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年 級：高二 學 科：化學（人教版）
第三章 晶體結構與性質
第一節物質的聚集狀態與晶體常識
1.了解物質的聚集狀態。
2.認識晶體和非晶體的本質差異。
3.了解晶體中微粒的空間排布存在周期性。
學習目標
1.認識物質的聚集狀態會影響物質的性質,通過改變物質的聚集狀態可能獲得特殊的材料,培養變化觀念與平衡思想的核心素養。
2.了解晶體中微粒的空間排布存在周期性,認識簡單的晶胞,培養證據推理與模型認知的核心素養。
3.知道晶體X射線衍射實驗是測定物質結構的基本方法和實驗手段,培養科學探究與創新意識的核心素養。
你知道嗎
日常生活中所接觸到的物質會有哪些狀態呢？
鉆石
松香
塑料
玻璃
固態：
流水
液態：
氧氣
氣態：
極光
雷電
那么雷電和極光里的物質又是什么狀態的呢？
物質三態間的互相轉化
20世紀前，人們認為物質的三態變化只是分子間距離發生了變化。
20世紀初，通過X射線衍射等實驗手段，發現許多常見的晶體中并無分子。氣態和液態物質也不一定是由分子構成。
【主干知識梳理】
一、物質的聚集狀態
1、 物質的聚集狀態的認識過程
20世紀前，人們以為分子是所有化學物質能夠保持其性質的最小粒子，物質三態的相互轉化只是分子間的距離發生了變化，分子在固態只能振動，在氣態時能自由移動，在液態則介乎二者之間 物質三態間的相互轉化
20世紀初，通過X射線衍射等實驗手段，發現許多常見的晶體中并無分子。如，氯化鈉、石墨、二氧化硅、金剛石及各種金屬等 氣態和液態物質也不一定都由分子構成。如，等離子體是由電子、陽離子和電中性粒子(分子或原子)組成的整體上呈電中性的氣態物質；又如，離子液體是熔點不高的僅有離子組成的液態物質。此外，還有更多的聚集狀態，如晶態、非晶態以及介乎二者之間的塑晶態、液晶態等 N
N
＋
Y－
Y
N
C
Ag
C
N
離子液體
定義：離子液體是指全部由離子組成的液體，如高溫下的KCl，KOH呈液體狀態，此時它們就是離子液體。在室溫或室溫附近溫度下呈液態的由離子構成的物質，稱為室溫離子液體，也稱為低溫熔融鹽。
室溫離子液體熔點低的原因：室溫離子液體作為離子化合物，其熔點較低的主要原因是因其結構中某些取代基的不對稱性使離子不能規則地堆積成晶體所致。它一般由有機陽離子和無機或有機陰離子構成，常見的陽離子有季銨鹽離子、季鏻鹽離子、咪唑鹽離子和吡咯鹽離子等（如下圖所示），陰離子有鹵素離子、四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子等。
N
N
＋
Y－
Y
N
C
Ag
C
N
【思考】從結構的角度看，離子液體熔點低的原因？
【提示】在離子化合物中，陰陽離子之間的作用力為靜電作用，其大小與陰陽離子的所帶電荷及離子半徑有關，離子半徑越大，它們之間的作用力越小，這種離子化合物的熔點就越低。離子液體的陰陽離子體積很大，結構松散，導致它們之間的作用力較低，以至于熔點接近室溫。
固體電解質
固體電解質是具有離子導電性的固態物質。這些物質或因其晶體中的點缺陷或因其特殊結構而為離子提供快速遷移的通道，在某些溫度下具有具有接近、甚至超過熔鹽的高的離子電導率和低的電導激活能。已經發現幾十種材料，如鹵化物中的RbAg4I5、α-AgI是銀離子導體，氧化物中的ZrO2 (摻雜Y2O3)是氧離子導體，β-Al2O3是鈉離子導體等。廣泛應用于新型固體電池、高溫氧化物燃料電池、電致變色器件和離子傳導型傳感器件等。例如，用固體電解質碘制成的鋰-碘電池已用于人工心臟起搏器;以二氧化鋯為基質的固體電解質已用于制高溫測氧計等。
電解質
電解質是摻雜了Y2O3的ZrO2 晶體,它在高溫下能傳導O2-。
2、物質的聚集狀態
物質的聚集狀態除了氣態、液態、固態外，還有更多的聚集狀態如晶態、非晶態以及介乎二者之間的塑晶態、液晶態等
3、等離子體
(1)概念：氣態物質在高溫或者外加電場激發下，分子發生分解，產生電子和陽離子等。這種由電子、陽離子和電中性粒子(分子或原子)組成的整體上呈電中性的物質聚集狀態稱為等離子體
(2)特點：等離子體中含有帶電粒子且能夠自由運動，使等離子體具有良好的導電性和流動性，因此等離子體的應用十分廣泛。如：利用等離子體顯示技術可以制造等離子體顯示器；利用等離子體可以進行化學合成；核聚變也是在等離子體狀態下發生的
(3)存在：等離子體是一種特殊的氣體，存在于我們周圍，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。如：在日光燈和霓虹燈的燈管里，在蠟燭的火焰里，在極光和雷電里，都能找到等離子體
4、液晶
(1)概念：某些物質在熔融狀態或被溶劑溶解之后，盡管失去固態物質的剛性，卻獲得了液體的易流動性，并保留著部分晶態物質分子的各向異性有序排列，形成一種兼有晶體和液體的部分性質的中間態，這種由固態向液態轉化過程中存在的取向有序流體稱為液晶
(2)特點：液晶是介于液態和晶態之間的物質狀態，既具有液體的流動性、黏度、變形性等，又具有晶體的某些物理性質，如導熱性、光學性質等，表現出類似晶體的各向異性
(3)應用：液晶已有廣泛應用。如：手機、電腦和電視的液晶顯示器，由于施加電場可使液晶的長軸取向發生不同程度的改變，從而顯示數字、文字或圖像；合成高強度液晶纖維已廣泛應用于飛機、火箭、坦克、艦船、防彈衣、防彈頭盔等
【對點訓練1】
準晶
準晶體亦稱為準晶或擬晶，是一種介于晶體和非晶體之間的固體。具有與晶體相似的長程有序的原子排列，但是不具備晶體的平移對稱性。普通晶體只能具有二次、三次、四次或六次旋轉對稱性，但是準晶的布拉格衍射圖具有其他的對稱性，例如五次對稱性或者更高的如六次以上的對稱性。獲得2011年諾貝爾化學獎的丹·舍特曼是第一個正式報道發現了準晶的人。1984年他和以色列理工學院的同事們在快速冷卻的鋁錳合金中發現了一種新的金屬相，其電子衍射斑具有明顯的五次對稱性。準晶體具有獨特的屬性，其堅硬又有彈性、非常平滑，而且，與大多數金屬不同的是，其導電、導熱性很差，在日常生活中可用來制造不粘鍋、發光二極管、熱電轉化設備等。
二、晶體與非晶體
思考與交流 觀察晶體和非晶體的投影示意圖，分析晶體內部和非晶體的內部微粒排列的情況 投影示意圖 晶體二氧化硅
非晶體二氧化硅
結論 ①晶體：組成晶體的微粒在空間按一定規律呈周期性排列 ②非晶體：組成非晶體的微粒在空間雜亂無章地排列 1、晶體和非晶體的概念
(1)晶體：內部粒子(原子、離子或分子)在三維空間按一定規律呈周期性重復排列構成的固體物質。如：高錳酸鉀、金剛石、干冰、金屬銅、石墨等
(2)非晶體：內部原子或分子的排列呈雜亂無章的分布狀態的固體物質。如：玻璃、松香、硅藻土、橡膠、瀝青等
(３)分類根據組成晶體的微粒和微粒間的相互作用，可分為：
【微點撥】
①絕大多數常見的固體都是晶體
②排列的周期性是指在一定方向上每隔一定距離重復出現相同的排列
晶體
離子晶體
共價晶體
分子晶體
金屬晶體
讓我們一起先欣賞幾種美麗的晶體
2、晶體的特點
(1)晶體具有自范性
實驗探究 在室溫下，將一塊不規則的CuSO4·5H2O固體放入飽和CuSO4溶液中，經過一段時間后會發生什么變化？
實驗現象 CuSO4·5H2O固體會變成規則的立方體
實驗結論 晶體能自發地呈現多面體外形
①定義：是指晶體在適當條件下可以自發地呈現封閉的、規則的多面體外形的性質
②形成條件：晶體生長的速率適當
③本質原因：晶體中粒子在微觀空間里呈現周期性的有序排列的宏觀表象。有沒有自范性是晶體與非晶體的本質區別.
【微點撥】
①晶體具有整齊規則的幾何外形是晶體自動發生的過程，是天然形成而非人為加工而成，如：冬季的雪花是水蒸氣在空氣中凝華時形成的晶體，一般為六角形的規則圖案
②所謂自發過程，即自動發生的過程。但需要注意的是，“自發”過程的實現，仍需一定的條件，如：水能自發地從高處流向低處，但不打開攔截水流的閘門，水庫里的水不能下瀉。自范性需要一定的條件，其中最重要的條件是晶體生長的速率要適當(生成晶體的速率不能快、溶液的濃度不能過大、溫度變化不能過快)
③熔融態物質冷卻凝固，有時得到晶體，但凝固速率過快，常常只得到肉眼看不到多面體外形的粉末或沒有規則外形的塊狀物，甚至形成的只是非晶態(玻璃態)，如：天然水晶球是巖漿里熔融態的SiO2侵入地殼內的空洞冷卻形成的。剖開水晶球，它的外層是看不到晶體外形的瑪瑙，內層才是呈現晶體外形的水晶，不同的是瑪瑙是熔融SiO2快速冷卻形成的，而水晶則是熔融態SiO2緩慢冷卻形成的
④晶體具有整齊規則的幾何外形與物質的外觀是有區別的，如：氯化鈉晶體的幾何外形是立方的，而食鹽小顆粒用肉眼是看不到晶體外形的，但在光學顯微鏡或電子顯微鏡下仍觀察到其規則的晶體外形。因此，許多固體的粉末用肉眼是看不到晶體外形，但在光學顯微鏡或電子顯微鏡下仍觀察到其規則的晶體外形，這充分證明固體粉末仍是晶體，只因晶粒太小，肉眼看不到而已
(2)晶體具有固定的熔點
實驗探究 將冰和玻璃加熱各有什么現象？
實驗結論 加熱冰時，0 ℃達到冰的熔點，冰開始熔化，在全部熔化以前，繼續加熱，溫度基本保持不變，完全熔化后，溫度才開始升高
加熱玻璃，溫度升高到某一程度后開始變軟，繼續加熱流動性增強，最后變為液體。玻璃從軟化到完全熔化，中間經過較大的溫度范圍
①晶體有固定的熔點
加熱晶體，溫度達到熔點時即開始融化；在沒有全部融化以前繼續加熱，溫度不再升高，這時所供給的熱量都用來晶體融化；完全溶化后，溫度才開始升高。這說明晶體有固定的熔點 晶體熔化曲線
②非晶體沒有固定的熔點
加熱非晶體時，溫度升高到某一程度后開始軟化，流動性增強，最后變為液體。從軟化到完全熔化，中間經過較長的溫度范圍，這說明非晶體沒有固定的熔點 非晶體熔化過程
(3)晶體具有各向異性
①石墨晶體導電性的探究
石墨晶體導電性測量 石墨晶體層面(平行方向)的導電性比層與層之間(豎直)的導電性強
實驗結論 石墨晶體在不同方向上導電性不同 ②晶體與非晶體導熱性的探究
實驗探究 將熱的鐵針分別插入涂有石蠟的水晶片和涂有石蠟的玻璃片，觀察石蠟在不同方向上的熔化速度 示意圖
實驗現象 石蠟在水晶片上不同方向的熔化的快慢不同，而在玻璃片上熔化的快慢相同 實驗結論 晶體在不同方向上導熱性不同；而非晶體在不同方向上導熱性相同 ③各向異性：指在不同的方向上表現出不同的物理性質，如強度、導熱性、光學性質等。這是因為晶體內部微粒在各個方向上排列的距離不同而引起性質上的差異，而且通過這些性質可以了解晶體的內部排列與結構的一些信息，而非晶體不具有各向異性。對于同一幅圖案來說，從不同的方向審視，也會產生不同的感受，那么對于晶體來說，許多物理性質，如：硬度、導熱性、光學性質等，因研究角度不同而產生差異，即：為各向異性。如：藍晶石(Al2O3·SiO2)在不同方向上的硬度不同；石墨在與層垂直的方向上的導電率與層平行的方向上的導電率1∕104
(4)外形和內部質點排列的高度有序性
3、獲得晶體的途徑
(1)熔融態物質凝固。如：從熔融態結晶出來的硫晶體
(2)氣態物質冷卻不經過液態直接凝固(凝華)。如：凝華得到的碘晶體
(3)溶質從溶液中析出。如：從硫酸銅飽和溶液中析出的硫酸銅晶體
4、晶體與非晶體的特征和性質
晶體 非晶體
結構特征(本質區別) 結構微粒周期性有序排列 結構微粒無序排列
性質特征 自范性 有 無
熔、沸點 固定 不固定
某些物理性質 各向異性 各向同性
二者區別方法 間接方法 看是否有固定的熔、沸點 科學方法 對固體進行X 射線衍射實驗 【對點訓練2】
①同一物質可以是晶體，也可以是非晶體，如晶體SiO2和非晶體SiO2。
②有著規則幾何外形或者美觀、對稱外形的固體，不一定是晶體。例如，玻璃制品可以塑造出規則的幾何外形，也可以具有美觀對稱的外觀。
③具有固定組成的物質也不一定是晶體，如某些無定形體也有固定的組成。
④晶體不一定都有規則的幾何外形，如瑪瑙。
　判斷正誤(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)。
(1)晶體和非晶體的本質區別是晶體中粒子在微觀空間里呈周期性的有序排列 　 (　　)
(2)通過X-射線衍射實驗的方法不能區分晶體和非晶體　　　(　　)
(3)凡有規則外形的固體一定是晶體　　　　　　　　　　　(　　)
(4)晶體的熔點一定比非晶體的熔點高　　　　　　　　　　(　　)
(5)缺角的NaCl晶體在飽和NaCl溶液中會慢慢變為完美的立方體塊(　　)
【答案】(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√
1、晶胞的概念：描述晶體結構的基本單元叫做晶胞。晶胞是晶體中最小的結構重復單元
三、晶胞
　　　由于晶體的微粒在微觀空間中是呈現有規律的周期性排列，因此，描述晶體在微觀空間里原子的排列時，常從晶體微觀空間里“截取”一個具有代表性的基本單元
2、晶胞與晶體的關系：一般來說，晶胞都是平行六面體，晶體可以看作是數量巨大的晶胞“無隙并置”而成
(1)“無隙”：相鄰晶胞之間無任何間隙
(2)“并置”：所有晶胞都是平行排列的，取向相同
(3)晶胞只是晶體微觀空間里的一個基本單元，在它的上下左右前后無隙并置地排列著無數晶胞，而且所有晶胞的形狀及其內部含有的原子種數、個數及幾何排列都是完全相同的
(4)晶體是由無數個晶胞堆積得到的。知道晶胞的大小和形狀以及晶胞中粒子的種類、數目和粒子所處的空間位置，就可以認識整個晶體的結構
氯化鈉晶體
銅晶體
平行六面體
無隙并置
2.判斷下列六面體是否是晶胞？
A圖中的晶體結構滿足
晶胞的特點，是晶胞。
B圖中的晶體結構，不滿足晶胞“8個頂角相同”的要求，無法進行“無隙并置”，不是晶胞。
C圖中的晶體結構，不滿足晶胞“三套各4根平行棱分別相同”的要求，無法進行“無隙并置”，不是晶胞。
D圖中的晶體結構，不滿足“三套各兩個平行面分別相同”的要求，無法進行“無隙并置”，不是晶胞。
【思考與討論】
3、均攤法確定晶胞中粒子的個數
均攤法：在晶體中，一個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子的1／n屬于這個晶胞
(1)長方體(正方體)晶胞中不同位置的粒子數的計算
①處于頂點上的粒子，同時為8個晶胞所共有，每個粒子有1／8屬于該晶胞
②處于棱邊上的粒子，同時為4個晶胞所共有，每個粒子有1／4屬于該晶胞
③處于晶面上的粒子，同時為2個晶胞所共有，每個粒子有1／2屬于該晶胞
④處于晶胞內部的粒子，則完全屬于該晶胞
1
2
4
3
7
6
8
5
1
2
2
1
3
4
1
體心：1
面心：1/2
頂點：1/8
棱邊：1/4
立方晶胞
體心：
1
面心：
1/2
棱邊：
1/4
頂點：
1/8
晶胞對質點的占有率
六方晶胞中粒子的計算方法
頂角：1/6
上、下棱：1/4
側棱：1/3
面上：1/2
內部：1
三棱柱
體心
1
面心
1/2
棱邊
水平1/4 豎1/6
頂點
1/12
(1)立方體
(2)三棱柱
(3)六棱柱
體心
1
面心
1/2
棱邊
1/4
頂點
1/8
體心
1
面心
1/2
棱邊
水平1/4 豎1/6
頂點
1/12
體心
1
面心
1/2
棱邊
水平1/4 豎1/3
頂點
1/6
例1、下圖是金屬銅晶胞，用均攤法計算一個金屬銅晶胞中含有的原子數為_________
例2、下圖分別是金屬鈉、金屬鋅、碘、金剛石晶胞的示意圖，數一數，它們分別平均含有幾個原子？
鈉 鋅 碘 金剛石
晶胞
原子的數目
(2)六棱柱晶胞中不同位置的粒子數的計算
均攤法 如圖所示，六方晶胞中所含粒子數目為
12×＋3＋2×＝6
①位于頂角，有　　屬于該晶胞 ②位于棱上，有　　屬于該晶胞 ③位于面上，有　　屬于該晶胞 ④位于內部，完全屬于該晶胞
(3)非長方體和六方晶胞中粒子數目計算時視具體情況而定
石墨晶胞每一層內碳原子排成六邊形，其頂點(1個碳原子)被三個六邊形共有，每個六邊形占
(4)晶體密度的計算
晶體密度的計算公式推導過程 若1個晶胞中含有x個微粒，則晶胞的物質的量為： 　　　　　　mol 晶胞的質量為：m＝n·M＝　　　　g密度為：ρ＝ 右圖為CsCl晶體的晶胞
假設相鄰的兩個Cs＋的核間距為acm，NA為阿伏加德羅常數，CsCl的摩爾質量用Mg·mol－1表示，則CsCl晶體的密度為ρ＝ g·cm－3 【對點訓練3】
四、晶體結構的測定
1、測定晶體結構最常用的儀器是X射線衍射儀。當單一波長的X射線通過晶體時，X射線和晶體中的電子相互作用，會在記錄儀上產生分立的斑點或明銳的衍射峰；而同一條件下攝取非晶體譜圖中卻看不到分立的斑點或者明銳的譜線
將單一波長的X射線分別通過晶體SiO2和非晶體SiO2時，晶體SiO2則會在記錄儀上看到分立的斑點或者明銳的譜線，而非晶體SiO2卻看不到分立的斑點或者明銳的譜線
2、由衍射圖形獲得晶體結構的信息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的對稱類型、原子在晶胞里的數目和位置等
3、區別晶體與非晶體最可靠的科學方法是利用X射線衍射實驗
【課后作業】
A
B
例３、根據離子晶體的晶胞結構，判斷下列離子晶體的化學式：（A表示陽離子）
化學式：
AB
化學式：
A2B
BA2
A
B
化學式：
例４、根據離子晶體的晶胞結構，判斷下列離子晶體的化學式：（A表示陽離子）
AB
B
化學式：
A
C
ABC3
例５、下圖為高溫超導領域的一種化合物——鈣鈦礦晶體結構，該結構是具有代表性的最小重復單元。
1）在該物質的晶體中，每個鈦離子周圍與它最接近且距離相等的鈦離子共有 個
2）該晶體結構單元中，氧、鈦、鈣離子的個數比是 　　 。
6
3∶1∶1
Ti
O
Ca
O：12×1/4＝3
Ti: 8 ×1/8＝1
Ca：1
例６、金屬晶體中金屬原子有三種常見的堆積方式，六方最密堆積、面心立方最密堆積和體心立方堆積，下圖分別代表著三種晶體的晶體結構，其晶胞內金屬原子個數比為（　　）
A．１∶2∶1　　B．11∶8∶4
C．9∶8∶4 　　D．9∶14∶9
A
例７、納米材料的表面微粒數占微粒總數的比例極大，這是它有許多特殊性質的原因， 假設某氯化鈉納米顆粒的大小和形狀恰好與氯化鈉晶胞的大小和形狀相同(如圖所示)，則這種納米顆粒的表面微粒數占總微粒數的百分數為 （　　）
A、33.3%　　　　B、50%
C、87.5%　　　　D、96.3%
D
例８、某物質的晶體中，含A、B、C三種元素，其排列方式如右圖所示（其中前后兩面心上的B原子不能畫出），晶體中A、B、C的原子個數比依次為 （　　）
A．1：3：1 B．2：3：1
C．2：2：1 D．1：3：3
A

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