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物质的聚集状态与晶体的常识
第一节
第三章 晶体结构与性质
学习目标
LEARNING GOALS
1.知道在一定条件下,物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。
2.知道物质的聚集状态会影响物质的性质,通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料。
3.能说出晶体与非晶体的区别,能结合实例描述晶体中微粒排列的周期性规律。
4.认识简单的晶胞。
物质的聚集状态
01
物质的聚集状态
新知构建
物质的三态变化
物质的聚集状态
新知构建
物质的三态变化是物理变化,变化时克服分子间作用力或破坏化学键,但不会有新的化学键形成。
冰
水
水蒸气
升华
凝华
液化
汽化
熔化
凝固
物质的聚集状态
新知构建
气态和液态物质也同样不一定都由分子构成。例如,等离子体、离子液体。
物质的聚集状态
新知构建
物质的聚集状态
新知构建
3.晶态与非晶态
离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。(例如:低温熔融盐)
4.晶态和非晶态之间的塑晶态、液晶态
热致液晶
物质的聚集状态
新知构建
液晶:
(1)定义:介于液态和晶态之间的物质状态。
(2)特点: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,表现出类似晶体的各向异性。
(3)应用:手机、电脑和电视的液晶显示器。合成高强度液晶纤维广泛用于飞机、火箭、坦克、舰船、防弹衣、防弹头盔等。
物质的聚集状态
应用评价
(1)等离子体具有良好的导电性。( )
√
(2)等离子体的基本构成粒子只有阴、阳离子。( )
等离子体是由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的气态物质聚集体。因此等离子体的基本构成粒子不是阴、阳离子。
×
(3)电视和电脑的液晶显示器使用的液晶材料属于晶体,不能体现晶体的各向异性。( )
×
液晶分子的空间排列是不稳定的,但具有各向异性,属于非晶体。
晶体与非晶体
02
晶体与非晶体
新知构建
黄色的硫黄(S8)
紫黑色的碘(I2)
高锰酸钾
玻璃杯
陶瓷
橡胶
绝大多数常见的固体是晶体,只有如玻璃、炭黑之类的物质属于非晶体。晶体与非晶体有什么本质的差异呢?
玻璃又称玻璃体
炭黑又称无定形体
晶体与非晶体
新知构建
1.晶体和非晶体的概念
(1)晶体
内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性有序排列而构成的具有规则几何外形的固体。如食盐、冰、铁、铜等。
(2)非晶体
内部微粒(原子、离子或分子)排列呈相对无序状态,不具有规则几何外形的固体。如玻璃、炭黑、橡胶等。
晶体与非晶体
新知构建
2.晶体与非晶体的区别
晶体 非晶体
1. 本质差异 ①是否具有自范性 _______
(能自发呈现多面体外形) _______
(不能自发呈现多面体外形)
②微观结构 原子在三维空间里呈 性有序排列 原子排列相对 。
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。
有
无
周期
无序
晶体与非晶体
新知构建
(1)晶体呈现自范性的条件之一是: 。
(2)天然水晶球是熔融态 SiO 侵入地壳内的空洞冷却形成的
玛瑙是熔融态SiO2 冷却形成—— 规则外形
水晶是熔融态SiO2 冷却形成—— 规则外形
特别提醒:晶体也不一定都有规则的几何外形。
晶体生长的速率适当
快速
没有
缓慢
有
天然水晶球里的玛瑙和水晶
玛瑙
水晶
晶体的自范性(本质差异)
晶体与非晶体
新知构建
本质上,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,无自范性。
晶体与非晶体
新知构建
晶体 非晶体
2. 物理性质 各向 性(晶体在不同方向上表现出不同的物理性质,包括晶体的强度、光学性质、导电性、导热性等物理性质) 各向 性
异
同
晶体与非晶体
新知构建
晶体与非晶体
新知构建
晶体 非晶体
3. 是否有固定熔点
晶体
非晶体
温度
时间
温度
时间
温度
时间
温度
时间
晶体
非晶体
物质熔化时的温度变化曲线
物质凝固时的温度变化曲线
有
没有
晶体与非晶体
新知构建
晶体 非晶体
4. 区分晶体和非晶体 最科学可靠的方法
X-射线衍射法
3.晶体结构的测定
(1)常用仪器:_____________
X射线衍射仪
X射线单晶衍射仪
当单一波长的X射线通过晶体时,X射线和晶体中的_____相互作用,会在记录仪上产生 或者 。
晶体与非晶体
新知构建
(2)原理
电子
分立的斑点
明锐的衍射峰
单晶衍射图
非晶态和晶态SiO2 粉末衍射图谱
(水晶)
晶态SiO2
(石英玻璃)
非晶态SiO2
晶体与非晶体
新知构建
晶体 非晶体
微观结构特征 粒子周期性有序排列 粒子排列相对无序
性质
特征
自范性 有 无
是否均一 均一 不均一
各向异性 有 无
熔点 固定 不固定
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
晶体与非晶体
新知构建
(3)获得晶体的三条途径
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析出的硫酸铜晶体
思考:如何得到这些美丽的晶体呢?
晶体与非晶体
新知构建
探究一:用研钵把硫黄粉末研细,放入蒸发皿中,放在三脚架的铁圈上,用酒精灯加热至熔融态,自然冷却结晶后,观察实验现象
探究二:在一个小烧杯里加入少量碘,用一个表面皿盖在小烧杯上,并在表面皿上加少量冷水。把小烧杯放在陶土网上小火加热,观察实验现象。
探究三:在250 mL烧杯中加入半杯饱和氯化钠溶液,用滴管滴入浓盐酸,观察实验现象。
1. 实验探究:观察晶体
晶体与非晶体
新知构建
实验现象
淡黄色的菱形硫黄晶体
紫黑色晶体
立方体无色晶体
晶体与非晶体
新知构建
熔融态物质凝固
途径一
凝华:气态物质冷却不经液态直物质冷却不经液态直接凝固
途径二
结晶:溶质从溶液中析出
途径三
晶体与非晶体
应用评价
(1)具有各向异性的固体可能是晶体。 ( )
√
(2)晶体与非晶体的根本区别在于固体是否具有规则的几何外形。 ( )
晶体与非晶体的根本区别在于粒子在微观空间是否呈周期性的有序排列。
(3)X射线衍射是最可靠的区分晶体和非晶体的方法。 ( )
(4)用X射线衍射摄取石英玻璃和水晶的粉末得到的图谱是相同的。( )
石英玻璃为非晶态SiO2,水晶为晶态SiO2,X射线衍射图谱不相同。
(5)因为晶体具有自范性,所以用红热的铁针刺涂有石蜡的水晶柱面,熔化的石蜡呈圆形。 ( )
晶体在导热性中具有各向异性,故熔化的石蜡呈椭圆形。
√
×
×
×
晶胞和晶体结构的测定
03
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
1.晶胞:描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。
一般来说,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。
一、认识晶胞
“无隙”:相邻晶胞之间没有任何 。
“并置”:所有晶胞都是 排列的,取向 。
间隙
平行
相同
所有晶胞的 及其内部的 、 及 是完全相同的。
形状
原子种类
个数
几何排列
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
2.晶胞中微粒的计算方法——均摊法
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
晶胞的结构
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
1
4
3
8
5
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
铜晶体
铜晶胞
金属铜的一个晶胞的原子数
2
1
8
1
= 8× +6× =4
3.晶胞中粒子数目的计算
(1)铜晶胞
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
Cl-位于顶点和面心
顶点位置:8× =1
8
1
面心位置:6× =3
2
1
Na+位于棱心和体心
棱点位置:12× =3
4
1
体心位置:1
4
4
3.晶胞中粒子数目的计算
(2)氯化钠晶胞
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
金属钠
金属锌
碘固体
金刚石
碘:2× (8×1/8+6×1/2)=8
金刚石:8×1/8+6×1/2+4=8
钠:8×1/8+1=2
锌:8×1/8+1=2
3.晶胞中粒子数目的计算
(3)几种晶胞中原子数目的确定
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
二、晶体结构的测定
1.常用仪器:_____________
X射线衍射仪
X射线单晶衍射仪
晶胞和晶体结构的测定
新知构建
2.测定过程:当单一波长的X射线通过晶体时,会在记录仪上产生分立的斑点或者明锐的衍射峰。
3.作用:通过晶体的X射线衍射实验获得衍射图后,经过计算可以从衍射图形获得晶体结构的有关信息。包括晶胞形状和大小、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等,以及结合晶体化学组成的信息推出原子之间的相互关系。
4.测定示例——乙酸晶体结构的测定流程
乙酸晶体的X射线衍射实验 乙酸晶胞中含4个乙酸分子 测定晶胞中各原子的位置(即原子坐标) 计算原子间的距离 判断出哪些原子间存在化学键 确定键长和键角 分子的空间结构。
晶胞和晶体结构的测定
应用评价
(1)晶胞都是平行六面体。( )
(2)晶胞是晶体的基本单元。 ( )
(3)已知晶胞的组成也无法推知晶体的组成。 ( )
(4)准晶是一种无平移周期序,但有严格准周期位置序的独特晶体,可通过X射线衍射方法区分晶体、准晶体和非晶体。 ( )
也可以是其他的形状
×
√
×
已知晶胞的组成可推知晶体的组成。
√
课时小结
物质的
聚集状态
气态
液态
固态
晶态
非晶态
液晶态
一类具有塑性的固态晶体,介乎晶态与非晶态之间
塑晶态
介于液态和晶态之间的物质状态
课时小结
晶体 非晶体
微观结构特征 粒子周期性有序排列 粒子排列相对无序
性质
特征
自范性 有 无
是否均一 均一 不均一
各向异性 有 无
熔点 固定 不固定
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
课时小结
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
随堂演练
1.化学与生活、科技密切相关,下列说法错误的是( )
A.等离子体是一种混合物存在状态
B.配制碘水时,为了增大碘的溶解性,常加入KI溶液
C.电视和电脑的液晶显示器使用的液晶材料属于晶体,能体现晶体的各向异性
D.在霓虹灯的灯管里存在等离子体
C
等离子体是由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体呈电中性的物质聚集体
配制碘水时,加入适量的KI,通过I2+I-==I3-,增大碘单质在水溶液中的溶解度
液晶既具有液体的流动性,又具有晶体的光学各向异性,可以制作液晶显示器,但其不是晶体
高温下存在等离子体,霓虹灯能形成高温环境,存在等离子体
√
×
√
√
随堂演练
2.下列过程不能得到晶体的是( )
A.对NaCl饱和溶液降温所得到的固体
B.气态水直接冷却成固态水
C.熔融的KNO3冷却后所得到的固体
D.液态的玻璃冷却后所得到的固体
得到晶体的三条途径:
①溶质从溶液中析出;②气态物质凝华;③熔融态物质凝固。A选项符合①,B选项符合②,C选项符合③。由于玻璃属于非晶体,熔融后再冷却所得到的固体仍为非晶体。
D