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第1节 认识晶体
1.了解晶体的重要特征,能说出晶体与非晶体的区别,形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.了解晶胞的概念,以及晶胞与晶体的关系,会用“切割法”确定晶胞中的微粒数目(或微粒数目比)和晶体的化学式。培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
必备知识
正误判断
一、晶体的特性
1.定义
人们把内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质称为晶体。
2.晶体的特性
(1)在适宜条件下,晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面体外形。
(2)晶体的外形往往还表现出一定的对称性。例如,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。
(3)晶体在不同的方向上表现出不同的物理性质,这称为晶体的各向异性。
(4)能使X射线产生衍射。利用这种性质,人们建立了测定晶体的重要实验方法。
必备知识
正误判断
3.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
实例
离子晶体
阴、阳离子
NaCl
金属晶体
金属阳离子、自由电子
铜
共价晶体
原子
金刚石
分子晶体
分子
冰
4.非晶体
人们把内部微粒无周期性重复排列的固体物质称为非晶体。如橡胶、玻璃、石蜡等。
必备知识
正误判断
【微思考1】晶体的各向异性及对称性是由哪些因素引起的?
提示:晶体内部的微粒在空间按照一定规律做周期性重复排列,且微粒的空间排布具有特定的对称性,只有这样才能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;内部微粒在不同方向上排列的规律不同,从而使晶体具有各向异性。
必备知识
正误判断
二、晶体结构的基本重复单元——晶胞
必备知识
正误判断
如图所示,铜晶胞中含有的铜原子数为
必备知识
正误判断
【微思考2】晶体的化学式表达的意义是什么?
提示: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,由晶胞构成的晶体,其化学式并不是表示一个分子中含有多少个原子。
必备知识
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
1.有规则几何外形的固体就是晶体。( )
2.熔融态的晶体冷却凝固,得到的固体不一定呈规则的几何外形。( )
3.晶胞都是平行六面体。( )
4.晶胞是晶体基本的重复单元。( )
5.不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同。( )
6.已知晶胞的组成也无法推知晶体的组成。( )
答案:1.× 2.√ 3.× 4.√ 5.× 6.×
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
晶体与非晶体的区别
问题探究
【观图助学】
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
1.有固定组成的物质一定是晶体吗?
提示:具有固定组成的物质不一定是晶体,如某些无定形体也有固定的组成,如无定形SiO2。
2.图2实验有什么作用?
提示:晶体能使X射线产生衍射,利用这种性质,人们建立了区分晶体和非晶体最可靠的科学方法。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.晶体与非晶体的区别
?
微观结构
自发地呈现规则的
多面体外形
各向性
熔点
晶体
微粒在三维空间呈周期性重复排列
能
各向
异性
固定
非晶
体
微粒无周期性重复排列
不能
各向
同性
不固定
本质
区别
内部微粒在空间是否呈现周期性重复排列
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.晶体与非晶体的区别方法
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
【微点拨】晶体有固定的熔点。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。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例1(2020山东泰安第一中学高二检测)下列叙述中正确的是( )
A.具有规则几何外形的固体一定是晶体
B.具有特定对称性的固体一定是晶体
C.具有各向异性的固体一定是晶体
D.依据构成粒子的堆积方式可将晶体分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体
答案:C
解析:有些人工加工而成的非晶体也具有规则几何外形和高度对称性,故A、B两项错误;具有各向异性的固体一定是晶体,C项正确;晶体可分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体,依据的是构成晶体的微粒的种类和微粒间相互作用的不同,故D项错误。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
易错警示
晶体具有规则的几何外形,但具有规则几何外形的固体不一定是晶体。非晶体也可以打磨成规则的几何外形,但仍不是晶体。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-1(2020安徽合肥第一中学高二检测)下列有关晶体和非晶体的说法中正确的是( )
A.无色透明的固体一定是晶体
B.晶体能自发地呈现规则的多面体外形,非晶体不能
C.晶体研碎后即变为非晶体
D.将玻璃加工成规则的固体即变成晶体
答案:B
解析:无色透明的玻璃属于非晶体,将其加工成有规则几何外形的玻璃制品,仍为非晶体,A、D选项错误。组成晶体的粒子在空间呈现周期性重复排列,因此,晶体研碎成小的颗粒仍然是晶体,所以C项错误。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练1-2(2020山东实验中学高二模拟)如图是a、b两种不同物质的熔化曲线,下列说法正确的是( )
A.a是晶体
B.a是非晶体
C.b是晶体
D.a、b都是非晶体
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:A
解析:晶体有固定的熔点,由图a分析知,中间有一段温度不变,但一直在吸收能量,此时所对应的温度即为此晶体的熔点;b曲线温度一直在升高,没有一段温度是不变的,表示b物质没有固定的熔点,为非晶体。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
晶胞中微粒的求法——切割法(均摊法)
问题探究
1.晶胞的常见类型有哪些?
提示:晶胞的结构有很多种,常见的有如下几类:
(1)简单立方:仅在平行六面体的8个顶点上有粒子。
(2)体心立方:除8个顶点上有粒子外,平行六面体的体心还有一个粒子。
(3)面心立方:除8个顶点和体心有粒子外,平行六面体的6个面的面心上都各有一个粒子。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.计算晶胞中的微粒数目为什么采用切割法?
提示:整块晶体可以看做是数量巨大的晶胞堆积而成。位于晶胞顶点、棱上、面上的微粒并不为一个晶胞所独占,因此,需采用切割法。
3.晶体与晶胞的关系是怎么样的呢?
提示:将一个个晶胞及其包含的微粒上、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种类、数目和空间位置,就可以了解整个晶体的结构。晶体与晶胞的关系好比蜂巢与蜂室的关系。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
深化拓展
1.切割法的知识要点
晶胞任意位置上的一个原子若被X个晶胞共用,那么每个晶胞对这个原子分得的份额就是
。
2.长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子数的计算
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
3.六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
【微点拨】进行非长方体形晶胞中粒子数目计算时,视具体情况而定,如石墨晶胞每一层内碳原子排成一个个六边形,每个碳原子被三个六边形共用,每个碳原子对一个六边形的贡献为
。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
素能应用
典例2(2020北京第四中学高二检测节选)(1)元素铜的一种氯化物晶体的晶胞结构如下图所示,该氯化物的化学式是 。?
(2)Cu2O为半导体材料,在其立方晶胞内部有4个氧原子,其余氧原子位于6个面心和8个顶点,则该晶胞中有 个铜原子。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
(3)利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷,下图为其晶胞结构示意图,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 。?
(4)某晶体结构模型如下图所示。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 、 。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:(1)CuCl (2)16 (3)2 BN (4)6 12
的电负性大于B,所以该陶瓷的化学式为BN。
(4)Ti原子位于晶胞的中心,其周围距离最近的O原子分别位于6个面的面心,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。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
规律方法1.晶胞中原子个数的计算
关键是正确分析晶胞中任意位置上的一个原子被几个晶胞所共用。不同形状的晶胞情况不同。如六棱柱晶胞中,顶点、侧棱、底面、侧面的原子,依次被6、3、2、2个晶胞共用。
2.确定晶体化学式的方法
观察微粒种类→确定微粒在晶胞中的位置→用切割法求各微粒的数目→求各微粒的最简个数比→确定化学式。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-1(2020江苏苏州实验中学高一检测)已知某晶体晶胞如图所示,则该晶体的化学式为( )
A.XYZ
B.X2Y4Z
C.XY4Z
D.X4Y2Z
答案:C
解析:该晶体的晶胞是正方体形晶胞。该晶胞拥有的X粒子数为8×
=1;Y位于该晶胞内,共有4个,因此该晶胞中拥有的Y粒子数为4;Z位于晶胞的体心,故该晶体的化学式为XY4Z。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
变式训练2-2(2020北京师范大学附属实验中学高二检测)某离子晶体晶胞结构如图所示,X位于立方体的顶点,Y位于立方体中心,试分析:
晶体中每个Y同时吸引着 个X,每个X同时吸引着 个Y,该晶体的化学式为 。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:4 8 XY2(或Y2X)
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
1.(2020黑龙江哈尔滨第三中学高二检测)下列关于晶体性质的叙述中,不正确的是( )
A.在适宜条件下,晶体能够自发地呈现封闭、规则的多面体几何外形
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.晶体的各向异性直接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,B项的说法错误。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
2.下列说法错误的是( )
A.同一物质有时可以是晶体,有时可以是非晶体
B.区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是确定有没有固定熔点
C.雪花是水蒸气凝华得到的晶体
D.溶质从溶液中析出可以得到晶体
答案:B
解析:A项正确,如晶态SiO2和非晶态SiO2;B项错误,最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
3.(2020河北石家庄第二中学高二检测)下列不属于晶体的特点的是( )
A.一定有固定的几何外形
B.一定有各向异性
C.一定有固定的熔点
D.一定是无色透明的固体
答案:D
解析:晶体的特点有:有规则的几何外形、固定的熔点及各向异性,但不一定是无色透明的,如紫黑色的碘晶体、蓝色的硫酸铜晶体。
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
4.(2020福建厦门双十中学高二检测)最近发现,只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性。该新型超导晶体的一个晶胞如图所示,则该晶体的化学式为( )
A.Mg2CNi3
B.MgC2Ni
C.MgCNi2
D.MgCNi3
解析:Mg处于晶胞的顶点上,故有8×
=1个属于该晶胞;Ni处于晶胞的面心,故有6×
=3个属于该晶胞;C处于晶胞的内部,完全属于该晶胞,故该晶体的化学式为MgCNi3。
答案:D
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
5.现有甲、乙、丙(如下图)三种晶体的晶胞(甲中x处于晶胞的中心,乙中a处于晶胞的中心),可推知:甲晶胞中x与y的个数比是 ,乙晶胞中a与b的个数比是 ,丙晶胞中有 个c离子,有 个d离子。?
探究1
探究2
素养脉络
随堂检测
答案:4∶3 1∶1 4 4第3章不同聚集状态的物质与性质
第1节 认识晶体
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.(2020吉林长春实验中学高二调研)下列叙述正确的是
( )
A.固态物质一定是晶体
B.冰和固态碘晶体中微粒间的相互作用力相同
C.晶体内部的微粒按一定规律做周期性排列
D.凡有规则外形的固体一定是晶体
答案C
解析固态物质分为晶体和非晶体,晶体有规则的几何外形、有各向异性、有固定的熔点,但有规则几何外形的固体不一定是晶体。冰中微粒间作用力除范德华力外,还含有氢键,而碘晶体中只有范德华力。所以,A、B、D错误,C正确。
2.(2020北京第十中学高二检测)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
解析选项A,将饱和CuSO4溶液降温可析出胆矾,胆矾属于晶体。选项B,宝石的硬度较大,玻璃制品的硬度较小,可以利用划痕法根据有无划痕来鉴别。选项C,非晶体没有固定熔点。选项D,晶体的各向异性导致蓝宝石在不同方向上的硬度存在差异。
3.(2020安徽马鞍山二中高二月考)从我们熟悉的食盐、金属、冰到贵重的钻石等都是晶体,而透明的玻璃却是非晶体。下列关于晶体和非晶体的本质区别的叙述中,正确的是( )
A.是否具有规则的几何外形
B.是否具有固定的组成
C.是否具有美观对称的外形
D.内部基本构成微粒是否按一定规律做周期性重复排列
答案D
解析晶体与非晶体的根本区别在于其内部粒子在空间是否按一定规律做周期性重复排列,故A、B、C错误,D正确。
4.(双选)(2020四川彭州中学高二月考)下列四种晶体,其晶胞中粒子排列方式如图所示,其中化学式正确的是
( )
答案CD
解析A结构中,A原子在立方体的中心,B原子在8个顶点,故化学式为AB;B结构中,E原子和F原子分别占据立方体8个顶点中的4个,故化学式为EF;C结构中,X原子位于立方体的中心,Y原子位于6个面的面心,Z原子位于8个顶点,故化学式为XY3Z;D结构中,A原子位于立方体的8个顶点和6个面的面心,而B原子位于体心和12条棱的中心,故化学式为AB。
5.(2020海南海口第一中学高二检测)下图为一块密度、厚度均匀的矩形样品,长为宽的两倍,若用多用电表沿两对称轴测其电阻均为R,则这块样品一定是( )
A.金属
B.半导体
C.非晶体
D.晶体
答案D
解析由于AB=2CD,而AB、CD的电阻却相等,说明样品横向(AB)与纵向(CD)的导电性不同,具有各向异性,而晶体的特征之一是各向异性,非晶体则具有各向同性,故该样品为晶体。
6.(2020天津新华中学高二检测)纳米材料的表面粒子数占总粒子数的比例极大,这是它有许多特殊性质的原因。假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰好与氯化钠晶胞的大小和形状相同,则这种纳米颗粒的表面粒子数与总粒子数的比值为( )
A.7∶8
B.13∶14
C.1∶1
D.26∶27
答案D
解析由题意知,一个氯化钠纳米颗粒所含的表面粒子数=8+6+12=26,总粒子数=表面粒子数+中心粒子数=26+1=27,故选D。
7.下列能够表示出每个晶胞中所含实际微粒个数的面心立方晶胞的是( )
答案B
解析A项和B项表示的是面心立方晶胞,其中B项是经过切割了的面心立方晶胞,它能表示出此晶胞中所含微粒的实际数目;C项和D项表示的是体心立方晶胞。
8.元素X的某价态离子Xn+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层,它与N3-形成的晶体结构如图所示。
(1)该晶体的阳离子与阴离子个数比为 。?
(2)该晶体中Xn+中的n= 。?
(3)X元素的原子序数是 。?
(4)晶体中每个N3-被 个等距离的Xn+包围。?
答案(1)3∶1 (2)1 (3)29 (4)6
解析(1)Xn+位于晶胞的12条棱上,其数目为12×=3,N3-位于晶胞的8个顶点,其数目为8×=1,故二者个数比为3∶1。
(2)由晶体的化学式X3N知,Xn+所带的电荷数为1。
(3)因为X+的K、L、M三个电子层充满电子,故为2、8、18,所以X的原子序数是29。
(4)N3-位于晶胞顶点,故每个N3-被6个等距离的X+上、下、左、右、前、后包围。
提升能力跨越等级
1.(2020安徽安庆一中高二检测)下列有关晶胞的叙述不正确的是( )
A.如图所示晶胞叫面心立方晶胞
B.面心立方晶胞的每个顶点和每个面的中心上都各有一个微粒
C.处于晶胞顶点、棱上、面上、体心的微粒对晶胞的贡献分别为、1
D.平均每个面心立方晶胞中有4个微粒
答案C
解析面心立方晶胞的每个面心和顶点上各有1个微粒,图示晶胞为面心立方晶胞,故A、B均正确;平均每个面心立方晶胞中所拥有的微粒个数为8×+6×=4,故D正确;对于长方体形晶胞,处于晶胞顶点、棱上、面上、体心的微粒对晶胞的贡献分别为、1,C不正确。
2.(2020山东潍坊二中高二月考)MCl晶体具有立方体结构,其晶胞结构如图所示,在该晶体中,每个M+周围与它最接近的且距离相等的M+共有( )
A.6个
B.8个
C.12个
D.16个
答案A
解析根据MCl的晶胞结构可以看出,每个M+的上、下、左、右、前、后晶胞中各有一个M+与之距离相等且最近,故每个M+周围与它最接近的且距离相等的M+共有6个。
3.(2020江苏苏州外国语学校高二检测)某晶体的一部分如图所示,这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是
( )
A.3∶9∶4
B.1∶4∶2
C.2∶9∶4
D.3∶8∶4
答案B
解析这不是一个立方晶胞结构,而是一个正三棱柱结构,那么依据实际情况来计算,A粒子位于6个顶点,每个A粒子有属于该晶胞;B粒子位于9条棱上,3条侧棱上每个B粒子有属于该晶胞,其余B粒子有属于该晶胞;C粒子位于晶胞内部,完全属于该晶胞。A、B、C三种粒子数目之比为(6×)∶(6×+3×)∶1=1∶4∶2。
4.如图所示为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿的晶体结构,该结构是具有代表性的基本重复单位。
(1)在该物质的晶体结构中,每个钛原子周围与它最近且距离相等的氧原子、钙原子、钛原子各有 个、 个、 个。?
(2)该晶体结构中,元素氧、钛、钙的原子个数比是 ,该物质的化学式可表示为 。?
(3)若钙、钛、氧三元素的相对原子质量分别为a、b、c,晶体结构图中正方体边长(钛原子之间的距离)为d
nm(1
nm=10-9
m),则该晶体的密度为 g·cm-3。?
答案(1)6 8 6 (2)3∶1∶1 CaTiO3
(3)
解析(1)以其中一个钛原子为顶点,应有8个立方晶胞紧靠在一起,以该钛原子作为空间直角坐标系的中心原子,它的前、后、左、右、上、下与之最近且距离相等的氧原子(或钛原子)各有1个,共6个,它周围的8个立方晶胞内各含1个钙原子。
(2)该晶胞中含氧原子个数为12×=3,钙原子个数为1,钛原子个数为8×=1,故其个数比为3∶1∶1,则它的化学式可表示为CaTiO3。
(3)1
mol该晶胞的质量等于(a+b+3c)
g,1
mol晶胞的体积为d3×10-21×6.02×1023cm3,则晶体密度为ρ=
g·cm-3。
5.根据图示,回答下列问题:
(1)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料,其晶胞结构示意图如图Ⅰ所示。该合金的化学式为 。?
(2)葡萄糖与新制Cu(OH)2的碱性溶液反应生成砖红色Cu2O沉淀。在1个Cu2O晶胞中(结构如图Ⅱ所示),所包含的Cu原子数目为 ,每个氧原子与 个铜原子配位。?
(3)硒化铷晶体晶胞结构如图Ⅲ所示。每个晶胞中包含 个Rb2Se单元,其中Se2-周围与它距离最近且相等的Rb+的数目为 。?
答案(1)LaNi5 (2)4 4 (3)4 8
解析(1)每个晶胞中含有La的数目为8×=1,Ni的数目为1+8×=5,该合金的化学式为LaNi5。
(2)图Ⅱ晶胞中,含有黑球代表的微粒的数目为4,白球代表的微粒的数目为1+8×=2,所以黑球代表铜原子,白球代表氧原子,每个氧原子(白球)周围有4个Cu原子(黑球)。
(3)每个晶胞中含有8个Rb+,含有Se2-的数目为6×+8×=4,所以每个晶胞中含有4个Rb2Se单元;Se2-周围与它距离最近且相等的Rb+的数目为8。
贴近生活拓展创新
(1)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,边长为a=0.446
nm。晶胞中K、I、O分别处于顶点、体心、面心位置,如图所示。
①K与O间的最短距离为 nm,与K紧邻的O个数为 。?
②在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶点位置,则K处于 位置,O处于 位置。?
(2)某FexNy的晶胞如图1所示,Cu可以完全替代该晶体中a位置Fe或者b位置Fe,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2所示,其中更稳定的Cu替代型产物的化学式为 。?
图1 FexNy晶胞结构示意图
图2 转化过程的能量变化
答案(1)①0.315 12 ②体心 棱心
(2)Fe3CuN
解析(1)①K与O间的最短距离是面对角线的,即a
nm=×0.446
nm≈0.315
nm。与K紧邻的O共有12个。
(2)由题图2可知,更稳定的Cu替代型产物为Cu替代a位置Fe型,利用切割法可得替代后的晶胞中Cu原子个数为8×=1,Fe原子个数为6×=3,N原子个数为1,故化学式为Fe3CuN。
