資源簡介

3.1 認識晶體
【學習目標】
1.通過生活中常見晶體和非晶體的實例,了解晶體的特征,認識晶體與非晶體的區別。培養宏觀辨識與微觀探析的核心素養。
2.了解晶體中微粒的空間排布存在周期性,認識簡單的晶胞,會用切割法確定晶胞微粒數目及晶體化學式。建立晶體結構認知模型。
【自主預習】
一、晶體的特性
1.晶體與非晶體的概念
固體類型 內部微粒 排列方式
晶體 原子、離子 或分子 內部微粒在空間按一定規律做　　　　構成的固體物質
非晶體 內部微粒無周期性重復排列的固體物質
2.晶體的特性
晶體的特性 具體表現 舉例或應用
自范性 在適宜的條件下,晶體能夠自發地呈現封閉的、規則的多面體外形 水晶,晶體完好時呈六棱柱狀
對稱性 由于晶體內部的微粒在空間按照一定規律做周期性重復排列,使晶體在生長過程中依據內部微粒的規則排列形成規則的多面體幾何外形,從而具有特定的對稱性 規則的食鹽晶體具有立方體外形,它既有對稱軸也有對稱面
各向 異性 在不同的方向上表現出不同的物理性質(如導電性、導熱性、膨脹系數、折光率等) 石墨在與層平行的方向上的電導率數值約為在與層垂直的方向上的電導率數值的1萬倍
固定的 熔、沸點 加熱晶體溫度達到熔點時即開始熔化,在沒有全部熔化之前,繼續加熱,溫度不再升高,完全熔化后,溫度才繼續升高 氯化鈉、冰等都具有固定的熔、沸點
3.晶體的分類
(1)依據:根據晶體內部微粒的　　　　　　和微粒間　　　　的不同。
(2)類型
晶體類型 構成微粒種類 微粒間的相互作用 實例
　　 陰、陽離子 離子鍵 NaCl
　　 金屬陽離子、自由電子 金屬鍵 Fe
　　 原子 共價鍵 SiO2晶體
　　 分子(包括單原子分子) 分子間作用力(一定包含范德華力,可能包含氫鍵) 冰
4.晶體與非晶體的用途
(1)晶體
①把機械能轉變成電能;②制作紅外夜視儀;③制作電子元件。
(2)非晶體
①某些非晶態合金的強度和硬度比相應晶態合金的強度和硬度高;
②非晶態硅對陽光的吸收系數比單晶硅大,可以有效吸收陽光。
二、晶體結構的基本重復單元——晶胞
1.晶胞的定義
(1)定義:晶體中的微粒呈現可重復的周期性排列,晶體結構中基本的　　　　稱為晶胞,晶胞的形狀為　　　　。
(2)金屬銅和金屬鎂晶體及其中截取出的晶胞
金屬 金屬銅及其晶胞 金屬鎂及其晶胞
圖示
結構特點 8個頂點各有1個粒子,6個面的面心各有1個粒子 8個頂點各有1個粒子,體心有1個粒子
2.晶胞與晶體的關系
將一個個晶胞及其中包含的微粒上、下、前、后、左、右并置,就構成了整個晶體結構。因此,知道了晶胞的大小和形狀以及晶胞中包含的微粒的　　　　　　、　　　　　　和　　　　　　,就可以了解整個晶體的結構。
3.計算晶胞中微粒數——“切割法”
某晶胞中的微粒,如果被n個晶胞所共有,則微粒的　　　　屬于該晶胞。
【參考答案】一、1.周期性重復排列　3.(1)種類　相互作用　(2)離子晶體　金屬晶體　共價晶體　分子晶體
二、1.(1)重復單元　平行六面體　2.種類　數目　空間位置　3.
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)晶體有自范性但其微粒排列無序。 (　　)
(2)晶體具有各向異性,非晶體也具有各向異性。 (　　)
(3)晶體有固定的熔點。 (　　)
(4)熔融態物質快速冷卻即可得到晶體。 (　　)
(5)粉末狀的固體也有可能是晶體。 (　　)
(6)晶胞是晶體結構中最小的重復單元。 (　　)
(7)不同的晶體中晶胞的大小和形狀都相同。 (　　)
(8)晶胞中的任何一個粒子都完全屬于該晶胞。 (　　)
(9)已知晶胞的組成就可推知晶體的組成。 (　　)
(10)由晶胞構成的晶體,其化學式表示一個分子中原子的數目。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)×　(9)√　(10)×
2.晶體一定是固體嗎 固體一定是晶體嗎
【答案】晶體一定是固體,固體不一定是晶體,如玻璃、橡膠等。
3.晶體的各向異性及對稱性是由哪些因素引起的
【答案】晶體內部微粒在空間按照一定規律做周期性重復排列,使晶體具有規則幾何外形和對稱性;內部微粒在不同方向上排列規律不同是晶體具有各向異性的本質原因。
【合作探究】
任務1：晶體的分類與特征
情境導入　在實驗室中,你會見到許多固體。如橙紅色的重鉻酸鉀、紫黑色的碘和高錳酸鉀、藍色的膽礬、黃色的硫黃、白色的碳酸鈣、蠟狀的白磷等。放眼世界,自然界中絕大多數礦物也都是固體,你是否知道固體有晶體和非晶體之分 對于晶體,你一點也不陌生,鹽、金屬、寶石、水晶、大部分礦石等都是晶體。那么,究竟什么樣的物質才能被稱為晶體 晶體與玻璃、橡膠等非晶體有什么不同 晶體為什么具有明顯不同于非晶體的特性
問題生成
1.有規則的幾何外形的固體一定是晶體嗎
【答案】有規則的幾何外形或美觀、對稱外形的固體不一定是晶體。例如,玻璃制品可以加工成規則的幾何外形,具有美觀對稱的外觀。
2.有固定組成的物質一定是晶體嗎
【答案】具有固定組成的物質不一定是晶體,某些無定形體也有固定的組成,如無定形SiO2。
3.晶體呈現自范性的條件是什么
【答案】晶體呈現自范性的條件之一是晶體生長的速率適當。熔融態物質冷卻凝固,有時得到晶體,但凝固速率過快時,常常只得到看不到多面體外形的粉末或沒有規則外形的塊狀物。如瑪瑙是熔融態SiO2快速冷卻形成的,而水晶是SiO2熱液緩慢冷卻形成的。
【核心歸納】
1.晶體與非晶體的區別
晶體 非晶體
外觀 具有規則的幾何外形 不具有規則的幾何外形
微觀結構 微粒在三維空間周期重復排列 微粒排列相對無序
自范性 有 沒有
各向異性 各向異性 各向同性
熔點 固定 不固定
能夠發生X射線衍射 能 不能
本質區別 微觀粒子在三維空間是否呈現周期性重復排列
2.獲得晶體的途徑
氣態物質冷卻不經液態直接凝固(凝華),熔融態物質凝固,溶質從溶液中析出。
【典型例題】
【例1】晶體與非晶體的本質區別是(　　)。
A.晶體具有各向異性,而非晶體具有各向同性
B.晶體具有自范性,而非晶體沒有自范性
C.晶體具有固定的熔、沸點,而非晶體沒有固定的熔、沸點
D.晶體能使X射線產生衍射,而非晶體不能
【答案】B
【解析】易將晶體與非晶體的本質區別及性質區別混為一談。晶體與非晶體的性質差異是二者本質區別的外在表現。晶體具有自范性(本質),而晶體的性質是有固定的熔、沸點,能使X射線產生衍射等。
思維引導：　解答有關晶體與非晶體的比較問題的思維流程
【例2】下列關于晶體的說法正確的是(　　)。
A.將飽和硫酸銅溶液降溫,析出的固體不是晶體
B.假寶石往往是玻璃仿造的,可以用劃痕的方法鑒別寶石和玻璃制品
C.石蠟和玻璃都是非晶體,但它們都有固定的熔點
D.藍寶石在不同方向上的硬度一定相同
【答案】B
【解析】A項,將飽和CuSO4溶液降溫可析出膽礬,膽礬屬于晶體。B項,寶石的硬度較大,玻璃制品的硬度較小,可以根據有無劃痕來鑒別。C項,非晶體沒有固定熔點。D項,晶體的各向異性導致藍寶石在不同方向上的硬度有些差異。
靈犀一點：關于晶體與非晶體的認識誤區
1.同一物質可以是晶體,也可以是非晶體,如晶體SiO2和非晶體SiO2。
2.有著規則幾何外形或者美觀、對稱外形的固體,不一定是晶體。例如,玻璃制品可以塑造出規則的幾何外形,也可以具有美觀對稱的外觀。
3.具有固定組成的物質也不一定是晶體,如某些無定形體也有固定的組成。
4.晶體不一定都有規則的幾何外形,如瑪瑙。
任務2：晶體結構的基本重復單元——晶胞
情境導入　俄國的費多羅夫、德國的熊富利斯和英國的巴洛三位科學家分別于1890年、1891年和1894年以晶體結構周期性重復單位為基礎,推導出描述晶體空間排列的對稱性理論——230種空間群。這些思考完全是在不能測定晶體內部結構的情況下產生的,科學和技術的發展后來完全證實了上述理性思考的正確性。
問題生成
1.晶體的“空間點陣結構”中,構成晶體的相鄰微粒間是否相切
【答案】是。構成晶體的微粒是“無隙并置”的,故這些相鄰微粒間相切。
2.如何理解晶體結構中“周期性重復單位”
【答案】“周期性重復單位”是指晶體中最小的結構單元可以無限重復(答案合理即可)。
3.晶體的化學式表示的意義是什么
【答案】晶體的化學式表示的是晶體(或晶胞)中各類原子或離子的最簡整數比。
【核心歸納】
1.晶胞
概念 晶體結構中最小的重復單元
形狀 常規的晶胞是大小、形狀完全相同的平行六面體
類型 六方最密堆積——六方晶胞
面心立方最密堆積——面心立方晶胞
2.均攤法確定晶胞中粒子的個數
均攤法:若某個粒子為n個晶胞所共有,則該粒子的屬于這個晶胞。
(1)長方體形(正方體形)晶胞中不同位置的粒子數的計算:
(2)六棱柱結構中不同位置的粒子數的計算:
【典型例題】
【例3】已知CaF2是離子晶體,如果用“”表示F-;用“”表示Ca2+,下圖符合CaF2晶體結構的是(　　)。
【答案】B
【解析】A項,F-數目為4×=,Ca2+數目為1,不符合CaF2的組成;B項,F-數目為1,Ca2+數目為4×=,符合CaF2的組成;C項,F-數目為8×=1,Ca2+數目為1,不符合CaF2的組成;D項,N(Ca2+)∶N(F-)=1∶1,不符合CaF2的組成。
【例4】科學家可視化了某復雜鈣鈦礦晶體結構系統的三維原子和電子密度結構。如圖,以1號原子為坐標原點,晶胞參數為單位長度建立坐標系。下列有關說法錯誤的是(　　)。
A.該晶體的化學式為CaTiO3
B.Ti原子位于氧原子形成的正八面體中心
C.2號原子的原子分數坐標為(,1,)
D.a為晶胞參數,則2、3號原子間的距離為
【答案】D
【解析】 A項,根據均攤原理可知該晶體的化學式為CaTiO3,正確;B項,Ti位于晶胞的中心,上下底面的氧原子與四個側面上的氧原子形成正八面體,正確;C項,2號氧原子在側面的中心,其原子坐標參數為(,1,),正確;2、3號原子間的距離為面對角線的一半,即,錯誤。
【隨堂檢測】
1.下列物質不具有各向異性的是(　　)。
A.膽礬　　　B.水晶　　　C.陶瓷　　　D.芒硝
【答案】C
【解析】各向異性是晶體的性質,只有陶瓷是非晶體,不具有各向異性,故C項正確。
2.等離子體的用途十分廣泛,運用等離子體切割金屬或進行外科手術,其利用了等離子體的特點是(　　)。
A.微粒帶有電荷　 B.高能量
C.基本構成微粒多樣化　 D.準電中性
【答案】B
【解析】運用等離子體切割金屬或進行外科手術,是利用了等離子體具有高能量的特點。
3.普通玻璃和水晶的根本區別在于(　　)。
A.外形不一樣
B.普通玻璃的基本構成粒子無規則排列,水晶的基本構成粒子按一定規律做周期性重復排列
C.水晶有固定的熔點,普通玻璃無固定的熔點
D.水晶可用于能量轉換,普通玻璃不能用于能量轉換
【答案】B
【解析】晶體和非晶體的本質區別就是粒子在微觀空間里是否呈現周期性的有序排列。
4.(2021·遼寧卷,改編)單質硫和氫氣在低溫高壓下可形成一種新型超導材料,其晶胞如圖。下列說法錯誤的是(　　)。
A.S位于元素周期表p區
B.該物質的化學式為H3S
C.S位于H構成的八面體空隙中
D.該晶體中與S原子最近且距離相等的H原子數為8
【答案】D
【解析】S原子的價層電子排布為3s23p4,最后排入的是3p電子,所以S元素位于p區,A項正確;該晶胞中S原子個數=1+8×=2,H原子個數=12×+6×=6,則S、H原子個數之比=2∶6=1∶3,其化學式為H3S,B項正確;以體心上的S原子為例,S原子位于H構成的正八面體空隙中,如圖,C項正確;該晶體中與S原子最近且距離相等的H原子數為6,分別在上下、左右、前后,D項錯誤。
5.(2021·山東卷,節選)XeF2晶體屬四方晶系,晶胞參數如圖所示,晶胞棱邊夾角均為90°,該晶胞中有　　　　個XeF2分子。以晶胞參數為單位長度建立的坐標系可以表示晶胞中各原子的位置,稱為原子的分數坐標,如A點原子的分數坐標為(,,)。已知Xe—F鍵長為r pm,則B點原子的分數坐標為　　　　;晶胞中A、B間距離d=　　　　pm。
【答案】2　(0,0,)　
【解析】由晶體結構和鍵合方式可知,大球為Xe原子,小球為F原子,利用均攤法可計算出晶胞中含有2個Xe原子和4個F原子,則晶胞中含有2個XeF2分子。由題圖可知,B原子位于z軸的棱上,因Xe—F鍵長為r pm,且晶胞常數為c pm,則B點原子的分數坐標為(0,0,)。設晶胞位于z軸的中點為C點,則B、C點的距離為(-r) pm,A、C點的距離為a pm。A、B、C三點構成直角三角形,則斜邊AB的距離d= pm= pm。
6.(1)銅元素的一種氯化物晶體的晶胞結構如圖1所示,該氯化物的化學式是　　　　。
(2)利用“鹵化硼法”可合成含B和N兩種元素的功能陶瓷,其晶胞結構示意圖如圖2,則每個晶胞中含有B原子的個數為　　　　,該功能陶瓷的化學式為　　　　。
(3)某晶體結構模型如圖3所示。該晶體的化學式是　　　　　　　,在晶體中1個Ti原子、1個Co原子周圍距離最近的O原子數目分別為　　　　　、　　　　。
【答案】(1)CuCl
(2)2　BN
(3)CoTiO3　6　12
【解析】(1)晶胞中灰球代表的微粒個數為4,白球代表的微粒個數為6×+8×=4,所以化學式為CuCl。
(2)每個氮化硼晶胞中白球表示的原子個數為8×+1=2,灰球表示的原子個數為1+4×=2,所以每個晶胞中含有的N原子和B原子各2個;N的電負性大于B,所以該陶瓷的化學式為BN。
(3)晶胞中含有O原子的個數為6×=3,含Co原子的個數為8×=1,含Ti原子的個數為1,故該晶體的化學式為CoTiO3。Ti原子位于晶胞的中心,其周圍距離最近的O原子位于6個面的中心,所以周圍距離最近的O原子數目為6;Co原子位于晶胞的頂點,O原子位于晶胞的面心,所以Co原子周圍距離最近的O原子數目為12。
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