2018-2019版高中化學 第3章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與物質(zhì)性質(zhì) 第1節(jié) 認識晶體 第1課時學案 魯科版選修3.doc

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第1課時　晶體的特性和晶體結(jié)構(gòu)的堆積模型 [學習目標定位]　1.熟知晶體的概念、晶體的類型和晶體的分類依據(jù)。2.知道晶體結(jié)構(gòu)的堆積模型。 一、晶體的特性 1．晶體與非晶體 (1)晶體：內(nèi)部微粒(原子、離子或分子)在空間按一定規(guī)律做周期性重復排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。如金剛石、食鹽、干冰等。 (2)非晶體：內(nèi)部原子或分子的排列呈雜亂無章的分布狀態(tài)的固體物質(zhì)。如橡膠、玻璃、松香等。 2．晶體的特性： (1)自范性：晶體在適宜條件下可以自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的、規(guī)則的多面體外形的性質(zhì)。 (2)各向異性：是指在不同的方向上表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，如強度、導熱性、光學性質(zhì)等。 (3)對稱性：晶體具有特定的對稱性，如規(guī)則的食鹽晶體具有立方體外形，它既有軸對稱性，也有面對稱性。 (4)晶體具有固定的熔、沸點。 3．常見的四種晶體類型 晶體類型 構(gòu)成微粒種類 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 金屬原子 金屬鍵 Cu 原子晶體 原子 共價鍵 金剛石 分子晶體 分子 分子間作用力 干冰 (1)晶體與非晶體的區(qū)別 外觀 微觀結(jié)構(gòu) 自范性 各向異性 熔、沸點 晶體 具有規(guī)則幾何外形 微粒在三維空間呈周期性有序排列 有 各向異性 固定 非晶體 不具有規(guī)則幾何外形 微粒排列相對無序 無 各向同性 不固定 本質(zhì) 區(qū)別 微觀粒子在三維空間是否呈現(xiàn)周期性有序排列 (2)晶體與非晶體的區(qū)別方法 間接方法 看是否有固定的熔點 科學方法 對固體進行X射線衍射實驗 (3)判斷晶體類型的方法之一：根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)微粒的種類及微粒間的相互作用。 例1　不能夠支持石墨是晶體這一事實的選項是(　　) A．石墨和金剛石是同素異形體 B．石墨中的碳原子呈周期性有序排列 C．石墨的熔點為3 625 ℃ D．在石墨的X射線衍射圖譜上有明銳的譜線 答案　A 解析　原子在三維空間里呈有序排列、有自范性、有固定的熔點、物理性質(zhì)上體現(xiàn)各向異性、X射線衍射圖譜上有分明的斑點或明銳的譜線等特征，都是晶體在各個方面有別于非晶體的體現(xiàn)，故B、C、D能夠支持石墨是晶體這一事實。而是否互為同素異形體與是否為晶體這兩者之間并無聯(lián)系，如無定形碳也是金剛石、石墨的同素異形體，卻屬于非晶體。 例2　下列敘述中正確的是(　　) A．具有規(guī)則幾何外形的固體一定是晶體 B．具有特定對稱性的固體一定是晶體 C．具有各向異性的固體一定是晶體 D．依據(jù)構(gòu)成粒子的堆積方式可將晶體分為金屬晶體、離子晶體、分子晶體、原子晶體 答案　C 解析　晶體所具有的規(guī)則幾何外形、各向異性和特定的對稱性是其內(nèi)部粒子規(guī)律性排列的外部反映，有些人工加工而成的固體也具有規(guī)則幾何外形和高度對稱性，故A、B兩項錯誤；具有各向異性的固體一定是晶體，C項正確；晶體劃分為金屬晶體、離子晶體、分子晶體、原子晶體是依據(jù)構(gòu)成晶體的微粒的種類和微粒間相互作用的不同，故D項錯誤。 易錯警示　 晶體具有規(guī)則的幾何外形，但具有規(guī)則幾何外形的固體不一定是晶體。非晶體也可以打磨成規(guī)則的幾何外形，但仍不是晶體。 二、晶體結(jié)構(gòu)的堆積模型 1．晶體結(jié)構(gòu)的密堆積的原理 金屬原子、離子或分子在沒有其他因素(如氫鍵)影響時，在空間的排列大都服從緊密堆積原理。這是因為金屬鍵、離子鍵和分子間作用力均沒有方向性，因此都趨向于使原子、離子或分子吸引盡可能多的其他原子、離子或分子分布于周圍，并以密堆積的方式降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定。 2．等徑圓球的密堆積(金屬晶體) (1) 單列緊密堆積方式： 等徑圓球在一列上進行緊密堆積的方式只有一種，即所有的圓球都在一條直線上排列，如圖所示： (2) 同層緊密堆積方式： ①等徑圓球在一列上進行緊密堆積的方式只有一種，即只有當每個等徑圓球與周圍六個圓球相接觸時才能做到最緊密堆積，這樣形成的層稱為密置層。 ②晶體中一個原子周圍距離相等且最近的原子的數(shù)目叫配位數(shù)。非密置層的配位數(shù)是4，密置層的配位數(shù)是6。 ③密置層放置的平面利用率比非密置層放置的要高。 (3)多層緊密堆積的方式 觀察分析圖，并結(jié)合教材內(nèi)容回答下列問題： ①圖1所示密置層排列方式為“…ABAB…”，這種堆積方式稱為A3型最密堆積，其堆積特點是B的上層與B的下層兩層中的球的球心相對應(yīng)，其配位數(shù)為12。 ②圖2所示密置層排列方式為“…ABCABC…”，這種堆積方式稱為A1型最密堆積，其堆積特點是A、B、C三層球的球心位置均不同，其配位數(shù)為12。 3．非等徑圓球的密堆積(離子晶體) (1)由于陰、陽離子的半徑不同，因此離子晶體為不等徑圓球的密堆積，可以將這種堆積方式看成是大球先按一定的方式做等徑圓球的密堆積，小球再填充在大球所形成的空隙中。 (2)在一些離子晶體中，陰離子半徑較大，應(yīng)先將陰離子看成是等徑圓球進行密堆積，而陽離子有序地填在陰離子所形成的空隙中。例如，NaCl晶體中的Cl－按A1型方式進行最密堆積，Na＋填在Cl－所形成的空隙中；ZnS晶體中S2－按A1型方式進行最密堆積，Zn2＋填入S2－所形成的空隙中。 (1)只有晶體微粒間的作用力不具有方向性和飽和性才遵循緊密堆積原理。 ①金屬晶體采用等徑圓球的密堆積，是因為金屬鍵無方向性和飽和性。 ②離子晶體采用不等徑圓球的密堆積，是因為離子鍵無方向性和飽和性。 ③不含氫鍵的分子晶體盡可能采用緊密堆積方式，因為范德華力沒有方向性和飽和性。分子晶體中分子的堆積與分子的形狀有關(guān)，如干冰中CO2分子呈直線形，CO2晶體在空間是按A1型最密堆積方式形成晶體的。 若分子間靠氫鍵形成晶體，則不采取密堆積結(jié)構(gòu)，因為氫鍵有方向性，一個分子周圍其他分子的數(shù)目和堆積方向是一定的。如苯甲酸晶體、冰等。 ④原子晶體中微粒堆積不服從緊密堆積原理。 原子晶體中微粒間以共價鍵相結(jié)合，由于共價鍵具有飽和性和方向性，就決定了一個原子周圍的其他原子的數(shù)目不僅是很有限的，而且堆積方向也是一定的。 (2)A1型和A3型最密堆積的方式不同，但都是同一層上每個球與同層中周圍6個球相接觸，同時又與上下兩層中各3個球相接觸，所以它們的配位數(shù)都為12。 例3　如圖為金屬鎘的堆積方式，下列說法正確的是(　　) A．此堆積方式屬于非最密堆積 B．此堆積方式為A1型最密堆積 C．配位數(shù)為8 D．鎘的堆積方式與銅的堆積方式不同 答案　D 解析　據(jù)圖可看出，鎘的堆積方式為“…ABAB…”，為A3型，而銅的堆積方式為A1型，故A、B兩項錯誤，D項正確；A3型最密堆積的配位數(shù)為12，即中間一層有6個，上下兩層各有3個，C項錯誤。 方法規(guī)律　 晶體的A1型和A3型最密堆積中，晶體微粒的配位數(shù)都是12。 例4　下列敘述中不正確的是(　　) A．氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)為非等徑圓球密堆積 B．晶體盡量采取緊密堆積方式，以使其變得比較穩(wěn)定 C．因為共價鍵有飽和性和方向性，所以原子晶體不遵循緊密堆積原則 D．金屬銅和鎂均以“…ABAB…”方式堆積 答案　D 解析　在NaCl晶體中，半徑較大的Cl－按A1型方式進行最密堆積，Na＋填在Cl－所形成的空隙中，因此NaCl晶體結(jié)構(gòu)為非等徑圓球密堆積，A項正確；采用密堆積的方式可以降低體系的能量，使晶體變得比較穩(wěn)定，B項正確；密堆積原理適用于沒有方向性的金屬鍵、離子鍵和范德華力相互作用形成的金屬晶體、離子晶體和分子晶體，而不適用于具有方向性和飽和性的共價鍵所形成的原子晶體以及存在氫鍵的分子晶體，C項正確；金屬銅采用“…ABCABC…”方式堆積，金屬鎂采用“…ABAB…”方式堆積，所以D項錯誤。 規(guī)律總結(jié) 金屬晶體、離子晶體和無氫鍵的分子晶體中都存在A1型緊密堆積模型的晶體。原子晶體不遵循緊密堆積原則；分子晶體是否密堆積與分子間作用力是否具有飽和性與方向性有關(guān)，與分子內(nèi)共價鍵的特征(方向性與飽和性)無關(guān)。 1．普通玻璃和水晶的根本區(qū)別在于(　　) A．外形不一樣 B．普通玻璃的基本構(gòu)成粒子無規(guī)則地排列，水晶的基本構(gòu)成粒子按一定規(guī)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(zhuǎn)換，普通玻璃不能用于能量轉(zhuǎn)換 答案　B 解析　晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別就是粒子(原子、離子或分子)在微觀空間里是否呈現(xiàn)周期性的有序排列。 2．區(qū)分晶體和非晶體最科學的方法是(　　) A．測定熔、沸點的高低 B．對固體進行X射線衍射 C．看是否有規(guī)則的幾何外形 D．比較硬度 答案　B 解析　晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別是組成物質(zhì)的粒子在微觀空間里是否有序排列，利用X射線衍射可測定晶體結(jié)構(gòu)，B項正確；晶體具有固定的熔、沸點，非晶體沒有固定的熔、沸點，二者的區(qū)別與熔、沸點的高低無關(guān)，A項錯誤；有規(guī)則幾何外形的固體不一定是晶體，C項錯誤；無法從硬度上區(qū)分晶體和非晶體，D項錯誤。 3．如圖為一塊密度、厚度均勻的矩形樣品，長為寬的兩倍，若用多用電表沿兩對稱軸測其電阻均為R，則這塊樣品一定是(　　) A．金屬 B．半導體 C．非晶體 D．晶體 答案　D 解析　由于AB＝2CD，而AB、CD間的電阻卻相等，說明樣品橫向(AB)與縱向(CD)的導電性不同，具有各向異性，而晶體的特征之一是各向異性，非晶體則具有各向同性，故該樣品為晶體。 4．金屬晶體、離子晶體和分子晶體(不含氫鍵的)采取密堆積方式的原因是(　　) A．構(gòu)成晶體的微粒均可視為圓球 B．金屬鍵、離子鍵、分子間作用力均無飽和性和方向性 C．三種晶體的構(gòu)成微粒相同 D．三種晶體的構(gòu)成微粒多少及相互作用力相同 答案　B 解析　金屬晶體、離子晶體、分子晶體(不含氫鍵的)采取密堆積方式的原因是金屬鍵、離子鍵、分子間作用力(除氫鍵外)均無方向性和飽和性，趨向使原子、離子或分子吸引盡可能多的其他原子、離子或分子分布于周圍并以密堆積方式降低體系的能量，使分子變得比較穩(wěn)定。 5.關(guān)于下圖敘述不正確的是(　　) A．該種堆積方式為A3型最密堆積 B．該種堆積方式為A1型最密堆積 C．該種堆積方式可用符號“…ABCABC…”表示 D．金屬Cu就屬于此種最密堆積 答案　A 解析　從垂直方向看三層球心均不在一條直線上，故為A1型最密堆積，可以用“…ABCABC…”表示。 6．非晶硅光電薄膜產(chǎn)業(yè)的研發(fā)成長，在轉(zhuǎn)換效率上，已逐漸接近于多晶硅太陽能電池，發(fā)電成本僅為多晶硅的三分之一。預(yù)計非晶硅光電薄膜產(chǎn)業(yè)的增長速率，將比多晶硅太陽能產(chǎn)業(yè)更為快速，非晶硅薄膜技術(shù)將成為今后太陽能電池的市場主流。 試探究下列問題： (1)下圖中a、b是兩種硅的部分結(jié)構(gòu)，請指出哪種是晶體硅，哪種是非晶硅？ a：__________________；b：__________________。 (2)有關(guān)晶體常識的相關(guān)說法中正確的是_____(填字母)。 A．玻璃是非晶體 B．固體粉末都是非晶體 C．晶體內(nèi)部質(zhì)點具有有序性的特征，有固定的熔、沸點和各向異性 D．區(qū)別晶體和非晶體最有效的方法是通過X射線衍射實驗 答案　(1)非晶硅　晶體硅　(2)ACD 解析　(1)從粒子在微觀空間里是否有有序性和自范性角度觀察。(2)A項，玻璃是一種無固定熔、沸點的非晶體；B項，許多固體粉末不能用肉眼觀察到晶體外形，但可通過光學顯微鏡或電子顯微鏡看到規(guī)則的幾何外形，所以固體粉末也可能是晶體。 題組1　晶體的分類與特征 1．下列關(guān)于晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別的敘述中正確的是(　　) A．是否具有規(guī)則幾何外形的固體 B．是否具有固定組成的物質(zhì) C．是否具有美觀對稱的外形 D．內(nèi)部基本構(gòu)成微粒是否按一定規(guī)律做周期性重復排列 答案　D 解析　有規(guī)則幾何外形或美觀對稱外形的固體不一定都是晶體，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；具有固定組成的物質(zhì)也不一定是晶體；晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別在于其微觀結(jié)構(gòu)不同。 2．下列說法錯誤的是(　　) A．同一物質(zhì)有時可以是晶體，有時可以是非晶體 B．區(qū)分晶體和非晶體最可靠的科學方法是確定有沒有固定熔點 C．雪花是水蒸氣凝華得到的晶體 D．溶質(zhì)從溶液中析出可以得到晶體 答案　B 解析　A正確，如晶態(tài)SiO2和非晶態(tài)SiO2；B不正確，最可靠的科學方法是對固體進行X射線衍射實驗；C、D正確。 3．關(guān)于晶體和非晶體，下列說法中正確的是(　　) A．鐵是非晶體 B．晶體和非晶體在熔化過程中溫度都上升 C．晶體熔化時吸熱，非晶體熔化時不吸熱 D．晶體有固定的熔點，非晶體沒有固定的熔點 答案　D 解析　鐵是晶體，故A錯誤；晶體在熔化過程中溫度保持不變，非晶體在熔化過程中溫度不斷升高，故B錯誤；晶體與非晶體熔化時都需要吸熱，故C錯誤。 4．關(guān)于晶體的自范性，下列敘述正確的是(　　) A．破損的晶體能夠在固態(tài)時自動變成規(guī)則的多面體 B．缺角的氯化鈉晶體在飽和NaCl溶液中慢慢變?yōu)橥昝赖牧⒎襟w塊 C．圓形容器中結(jié)出的冰是圓形的體現(xiàn)了晶體的自范性 D．由玻璃制成規(guī)則的玻璃球體現(xiàn)了晶體的自范性 答案　B 解析　晶體的自范性指的是在適宜條件下，晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的、規(guī)則的多面體外形的性質(zhì)，這一適宜條件一般指的是自動結(jié)晶析出的條件，A項所述過程不可能實現(xiàn)；C選項中的圓形并不是晶體冰本身自發(fā)形成的，而是受容器的限制形成的；D項中玻璃是非晶體。 5．將晶體分為離子晶體、金屬晶體、原子晶體和分子晶體的本質(zhì)標準是(　　) A．基本構(gòu)成的微粒種類 B．晶體中最小重復結(jié)構(gòu)單元的種類 C．微觀粒子的密堆積種類 D．晶體內(nèi)部微粒的種類及微粒間相互作用的種類 答案　D 解析　根據(jù)晶體內(nèi)部微粒的種類和微粒間的相互作用的不同，可將晶體分為離子晶體、金屬晶體、原子晶體和分子晶體。 6．下列敘述正確的是(　　) A．任何晶體中，若含有陽離子也一定含有陰離子 B．離子晶體中可能含有共價鍵 C．離子晶體中只含有離子鍵不含有共價鍵 D．分子晶體中只存在分子間作用力，不含有其他化學鍵 答案　B 解析　金屬晶體中存在金屬陽離子與“自由電子”，沒有陰離子，A項錯誤；離子晶體中一定含有離子鍵，可能含有共價鍵，B項正確，C項錯誤；分子晶體中一定存在分子間作用力，除稀有氣體分子外均存在共價鍵，D項錯誤。 題組2　晶體結(jié)構(gòu)的堆積模型 7．金屬原子在二維空間里的放置有下圖所示的兩種方式，下列說法不正確的是(　　) A．圖a為密置層 B．圖b為非密置層 C．圖a配位數(shù)為6 D．圖b配位數(shù)為6 答案　D 解析　金屬原子在二維空間里有兩種放置方式，一種是密置層，原子配位數(shù)為6；一種是非密置層，原子配位數(shù)為4。 8．下列晶體的結(jié)構(gòu)不遵循緊密堆積原則的是(　　) A．金屬銅 B．氯化鈉 C．金剛石 D．干冰 答案　C 9．與分子晶體的堆積無關(guān)的是(　　) A．范德華力無方向性和飽和性 B．氫鍵具有方向性和飽和性 C．分子的具體形狀 D．分子內(nèi)共價鍵的方向性和飽和性 答案　D 解析　分子晶體中的范德華力無方向性和飽和性，所以分子排列時可以遵循緊密堆積原理；分子形狀如果與圓球差別很大，則會影響堆積情況；如果分子中存在氫鍵，氫鍵具有方向性和飽和性則會直接決定分子的排列；分子內(nèi)部的共價鍵不會影響分子的排布情況。 10．下列晶體按A1型進行最密堆積的是(　　) A．干冰、NaCl、金屬銅 B．ZnS、金屬鎂、氮化硼 C．水晶、金剛石、晶體硅 D．ZnS、NaCl、金屬鎂 答案　A 解析　干冰、NaCl、Cu、ZnS均為A1型最密堆積，Mg為A3型最密堆積，水晶、金剛石、氮化硼、晶體硅均為原子晶體，不遵循緊密堆積原則，故只有A項正確。 11．下列有關(guān)A1型密堆積與A3型密堆積的說法中正確的是(　　) A．A1型密堆積是最密堆積，A3型密堆積不是最密堆積 B．兩者都是最密堆積，其中A3型密堆積是一、三、五…各層球心重合，二、四、六…各層球心重合；A1型密堆積是四、五、六層…分別和一、二、三層球心重合 C．原子晶體一般都采用A1型密堆積或A3型密堆積 D．只有金屬晶體才可能采用A1型密堆積或A3型密堆積 答案　B 解析　A1型和A3型兩種密堆積都是最密堆積，這兩種類型中每個小球都與另外的12個球直接接觸，除金屬晶體外，離子晶體也可以看做是大球做等徑圓球密堆積，小球填充在空隙中；由于共價鍵具有方向性和飽和性，故原子晶體一般不采取密堆積。 12.如圖是金屬晶體的A1型最密堆積形成的面心立方晶胞示意圖，在密堆積中處于同一密置層上的原子組合是(　　) A．④⑤⑥⑩?? B．②③④⑤⑥⑦ C．①④⑤⑥⑧ D．①②??⑧⑤ 答案　B 解析　A1型最密堆積形成的面心立方晶胞的對角線是垂直于密置層面的直線，所以要找處于同一密置層上的原子，必須找出垂直于晶胞體對角線的面。 [綜合強化] 13．有下列九種晶體：A.水晶　B．冰醋酸　C．氧化鎂　D．白磷　E．晶體氬　F．氯化銨　G．過氧化鉀　H．金剛石　I．鎂 (1)屬于原子晶體的是__________，屬于分子晶體的是____________，直接由原子構(gòu)成的分子晶體是______。 (2)含有共價鍵的離子晶體是_________________________________________________， 含有陽離子的是___________________________________________________________。 (3)受熱熔化后化學鍵不發(fā)生變化的是______________________________________________， 需克服共價鍵的是____________________________________________________________。 答案　(1) AH　BDE　 E　(2)FG　CFGI　(3)BDE　AH 14．(1)根據(jù)下圖回答問題。 ①將等徑圓球在二維空間里進行排列，可形成密置層和非密置層。在圖1所示的半徑相等圓球的排列中，A屬于________層，配位數(shù)是________；B屬于________層，配位數(shù)是________。 ②將非密置層一層一層地在三維空間里堆積，得到圖2所示的一種金屬晶體的晶胞，它被稱為簡單立方堆積。在這種晶體中，金屬原子的配位數(shù)是________。 (2)某物質(zhì)的晶體內(nèi)部一截面上原子的排布情況如右圖所示，則該晶體的化學式可表示為________。 答案　(1)①非密置　4　密置　6　②6　(2)AB 解析　(1)①在密堆積中，一個原子或離子周圍所鄰接的原子或離子的數(shù)目為配位數(shù)。非密置層的配位數(shù)是4，密置層的配位數(shù)是6。 ②每個金屬原子的上、下、左、右、前、后各有一個原子與之相鄰，故配位數(shù)為6。 (2)由該晶體一截面上原子的排布情況可知，每一個A原子周圍有2個B原子，每一個B原子周圍有2個A原子。故該晶體的化學式可表示為AB。 15．完成填空： (1)判斷物質(zhì)是晶體還是非晶體，正確的方法是________(填字母)。 a．從外形上判斷 b．從各向異性或各向同性上來判斷 c．從導電性能來判斷 d．從有無固定熔、沸點判斷 (2)由于離子鍵____________________________，NaCl晶體中的陰、陽離子服從緊密堆積原理，NaCl晶體的密堆積方式看成是________(填字母)。 a．Na＋按A1型方式進行最密堆積，Cl－填在Na＋形成的空隙中 b．Cl－按A1型方式進行最密堆積，Na＋填在Cl－形成的空隙中 c．Cl－按A3型方式進行最密堆積，Na＋填在Cl－形成的空隙中 (3)右圖堆積方式可用符號________(填“…ABAB…”或“…ABCABC…”)，屬________(填“A1”或“A3”)型最密堆積，________(填“鎂”或“銅”)屬于此種堆積方式。 答案　(1)bd　(2)沒有方向性和飽和性　b (3)…ABAB…　A3　鎂 解析　(1)可以從本質(zhì)上判斷晶體與非晶體，也可根據(jù)性質(zhì)判斷，bd正確。 (2)NaCl為離子晶體，離子鍵沒有方向性和飽和性。NaCl晶體的密堆積方式看成離子半徑較大的Cl－按A1型進行最密堆積，Na＋填在Cl－形成的空隙中。 (3)由圖可以明顯看出是A3型最密堆積，第一層有6個原子，第二層有3個原子，第三層有6個原子，第三層與第一層的圓球的球心相對應(yīng)，用符號表示為“…ABAB…”，金屬銅屬于A1型最密堆積。