1.認(rèn)識(shí)物質(zhì)的聚集狀態(tài)會(huì)影響物質(zhì)的性質(zhì),通過改變物質(zhì)的聚集狀態(tài)可能獲得特殊的材料,培養(yǎng)變化觀念與平衡思想的核心素養(yǎng)。2.了解晶體中微粒的空間排布存在周期性,認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的晶胞,培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。3.知道晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)是測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法和實(shí)驗(yàn)手段,培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的核心素養(yǎng)。
【知識(shí)鋪墊】1.通常物質(zhì)有三種存在狀態(tài),固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。2.一般來說,純凈物具有固定的熔點(diǎn),玻璃沒有固定的熔點(diǎn),在某一溫度范圍內(nèi)軟化。
【自主梳理】一、物質(zhì)的凝聚狀態(tài)1.構(gòu)成物質(zhì)的粒子(1)CO2、SO2、CO是由分子構(gòu)成的;氯化鈉、氟化鈣是由陽(yáng)離子和陰離子構(gòu)成的;金剛石和二氧化硅是由原子構(gòu)成的。(2)等離子體是由電子、陽(yáng)離子和電中性粒子(分子或原子)組成的整體上呈電中性的氣態(tài)物質(zhì),等離子體具有良好的導(dǎo)電性和流動(dòng)性。(3)離子液體是熔點(diǎn)不高的僅由離子組成的液態(tài)物質(zhì)。2.物質(zhì)的聚集狀態(tài)物質(zhì)的三態(tài)通常是指固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。物質(zhì)的聚集狀態(tài),還有晶態(tài)、非晶態(tài),以及介乎晶態(tài)和非晶態(tài)之間的塑晶態(tài)、液晶態(tài)等。
二、晶體與非晶體1.晶體與非晶體的本質(zhì)差異
3.晶體的特點(diǎn)(1)自范性晶體的自范性是晶體中粒子在微觀空間里呈現(xiàn)周期性的有序排列的宏觀表象。(2)各向異性晶體在不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)。(3)有固定的熔點(diǎn)晶體有較固定的熔點(diǎn)。常利用固體是否有固定的熔點(diǎn)間接地確定某一固體是否屬于晶體。非晶體沒有固定的熔點(diǎn)。
【微思考1】具有規(guī)則幾何外形的固體,一定是晶體嗎?提示 不一定。晶體規(guī)則的幾何外形是自發(fā)形成的。在人力作用下形成的有規(guī)則幾何外形的固體不是晶體,如玻璃、塑料等相關(guān)制品。
三、晶胞1.定義描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞。2.晶體和晶胞的關(guān)系常規(guī)的晶胞都是平行六面體。整塊晶體可以看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成。(1)“無隙”是相鄰晶胞之間沒有任何間隙。(2)“并置”是指所有晶胞都是平行排列的,取向相同。(3)同種晶體中所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個(gè)數(shù)及幾何排列(包括取向)是完全相同的。
3.晶胞中粒子個(gè)數(shù)的計(jì)算(1)平行六面體晶胞①晶胞的構(gòu)成:晶胞是 8 個(gè)頂角相同、 三 套各 4 根平行棱分別相同、三套各 兩 個(gè)平行面分別相同的最小平行六面體。②粒子數(shù)計(jì)算:頂角原子是 8 個(gè)晶胞共用;棱上的原子是 4 個(gè)晶胞共用;面上的原子是 2 個(gè)晶胞共用。
(2)幾種晶胞中微粒數(shù)目的確定①金屬銅晶胞中原子個(gè)數(shù)的計(jì)算。
金屬銅的一個(gè)晶胞中,位于晶胞頂點(diǎn)的銅原子有 8 個(gè),位于面心的銅原子有 6 個(gè),金屬銅晶胞中所含的銅原子數(shù)為
②氯化鈉晶胞中所含的Na+、Cl-數(shù)。氯化鈉晶胞如圖所示,其中體積較小的為 Na (填“Na”或“Cl”,下同),體積較大的為 Cl ,則該晶胞中含 4 個(gè)Na(提示:晶胞中心還有一個(gè)Na)和 4 個(gè)Cl。
③試確定下列物質(zhì)的晶胞中所含的原子數(shù)或分子數(shù)。
【微思考2】由晶胞構(gòu)成的晶體,其化學(xué)式一定表示一個(gè)分子中的原子數(shù)目嗎?提示 不一定。常常表示晶體中不同粒子的最簡(jiǎn)整數(shù)比,例如SiO2、NaCl等。
四、晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定1.X射線衍射原理單一波長(zhǎng)的X射線通過晶體時(shí),X射線和晶體中的電子相互作用,會(huì)在記錄儀上產(chǎn)生分立的斑點(diǎn)或明銳的衍射峰。2.X射線衍射實(shí)驗(yàn)獲得晶胞信息根據(jù)晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)圖經(jīng)過計(jì)算,可以獲得包括晶胞形狀和大小、分子或原子在微觀空間有序排列呈現(xiàn)的對(duì)稱類型、原子在晶胞里的數(shù)目和位置等,以及結(jié)合晶體化學(xué)組成的信息推出原子之間的相互關(guān)系。
3.X射線衍射實(shí)驗(yàn)獲得分子信息通過晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn),可以測(cè)定晶胞中各個(gè)原子的位置(坐標(biāo)),根據(jù)原子坐標(biāo),可以計(jì)算原子間的距離,判斷出晶體中哪些原子之間存在化學(xué)鍵,確定鍵長(zhǎng)和鍵角,從而得出分子的空間結(jié)構(gòu)。
【自我檢測(cè)】1.判斷下列說法的正誤,正確的畫“√”,錯(cuò)誤的畫“×”。(1)晶體具有各向同性,非晶體具有各向異性(　　)(2)熔融態(tài)物質(zhì)快速冷卻即可得到晶體(　　)(3)粉末狀的固體也有可能是晶體(　　)(4)不同晶體中晶胞的大小和形狀都相同(　　)(5)X射線通過晶體,導(dǎo)致晶體發(fā)生化學(xué)變化,形成特征的衍射圖(　　)
2.整塊晶體可以看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成。對(duì)這句話的理解錯(cuò)誤的是(　　)A.相鄰晶胞之間沒有任何間隙B.晶體是晶胞簡(jiǎn)單、隨意堆積而成C.晶胞排列時(shí),取向相同D.“并置”是指所有晶胞都是平行排列的答案 B解析 晶體并不是晶胞簡(jiǎn)單、隨意堆積而成,而是晶胞平行排列而成的,取向相同,且相鄰晶胞之間沒有任何間隙。
3.非晶硅光電薄膜產(chǎn)業(yè)的研發(fā)成長(zhǎng),在轉(zhuǎn)換效率上,已逐漸接近于多晶硅太陽(yáng)能電池,發(fā)電成本僅為多晶硅的三分之一。請(qǐng)完成下列空白:(1)下圖中a、b是兩種硅單質(zhì)的部分結(jié)構(gòu),請(qǐng)指出哪種是晶體硅,哪種是非晶硅?a:　　　　　;b:　　　　　。?
(2)下列有關(guān)晶體常識(shí)的說法正確的是　　　　(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)部粒子具有有序排列的特征,晶體有固定的熔、沸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)答案 (1)非晶硅　晶體硅　(2)ACD解析 (1)根據(jù)粒子在空間里排列是否有序進(jìn)行分析,a對(duì)應(yīng)的是非晶硅,b對(duì)應(yīng)的是晶體硅。(2)玻璃是一種無固定熔、沸點(diǎn)的非晶體,A正確;許多固體粉末不能用肉眼觀察到晶體外形,但可通過光學(xué)儀器看到規(guī)則的幾何外形,所以固體粉末也可能是晶體,B錯(cuò)誤。C、D正確。
【問題探究】下圖是兩種固體的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
問題思考:(1)試根據(jù)示意圖判斷固體Ⅰ、Ⅱ的類型。提示 根據(jù)結(jié)構(gòu)圖可知,Ⅰ中微粒呈周期性有序排列,為晶體;Ⅱ中微粒排列不規(guī)則,為非晶體。
(2)將固體Ⅰ、Ⅱ分別加熱至熔化,各有什么現(xiàn)象發(fā)生?該現(xiàn)象能說明晶體、非晶體的哪種性質(zhì)?提示 加熱晶體Ⅰ,溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)晶體Ⅰ開始熔化,在全部熔化以前,繼續(xù)加熱,溫度基本保持不變,完全熔化后,溫度才開始升高,即晶體有固定的熔點(diǎn)。加熱非晶體Ⅱ時(shí),溫度升高到某一程度后非晶體Ⅱ開始軟化,流動(dòng)性增強(qiáng),最后變?yōu)橐后w,從軟化到完全熔化,中間經(jīng)過較大的溫度范圍,即非晶體無固定的熔點(diǎn)。(3)缺角的NaCl晶體在飽和NaCl溶液中能否慢慢變?yōu)橐?guī)則的多面體外形?提示 能。因?yàn)榫w具有自范性。
【深化拓展】晶體與非晶體的比較
【素能應(yīng)用】典例1下列敘述正確的是(　　)A.具有規(guī)則幾何外形的固體一定是晶體B.晶體與非晶體的根本區(qū)別在于是否具有規(guī)則的幾何外形C.具有各向異性的固體一定是晶體D.一種物質(zhì)不是晶體就是非晶體
答案 C解析 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,例如人為加工而成的具有規(guī)則幾何外形的玻璃制品;晶體與非晶體的根本區(qū)別在于內(nèi)部粒子是否有序排列,晶體所具有的規(guī)則幾何外形、各向異性和特定的對(duì)稱性是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外部反映;具有各向異性的固體一定是晶體,非晶體具有各向同性;晶體和非晶體都是對(duì)于固態(tài)物質(zhì)而言,氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)則不屬于這兩類,同時(shí)還有塑晶態(tài)、液晶態(tài)等類型的物質(zhì)。
變式設(shè)問 (1)有固定組成的固體一定是晶體嗎?提示 具有固定組成的物質(zhì)不一定是晶體,如非晶體SiO2也具有固定的組成。(2)等離子體就是液態(tài)電解質(zhì)嗎?提示 不是。等離子體是由電子、陽(yáng)離子和電中性粒子組成的整體上呈電中性的氣態(tài)物質(zhì),而液態(tài)電解質(zhì)由陰離子和陽(yáng)離子或分子組成。
變式訓(xùn)練1下圖是天然水晶球里的瑪瑙和水晶,兩者的根本區(qū)別在于(　　)
A.外形不一樣,構(gòu)成兩者的原子不同B.構(gòu)成瑪瑙的粒子無規(guī)律性排列,構(gòu)成水晶的粒子按一定的規(guī)律做周期性重復(fù)排列C.水晶有固定的熔點(diǎn),而瑪瑙無固定熔點(diǎn)D.水晶是無色透明的,瑪瑙是有鮮艷的顏色
答案 B解析 晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別在于內(nèi)部粒子在三維空間里是否呈現(xiàn)周期性的有序排列。
【問題探究】現(xiàn)有甲、乙、丙(如圖所示)三種晶體的晶胞(甲中X和乙中A均處于晶胞的體心)。
(1)甲晶胞中X與Y的個(gè)數(shù)比是多少?
(2)乙晶胞中A與B的個(gè)數(shù)比是多少?提示 乙晶胞中,A的數(shù)目為1,B的數(shù)目為8× =1,所以N(A)∶N(B)=1∶1。(3)丙晶胞中包含的C、D的數(shù)目分別為多少?
【深化拓展】“均攤法”計(jì)算晶胞中的粒子數(shù)(1)長(zhǎng)方體(含正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計(jì)算(如下圖)。
(2)非長(zhǎng)方體晶胞中的粒子視具體情況而定。
【素能應(yīng)用】典例2如圖為甲、乙兩種晶體的晶胞示意圖:請(qǐng)完成下列空白:(1)甲晶體的化學(xué)式(X為陽(yáng)離子)為　　　　。?(2)乙晶體中A、B、C三種粒子的個(gè)數(shù)比是　　　　。?
答案 (1)X3Y　(2)1∶3∶1
【微點(diǎn)撥】晶體化學(xué)式的確定流程:觀察確認(rèn)粒子種類→確定各粒子在晶胞中的位置→用均攤法求晶胞均攤各粒子的數(shù)目→求各粒子數(shù)目的最簡(jiǎn)比→確定化學(xué)式。
變式設(shè)問 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種氣態(tài)團(tuán)簇分子,其分子結(jié)構(gòu)也如典例2中圖乙所示,則該分子的化學(xué)式為　　　　　　。?提示 團(tuán)簇分子所含微粒都屬于該分子,不與其他分子共用,故其化學(xué)式為A8B6C。
易錯(cuò)提醒(1)計(jì)算晶胞中原子的個(gè)數(shù)時(shí),要正確分析晶胞中任意位置上的一個(gè)原子被幾個(gè)晶胞所共用。(2)根據(jù)均攤法計(jì)算出1個(gè)晶胞中各種原子個(gè)數(shù)的最簡(jiǎn)整數(shù)比,可確定該物質(zhì)的化學(xué)式。(3)對(duì)于獨(dú)立原子構(gòu)成的分子,其分子式的確定則不能用均攤法。如由金屬原子M和非金屬原子N構(gòu)成的氣態(tài)團(tuán)簇分子,如圖所示,其分子式可由示意圖中所含的原子個(gè)數(shù)來確定,M原子共14個(gè),N原子13個(gè),即分子式為M14N13(或N13M14)。
變式訓(xùn)練2話筒是聲電轉(zhuǎn)換的換能器,在話筒中有一種材料的主要成分是鈦酸鋇,鈦酸鋇的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖,可知它的化學(xué)式是(　　)A.BaTi8O12D.BaTiO3
答案 D解析 仔細(xì)觀察鈦酸鋇晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖可知,Ba在立方體的體心,完全屬于該晶胞,Ti處于立方體的8個(gè)頂點(diǎn),O處于立方體的12條棱的中點(diǎn),故晶胞中Ba、Ti、O三種原子的個(gè)數(shù)比為1∶(8× )∶(12× )=1∶1∶3,D項(xiàng)正確。
1.下列關(guān)于水晶和普通玻璃的說法正確的是(　　)A.普通玻璃是晶體B.水晶是晶體C.普通玻璃具有自范性D.普通玻璃和水晶都具有固定的熔點(diǎn)答案 B
2.下列物質(zhì)都是固體,其中不屬于晶體的是(　　)①橡膠?、谒А、郾、芨杀、荼姿帷、奘灑卟Ａ.①⑥⑦B.①②⑦C.②④⑤⑦D.①③⑥⑦答案 A
3.下列關(guān)于物質(zhì)聚集狀態(tài)的敘述錯(cuò)誤的是(　　)A.物質(zhì)只有氣、液、固三種聚集狀態(tài)B.氣態(tài)是高度無序的體系存在狀態(tài)C.固態(tài)中的粒子結(jié)合得較緊密,相對(duì)運(yùn)動(dòng)較弱D.液態(tài)物質(zhì)的粒子間距離和作用力的強(qiáng)弱介于固態(tài)和氣態(tài)之間,表現(xiàn)出明顯的流動(dòng)性
答案 A解析 物質(zhì)的聚集狀態(tài)除了氣、液、固三態(tài)外,還有液晶態(tài)、塑晶態(tài)等;物質(zhì)處于氣態(tài)時(shí),粒子間距離大,粒子運(yùn)動(dòng)速度大,體系處于高度無序狀態(tài);對(duì)于固態(tài)物質(zhì),粒子相距很近,只能在一定的位置上做不同程度的振動(dòng);對(duì)液態(tài)物質(zhì)而言,粒子間距離比固態(tài)中的大一些,粒子間作用力也比固態(tài)中的小一些,粒子的運(yùn)動(dòng)比固體明顯活躍,使之表現(xiàn)出流動(dòng)性。
4.晶體是一類非常重要的材料,在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。下列對(duì)晶體硅的敘述正確的是(　　)A.形成晶體硅的速率越快越好B.晶體硅有固定的熔點(diǎn)C.不能用X射線衍射實(shí)驗(yàn)來鑒別晶體硅和玻璃D.粉末狀的固體硅一定不是晶體
答案 B解析 晶體的形成都有一定的條件,如溫度、壓強(qiáng)、結(jié)晶速率等,結(jié)晶時(shí)并不是速率越快越好,速率太快可能導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降,A項(xiàng)說法錯(cuò)誤;晶體有固定的熔點(diǎn),B項(xiàng)說法正確;X射線衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)出物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),根據(jù)粒子是否有規(guī)則的排列就能區(qū)分晶體與非晶體,C項(xiàng)說法錯(cuò)誤;粉末狀的固體硅也可能是晶體,在光學(xué)顯微鏡下可以觀察到晶體的規(guī)則外形,D項(xiàng)說法錯(cuò)誤。
5.如圖所示為高溫超導(dǎo)領(lǐng)域里的一種化合物——鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是具有代表性的最小重復(fù)單元。(1)在該物質(zhì)的晶體中,每個(gè)鈦原子周圍與它最接近的且等距離的鈦原子共有　　　　個(gè)。?(2)該晶體中,元素氧、鈦、鈣的原子個(gè)數(shù)比是　　　　　　。?

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第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識(shí)

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