15 第3章 第1节 认识晶体-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019 双选）

第1节　认识晶体 [素养发展目标]　1.通过生活中常见晶体和非晶体的实例，了解晶体的特征，认识晶体与非晶体的区别。　2.了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞，会用切割法确定晶胞微粒数目及晶体化学式。 一、晶体的特性 1．晶体与非晶体的概念 固体类型 内部微粒 排列方式 晶体 原子、离子或分子 微粒在空间按一定规律做周期性重复排列 非晶体 微粒无周期性重复排列 2．晶体的特性 3．晶体的分类 (1)依据：根据晶体内部微粒种类和微粒间的相互作用。 (2)类型 晶体类型 构成微粒种类 微粒间的相互作用 实例 离子晶体 阴、阳离子 离子键 NaCl 金属晶体 金属离子自由电子 金属键 Cu 共价晶体 原子 共价键 金刚石 分子晶体 分子 分子间作用力 冰 4．晶体与非晶体的用途 (1)晶体 ①把机械能变成电能。 ②制作红外夜视仪。 ③做电子元件。 (2)非晶体 某些非晶态合金的强度和硬度比相应的晶态合金的强度和硬度高。 二、晶体结构的基本重复单元——晶胞 1．晶胞 金属铜和金属镁晶体及其中截取出的晶胞 金属铜晶体及晶胞 金属镁晶体及晶胞 图示 学生用书↓第53页 结构 特点 8个顶点各有1个粒子，6个面的面心均有1个粒子 8个顶点各有1个粒子，内部有1个粒子 2．晶体与晶胞的关系 将一个个晶胞及其中包含的微粒上、下、前、后、左、右并置，就构成了整个晶体结构。因此，知道了晶胞的大小和形状以及晶胞中包含的微粒的种类、数目和空间位置，就可以了解整个晶体的结构。 整块晶体可看作数量巨大的晶胞“无隙并置”而成，也就是说晶体就是晶胞周期性地在三维空间并置堆砌而成的，如金刚石晶体结构与晶胞的关系如下图所示。 下列叙述正确的是(　　) A．具有规则几何外形的固体一定是晶体 B．具有特定对称性的固体一定是晶体 C．具有各向异性的固体一定是晶体 D．依据构成粒子的堆积方式可将晶体分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体 C　[晶体具有规则几何外形、各向异性和特定的对称性是其内部粒子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几何外形和高度对称性，故A、B错误；具有各向异性的固体一定是晶体，C项正确；晶体划分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体的依据是构成晶体微粒的种类和微粒间相互作用的不同，D项错误。] 2．下列有关晶胞的叙述，正确的是(　　) A．晶胞的结构就是晶体的结构 B．不同的晶体中，晶胞的大小和形状都相同 C．晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞 D．已知晶胞的组成就可推知晶体的组成 D　[由晶胞的定义可知A选项错误；相同晶体中晶胞的大小和形状完全相同，不同晶体中，晶胞的大小和形状不一定相同，B选项错误；晶体中的大部分粒子被若干个晶胞所共有，不完全属于某个晶胞，C选项错误；知道晶胞的组成，利用“切割法”即可推知晶体的组成，D选项正确。] 探究一　晶体与非晶体 1．有规则的几何外形的固体一定是晶体吗？ 提示：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，但玻璃属于非晶体。 2．有固定组成的物质一定是晶体吗？ 提示：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．晶体的各向异性及对称性是由哪些因素引起的？ 提示：晶体内部微粒在空间按照一定规律做周期性重复排列，使晶体具有规则几何外形和对称性；内部微粒在各个方向上的不同排列是晶体具有各向异性的本质原因。 1．晶体与非晶体的区别 晶体 非晶体 外观 具有规则的几何外形 不具有规则 的几何外形 微观结构 微粒在三维空间周期性有序排列 微粒排列 相对无序 自范性 有 没有 各向异性 各向异性 各向同性 熔点 固定 不固定 能否发生X射线衍射 能 不能 本质区别 微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序性排列 2．晶体与非晶体鉴别方法 (1)间接方法：看是否具有固定的熔点或根据某些物 学生用书↓第54页 理性质的各向异性。晶体有固定的熔点，融化过程中温度不变，某些物理性质也会呈现各向异性。 (2)科学方法：对固体进行X射线衍射实验。X射线通过晶体时能产生衍射现象，而非晶体不能产生此现象。 1．晶体是一类非常重要的材料，在很多领域都有广泛的应用。我国现已能够拉制出直径为300毫米，重量达81千克的大直径硅单晶，晶体硅大量用于电子产业。下列对晶体硅的叙述正确的是(　　) A．晶体硅没有固定的熔、沸点 B．形成晶体硅的速率越快越好 C．可用X射线衍射实验来鉴别晶体硅和玻璃 D．晶体硅的形成与晶体的自范性有关，形成的晶体无各向异性 C　[晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，故A错误；晶体的形成都要有一定的形成条件，如温度、压强、结晶速率等，但并不是说结晶速率越快越好，速率太快可能导致晶体质量下降，故B错误；晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的粒子在微观空间是否有序排列，X射线衍射可以看到微观结构，所以区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验，故C正确；晶体硅的形成与晶体的自范性有关，形成的晶体有各向异性，故D错误。] 探究二　晶体化学式的确定 1．晶体结构中的基本重复单元与最小单元是一回事吗？ 提示：晶胞是晶体结构中的基本重复单元，但不一定是最小单元。例如，氯化钠的晶胞由8个较小的立方体组成。 2．如何确定一个晶胞中实际包含的微粒数？ 提示：用“切割法”确定晶胞中微粒的个数，若某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子的属于这个晶胞。 3．晶体的化学式表达的意义是什么？ 提示：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。 1．晶胞中粒子数目的计算——切割法 (1)平行六面体晶胞中不同位置的粒子数的计算 某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。 (2)非平行六面体晶胞 晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定，如正六棱柱形晶胞，顶点上的每个微粒对晶胞的贡献为，水平棱边为，竖直棱边为，面为，内部为1。 如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1个碳原子)被三个六边形共有，每个六边形占该粒子的。 (3)气态团簇分子不能用切割法 如图所示，由金属原子M和非金属原子N构成的气态团簇分子，顶角和面上的原子是M 学生用书↓第55页 原子，棱中心和体心的原子是N原子，则分子式可表示为M14N13或N13M14。 2．确定晶体化学式的方法 观察微粒种类→确定微粒在晶体中的位置→用切割法求各微粒的数目→求各微粒的最简个数比→确定化学式。 3．晶胞密度的相关计算 m＝ρV＝a3×ρ＝N× 物理量 含义 m 表示一个晶胞质量(g) ρ 表示晶胞密度(g·cm－3) V 表示一个晶胞体积(cm3) a 表示晶胞边长(cm) M 表示晶胞摩尔质量(g·mol－1) NA 表示阿伏加德罗常数(mol－1) N 表示一个晶胞中微粒数目 2．我国具有丰富的铜矿资源，某铜矿石的晶胞结构如图所示，其化学式为(　　) A．Cu3N　　　 B．Cu2N C．Cu3N2 D．CuN A　[在该晶体中，Cu＋位于晶胞的棱边上，则晶胞中含有Cu＋的数目为12×＝3，N3－位于晶胞的顶点上，晶胞中含有N3－的数目为8×＝1，所以该晶胞的化学式为Cu3N。] 3．金属铜的晶胞如图所示，此晶胞立方体的边长为a pm，Cu的相对原子质量为64，金属铜的密度为ρ g·cm－3，则阿伏加德罗常数NA＝__________mol－1(用含a、ρ的代数式表示。) 解析：　题图所示晶胞中含有铜原子的数目为8×＋6×＝4，则晶胞质量为 g, 该晶胞体积为(a×10－10)3cm3，则 g＝a3×10－30 cm3×ρ g·cm－3，故NA＝ mol－1。 答案：　 1．下列叙述不属于晶体特性的是(　　) A．有规则的几何外形　　　 B．具有各向异性 C．有对称性 D．没有固定熔点 D　[晶体具有规则的几何外形、各向异性、对称性三大特性，而且晶体有固定的熔点。] 2．Al65Cu20Co15是一种十边形准晶体，准晶体是一种无平移周期序，但有严格准周期位置序的独特晶体。区别晶体、准晶体及非晶体可靠的科学方法是(　　) A．X射线衍射 B．测定熔点 C．测定密度 D．观察外形 A　[用X射线衍射实验可鉴别晶体，准晶体及非晶体。] 3．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∶1 B．2∶1 C．3∶1 D．4∶1 C　[根据切割法可知，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。] 4．Ti的一种氧化物晶胞结构(长方体)如图所示，该氧化物的化学式为________；若该晶胞的三个晶胞参数分别为a pm、b pm、c pm。则该氧化物的密度为________g·cm－3(写出表达式即可)。 解析：　晶胞中Ti原子位于体心与顶点上，O原子位于上下两个面上及体内(有2个)，故晶胞中Ti原子数目＝1＋8×＝2、O原子数目＝2＋4×＝4，故该化合物的化学式为TiO2，晶胞质量＝2× g，若该晶胞中参数分别为a pm、b pm、c pm，则晶胞的体积＝a×10－10 cm×b×10－10 cm×c×10－10 cm＝abc×10－30 cm3，则该晶体的密度＝＝ g·cm－3。 答案：　TiO2　 课时作业(十三)　认识晶体 (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 一、选择题(本题共8小题，每小题只有一个选项符合题意) 1．下列有关晶体和非晶体的说法正确的是(　　) A．晶体一定是无色透明固体 B．晶体具有自范性，非晶体没有自范性 C．晶体研碎后即变为非晶体 D．将玻璃加工成规则的固体即变成晶体 B　[晶体不一定是无色透明的，A项错误；晶体的规则几何外形是自发形成的，有些固体尽管有规则的几何外形，但由于不是自发形成的，所以不属于晶体，D项错误；组成晶体的粒子在空间呈现周期性的有序排列，因此，晶体研碎成小的颗粒仍然是晶体，C项错误；自范性是晶体和非晶体的本质区别，B项正确。] 2．下列有关晶胞的叙述，不正确的是(　　) A．晶体中的晶胞不一定都是平行六面体 B．晶胞是晶体中基本的结构重复单元 C．已知晶胞的结构，可推知晶体的结构 D．使用“切割法”计算晶胞的微粒数，处于顶点、棱、面、体心对晶胞的贡献分别为、、、1 D　[六方晶胞中，处于顶点上的微粒对晶胞的贡献为。] 3．下列关于晶体的说法正确的是(　　) A．将饱和CuSO4溶液降温，析出的固体不是晶体 B．可以用划痕的方法鉴别宝石和玻璃制品 C．石蜡和玻璃都是非晶体，但它们都有固定的熔点 D．蓝宝石在不同方向上的硬度一定相同 B　[A选项，将饱和CuSO4溶液降温，可析出胆矾，胆矾属于晶体。B选项，一般宝石的硬度较大，玻璃制品的硬度较小，可以根据有无划痕来鉴别。C选项，非晶体没有固定的熔点。D选项，由于晶体具有各向异性，所以蓝宝石在不同方向上的硬度有一定差异。] 4．晶体具有各向异性，如石墨在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 D　[晶体具有各向异性，主要表现在硬度、导热性、导电性、光学性质等多项物理性质中。] 5．如图是a、b两种不同物质的熔化曲线，下列说法正确的是(　　) ①a是晶体　②b是晶体　③a是非晶体　④b是非晶体 A．①②　　　　　　　 B．②③ C．③④ D．①④ D　[由题可知a有固定熔点，属于晶体，b没有固定熔点，属于非晶体。] 6．石墨晶体是层状结构，在每层内，每个碳原子都和其他3个碳原子相结合。根据如图分析石墨晶体中碳原子数与共价键数之比为(　　) A．2∶3　　　　　　　 B．2∶1 C．1∶3 D．3∶2 A　[每个碳原子被3个六边形共有，每条共价键被2个六边形共有，则石墨晶体中碳原子个数与共价键个数之比为∶＝2∶3。] 7．MCl晶体具有立方体结构，其晶胞结构如图所示，在该晶体中，每个M＋周围与它最接近的且距离相等的M＋的个数共有(　　) A．6个 B．8个 C．12个 D．16个 A　[根据MCl的晶胞结构可以看出每个M＋的上、下、左、右、前、后各有一个M＋与之距离相等且最近，故每个M＋周围与它最接近的且距离相等的M＋共有6个。] 8．研究发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性。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．MgC2Ni C．MgCNi2 D．MgCNi3 D　[该晶胞中，Mg处于晶胞的顶角，故有8×＝1个；Ni处于晶胞的面心，故有6×＝3个；C处于晶胞的体心，完全属于该晶胞，故该晶体的化学式为MgCNi3。] 二、选择题(本题包括4小题，每小题只有一个或两个选项符合题意) 9．下列有关晶胞的说法正确的是(　　) A．晶胞中所含粒子数即为晶体的化学式 B．若晶胞为平行六面体，则侧棱上的粒子为4个晶胞共有 C．若晶胞z为六棱柱，顶点上的粒子为6个晶胞共有 D．晶胞中不可能存在多个粒子 BC　[晶胞中的粒子数不一定为晶体的化学式，如金属铜的晶胞中，Cu原子个数为4；B项，平行六面体侧棱上的粒子为4个晶胞共有；C项，如题图所示顶点为6个晶胞共有；D项，晶胞内可能含有多个粒子如金属Cu晶胞。] 10．已知X、Y、Z三种元素组成的化合物是离子晶体，其晶胞如图所示，X、Y、Z分别处于立方体的顶点、棱边的中点、立方体的体心。则下面关于该化合物的说法正确的是(　　) A．该晶体的化学式为ZXY3 B．X、Y、Z在三维空间按一定规律做周期性有序排列 C．每个X周围距离最近的Y有8个 D．每个Z周围距离最近的X有16个 AB　[Z处于晶胞体心，被一个晶胞占有，X处于顶点上，每个X被8个晶胞占有，Y处于棱上，每个Y被4个晶胞占有，故晶胞中，Z的个数为1，X的个数为8×＝1，Y的个数为12×＝3，Z、X、Y的原子个数比是1∶1∶3，所以该晶体的化学式为ZXY3，A项正确；粒子在三维空间按一定规律做周期性有序排列，是晶体的特征，B项正确；利用晶体的对称性，可以判断出每个X周围距离最近的Y有6个，C项错误；Z原子位于体心，X位于立方体的顶点，体心距8个顶点的距离相等且最近，因此每个Z周围距离最近的X有8个，D项错误。] 11．硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高纪录。如图所示的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 B　[棱柱内硼原子数为6，均属于这个晶胞。镁原子位于上、下面心(2个)及12个顶点，共有镁原子数为2×＋12×＝3，则镁、硼原子个数之比为1∶2。] 12．钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。钛酸钡晶体的结构示意图如图，它的化学式是(　　) A．BaTi8O12 B．BaTi4O6 C．BaTi2O4 D．BaTiO3 D　[仔细观察钛酸钡晶体结构示意图可知；Ba在立方体的中心，完全属于该晶胞；Ti处于立方体的8个顶点，每个Ti为与之相连的8个立方体所共有，即只有属于该晶胞；O处于立方体的12条棱的中点，每条棱为4个立方体共有，故每个O只有属于该晶胞。即晶体中N(Ba)∶N(Ti)∶N(O)＝1∶∶＝1∶1∶3。] 三、非选择题(本题包括3小题) 13．(1)在下列物质中________________是晶体(填序号，下同)，________________是非晶体。 ①塑料　②明矾　③松香　④玻璃　⑤CuSO4·5H2O　⑥冰糖　⑦糖果　⑧单晶硅　⑨铝块　⑩橡胶 (2)晶体和非晶体在外形上有差别，晶体都具有________，而非晶体一般______________；另外非晶体的多种物理性质，在各个方向都是______的，而晶体的多种物理性质在各个方向都是______的。 (3)判断物质是晶体还是非晶体，比较正确的方法是______。 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 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、糖果、橡胶都是非晶体。晶体最大的特征就是各向异性和有固定的熔点。 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 14．(1)元素铜的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示，该氯化物的化学式是_____________________________________________________。 (2)Cu2O为半导体材料，在其立方晶胞内部有4个氧原子，其余氧原子位于面心和顶点，则该晶胞中有________个铜原子。 (3)某晶体结构模型如图所示。该晶体的化学式是__________________，在晶体中1个Ti原子、1个Co原子周围距离最近的O原子数目分别为_____个、_____个。 解析：　(1)晶胞中有灰球代表的Cl微粒4个，白球代表的Cu微粒6×＋8×＝4个，所以化学式为CuCl。(2)晶胞中含氧原子数为×8＋×6＋4＝8，该晶胞中铜原子数目是氧原子的2倍。(3)晶胞中含有O：6×＝3个，含Co：8×＝1个，含Ti：1个，故化学式为CoTiO3。Ti原子位于晶胞的中心，其周围距离最近的O原子位于6个面的中心，所以周围距离最近的O原子数目为6个；Co原子位于晶胞的顶点，O原子位于晶胞的面心，所以Co原子周围距离最近的O原子数目为12个。 答案：　(1)CuCl　(2)16　(3)CoTiO3　6　12 15．如图为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿晶体结构，该结构是具有代表性的最小重复单元。 (1)在该物质的晶体中，每个钛原子周围与它最接近且距离相等的氧离子、钙离子、钛离子各有____个、________个、________个。 (2)该晶体结构中，元素氧、钛、钙的离子个数比是______，该物质的化学式可表示为________。 (3)若钙、钛、氧三元素的相对原子质量分别为a、b、c，晶体结构图中正方体边长(钛原子之间的距离)为d nm(1 nm＝10－9 m)，则该晶体的密度为________________g·cm－3。 解析：　(1)以钛离子为顶点，应有8个立方晶胞紧靠在一起，这样钛离子成为空间直角坐标系的中心，它的三维方向前后左右上下最近且相邻各有1个氧离子和钛离子，共6个，它周围的8个立方晶胞内各含1个钙离子。 (2)该晶胞中含氧离子个数为12×＝3个，钙离子个数为1个，钛离子个数为8×＝1个，故其个数比为3∶1∶1，则它的化学式可表示为CaTiO3。 (3)1 mol晶体的质量等于(a＋b＋3c) g，1 mol晶体的体积为d3×10－21 cm3，则其密度为ρ＝＝＝ ＝ g·cm－3。 答案：　(1)6　8　6　(2)3∶1∶1　CaTiO3　(3) 学生用书↓第56页 学科网（北京）股份有限公司 $$