3.1 物质的聚集状态与晶体的常识-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （人教版2019，鲁琼）

第一节　物质的聚集状态与晶体的常识 [核心素养发展目标]　1.认识物质的聚集状态。2.能从微观角度理解晶体的结构特征，并能结合晶体的特点判断晶体和非晶体。3.能运用多种晶体模型来描述和解释有关晶体性质的现象，形成分析晶胞结构的思维模型，利用思维模型、根据晶胞结构确定微粒个数和化学式。4.了解晶体结构的测定方法。 一、物质的聚集状态 1．物质三态间的相互转化 2．人们对物质组成及聚集状态的认识历程 3．等离子体与液晶 (1)等离子体 ①概念：气态物质在高温或者在外加电场激发下，分子发生分解，产生电子和阳离子等。这种由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的物质聚集体称为等离子体。 ②特点：等离子体具有良好的导电性和流动性。 ③应用：运用等离子体显示技术可以制造等离子体显示器；利用等离子体可以进行化学合成；核聚变也是在等离子态下发生的；等等。 (2)液晶 ①特征：液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，既具有液体的流动性、黏度、形变性等，又具有晶体的某些物理性质，如导热性、光学性质等。 ②应用：手机、电脑和电视的液晶显示器，由于施加电场可使液晶的长轴取向发生不同程度的改变，从而显示数字、文字或图像。再如，合成高强度液晶纤维已广泛应用于飞机、火箭、坦克、舰船、防弹衣、防弹头盔等。 1．正误判断 (1)物质的聚集状态只有固、液、气三种状态(　　) (2)等离子体是一种特殊的气体，含有带电粒子，呈电中性(　　) (3)液晶分为热致液晶和溶致液晶，胶束是一种溶致液晶(　　) (4)三星堆考古中用X射线分析青铜器的微观晶体结构(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√ 2．科学研究表明，宇宙中90%以上的物质以等离子体状态存在，其原因是大部分发光星球的内部温度和压力都很高。下列说法正确的是(　　) A．只有在宇宙发光星球上才存在等离子体 B．等离子体能吸收电磁波 C．有些难于发生的化学反应，在等离子体化学反应过程中也不能发生 D．等离子体是一种自然现象，不能人工得到 答案　B 解析　在我们周围，等离子体也常常存在，如日光灯和霓虹灯的灯管里，A项错误；等离子体因含带电微粒而能吸收电磁波，因能量很高而能使难发生的化学反应迅速发生，B项正确、C项错误；等离子体可以通过人工得到，D项错误。 3．1925年贝尔德在英国首次成功装配世界第一台电视机，短短几十年时间，电视机经历了从黑白到彩色，从手动到遥控，从平板电视机到液晶电视机的发展历程。下列关于液晶的叙述错误的是(　　) A．液晶是物质的一种聚集状态 B．液晶具有流动性 C．液晶和液态是物质的同一种聚集状态 D．液晶具有各向异性 答案　C 解析　液晶是介于液态和晶态之间的一种特殊的聚集状态，A正确、C错误；液晶既具有液体的流动性，又表现出类似晶体的各向异性，B、D正确。 二、晶体与非晶体 1．晶体与非晶体的本质差异 固体 自范性 微观结构 晶体 有(能自发呈现多面体外形) 原子在三维空间里呈周期性有序排列 非晶体 无(不能自发呈现多面体外形) 原子排列相对无序 2.获得晶体的三条途径 (1)熔融态物质凝固。 (2)气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。 (3)溶质从溶液中析出。 3．晶体的特性 (1)自范性：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。 (2)各向异性：晶体在不同方向上表现出不同的物理性质。 (3)固定的熔点。 4．晶体与非晶体的区分方法 区分 方法 测熔点 晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点 最可靠方法 对固体进行X射线衍射实验 1．要用硫黄粉末获得硫晶体，应如何操作？ 提示　把硫黄粉末用研钵研细，放入蒸发皿中，放在三脚架的铁圈上，用酒精灯加热至熔融态，自然冷却结晶即可得到硫晶体。 2．参考课本实验，获取碘晶体和硫晶体的途径是否相同？ 提示　不同。获取硫晶体是熔融态物质凝固，获取碘晶体是凝华。 3．把硫酸铜溶液蒸干，得不到硫酸铜晶体。获取硫酸铜晶体应怎样操作？ 提示　把硫酸铜溶液蒸发浓缩、冷却结晶，可得到硫酸铜晶体。 4.如图是某同学找到的一张玻璃结构的示意图，根据这张图判断玻璃是不是晶体？为什么？ 提示　不是晶体。晶体与非晶体的根本区别在于构成晶体的粒子在微观空间里是否呈现周期性的有序排列。观察玻璃结构的示意图可知，构成玻璃的粒子的排列是无序的，所以玻璃是非晶体。 1．正误判断 (1)晶体有自范性且其微粒排列有序，在化学性质上表现各向异性(　　) (2)熔融态物质快速冷却即得到晶体(　　) (3)粉末状的固体也有可能是晶体(　　) (4)晶体一定比非晶体的熔点高(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)× 2．下列有关晶体的特征及结构的叙述不正确的是(　　) A．晶体一般都有各向异性 B．水晶在不同方向上硬度不一定相同 C．有规则几何外形的固体不一定都是晶体 D．将液态的玻璃冷却可以得到晶体 答案　D 解析　A项，晶体的自范性决定了晶体具有各向异性，正确；B项，水晶为晶体，具有各向异性，各向异性决定了水晶在不同方向上硬度不一定相同，正确；C项，有些非晶体也可以加工成规则的几何外形，如玻璃，但玻璃是非晶体，正确；D项，玻璃不属于晶体，错误。 3．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．缺角的硫酸铜晶体在饱和CuSO4溶液中慢慢变为规则的立方体晶块 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 答案　B 解析　晶体在固态时不能自发形成新的晶体，故A错误；溶质从溶液中析出，可形成有规则几何外形的晶体，故B正确；圆形容器中结出的冰是圆形的，不是自发形成的，故C错误；玻璃属于非晶体，不具有自范性，由玻璃制成规则的玻璃球不是自发进行的，故D错误。 4．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。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．①③ B．②④ C．①②③ D．①②③④ 答案　D 解析　晶体的各向异性主要表现在物理性质方面。 5．下列过程不能得到晶体的是(　　) A．对NaCl饱和溶液降温所得到的固体 B．气态水直接冷却成固态水 C．熔融的KNO3冷却后所得到的固体 D．液态的玻璃冷却后所得到的固体 答案　D 解析　得到晶体的三条途径：①溶质从溶液中析出；②气态物质凝华；③熔融态物质凝固。A选项符合①，B选项符合②，C选项符合③。由于玻璃属于非晶体，熔融后再冷却所得到的固体仍为非晶体。 关于晶体与非晶体的认识误区 (1)同一物质可以是晶体，也可以是非晶体，如水晶和石英玻璃。 (2)有着规则几何外形或者美观、对称外形的固体，不一定是晶体。例如，玻璃制品(非晶体)可以塑造出规则的几何外形，也可以具有美观、对称的外观。 (3)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。 (4)晶体不一定都有规则的几何外形，如玛瑙。 三、晶胞 1．概念 描述晶体结构的基本单元。 2．晶胞与晶体的关系 常规的晶胞都是平行六面体，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。 (1)“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙。 (2)“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。 (3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列(包括取向)是完全相同的。 3．晶胞中粒子数目的计算 (1)铜晶胞 ①位于顶角上的铜原子为8个晶胞共用。 ②位于面上的铜原子为2个晶胞共用。 因此晶体铜中完全属于某一晶胞的铜原子数是8×＋6×＝4。 (2)NaCl晶胞 ①Cl－位于顶角和面心，共有4个。 ②Na＋位于棱上和体心，共有4个。 4．晶胞的判断 晶胞是8个顶角相同，三套各4根平行棱分别相同、三套各两个平行面分别相同的最小平行六面体。 1．由晶胞构成的晶体，其化学式是否表示构成该晶体实际的粒子数目？ 提示　否，只表示每个晶胞或晶体中各类粒子的最简整数比。 2．判断下列六面体是否是晶胞。 提示　A图中的晶体结构满足晶胞的特点，是晶胞。B图中的晶体结构，不满足晶胞“8个顶角相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。C图中的晶体结构，不满足晶胞“三套各4根平行棱分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。D图中的晶体结构，不满足“三套各两个平行面分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。 1．正误判断 (1)晶胞都是平行六面体(　　) (2)晶胞是晶体的最小重复单元(　　) (3)不同晶体中晶胞的大小和形状都相同(　　) (4)晶胞中的任何一个粒子都只属于该晶胞(　　) (5)已知晶胞的组成也无法推知晶体的组成(　　) (6)铜晶体中平均每个晶胞中含有14个铜原子(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)× (6)× 2．下列各项是晶体结构中具有代表性的最小重复单元的排列方式，图中：—X，—Y，—Z。其中对应的化学式不正确的是(　　) 答案　B 解析　A项中X、Y的位置、数目完全等同，化学式为XY，正确；B项中X、Y的个数比为1∶(8×)＝1∶1，化学式为XY，错误；C项中X的数目：4×＋1＝，Y的数目：4×＝，化学式为X3Y，正确；D项中X的数目：8×＝1，Y的数目：6×＝3，Z位于体心，数目为1，化学式为XY3Z，正确。 3.科学家发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如图所示。顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是(　　) A．TiC B．Ti6C7 C．Ti14C13 D．Ti13C14 答案　C 解析　气态团簇分子，所含微粒为其本身所有，应直接数出原子数。 4．如图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(I2)、金刚石(C)晶胞的示意图。 平均含有的原子数为钠________个；锌______个；碘______个；金刚石________个。 答案　2　2　8　8 解析　金属钠的1个晶胞含有的原子数为8×＋1＝2，金属锌的1个晶胞含有的原子数为8×＋1＝2，晶体碘的1个晶胞含有的原子数为(8×＋6×)×2＝8，金刚石的1个晶胞含有的原子数为8×＋6×＋4＝8。 5．如图为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿晶胞结构。 (1)在该晶体中每个钛离子周围与它最接近的且等距离的钛离子有______个。 (2)该晶胞中元素氧、钛、钙的粒子个数比是______________。 答案　(1)6　(2)3∶1∶1 解析　(1)在晶胞的上、下、左、右、前、后都有完全等同的晶胞，依据一个晶胞我们能观察到3个与钛离子最接近且等距离的钛离子，在与这3个钛离子相对的位置还有3个钛离子，所以共有6个钛离子。(2)可以使用均摊法求得N(O)∶N(Ti)∶N(Ca)＝(12×)∶(8×)∶1＝3∶1∶1。 晶胞或晶体结构中粒子数目的计算——均摊法 如某个粒子为n个晶胞(或晶体结构)所共用，则该粒子有属于这个晶胞(或晶体结构)。 (1)平行六面体晶胞中不同位置的粒子数的计算 (2)六棱柱晶体结构中不同位置粒子数的计算 四、晶体结构的测定 1．常用仪器：X射线衍射仪。 2．测定过程：当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，会在记录仪上产生分立的斑点或者明锐的衍射峰。 3．作用：根据衍射图，经过计算可以获得晶体结构的有关信息。 1．因生产金属铁的工艺和温度等因素不同，产生的铁单质的晶体结构、密度和性质均不同，对铁晶体用X射线衍射进行测定，测得A、B两种晶胞，其晶胞结构示意图如下： 则A、B两种晶胞中含有的铁原子数分别是______、__________。 答案　2　4 2．根据晶体物理性质的各向异性的特点，能鉴别用玻璃仿造的假宝石。请你列举一些可能有效的方法鉴别假宝石。 提示　利用晶体与非晶体的性质差异来鉴别玻璃和宝石。宝石是晶体，具有固定的熔点和各向异性，可用硬度、熔点、折光率等性质来鉴别宝石。 (1)可观察宝石的形状，具有多面体的外形；测试它的硬度，可在玻璃上刻画出痕迹，初步确定它是晶体；(2)可利用宝石的折光率鉴别；(3)可进行X射线衍射实验鉴别。 1．下列有关说法正确的是(　　) A．测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪 B．石英玻璃和水晶的衍射图谱相同 C．通过乙酸晶体的X射线衍射实验，只能测定晶胞中含有的乙酸分子数，不能推出乙酸分子的空间结构 D．晶体的X射线衍射实验不能判断晶体中存在哪些化学键，也不能确定键长和键角 答案　A 解析　石英玻璃是非晶态二氧化硅，水晶是晶态二氧化硅，则水晶的衍射图谱中会出现分立的斑点或明锐的衍射峰，而石英玻璃的衍射图谱中不会出现分立的斑点或明锐的衍射峰，二者的衍射图谱不同，B项错误；通过晶体的X射线衍射实验，可以判断出晶体中哪些原子间存在化学键，确定键长和键角，从而得出物质的空间结构，C、D项错误。 2．“嫦娥五号”带回的首批月球土壤主要用于科学研究，下列说法错误的是(　　) A．利用原子光谱可以确定月壤的元素组成 B．月壤所含的铁、金、银、铅、锌、铜、锑、铼等元素均属于过渡元素 C．月壤所含辉钼矿晶体具有对称性、各向异性等特征 D．构成月壤中玻璃颗粒的原子、离子、分子等呈无序排列 答案　B 解析　每一种元素的原子光谱不相同，因此利用原子光谱可以确定月壤的元素组成，故A正确；铅不属于过渡元素，故B错误；晶体都有对称性和各向异性，因此辉钼矿晶体具有对称性、各向异性等特征，故C正确；玻璃颗粒不是晶体，因此微粒是无序排列的，故D正确。 题组一　物质的聚集状态 1．下列关于等离子体的叙述错误的是(　　) A．是物质的一种聚集状态 B．是一种混合物存在状态 C．具有导电性 D．基本构成微粒只有阴、阳离子 答案　D 解析　等离子体中既有带电的阳离子和电子，也有电中性的粒子，是一个复杂的混合体系。 2．下列有关液晶的叙述不正确的是(　　) A．具有液体的流动性、晶体的各向异性 B．用来制造液晶显示器 C．不是物质的一种聚集状态 D．液晶分子聚集在一起时，其分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响 答案　C 解析　液晶是物质的一种聚集状态，C错误；液晶分子聚集在一起时，其分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响，这是液晶的性质，也可以用来解释为什么可以用液晶来制造液晶显示器，B、D正确。 3．水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的。玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述正确的是(　　) A．水由液态变为玻璃态，体积缩小 B．水由液态变为玻璃态，体积膨胀 C．玻璃态是水的一种特殊状态 D．X射线通过玻璃态水时，能产生明锐的衍射峰 答案　C 解析　玻璃态水无固定形状，不存在晶体结构，故玻璃态水不是晶体，X射线通过玻璃态水时不能产生明锐的衍射峰，因密度与普通水相同，故水由液态变为玻璃态时体积不变。 题组二　晶体和非晶体 4．在水晶柱面上滴一滴熔化的石蜡，用一根红热的铁针刺中凝固的石蜡，会发现不同方向石蜡熔化的快慢不同，这是晶体的(　　) A．自范性 B．均一性 C．晶胞“无隙并置”性 D．各向异性 答案　D 5．下列关于晶体和非晶体的本质区别的叙述正确的是(　　) A．是否为具有规则几何外形的固体 B．是否具有各向异性 C．是否具有美观、对称的外形 D．内部微粒在空间中是否呈周期性有序排列 答案　D 解析　具有美观、对称、规则几何外形的固体不一定都是晶体，如玻璃，故A、C错误；晶体与非晶体的本质区别在于其内部微粒在空间中是否按一定规律呈周期性有序排列，故B错误、D正确。 6．如图是a、b是两种不同物质的熔化曲线，下列说法正确的是(　　) A．a没有固定的熔点 B．a是非晶体 C．b是晶体 D．b是非晶体 答案　D 解析　晶体有固定的熔点，由a的熔化曲线分析可知，中间有一段温度不变但一直在吸收能量，该段所对应的温度就是晶体a的熔点；由b的熔化曲线可知，温度一直升高，所以物质b没有固定的熔点，为非晶体。 7．下列关于晶体的说法正确的是(　　) A．粉末状的硝酸钾固体没有多面体外形，故为非晶体 B．晶体呈现自范性的过程是非自发的过程 C．玻璃和水晶皆为晶体，二者都有固定的熔点 D．当晶体生长速率适当时才可得到规则的多面体外形 答案　D 解析　粉末状的硝酸钾固体，每一个细小的颗粒即为一个微晶体，仍属于晶体，故A错误；晶体呈现自范性的过程是自发地呈现多面体外形的过程，故B错误；玻璃无固定熔点，不属于晶体，水晶为晶体，有固定的熔点，故C错误；当晶体生长速率适当时，微观粒子排列整齐，体现自范性，才可得到规则的多面体外形，故D正确。 题组三　晶胞的理解及其微粒计算 8．下列有关晶胞的说法正确的是(　　) A．由晶胞中的粒子数可直接确定该晶体的化学式 B．若晶胞为平行六面体，则侧棱上的粒子为2个晶胞共用 C．晶胞是晶体结构中最小的重复单元 D．晶胞中不可能存在多个粒子 答案　C 解析　晶胞中的粒子不一定完全属于该晶胞，故不能直接由晶胞中所含粒子数确定该晶体的化学式，A项错误；平行六面体侧棱上的粒子为4个晶胞共用，B项错误；1个晶胞中一般都有多个粒子，D项错误。 9.最近发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性，因这三种元素都是常见元素，从而引起广泛关注。该新型超导晶体的一个晶胞如图所示，则该晶体的化学式为(　　) A．Mg2CNi3 B．MgCNi3 C．MgCNi2 D．MgC2Ni 答案　B 解析　根据晶胞结构可知，碳原子位于该晶胞的体心，所以该晶胞中含有一个碳原子，镁原子位于顶角处，因此镁原子个数为8×＝1，镍原子位于面心处，因此镍原子个数为6×＝3，故该晶体的化学式为MgCNi3。 10.某晶体的结构单元如图所示(正三棱柱)，晶体中A、B、C三种原子的数目之比为(　　) A．3∶9∶4 B．1∶4∶2 C．2∶9∶4 D．3∶8∶5 答案　B 解析　该结构中含A原子个数为6×＝，B原子个数为6×＋3×＝2，C原子个数为1，则A、B、C原子的个数比为∶2∶1＝1∶4∶2。 11～14题有一个或两个选项符合题目要求。 11.一种Al-Fe合金的晶胞如图所示。则该合金的化学式可表示为(　　) A．Fe2Al B．FeAl C．Fe3Al2 D．Fe2Al3 答案　A 解析　该晶胞中含有的铁原子数为8×＋6×＋12×＋1＝8；铝原子都在晶胞内部，共4个。所以铁、铝原子个数比为2∶1，化学式可表示为Fe2Al。 12.硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导的最高纪录。如图所示是该化合物的晶体结构，镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有一个镁原子；6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式为(　　) A．MgB B．MgB2 C．Mg2B D．Mg3B2 答案　B 解析　硼原子数为6，镁原子位于上、下面心(2个)及12个顶角，共有镁原子数为2×＋12×＝3，则镁、硼原子个数之比为1∶2。 13.石墨烯可转化为富勒烯(C60)，科学家把C60和K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物，其立方晶胞结构如图所示，晶胞边长为a pm。下列说法正确的是(　　) A．C60和石墨烯互为同分异构体 B．该富勒烯化合物的化学式为K3C60 C．C60周围等距且距离最近的C60的数目为8 D．该晶胞中含K和C60个数比为3∶4 答案　BC 解析　C60和石墨烯为同种元素形成的不同单质，互为同素异形体，故A错误；该晶胞中含有K的个数为12×＝6，C60的个数为8×＋1＝2，故化学式为K3C60，故B正确、D错误；以体心的C60为例，与其等距且距离最近的C60为顶角的8个C60，故C正确。 14.高温下，超氧化钾晶体呈立方体结构。晶体中氧的化合价部分为0，部分为－2。如图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞。下列说法正确的是 (　　) A．超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞中含有4个K＋和8个O B．晶体中每个K＋周围有8个O，每个O周围有8个K＋ C．晶体中与每个K＋距离最近且相等的K＋有12个 D．晶体中0价氧与－2价氧的个数之比为3∶1 答案　CD 解析　晶胞中含有K＋的个数为8×＋6×＝4，O的个数为12×＋1＝4，A项错误；晶体中每个K＋周围有6个O，每个O周围有6个K＋，B项错误；晶体中与每个K＋距离最近且相等的K＋的个数为＝12，C项正确；设晶体中0价氧与－2价氧的个数分别为x、y，则有x＋y＝2n(n为任意正整数)，2y＝n，解得x∶y＝3∶1，D项正确。 15．元素X的某价态离子Xn＋中所有电子正好充满K、L、M三个能层，它与N3－形成晶体的晶胞结构如图所示。 (1)该晶体的阳离子与阴离子个数之比为________。 (2)该晶体中Xn＋的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＋包围。 答案　(1)3∶1　(2)1　(3)29　(4)6 解析　(1)Xn＋位于晶胞的棱上，其数目为12×＝3；N3－位于晶胞的顶角，其数目为8×＝1，故二者个数之比为3∶1。(2)由晶体的化学式X3N知，X所带电荷数为1。(3)因为K、L、M三个能层充满，故Xn＋有2、8、18结构，所以X的原子序数是29。(4)N3－位于晶胞顶角，故其被6个Xn＋从上、下、左、右、前、后包围。 学科网（北京）股份有限公司 $$