資源簡介

3.1 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.知道物質(zhì)的聚集狀態(tài)隨構(gòu)成物質(zhì)的粒子種類、粒子間相互作用、粒子聚集程度的不同而有所不同。
2.能從微觀角度理解晶體的結(jié)構(gòu)特征,并能結(jié)合晶體的特點判斷晶體與非晶體。
3.能運用多種晶體模型來描述和解釋有關(guān)晶體性質(zhì)的現(xiàn)象,形成分析晶胞結(jié)構(gòu)的思維模型(均攤法),能根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)確定粒子個數(shù)及化學(xué)式。
【自主預(yù)習(xí)】
一、物質(zhì)的聚集狀態(tài)
1.物質(zhì)三態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化
2.物質(zhì)的聚集狀態(tài)
物質(zhì)的聚集狀態(tài)除了　　　　、　　　　、　　　　外,還有更多的聚集狀態(tài),如晶態(tài)、非晶態(tài),以及介乎二者之間的塑晶態(tài)、液晶態(tài)等。
(1)等離子體
①概念
氣態(tài)物質(zhì)在高溫或者在外加電場激發(fā)下,分子發(fā)生分解,產(chǎn)生電子和陽離子等。這種由電子、陽離子和電中性粒子組成的整體上呈電中性的物質(zhì)聚集體稱為等離子體。
②特點
等離子體具有良好的　　　　性和　　　　性。
③應(yīng)用
運用等離子體顯示技術(shù)可以制造等離子體顯示器;利用等離子體可以進(jìn)行化學(xué)合成;核聚變也是在等離子態(tài)下發(fā)生的;等等。
(2)液晶
①概念
物質(zhì)加熱達(dá)到熔點后,先呈渾濁態(tài),再加熱達(dá)到一定溫度時,渾濁態(tài)變透明清亮態(tài),將熔點至澄清點溫度范圍內(nèi)的物質(zhì)狀態(tài)稱為液晶。
②特征
液晶是介于液態(tài)和晶態(tài)之間的物質(zhì)狀態(tài),既具有液體的流動性、黏度、形變性等,又具有晶體的某些物理性質(zhì),如導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等。
③應(yīng)用
液晶已有廣泛的應(yīng)用。例如,手機、電腦和電視的液晶顯示器,由于施加電場可使液晶的長軸取向發(fā)生不同程度的改變,從而顯示數(shù)字、文字或圖像。再如,合成高強度液晶纖維已廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、坦克、艦船、防彈衣、防彈頭盔等。
【微點撥】
(1)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)不一定都由分子構(gòu)成,也可能由原子或離子等微粒構(gòu)成;由分子構(gòu)成的物質(zhì),其聚集狀態(tài)也不一定只有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài),也可能為晶態(tài)、非晶態(tài)等。
(2)同種物質(zhì)在不同條件下可形成不同的聚集狀態(tài),物質(zhì)的聚集狀態(tài)會影響物質(zhì)的性質(zhì),如硬度、熔點等。
二、晶體與非晶體
1.晶體概念
具有規(guī)則的　　　　　　的固體叫晶體。如NaCl晶體、I2晶體……不具有規(guī)則的　　　　　　的固體叫非晶體(玻璃又稱玻璃體、炭黑又稱無定形體)。
2.獲得晶體的三條途徑
(1)　　　　物質(zhì)凝固;
(2)　　　　物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(　　　　);
(3)　　　　從溶液中析出。
3.晶體的特征
(1)自范性
a.定義:在適宜的條件下,晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)規(guī)則的　　　　,這稱為晶體的　　　　。非晶態(tài)物質(zhì)沒有這個特性。
b.形成條件:晶體　　　　　　適當(dāng)。
c.本質(zhì)原因:晶體中粒子在　　　　　里呈現(xiàn)　　　　的　　　　排列。
(2)晶體在不同的方向上表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)即　　　　。
(3)晶體的　　　　較固定。
(4)外形和內(nèi)部質(zhì)點排列高度　　　　。
(5)晶體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特有的　　　　。
三、晶胞
1.概念
晶胞是晶體結(jié)構(gòu)的　　　　　　。
2.結(jié)構(gòu)
常規(guī)的晶胞都是　　　　　　,整塊晶體可以看作是數(shù)量巨大的晶胞“　　　　　　”而成的。
(1)無隙:相鄰晶胞之間無任何　　　　。
(2)并置:所有晶胞都是　　　　排列的,取向　　　　。
(3)所有晶胞的　　　　及內(nèi)部的原子　　　　及幾何排列(包括取向)是完全相同的。
3.一個晶胞平均占有的原子數(shù):
四、晶體結(jié)構(gòu)的測定
1.測定方法
測定晶體結(jié)構(gòu)最常用的儀器是　　　　　　　　。
2.測定結(jié)果
通過對乙酸晶體進(jìn)行測定,可以得出每個乙酸晶胞中含有　　　　個乙酸分子,并可通過計算分析,確定　　　　和　　　　,從而得出分子的空間結(jié)構(gòu)。
【參考答案】一、2.氣態(tài)　液態(tài)　固態(tài)　導(dǎo)電　流動
二、1.幾何外形　幾何外形　2.熔融態(tài)　氣態(tài)　凝華　溶質(zhì)　3.多面體外形　自范性　生長的速率　微觀空間　周期性　有序　各向異性　熔點　有序　對稱性
三、1.基本單元　2.平行六面體　無隙并置　間隙　平行　相同　形狀　種類　3.8　4　2
四、1.X射線衍射儀　2.4　鍵長　鍵角
【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(tài)物質(zhì)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(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)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(gòu)成的晶體,其化學(xué)式表示一個分子中原子的數(shù)目。 (　　)
　　【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)×　(9)√　(10)×
2.如何使氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體
　　【答案】高溫加熱氣體或用紫外線、X射線和γ射線照射氣體,都可以使氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。
3.為什么非晶體沒有晶體所具有的各向異性和自范性
　　【答案】因為非晶體的內(nèi)部微粒的排列是相對無序的。
4.晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)別是什么
　　【答案】物質(zhì)內(nèi)部的微粒是否呈周期性的有序排列。
【合作探究】
任務(wù)1：物質(zhì)的聚集狀態(tài)
情境導(dǎo)入　北京冬奧會開幕式運用的創(chuàng)新高新技術(shù)帶來了視覺盛宴,展現(xiàn)出了中華文化的魅力和浪漫。而實現(xiàn)視覺盛宴的是世界最大的LED三維立體舞臺,完美呈現(xiàn)裸眼3D效果。舞臺應(yīng)用的LED液晶顯示屏總面積接近15000平方米,LED舞臺呈現(xiàn)了從二十四節(jié)氣倒計時、黃河之水天上來、冰立方逐漸破碎到晶瑩剔透的冰雪五環(huán)等精彩畫面,通過LED顯示屏與光影完美融合,書寫中國式的浪漫。
問題生成
1.有同學(xué)認(rèn)為:“液晶內(nèi)部沿分子長軸方向呈有序排列,因此液晶也屬晶體”。這個觀點對嗎 說出你的判斷理由。
　　【答案】不對,液晶內(nèi)部是沿分子長軸方向呈有序排列,但晶體是三維有序,因此液晶不屬于晶體。
2.為什么液晶具有顯示功能
　　【答案】液晶的顯示功能與液晶材料內(nèi)部分子的有序排列有關(guān),在施加電場時,液晶分子能夠沿電場方向有序排列,而在移去電場后,液晶分子又恢復(fù)到原來的狀態(tài),所以液晶具有顯示功能。
3.液晶有哪些用途
　　【答案】液晶顯示器,合成高強度液晶纖維已廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、坦克、艦船、防彈衣、防彈頭盔等。
【核心歸納】
物質(zhì)的聚集狀態(tài)
物質(zhì)除了固、液、氣三種聚集狀態(tài),還有晶態(tài)、非晶態(tài)、液晶態(tài)、塑晶態(tài)和等離子體等聚集狀態(tài)。
聚集狀態(tài) 組成與結(jié)構(gòu)特征 主要性能
非晶態(tài) 內(nèi)部微粒的排列呈現(xiàn)雜亂無章(長程無序,短程有序)的分布狀態(tài)的固體 某些非晶體合金強度和硬度高、耐腐蝕性強,非晶態(tài)硅對光的吸收系數(shù)大
等離子體 由電子、陽離子和電中性粒子組成,整體上呈電中性,含有帶電粒子且能自由移動 具有良好的導(dǎo)電性和流動性
液晶態(tài) 內(nèi)部分子的排列沿分子長軸方向呈現(xiàn)出有序的排列 既具有液體的流動性、黏度、形變性,又具有晶體的導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等
【典型例題】
【例1】1925年貝爾德在英國首次成功裝配世界第一臺電視機。短短幾十年時間,電視機經(jīng)歷了從黑白到彩色,從手動到遙控,從平板電視機到液晶電視機的發(fā)展歷程。下列關(guān)于液晶的敘述中,錯誤的是(　　)。
A.液晶是物質(zhì)的一種聚集狀態(tài)
B.液晶具有流動性
C.液晶和液態(tài)是物質(zhì)的同一種聚集狀態(tài)
D.液晶具有各向異性
　　【答案】C
【解析】液晶是介于液態(tài)和晶態(tài)之間的一種特殊的聚集狀態(tài),A項正確、C項錯誤;液晶是液態(tài)晶體的簡稱,既具有液體的流動性,又具有晶體的各向異性,B、D兩項正確。
思維引導(dǎo)：解答有關(guān)物質(zhì)聚集狀態(tài)的思維流程
【例2】電子表、電子計算器、電腦顯示器都運用了液晶材料顯示圖像和文字。下列有關(guān)其顯示原理的敘述中正確的是(　　)。
A.施加電場時,液晶分子沿垂直于電場的方向排列
B.移去電場后,液晶分子恢復(fù)到原來的狀態(tài)
C.施加電場時,液晶分子恢復(fù)到原來的狀態(tài)
D.移去電場后,液晶分子沿電場方向排列
　　【答案】B
【解析】液晶是在一定的溫度范圍內(nèi)既具有液體的可流動性,又具有晶體的各向異性的特殊物質(zhì),在施加電場時,液晶分子能夠沿電場方向排列,A、C兩項錯誤;在移去電場之后,液晶分子又恢復(fù)到原來的狀態(tài),B項正確,D項錯誤。
任務(wù)2：晶體與非晶體
情境導(dǎo)入　素材1:西漢時期有位名叫韓嬰的詩人,他寫了一本《韓詩外傳》,該書中明確指出:“凡草木花多五出,雪花獨六出”。
素材2:《本草綱目》中提到:“光明鹽……大者如升,皆正方光徹。”這說明在當(dāng)時的生產(chǎn)條件下,鹽均為方形。
問題生成
1.素材1中“雪花獨六出”是什么意思 雪花和冰都是由水分子凝聚而成的,二者中,水分子間的作用力類型是否相同
　　【答案】“雪花獨六出”是指大氣中的水蒸氣凝結(jié)成的雪花,在自然條件下是六瓣的;雪花和冰中水分子間的作用力類型相同。
2.素材2中自然形成的固體鹽為方形,如果我們將鹽溶液快速加熱,能否得到“方形”鹽
　　【答案】不能。晶體呈現(xiàn)自范性需滿足一定條件,條件之一是晶體生長的速率適當(dāng)。將鹽溶液快速加熱常得到看不到多面體外形的粉末或無規(guī)則外形的塊狀物。
3.在一定溫度下,將不規(guī)則的NaCl固體,放入飽和NaCl溶液中,經(jīng)過一段時間,會發(fā)生什么變化 為什么
　　【答案】NaCl固體會變?yōu)橐?guī)則的立方體。因為溶解和結(jié)晶是可逆過程,根據(jù)晶體的自范性可知,在溶解和結(jié)晶的過程中,離子會自發(fā)地規(guī)則排列,形成規(guī)則的立方體。
【核心歸納】
1.晶體與非晶體的比較
物質(zhì) 晶體 非晶體
結(jié)構(gòu)特征 結(jié)構(gòu)微粒周期性有序排列 結(jié)構(gòu)微粒無序排列
性質(zhì)特征 自范性 有 無
熔點 固定 不固定
異同表現(xiàn) 各向異性 各向同性
二者區(qū) 別方法 間接方法 看是否有固定的熔點
科學(xué)方法 對固體進(jìn)行X射線衍射實驗
2.晶體與非晶體的本質(zhì)差異
自范性 微觀結(jié)構(gòu)
晶體 有 原子在三維空間里呈周期性有序排列
非晶體 無 原子排列相對無序
3.晶體呈現(xiàn)自范性的條件
晶體呈現(xiàn)自范性的條件之一是晶體生長的速率適當(dāng)。熔融態(tài)物質(zhì)冷卻凝固,有時得到晶體,但凝固速率過快時,常常只得到肉眼看不到多面體外形的粉末或沒有規(guī)則外形的塊狀物。如瑪瑙是由熔融態(tài)SiO2快速冷卻形成的,而水晶是由熔融態(tài)SiO2熱液緩慢冷卻形成的。
4.晶體的分類
(1)分類標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)晶體內(nèi)部微粒的種類和微粒間相互作用的不同。
(2)分類
晶體類型 構(gòu)成微粒 微粒間的相互作用 實例
離子晶體 陰、陽離子 離子鍵 NaCl
金屬晶體 金屬陽離子、自由電子 金屬鍵 銅
共價晶體 原子 共價鍵 金剛石
分子晶體 分子 分子間作用力 冰
【典型例題】
【例3】晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)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(chǎn)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(zhì)區(qū)別及性質(zhì)區(qū)別混為一談。晶體與非晶體的性質(zhì)差異是二者本質(zhì)區(qū)別的外在表現(xiàn)。晶體具有自范性(本質(zhì)),而晶體的性質(zhì)是有固定的熔、沸點,能使X射線產(chǎn)生衍射等。
思維引導(dǎo)：解答有關(guān)晶體與非晶體的比較問題的思維流程
【例4】下列關(guān)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(lán)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(jù)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(dǎo)致藍(lán)寶石在不同方向上的硬度有些差異。
靈犀一點：關(guān)于晶體與非晶體的認(rèn)識誤區(qū)
1.同一物質(zhì)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(guī)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(guī)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(zhì)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(guī)則的幾何外形,如瑪瑙。
任務(wù)3：晶胞
情境導(dǎo)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(xué)家分別于1890年、1891年和1894年以晶體結(jié)構(gòu)周期性重復(fù)單位為基礎(chǔ),推導(dǎo)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下產(chǎn)生的,科學(xué)和技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)”中,構(gòu)成晶體的相鄰微粒間是否相切
　　【答案】是。構(gòu)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(jié)構(gòu)中“周期性重復(fù)單位”
　　【答案】“周期性重復(fù)單位”是指晶體中最小的結(jié)構(gòu)單元可以無限重復(fù)(答案合理即可)。
3.晶體的化學(xué)式表達(dá)的意義是什么
　　【答案】晶體的化學(xué)式表示的是晶體(或晶胞)中各類原子或離子的最簡整數(shù)比。
【核心歸納】
1.晶胞
概念 晶體結(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)單元
形狀 常規(guī)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(shù)
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(shù)的計算:
(2)六棱柱晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算:
【典型例題】
【例5】如果用“”表示F-,用“”表示Ca2+,下圖符合CaF2晶體結(jié)構(gòu)的是(　　)。
　　【答案】B
【解析】A項,F-數(shù)目為4×=,Ca2+數(shù)目為1,不符合CaF2的組成;B項,F-數(shù)目為1,Ca2+數(shù)目為4×=,符合CaF2的組成;C項,F-數(shù)目為8×=1,Ca2+數(shù)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6】科學(xué)家可視化了某復(fù)雜鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的三維原子和電子密度結(jié)構(gòu)。如圖,以1號原子為坐標(biāo)原點,晶胞參數(shù)為單位長度建立坐標(biāo)系。下列有關(guān)說法錯誤的是(　　)。
A.該晶體的化學(xué)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?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(,1,)
D.a為晶胞參數(shù),則2、3號原子間的距離為
　　【答案】D
【解析】 A項,根據(jù)均攤原理可知該晶體的化學(xué)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(cè)面上的氧原子形成正八面體,正確;C項,2號氧原子在側(cè)面的中心,其原子坐標(biāo)參數(shù)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】
課堂基礎(chǔ)
1.下列物質(zhì)中,前者為晶體,后者為非晶體的是(　　)。
A.金剛石、膽礬 B.陶瓷、塑料
C.白磷、橡膠 D.食鹽、蔗糖
　　【答案】C
【解析】金剛石、膽礬、白磷、食鹽、蔗糖是晶體,其余物質(zhì)是非晶體。
2.等離子體的用途十分廣泛,運用等離子體切割金屬或進(jìn)行外科手術(shù),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(gòu)成微粒多樣化　 D.準(zhǔn)電中性
　　【答案】B
【解析】運用等離子體切割金屬或進(jìn)行外科手術(shù),是利用了等離子體具有高能量的特點。
3.下列選項中,不支持石墨是晶體這一事實的是(　　)。
A.石墨和金剛石互為同素異形體
B.石墨中的碳原子呈周期性有序排列
C.石墨的熔點很高,熔點為3625 ℃
D.在石墨的X射線衍射圖譜上有明銳譜線
　　【答案】A
【解析】根據(jù)晶體的特點可知,B、C、D三項正確,石墨和金剛石互為同素異形體,與石墨是晶體之間沒有必然聯(lián)系。
對接高考
4.(2021·遼寧卷,7改編)單質(zhì)硫和氫氣在低溫高壓下可形成一種新型超導(dǎo)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(qū)
B.該物質(zhì)的化學(xué)式為H3S
C.S位于H構(gòu)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(shù)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(qū),A項正確;該晶胞中S原子個數(shù)=1+8×=2,H原子個數(shù)=12×+6×=6,則S、H原子個數(shù)之比=2∶6=1∶3,其化學(xué)式為H3S,B項正確;以體心上的S原子為例,S原子位于H構(gòu)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(shù)為6,分別在上下、左右、前后,D項錯誤。
5.(2021·山東卷,16節(jié)選)XeF2晶體屬四方晶系,晶胞參數(shù)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(shù)為單位長度建立的坐標(biāo)系可以表示晶胞中各原子的位置,稱為原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo),如A點原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(,,)。已知Xe—F鍵長為r pm,則B點原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為　　　　;晶胞中A、B間距離d=　　　　pm。
　　【答案】2　(0,0,)　
【解析】由晶體結(jié)構(gòu)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點原子位于z軸的棱上,因Xe—F鍵長為r pm,且晶胞常數(shù)為c pm,則B點原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(0,0,)。設(shè)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(gòu)成直角三角形,則斜邊AB的距離d= pm= pm= pm。
2

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