选择性必修2第三章晶体结构与性质学案+习题.docx
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选择性必修2第三章晶体结构与性质学案+习题
第三章晶体结构与性质
第一节 物质的聚集状态与晶体的常识
一、物质的聚集状态
1．组成物质的微粒
20世纪初，通过X射线衍射，许多常见的晶体中并无分子，如NaCl、石墨、二氧化硅、金刚石以及各种________等。
2．聚集状态
有晶态、非晶态，以及介乎晶态和非晶态之间的________、________等。
二、晶体与非晶体
1．晶体概念
具有规则的________的固体，叫晶体。
如：
NaCl晶体，I2晶体……；不具有规则的________的固体，叫非晶体（又称玻璃体）。
2．获得晶体的三条途径
（1）________物质凝固。
（2）________物质冷却不经液态直接凝固（________）。
（3）________从溶液中析出。
3．晶体的特征
（1）自范性
a．定义：
在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现规则的____________，这称为晶体的________。
非晶态物质没有这个特性。
b．形成条件：
晶体____________适当。
c．本质原因：
晶体中粒子在__________里呈现__________的__________排列。
（2）晶体在不同的方向上表现出不同的物理性质即________。
（3）晶体的________固定。
（4）外形和内部质点的高度________。
（5）晶体的外形和内部结构都具有特有的________。
三、晶胞
1．概念
晶胞是晶体中最小的____________。
2．结构
晶胞一般都是____________，晶体是由无数晶胞“____________”而成。
（1）无隙：
相邻晶胞之间无任何________。
（2）并置：
所有晶胞都是________排列的，取向________。
（3）所有晶胞的________及内部的原子________及几何排列是完全相同的。
3．一个晶胞平均占有的原子数：
四、晶体结构的测定
1．测定方法：
测定晶体结构最常用的仪器是________________。
2．测定结果
通过对乙酸晶体进行测定，可以得出乙酸晶胞，每个晶胞中含有________个乙酸分子，并可通过计算分析，确定________和________，从而得出分子的空间结构。
一、
1．金属
2．塑晶态 液晶态
二、
1．几何外形 几何外形
2．熔融态 气态 凝华 溶质
3．多面体外形 自范性 生长的速率 微观空间 周期性 有序 各向异性 熔点 有序性 对称性
三、
1．结构重复单元
2．平行六面体 无隙并置 间隙 平行 相同 形状 种类
3．8 4 2
四、
1．X射线衍射仪
2．4 键长 键角
[即时性自测]
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）晶体有自范性但其微粒排列无序。
（ ）
（2）晶体具有各向同性，非晶体也具有各向异性。
（ ）
（3）晶体有固定的熔点。
（ ）
（4）熔融态物质快速冷却即可得到晶体。
（ ）
（5）粉末状的固体也有可能是晶体。
（ ）
（6）晶胞是晶体的最小的结构重复单元。
（ ）
（7）不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同。
（ ）
（8）晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞。
（ ）
（9）已知晶胞的组成就可推知晶体的组成。
（ ）
（10）由晶胞构成的晶体，其化学式表示一个分子中原子的数目。
（ ）
2．我们熟悉的食盐、金属、刨冰、钻石、水晶等都是晶体；而同样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．是否是具有规则几何外形的固体
B．是否是具有固定组成的物质
C．是否是具有固定熔点
D．内部构成微粒是否在空间呈有规则的重复排列
3．下列途径不能得到晶体的是（ ）
A．熔融态物质快速冷却B．熔融态物质凝固
C．气态物质凝华D．溶质从溶液中析出
4．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的几何外形的晶体
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．二者的X射线图谱是相同的
5．元素X位于第四周期，其基态原子的内层轨道全部排满电子，且最外层电子数为2。
元素Y基态原子的3p轨道上有4个电子。
X与Y所形成化合物晶体的晶胞如图所示。
（1）在1个晶胞中，X离子的数目为________。
（2）该化合物的化学式为________。
即时性自测
1．
（1）×
（2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）√ （7）× （8）× （9）√ （10）×
2．解析：
有规则几何外形或美观对称的固体不一定都是晶体，如玻璃；具有固定组成的物质也不一定是晶体，如某些无定形体也具有固定的组成。
晶体和非晶体的本质区别在于微观结构不同。
答案：
D
3．解析：
得到晶体的三个途径是：
（1）溶质从溶液中析出；
（2）气态物质凝华；（3）熔融态物质凝固。
晶体表现自范性是需要一定条件的，即晶体生长的速率要适当，因此熔融态物质快速冷却时不能得到晶体。
答案：
A
4．解析：
观察结构图可知，Ⅰ中微粒呈周期性有序排布，Ⅱ中微粒排列不规则，故Ⅰ为晶体，Ⅱ为非晶体。
晶体有各向异性，具有固定的熔、沸点，非晶体没有固定的熔、沸点，用X－射线衍射实验检验晶体和非晶体，图谱明显不同，故应选B。
答案：
B
5．解析：
X为Zn元素、Y为S元素，从晶胞图分析，一个晶胞中含有X离子的数目为8×
＋6×
＝4，Y离子的数目也是4，所以化合物中X与Y之比为1:
1，则化学式为ZnS。
答案：
（1）4
（2）ZnS
技能素养
提升点一 晶体与非晶体
[例1]
（1）在下列物质中，________________（填序号，下同）是晶体，________________是非晶体。
①塑料 ②明矾 ③松香 ④玻璃 ⑤CuSO4·5H2O ⑥冰糖 ⑦石蜡 ⑧单晶硅 ⑨铝块 ⑩橡胶
（2）晶体和非晶体在外形上有差别，晶体一般都具有____________________，而非晶体____________________；另外非晶体具有物理性质____________________，而晶体具有物理性质____________________。
（3）判断物质是晶体还是非晶体，合理的方法是________（填序号）。
①从外形上来判断
②从各向异性或各向同性上来判断
③从导电性能来判断
④从有无固定熔点来判断
例1 解析：
明矾是KAl（SO4）2·12H2O，它和CuSO4·5H2O、冰糖、单晶硅、铝块都是晶体；塑料、松香、玻璃、石蜡、橡胶都是非晶体。
晶体的重要特征就是各向异性和有固定的熔点等。
答案：
（1）②⑤⑥⑧⑨ ①③④⑦⑩
（2）规则的几何外形 没有规则的几何外形 各向同性 各向异性
（3）②④
混合物一般为非晶体；晶体与非晶体判断有多种方法。
[提升1] 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．晶体与非晶体的根本区别在于是否具有规则的几何外形
C．具有各向异性的固体一定是晶体
D．晶体、非晶体均具有固定的熔点
提升1 解析：
晶体与非晶体的根本区别在于其内部微粒在空间是否按一定规律做周期性重复排列，B项错误；晶体所具有的规则几何外形、各向异性是其内部微粒规律性排列的外部反映。
有些人工加工而成的固体也具有规则的几何外形，但具有各向异性的固体一定是晶体，A项错误，C项正确；晶体具有固定的熔点而非晶体不具有固定的熔点，D项错误。
答案：
C
依据晶体的特性判断固体是不是晶体，存在一定的不确定，应从本质特征上进行把握。
[关键能力]
晶体与非晶体
1．晶体与非晶体的比较
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
熔点
固定
不固定
各向异性
有
无
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
2.晶体与非晶体的本质差异
自范性
微观结构
晶体
有
原子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体
无
原子排列相对无序
3.晶体呈现自范性的条件
晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当。
熔融态物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过快时，常常只得到看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。
如玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶是SiO2热液缓慢冷却形成的。
（1）有规则几何外形或美观、对称外形的固体不一定是晶体。
例如，玻璃制品可以塑造出规则的几何外形，也可以具有美观对称的外观。
（2）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，如无定形SiO2。
（3）晶体不一定都有规则的几何外形，如玛瑙。
提升点二 晶胞中粒子数目及晶体化学式的确定
[例2] 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＋离子中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＋离子包围。
例2 解析：
（1）Xn＋位于晶胞的棱上，其数目为12×
＝3个，N3－位于晶胞的顶角，其数目为8×
＝1，故其个数比为3:
1。
（2）由晶体的化学式X3N知X所带的电荷数为1。
（3）因为K、L、M三个电子层充满，故为2、8、18，所以X的原子序数是29。
（4）N3－位于晶胞顶角，故其被6个X＋在上、下、左、右、前、后包围。
答案：
（1）3:
1
（2）1 （3）29 （4）6
[提升2] 如图所示的甲、乙、丙三种晶体：
试推断甲晶体的化学式（X为阳离子）：
________；
乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是________；
丙晶体中每个D周围结合E的个数是________。
提升2 解析：
X位于立方体体心，该晶胞中含有1个X，Y位于顶角，该晶胞中Y的个数＝4×
＝
，则该晶胞中X、Y的个数之比是2:
1，又X为阳离子，所以甲晶体的化学式为X2Y；乙晶胞中A的个数＝8×
＝1，B的个数＝6×
＝3，C的个数为1，所以乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比为1:
3:
1；丙晶体中每个D周围结合E的个数是8。
答案：
X2Y 1:
3:
1 8
[关键能力]
晶胞中粒子数目及晶体化学式的确定
1．晶体化学式含义
一般地，晶体的化学式表示的是晶体（也可以说是晶胞）中各类原子或离子的最简整数比。
2．均摊法确定晶胞中粒子的个数
如晶胞中某个粒子为n个晶胞所共用，则该粒子有
属于这个晶胞。
（1）长方体形（正方体形）晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献。
（2）六方晶胞中不同位置粒子对晶胞的贡献。
（3）晶胞中粒子数目的计算要先根据具体情况分析晶胞中的粒子在晶胞中的位置以及为几个晶胞所共有，然后运用均摊法具体计算。
如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点碳原子被三个六边形共有，每个六边形占有该原子的1/3，则每个六元环占有的碳原子数为6×
＝2，如下图所示：
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。
形成性自评
1．下列途径不能得到晶体的是（ ）
A．熔融态SiO2快速冷却
B．熔融态SiO2热液缓慢冷却
C．FeCl3蒸气冷凝
D．CuSO4溶液蒸发浓缩后冷却
2．关于晶体的自范性，下列叙述正确的是（ ）
A．破损的晶体能够在固态时自动变成规则的多面体
B．缺角的氯化钠晶体在饱和NaCl溶液中慢慢变为完美的立方体块
C．圆形容器中结出的冰是圆形的体现了晶体的自范性
D．由玻璃制成规则的玻璃球体现了晶体的自范性
3．晶体具有各向异性。
如蓝晶石（Al2O3·SiO2）在不同方向上的硬度不同；又如石墨与层垂直的方向上的电导率是与层平行的方向上的电导率的1/104。
晶体的各向异性主要表现在（ ）
①硬度 ②导热性 ③导电性 ④光学性质
A．①③B．②④
C．①②③D．①②③④
4．铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构如图所示。
Pb4＋处于立方晶胞顶角，Ba2＋处于晶胞中心，O2－处于晶胞面心，则该化合物的化学式为（ ）
A．BaPbO3B．BaPb2O3
C．BaPbOD．BaPbO4
5．下图是CsCl晶体的一个晶胞，相邻的两个Cs＋的核间距为acm。
NA为阿伏加德罗常数，CsCl的相对分子质量用M表示，则CsCl晶体的密度为（ ）
A.
B.
C.
D.
6．科学家把C60和K掺杂在一起制造出的物质具有超导性能，其晶胞结构如图所示。
该物质中K和C60的个数之比为（ ）
A．1:
1B．2:
1
C．3:
1D．4:
1
7．钇钡铜氧是一种新型节能高温超导体，其晶胞结构如图所示。
研究发现，此高温超导体中的Cu元素有两种价态，分别为＋2和＋3，Y元素的化合价为＋3，Ba元素的化合价为＋2。
（1）该物质的化学式为____________。
（2）该物质中Cu2＋与Cu3＋的个数比为________。
形成性自评
1．解析：
晶体呈现自范性是需要一定条件的，即晶体生长的速率要适当。
熔融态物质快速冷却时不能得到晶体，如熔融态SiO2快速冷却得到看不到晶体外形的玛瑙，热液缓慢冷却则形成水晶。
FeCl3、AlCl3等固体均易升华，其蒸气凝华则得到晶体。
CuSO4溶液蒸发浓缩后冷却析出胆矾晶体（CuSO4·5H2O）。
答案：
A
2．解析：
晶体的自范性指的是在适宜条件下，晶体能够自发地呈现封闭的规则的多面体外形的性质，这一适宜条件一般指的是自动结晶析出的条件，A选项所述过程不可能实现；C选项中的圆形并不是晶体冰本身自发形成的，而是受容器的限制形成的；D项中玻璃是非晶体。
答案：
B
3．解析：
晶体的各向异性主要表现在物理性质方面。
答案：
D
4．解析：
1个晶胞中有1个Ba2＋，Pb4＋的个数为8×
＝1，O2－的个数为6×
＝3，故化学式为BaPbO3。
答案：
A
5．解析：
由均摊法求得CsCl晶胞含有1个Cs＋和1个Cl－，其质量是M/NA，再由相邻的两个Cs＋的核间距为acm，求出该晶胞的体积是a3，所以晶胞的密度是
，晶体的密度和晶胞的密度是相同的。
答案：
D
6．解析：
根据均摊法可知，该晶胞中K的个数为2×6×
＝6，C60的个数为1＋8×
＝2，所以该物质中K和C60的个数之比为6:
2＝3:
1。
答案：
C
7．解析：
本题的疑难之处一是不会计算晶胞中氧原子的个数；二是在求Cu2＋与Cu3＋的个数比时不能灵活运用化合物中各元素的正负化合价的代数和为零这一规律。
（1）由图可知，该晶胞中N（Cu）＝8×
＋8×
＝3，N（Ba）＝2，N（Y）＝1，N（O）＝12×
＋8×
＝7。
即该物质的化学式为YBa2Cu3O7。
（2）根据题中各元素的化合价，再结合化合物中各元素的正负化合价的代数和为零可知，＋2价铜与＋3价铜的化合价之和为7，即N（Cu2＋）:
N（Cu3＋）＝2:
1。
答案：
（1）YBa2Cu3O7
（2）2:
1
第二节分子晶体与共价晶体
一、分子晶体的结构与物质类别
1．分子晶体的结构特点
（1）构成微粒及作用力
分子晶体
（2）堆积方式
分子间作用力
堆积方式
实例
范德华力
分子采用________
如C60、干冰、I2、O2
范德华力、________
分子不采用________
如HF、NH3、冰
2.分子晶体与物质的类别：
物质种类
实 例
所有____________
H2O、NH3、CH4等
部分____________
卤素（X2）、O2、N2、白磷（P4）、硫（S8）等
部分____________
CO2、P4O10、SO2、P4O6等
几乎所有的______
HNO3、H2SO4、H3PO4、H2SiO3等
绝大多数________
苯、乙醇、乙酸、乙酸乙酯等
3.两种典型的分子晶体的组成和结构
（1）干冰
①每个晶胞中有______个CO2分子，______个原子。
②每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子数为______个。
（2）冰
①水分子之间的作用力有____________________，但主要是__________。
②由于________的方向性，使四面体中心的每个水分子与四面体顶点的________个相邻的水分子相互吸引。
二、共价晶体的结构和性质
1．共价晶体的结构特点
（1）构成微粒及作用力
共价晶体
（2）空间构型：
整块晶体是一个三维的共价键________结构，不存在________的小分子，是一个“巨分子”，又称________晶体。
2．共价晶体与物质的类别
物质种类
实例
某些__________
晶体硼、晶体硅、晶体锗、金刚石等
某些__________
碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、氮化硼（BN）等
某些__________
二氧化硅（SiO2）等
3.典型共价晶体
（1）金刚石
①碳原子采取________杂化，C—C—C夹角为________。
②每个碳原子与周围紧邻的________个碳原子以共价键结合成________结构，向空间伸展形成空间网状结构。
③最小碳环由________个碳原子组成，且最小环上有4个碳原子在同一平面内；每个碳原子被12个六元环共用。
（2）SiO2
①低温石英有顶角相连的________形成螺旋式上升的长链，没有封闭的环状结构，决定了它具有________，被广泛用作压电材料。
②有许多重要用途，制造水泥、玻璃、人造红宝石、单晶硅、________、芯片和________的原料。
一、
1．分子 分子间作用力 密堆积 氢键 密堆积
2．非金属氢化物 非金属单质 非金属氧化物 酸 有机物
3．4 12 12 范德华力和氢键 氢键 氢键 4
二、
1．原子 共价键 网状 单个 共价
2．非金属单质 非金属化合物 氧化物
3．
（1）sp3 109°28′ 4 正四面体 6
（2）硅氧四面体 手性 硅光电池 光导纤维
[即时性自测]
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）分子晶体中，一定存在共价键和分子间作用力。
（ ）
（2）酸性氧化物都属于分子晶体。
（ ）
（3）分子晶体熔化时一定会破坏范德华力，有些分子晶体还会破坏氢键。
（ ）
（4）分子晶体的熔、沸点越高，分子晶体中共价键的键能越大。
（ ）
（5）分子晶体都采用分子密堆积，每个分子周围通常有12个紧邻的分子。
（ ）
（6）水在4℃时密度最大，是因为此时水分子间形成的氢键最多。
（ ）
（7）由原子直接构成的晶体一定是共价晶体。
（ ）
（8）共价晶体中不存在分子，所以SiO2只表示原子个数比。
（ ）
（9）以二氧化硅为主要成分的水晶和玛瑙均为共价晶体。
（ ）
（10）共价晶体中每个原子周围尽可能结合更多的原子，大多数为12个。
（ ）
2．下列有关分子晶体的说法中一定正确的是（ ）
A．分子内均存在共价键
B．分子间一定存在范德华力
C．分子间一定存在氢键
D．其结构一定为分子密堆积
3．下列关于共价晶体的说法不正确的是（ ）
A．共价晶体中的成键微粒是原子
B．共价晶体中原子之间全部以共价键结合
C．共价晶体均是化合物
D．共价晶体的熔、沸点都比较高
4．干冰和二氧化硅晶体同属第ⅣA族元素的最高价氧化物，它们的熔、沸点差别很大的原因是（ ）
A．二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量
B．C—O键键能比Si—O键键能小
C．干冰为分子晶体，二氧化硅为共价晶体
D．干冰易升华，二氧化硅不能
5．
（1）比较下列化合物熔、沸点的高低（填“>”或“<”）。
①CO2________CS2
②NH3________PH3
③O3________O2
④Ne________Ar
⑤CH3CH2OH________CH3OH
⑥金刚石________晶体硅
（2）已知AlCl3的熔点为190℃（2.02×105Pa），但它在180℃即开始升华。
请回答：
①AlCl3固体是________晶体。
②设计一个可靠的实验，判断氯化铝是离子化合物还是共价化合物。
你设计的实验是_____________________________________________________________________
即时性自测
1．
（1）×
（2）× （3）√ （4）× （5）× （6）× （7）× （8）√ （9）× （10）×
2．解析：
稀有气体分子形成的晶体中，不存在由多个原子构成的分子，而是原子间通过范德华力结合成晶体，所以不存在任何化学键，故A项错误；分子间作用力包括范德华力和氢键，范德华力存在于所有的分子晶体中，而氢键只存在于含有与电负性较强的氮、氧、氟原子结合的氢原子的分子间或者分子内，所以B项正确，C项错误；只存在范德华力的分子晶体才采取分子密堆积的方式，所以D项错误。
答案：
B
3．解析：
共价晶体可能是单质，如金刚石、晶体硅，也可能是化合物，如二氧化硅、碳化硅等。
答案：
C
4．解析：
干冰和SiO2所属晶体类型不同，干冰为分子晶体，熔化时破坏分子间作用力；SiO2为共价晶体，熔化时破坏化学键，所以熔点较高。
答案：
C
5．解析：
（1）各组物质均为分子晶体，根据分子晶体熔、沸点的判断规律，分子间作用力越大，相对分子质量越大，分子极性越大，则晶体的熔、沸点越高，较容易比较六组物质熔、沸点的高低。
（2）由AlCl3的熔点低以及在180℃时开始升华判断AlCl3晶体为分子晶体。
若验证一种化合物是共价化合物还是离子化合物，可测其熔融状态下是否导电，若不导电是共价化合物，导电则是离子化合物。
答案：
（1）①< ②> ③> ④< ⑤> ⑥>
（2）①分子 ②在熔融状态下，试验其是否导电，若不导电是共价化合物，若导电是离子化合物
技能素养
提升点一 分子晶体的结构与性质
[例1]
（1）如图为干冰的晶体结构示意图。
通过观察分析，每个CO2分子周围紧邻等距离的CO2分子有________个，将CO2分子视作质点，设晶胞边长为apm，则紧邻的两个CO2分子的距离为________pm。
（2）在冰晶体中，水分子之间的主要作用力是________，还有________，由于其主要作用力与共价键一样具有________性，故1个水分子周围只能有________个紧邻的水分子，这些水分子位于________的顶角。
这种排列方式使冰晶体中水分子的空间利
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