有规则的几何外形,但非晶体也可能具有规则的几何外形,如钻石形状的玻璃制品,D错误。
3.下列关于晶体性质的叙述不正确的是( )
[A] 晶体的自范性指的是在适宜条件下,晶体能够自发地呈现多面体外形的性质
[B] 晶体的各向异性和对称性是矛盾的
[C] 晶体的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
[D] 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
B
【解析】 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。故选B。
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,如水晶和石英玻璃。
(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(非晶体)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。
题后反思
认识晶胞及晶体结构的测定
学习任务3
1.晶胞
描述晶体结构的 。
2.晶胞与晶体的关系
常规的晶胞都是 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”是指相邻晶胞之间 。
(2)“并置”是指所有晶胞都是 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
没有任何间隙
平行
相同
形状
种类、个数
3.长方体(包括立方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算
[示例] NaCl晶胞
①Cl-位于 和 ,共有 个。
②Na+位于 和 ,共有 个。
顶角
面心
4
棱上
体心
4
4.晶体结构的测定
(1)仪器:测定晶体结构最常用的仪器是 。
(2)原理:当单一波长的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 或者 ,而非晶体没有该现象。
(3)应用:通过晶体的X射线衍射图可获知的信息有 、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等。
X射线衍射仪
斑点
明锐的衍射峰
晶胞的形状和大小
以下是三种晶体的晶胞结构示意图:
探究 用均摊法计算晶胞中含有的粒子数目
问题1:依据图Ⅰ分析,CO2分别位于晶胞的何种位置 干冰晶胞中平均含有CO2的分子数是多少
问题2:依据图Ⅱ分析,钛酸钙的化学式是什么
问题3:依据图Ⅲ分析,金刚石晶胞中平均含有的碳原子数是多少
提示:否,只表示每个晶胞或晶体中各类粒子的最简整数比。
问题4:由晶胞构成的晶体,其化学式是否表示构成该晶体实际的粒子数目
(1)晶胞中粒子个数的计算。
关键是正确分析晶胞(或晶体结构)中任意位置上的一个粒子被几个晶胞所共用。不同形状的晶胞情况不同。如非长方体晶胞中的粒子均摊情况举例如下。
归纳拓展
①正三棱柱结构中不同位置的粒子数的计算。
归纳拓展
②六棱柱结构中不同位置的粒子数的计算。
归纳拓展
归纳拓展
归纳拓展
(2)确定晶体化学式的方法。
观察粒子种类→确定粒子在晶胞中的位置→用均摊法求各粒子的数目→求各粒子的最简个数比→确定化学式。
题点一 晶胞的理解辨析
1.(2024·河南开封期末)下列有关晶胞的说法正确的是( )
[A] 晶胞是晶体中最小的平行六面体
[B] 晶胞是描述晶体结构的基本单元
[C] 晶胞中的粒子都完全属于该晶胞
[D] 不同晶体中晶胞的大小和形状均相同
B
【解析】 大部分晶体是由平行六面体形晶胞“无隙并置”而成,但不是所有晶体,A错误;晶胞是描述晶体结构的基本单元,B正确;由于晶胞要无隙并置排列,必然出现相邻晶胞共用粒子的情况,C错误;不同晶体中的晶胞形状可能相同,但晶胞的大小不一定相同,如果形状和大小均相同,则是同一种晶
胞,D错误。
2.整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。对这句话的理解错误的是( )
[A] 相邻晶胞之间没有任何间隙
[B] 晶体是晶胞简单、随意堆积而成的
[C] 晶胞排列时,取向相同
[D] “并置”是指所有晶胞都是平行排列的
B
【解析】 晶体并不是晶胞简单、随意堆积而成的,而是晶胞平行排列而成的,取向相同,且相邻晶胞之间没有任何间隙。故选B。
题点二 晶体化学式的确定
3.(2024·福建福州二中月考)根据晶体中的晶胞结构判断,下列晶体的化学式不正确的是( )
A
选项 晶胞结构 化学式
[A] MN2
[B] P2W
[C] EF
[D] XY3Z
4.回答下列问题。
(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
。
CuCl
(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,该功能陶瓷的化学式为 。
BN
(3)某晶体的晶胞结构模型如图所示。该晶体的化学式是 。
CoTiO3
(4)有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,它的化学式为 (填字母)。
A.Ti14C13 B.TiC
C.Ti14C4 D.Ti4C3
A
【解析】 (4)由题意知该物质是气态团簇分子,故题目中图示应是该物质的一个完整的分子,由14个钛原子和13个碳原子构成,A正确。
5.(2025·湖北市级示范高中智学联盟月考)铁的一种硫化物的晶胞如图所示。已知晶胞的边长为n pm,NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是
( )
D
6.过渡金属的氮化物因其优异的催化性能(加氢处理、光和电化学催化等)受到了广泛关注。贵金属钼(Mo)的氮化物可用作将N2还原为氨反应的催化剂,其立方晶胞如图所示。已知晶胞参数为 a nm,则该晶体的化学式为 ,
晶体的密度为 (列出计算式)g· cm-3
(NA表示阿伏加德罗常数的值)。
Mo2N
立方晶胞中各物理量的关系
a3×ρ×NA=n×M
a:表示晶胞的棱长;
ρ:表示晶体的密度;
NA:表示阿伏加德罗常数;
n:表示1 mol 晶胞中所含粒子的物质的量;
M:表示物质的摩尔质量;
a3×ρ×NA:表示1 mol 晶胞的质量。
规律方法
知识整合
以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各粒子的位置,称作原子分数坐标。某氮化铁的晶胞结构如图所示:
(2)若该晶体的密度是ρ g·cm-3,则晶胞中两个最近的Fe的核间距为
(用含NA、ρ的代数式表示,不必化简)。
(3)在该晶胞结构中,Cu可以完全替代a位置Fe或者b位置Fe(如图甲),形成Cu替代型产物Fe(x-n)CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如图乙所示,其中更稳定的是 (填“Cu替代a位置Fe型”或“Cu替代b位置Fe型”),替代后不稳定物质的化学式为 。
Cu替代a位置Fe型
FeCu3N
命题解密与解题指导
情境解读:以晶体结构为载体,考查晶胞中原子分数坐标、晶胞内粒子间距、晶胞分析与计算等。
素养立意:通过晶胞分析与计算等知识强化证据推理与模型认知素养。
思路点拨:
所求目标原子坐标参数确定的方法
(时间:30分钟 满分:57分)
(选择题1~14题,每小题3分,共42分)
(一)认识物质的聚集状态
1.物质的聚集状态与其性能之间关系密切。下列说法错误的是( )
[A] 等离子体由电子、阳离子和电中性粒子组成,具有良好的导电性和流动性
[B] 大多数离子液体含有体积很大的阴、阳离子,呈液态,难挥发
[C] 液晶既具有液体的流动性,又具有类似晶体的各向异性
[D] 圆形容器中结出的冰是圆形的,体现了晶体的自范性
D
【解析】 晶体的自范性就是晶体能自发呈现多面体外形的性质,圆形容器中结出的冰是圆形的,是外部容器的形状,不能体现晶体的自范性,D错误。
2.(2024·浙江浙东北联盟期中联考)下列有关物质聚集状态的说法不正确的是( )
[A] 金属铅晶体颗粒小至纳米级时熔点会下降
[B] 离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质
[C] 气态物质在高温或者在外加电场激发下,分子发生电离产生电子和阳离子生成等离子体
[D] 将晶体加热到熔点至澄清点之间的物质状态称为液晶,液晶可分为热致液晶和溶致液晶
C
【解析】 纳米晶体的结构和性质与较大尺寸的晶体有所不同,纳米级金属铅晶体的热稳定性降低,从而在加热时更容易达到熔化状态,其熔点更低,A正确;离子液体是熔点低于或稍高于室温的离子化合物,故其是熔点不高的仅由离子组成的液体物质,B正确;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,C错误;液晶是介于液态和晶态之间的物质状态,将晶体加热到熔点至澄清点之间的物质状态称为液晶,液晶可分为热致液晶和溶致液晶,D正确。
(二)晶体与非晶体
3.(2024·广东惠州博罗中学月考)下列物质属于晶体的是( )
[A] 玻璃 [B] 石蜡和沥青
[C] 塑料 [D] 水晶
D
【解析】 玻璃、石蜡、沥青和塑料在熔化过程中温度不断升高,没有固定熔点,不是晶体,A、B、C不符合题意;水晶有规则的几何外形,有固定的熔点,是晶体,D符合题意。
4.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
B
【解析】 晶体与非晶体的本质区别是晶体具有自范性而非晶体没有自范性,B符合题意。
5.如图是某固体的微观结构示意图,请认真观察两图,判断下列说法正确的是
( )
[A] 两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体
[B] Ⅰ形成的固体物理性质有各向异性
[C] Ⅱ形成的固体一定有固定的熔、沸点
[D] 两者的X射线衍射图谱是相同的
B
【解析】 观察结构图知,Ⅰ中粒子呈周期性有序排列,Ⅱ中粒子排布不规则,故Ⅰ为晶体,Ⅱ为非晶体。晶体具有各向异性,有固定的熔、沸点,非晶体没有固定的熔、沸点,用X射线检验两者,图谱明显不同。故选B。
6.下列叙述错误的是( )
[A] 区分晶体与非晶体最科学的方法是对固体进行X射线衍射实验
[B] 外观呈现规则多面体的物质,内部微观粒子在三维空间一定呈周期性有序排列
[C] 晶体具有各向异性,所以用红热的铁针刺中涂有石蜡的水晶柱面,熔化的石蜡呈椭圆形
[D] 液晶具有液体的流动性和晶体的各向异性
B
【解析】 构成晶体的粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列,晶体的这一结构特征可以通过X射线衍射图谱反映出来,因此,区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验,A正确;晶体与非晶体的根本区别在于其内部粒子在空间上是否按一定规律做周期性重复排列,不是在于是否具有规则的几何外形,B错误;晶体的外形和内部质点排列高度有序,物理性质表现出各向异性,水晶属于晶体,具有各向异性,不同方向导热性能不同,而石蜡属于非晶体,不具有各向异性,所以用红热的铁针刺中涂有石蜡的水晶柱面,熔化的石蜡呈椭圆形,C正确;在一定范围内存在液体流动性,也存在晶体各向异性的物质,称为液晶,D正确。
7.下列关于晶体的说法正确的是( )
[A] 将熔化的二氧化硅冷却一定得到晶体
[B] 晶体呈现自范性的过程是非自发的过程
[C] 玛瑙和水晶皆为晶体,两者都是熔融态SiO2通过相同途径凝固形成的
[D] 当晶体生长速率适当时才可得到规则的多面体外形
D
【解析】 形成晶体需要适当的生长速度,故A错误;晶体的规则几何外形是自发形成的,即晶体自范性的呈现,故B错误;玛瑙不是晶体,水晶是晶体,玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的,而水晶是熔融态SiO2缓慢冷却形成的,故C错误;熔融态物质冷却凝固速率过快只得到看不到规则外形的粉末或块状物,玛瑙的形成就是一个例子,故D正确。
(三)认识晶胞 、晶胞分析与计算
8.下列有关晶胞的叙述不正确的是( )
[A] 晶体中的晶胞不一定都是平行六面体
[B] 晶胞是晶体中基本的结构重复单元
[C] 已知晶胞的结构,可推知晶体的结构
D
9.下列对于某晶胞(如图所示)的描述错误的是( )
[A] 该晶胞是所在晶体内最小的平行六面体
[B] 该晶胞的每个顶点上和每个面的面心上都各有一个粒子
[C] 平均每个晶胞中有14个粒子
[D] 含该晶胞的整块晶体中,相邻晶胞之间没有任何间隙
C
10.如图所示是硼和镁形成的化合物的晶体结构单元,镁原子间形成正六棱
柱,且棱柱的上下底面各有一个镁原子,6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为( )
[A] MgB
[B] MgB2
[C] Mg2B
[D] Mg3B2
B
11.(2024·河北正定中学期末)锆(Zr)是重要的战略金属,可从其氧化物中提取。右图是某种锆的氧化物晶体的立方晶胞,NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法错误的是( )
B
12.固体有晶体和非晶体之分(实际上还有介于两者之间的晶体),下列对晶体SiO2和非晶体SiO2相关叙述不正确的是( )
[A] 相同质量的晶体SiO2转变为非晶体SiO2属于熵增过程
[B] 晶体SiO2具有自范性,非晶体SiO2没有自范性
[C] 晶体SiO2不具有物理性质各向异性的特点
[D] 图中 a 表示的是晶态SiO2的衍射图谱
C
综合应用
【解析】 从图中可知,晶体SiO2原子排列有序,非晶体SiO2原子排列无序,从晶体二氧化硅到非晶体二氧化硅是熵增过程,A正确;晶体SiO2中原子规则排列,故晶体二氧化硅具有自范性,非晶体SiO2中原子排列无序,故非晶体二氧化硅不具有自范性,B正确;晶体SiO2具有物理性质各向异性的特点,C错误;晶体的衍射图谱有明锐的衍射峰,故a表示的是晶态SiO2的衍射图谱,D正确。
13.M是铁和碳组成的二元合金,其晶胞结构如图所示。连接面心上的铁原子构成正八面体。已知掺入碳原子不改变铁原子间的距离,晶胞棱长为a pm。下列说法错误的是( )
[A] 每个铁原子周围与它相邻且等距离的铁原子有12个
B
[C] 该晶胞中铁、碳原子个数之比为1∶1
[D] 基态铁原子有4个未成对电子
14.高温下,超氧化钾晶体呈立方体外形。晶体中氧的化合价部分为0,部分为-2。如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞。下列说法正确的是( )
D
(1)写出该晶体的化学式: 。
15.(15分,每空3分)热敏电阻的主要成分——钡钛矿晶体的晶胞结构如图所示,晶胞棱长为a cm。顶点位置被Ti4+占据,体心位置被Ba2+占据,所有棱心位置被O2-占据(已知相对原子质量:O—16 Ti—48 Ba—137)。
BaTiO3
(2)若将Ti4+置于晶胞的体心,Ba2+置于晶胞的顶点,则O2-处于立方体的
位置。
面心
【解析】 (2)将共用一个Ti4+的8个晶胞的体心Ba2+连起来构成新的晶胞的顶点,则每个O2-正好分别处在六个面的面心位置。
(3)在该物质的晶体中,每个Ti4+周围距离相等且最近的Ti4+有 个;若将它们连接起来,形成的空间结构为 。
6
【解析】 (3)晶胞中一个顶点的Ti4+与其前、后、左、右、上、下的Ti4+最近且距离相等,若连接起来,形成正八面体。
正八面体
(4)若晶体的密度为ρ g·cm-3,阿伏加德罗常数的值为NA,则a= 。
