1、第一节 晶体的常识晶体结构与性质本部分内容是安排在原子结构、分子结构以及结构决定性质的内容之后来学习，对于学生有一定的理论基础。有固定的几何外形的固体叫做晶体。它与非晶体的本质区别在于有自范性。晶体的特点为有规则的几何构型、有固定的熔点、各向异性。晶胞是晶体结构的基本单位，有晶胞可确定化学式。只含分子的晶体称为分子晶体。在分子晶体中，分子内的原子间以共价键结合，而相邻的分子靠分子间作用力相互吸引。原子晶体中原子间都以共价键相互结合，整块晶体是一个三维的共价键网状结构，是一个“巨分子”，又称共价晶体。由于原子之间相互结合的共价键非常强，要破坏这些化学键需要很大的能量，所以，原子晶体熔点高、硬度大
2、。金属晶体有许多共同的物理性质，如具有金属光泽、能导电、传热、具有延展性等。金属的这些共性都是由金属晶体中的化学键和金属原子的堆砌方式所导致的。离子晶体是由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。在离子晶体中，阴、阳离子按照一定的格式交替排列，具有一定的几何外形。不同的离子晶体，离子的排列方式可能不同，形成的晶体类型也不一定相同。离子晶体中离子间的相互作用是较强的离子键，所以离子晶体具有较高的熔、沸点，较大的硬度。这部分知识概念多、理论性强，学习时要结合图形，提高观察能力和空间想象能力，这样才能更好地理解和掌握晶胞的概念和晶体的结构。第一节晶体的常识古埃及哈舍苏女王32岁英年早逝，按照习俗，她
3、的遗体被制成木乃伊，并放进石棺秘密藏于山洞之中，随葬奇珍异宝无数，其中最珍贵的，当数戴在她脖子上的一串项链。300年后，考古学家找到了这座古墓，并发现女王脖子上确实戴着传说中的那串项链。令人惊讶的是，项链既非珍珠，亦不是宝玉，而是一些墨绿色的玻璃珠！其实，不必大惊小怪，在女王那个年代，玻璃珠本来就是一种极其昂贵的珍宝。据古罗马博物学家普林尼的自然史记载，5 000多年前，地中海东岸古国腓尼基的一艘满载着天然苏打晶体的大商船，在航行中搁浅，船员们便在附近的沙洲上用几块苏打晶体支锅煮食。当他们拿走锅时，惊奇地发现锅下苏打与砂粒接触处出现了许多透明光滑晶莹发亮的珠子。原来，这个沙洲尽是石英砂，天然苏
4、打和石英砂在做饭时的高温下发生化学反应，形成光洁透明的玻璃珠。聪明的腓尼基人发现这一秘密后，便在特制的炉子里放进石英砂和苏打，加热熔炼出玻璃液，制成珠状，当做珍宝换取黄金。后来，这种制造玻璃的方法传到了埃及等国，玻璃生产便发展起来了。钻石、红蓝宝石、玛瑙、珊瑚、翡翠，是人人都喜爱并想拥有的宝石，怎样才能买到一颗自己喜欢，物超所值的真品，而不是玻璃、塑料仿制的假货？一、晶体的性质1晶体与非晶体的区别：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_非晶体没有(_不能自发呈现多面体外形_)原子排列_相对无序_2获得晶体的途径：3晶体的特点：(1)自范性。在适宜的
5、条件下，晶体能自发地呈现封闭的、规则的_多面体外形_，这称之为自范性。(2)各向异性。晶体在不同的方向上具有不同的_物理性质_。(3)有固定的熔点。给晶体加热，当温度升高到某温度便立即_熔化_。二、晶胞1概念：晶体中重复出现的最基本的_结构单元_。2晶胞的结构：3晶胞中粒子数的计算方法均摊法：1思考辨析：(1)晶胞都是平行六面体。 ()(2)晶体有规则的几何外形，有规则几何外形的固体都是晶体。 ()(3)熔融态一定能得到晶体。 ()(4)位于顶角上的粒子一定是为8个晶胞所共有。 ()2下列物质中前者为晶体，后者为非晶体的是(C)A白磷、蓝矾 B陶瓷、塑料C碘、橡胶 D食盐、蔗糖解析：A中白磷和
6、蓝矾都是晶体；B中二者均为非晶体，C中碘为晶体，橡胶为非晶体；D中二者均为晶体。3晶体是一类非常重要的材料，在很多领域都有广泛的应用。下列对晶体硅的叙述中正确的是(C)A形成晶体硅的速率越快越好B晶体硅没有固定的熔沸点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，而与各向异性无关解析：A选项，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。B选项，晶体有固定熔沸点，不正确。C选项，X射线衍射实验能够测出物质的内部结构，根据微粒是否有规则的排列就能区分出晶体与非晶体。D选项，晶体的形成与晶体的自范性和各
7、向异性都有密切关系。4下列不属于晶体的特点的是(D)A一定有规则的几何外形B一定有各向异性C一定有固定的熔点D一定是无色透明的固体解析：晶体的特点是有规则的几何外形(由晶体的自范性决定)、固定的熔点及各向异性，但不一定是无色透明的固体，如紫色的碘晶体和蓝色的硫酸铜晶体等。5现有甲、乙，丙(如图)三种晶体的晶胞(甲中x处于晶胞的中心，乙中a处于晶胞的中心)，可推知：甲晶体中x与y的个数比是_43_，乙中a与b的个数比是_11_，一个丙晶胞中可以均摊到_4_个c离子，_4_个d离子。解析：据均摊规律：甲中体心的x为1，顶点y为6，所以xy143。同理可算出乙中a、b个数比为11；一个丙晶胞可以均摊
8、到4个c离子，4个d离子。6最近发现一种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，它的化学式为(A)ATi14C13 BTiCCTi4C4 DTi4C3知识点一晶体与非晶体1晶体与非晶体的区别由于晶体和非晶体在结构上的差异，导致它们在性质上有所不同。根据固体的某些性质，可以判断某一固体是晶体还是非晶体。二者具体差异如下：晶体非晶体自范性(本质区别)有无是否均一均一不均一固定熔、沸点有无某些物质性质的各向异性有无能否发生X射线衍射(最科学的区分方法)能不能(能发生散射)举例NaCl晶体、I2晶体、Na晶体等玻璃、橡胶等提示：同一物质可以是
9、晶体，也可以是非晶体，如：晶体SiO2和非晶体SiO2。有规则几何外形不一定是晶体，如玻璃、塑料等相关制品不是晶体。2晶体与非晶体的判定方法：判定方法测熔点晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点可靠的方法对固体进行X射线衍射实验典例1如图是某固体的微观结构示意图，请认真观察两图，判断下列说法正确的是(B) A两种物质在一定条件下都会自动形成有规则几何外形的晶体B形成的固体物理性质有各向异性C形成的固体一定有固定的熔、沸点D二者的X射线图谱是相同的解析：观察结构图知，中微粒呈周期有序排列，中微粒排布不规则，故为晶体，为非晶体。晶体具有各向异性，具有固定熔点，非晶体没有固定熔点，用x射线检验两者，
10、图谱明显不同。变式训练1下列哪些性质不能区别晶体与玻璃体(C)A各向异性 BX射线衍射C导电性 D有规则的几何外形解析：根据晶体的特点和性质可知，晶体具有规则的几何外形；物理性质具有各向异性；衍射时能看到谱线；而晶体除金属晶体外，一般不容易导电，故选C项。知识点二晶胞1晶胞的特点(1)晶胞一般是平行六面体，其三条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。(2)整个晶体就是晶胞按其周期性在三维空间重复排列而成。每个晶胞上下左右前后无隙并置地排列着与其一样的无数晶胞，决定了晶胞的8个顶角、平行的面以及平行的棱完全相同。2晶胞中粒子数目的计算均摊法如某个粒子为n个
11、晶胞所共有，则该粒子有属于这个晶胞。(1)中学中常见的晶胞为立方晶胞(如图所示)。立方晶胞中微粒数的计算方法如下：如图所示的NaCl晶胞中，Na占据立方体的体心和12条棱的棱心，Cl占据立方体的顶点和面心。Na在晶胞中的数目为：12(棱心)11(体心)4(个)；Cl在晶胞中的数目为：8(顶点)6(面心)4(个)。因此，在NaCl晶胞中Na个数与Cl个数比为11，故NaCl晶体的化学式为NaCl。(2)非长方体(正方体)晶胞中粒子视具体情况而定，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1/3。提示：在使用“均摊法”计算晶胞中微粒个数时要注意晶胞的形状
12、。典例2元素X的某价态离子Xn中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它与N3形成的晶体结构如图所示。(1)该晶体的阳离子与阴离子个数比为_31_。(2)该晶体中Xn离子中n_1_。(3)X元素的原子序数是_29_。(4)晶体中每个N3被_6_个等距离的Xn离子包围。解析：前后、左右、上下六个如图所示阴离子81，阳离子123XnN331，化学式为：X3N，n1。变式训练2有下列离子晶体的空间结构示意图：以M代表阳离子，以N代表阴离子，为阳离子，为阴离子，化学式为MN2的晶体结构为(B)解析：A中阳离子处于顶点位置，故其在晶胞中的数目为81，而阴离子位于体心，其数目为1，故A的化学式为MN。同理
13、可得，B中，M为4，N为1，化学式为MN2；C中M为4，N为41，化学式为MN3；D中M为843，N为1，化学式为M3N。名师培优探究提升六方晶胞中粒子对晶胞的贡献处于顶点的粒子，为6个晶胞共用，每个粒子有1/6属于该晶胞。处于面心的粒子，为2个晶胞共用，每个粒子有1/2属于该晶胞。处于体内的粒子，完全属于该晶胞。如图为某六方晶胞，其中所含的粒子数为(内部含3个粒子)：12326。即时训练Cu元素与H元素可形成一种红色化合物，其晶体结构单元如下图所示。则该化合物的化学式为_CuH_。 解析：Cu个数：12236，H个数：646。对晶体结构的认识人们最初对晶体的认识完全是理性思考的结果。可以说，
14、结晶化学开始于丹麦科学家斯丹诺(N.Steno)的晶体构造理论。斯丹诺通过研究石英晶体断面，于1669年提出晶面交角守恒定律，即晶体在生长过程中各晶面大小虽然都在变化，但晶面的交角恒定不变(图1)。由此，人们可以从外形上鉴别不同的矿物和晶体。法国的结晶学家阿羽衣(R.J.Hay)依据晶体具有沿一定晶面碎裂的性质，对晶体的微观结构做了合理而大胆的设想，于1784年提出晶体是由具有多面体形状的晶胞平行而无间隙地堆积而成的。阿羽衣的思想被法国科学家布拉维(ABravais)发展为空间点阵学说，即构成晶体的粒子按一定规则排列为空间点阵结构(图2)。俄国的费多罗夫(E.C. eopoB)、德国的熊富利斯
15、(A.M.Schnflies)和英国的巴洛(W.Barlow)三位科学家分别于1890年、1891年和1894年以晶体结构周期重复单位为基础，推导出描述晶体空间排列的对称性230个空间群。这些思考完全是在不能探测晶体内部结构的情况下产生的，科学和技术的发展后来完全证实了上述理性思考的正确性。今天，230个空间群仍然是晶体结构的最完备的理论。1下列物质有固定熔沸点的是(D)ACuSO4溶液 B石蜡C玻璃 D白磷解析：A是混合物，B和C都是非晶体，均没有固定的熔沸点。2下列说法错误的是(B)A同一物质可能是晶体，也可能是非晶体B区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是确定有没有固定熔点C雪花是水蒸气凝华
16、得到的晶体D溶质从溶液中析出可以得到晶体3关于晶体的自范性，下列叙述正确的是(B)A破损的晶体能够在固态时自动变成规则的多面体B缺角的氯化钠晶体在饱和NaCl溶液中慢慢变为完美的立方体块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解析：晶体的自范性指的是在适宜条件下，晶体能够自发地呈现封闭的规则的多面体外形的性质，这一适宜条件一般指的是自动结晶析出的条件，A选项所述过程不可能实现；C选项中的圆形并不是晶体冰本身自发形成的，而是受容器的限制形成的；D项中玻璃是非晶体。4如图为某晶体的一个晶胞，该晶体由A、B、C三种基本粒子构成，试根据图示判断该晶体的化
17、学式为(C)AA6B8C BA2B4CCA3BC DA3B4C解析：分析晶胞结构可知，A位于面心，B位于晶胞的顶点，C位于晶胞内部。由均摊法可知，一个晶胞中含有A粒子个数为63，含有B粒子个数为81，含有1个C粒子，故A、B、C粒子的个数之比为311，则该晶体的化学式为A3BC。5现有甲、乙、丙、丁四种晶胞，如下图所示。试推断：甲晶体中A与B的微粒个数比为_11_；乙晶体的化学式为_DC2(或C2D)_；丙晶体的化学式为_EF(或FE)_；丁晶体的化学式为_XY2Z_。解析：首先确定各种微粒在晶胞中的位置，然后确定该微粒为几个晶胞共有，通过分析晶体中微粒数之比确定化学式。甲中A、B微粒数之比为
18、11，乙中C、D微粒数之比为21，丙中E、F微粒数之比为11，丁中X、Y、Z微粒数之比为121。6有一种蓝色的晶体，它的结构特征是Fe2和Fe3分别占据立方体互不相邻的顶点，立方体的每条棱上均有一个CN。(1)根据晶体结构的特点，推出这种蓝色晶体的化学式(用简单整数表示)_FeFe(CN)6_。(2)此化学式带何种电荷_负电荷_，如果Rn或Rn与其结合成电中性粒子，此粒子的化学式为_RFeFe(CN)6n_。解析：Fe2、Fe3占据立方体的互不相邻的顶点，则每个立方体上有4个Fe2、4个Fe3，根据晶体的空间结构特点，每个顶点上的粒子有1/8属于该立方体，则该立方体中有1/2个Fe2、1/2个
19、Fe3，CN位于立方体的棱上，棱上的粒子有1/4属于该立方体，该立方体中有3个CN，所以该晶体的化学式为FeFe(CN)6，此化学式带负电荷，若结合Rn形成中性粒子，此粒子化学式为RFeFe(CN)6n。基 础 巩 固一、选择题1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中正确的是(C)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玻璃态水能使X射线产生衍射解析：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，不能使X射
20、线产生衍射；因密度与普通水相同，故水由液态变为玻璃态时体积不变。2下列途径不能得到晶体的是(A)A熔融态物质快速冷却 B熔融态物质凝固C气态物质凝华 D溶质从溶液中析出解析：得到晶体的三个途径是：溶质从溶液中析出，气态物质凝华，熔融态物质凝固。所以B、C、D选项中的措施可以得到晶体。晶体表现自范性是需要一定条件的，即晶体生成的速率要适当，因此熔融态物质快速冷却时不能得到晶体，所以选择A项。3如图是a、b两种不同物质的熔化曲线，下列说法正确的是(A)Aa是晶体 Bb是晶体Ca是非晶体 D无法判断a是不是晶体解析：由图可知，a具有固定的熔点，b不具有固定的熔点，因此a是晶体，b是非晶体。4晶体与非
21、晶体的本质区别是(B)A晶体具有各向异性，而非晶体具有各向同性B晶体具有自范性，而非晶体没有自范性C晶体具有固定的熔、沸点，而非晶体没有固定的熔、沸点D晶体能使X射线产生衍射，而非晶体则不能解析：易将晶体与非晶体的本质区别及性质区别混为一谈。晶体与非晶体的性质差异是二者本质区别的外在表现。晶体具有自范性(本质)，而晶体的性质是有固定的熔、沸点，能使X射线产生衍射等。分析此类问题时，要分析晶体、非晶体的本质与性质，采用辩证的观点分析问题。同时也要注意不能用固体是否有规则的几何外形来判断其是否为晶体。5下列叙述正确的是(C)A固体SiO2一定是晶体B晶体有固定的组成，非晶体没有固定的组成C晶体内部
22、的微粒按一定规律呈周期性有序排列D冰和固体碘晶体中相互作用力相同解析：从晶体与非晶体的本质差异上来判断。固体SiO2有晶体和无定形两类，A项错误；非晶体如玻璃同样有固定的组成，B项错误；晶体的特殊性质都是其内部微粒按一定规律周期性排列的结果，C项正确；冰中微粒间的作用力除范德华力外还存在氢键，而碘晶体微粒间仅存在范德华力，D项错误。6(2019河北石家庄期中)有关晶体的下列说法中正确的是(B)A晶体中分子间作用力越大，分子越稳定B原子晶体中共价键越强，熔点越高C冰熔化时水分子中共价键发生断裂D氯化钠熔化时离子键未被破坏解析：A分子的稳定性与分子中的化学键有关，与分子间作用力无关，故A错误；B原
23、子晶体中物质的熔点与化学键强弱有关，所以原子晶体中共价键越强，熔点越高，故B正确；C冰融化时，发生了变化的是水分子之间的距离，而水分子内部的OH共价键没有发生断裂，故C错误；D氯化钠熔化时，离子键被破坏，故D错误；故选B。7下列关于晶体的说法正确的是(D)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玛瑙和水晶皆为晶体，二者都是熔融二氧化硅凝固所形成的D当晶体生长速率适当时才可得到规则的多面体外形解析：A项：有的固体粉末，肉眼看不到晶体外形。放到光学显微镜下才可以看到整齐规则的晶体外形；B项：晶体自范性的呈现是一个自发的过程；C项：玛瑙是熔融态SiO2快速
24、冷却形成的，而水晶则是热液缓慢冷却形成的：D项：熔融态物质冷却凝固速率过快只得到看不到规则外形的粉末或块状物，玛瑙的形成就是一个例子。8将一块缺角的胆矾晶体悬置于饱和硫酸铜溶液中，一段时间后(温度不变)，发现缺角的晶体变完整了。若溶剂不挥发，则这段时间内晶体和溶液的质量变化分别是(C)A晶体质量减小，溶液质量变大B晶体质量变大，溶液质量减小C晶体和溶液质量都不变D无法确定解析：胆矾晶体具有自范性，有自发形成规则几何外形的性质，由于原溶液为饱和溶液，因此胆矾晶体与CuSO4饱和溶液间存在着溶解结晶平衡，在整个过程中晶体和溶液的质量都不发生变化。9下图是由Q、R、G三种元素组成的一种高温超导体的晶
25、胞结构，其中R为2价，G为2价，则Q的化合价为_3_。解析：R812G88428Q824 R、G、Q的个数之比为142，则其化学式为RQ2G4。由于R为2价，G为2价，所以Q为3价。二、非选择题10如图为甲、乙、丙三种晶体的晶胞：试写出：(1)甲晶体化学式(X为阳离子)为_X2Y_。(2)乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是_131_。(3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是_8_。(4)乙晶体中每个A周围结合B的个数为_12_。11石墨晶体结构如图所示，每一层由许多个正六边形构成，则：(1)平均每一个正六边形占有碳原子数为_2_；(2)每一层内碳原子数目与CC化学键数目的比是_23_。解析：(
26、1)在同一层上，每个碳原子为3个正六边形共有，平均每个正六边形占有该碳原子的1/3。一个正六边形有这样的碳原子6个，则一个正六边形共占有61/32(个)碳原子。(2)因为一个CC键为两个正六边形共有，所以每个正六边形占有CC键的1/2，一个正六边形共占有CC键61/23(个)。因此，每一层上碳原子数与CC键数目之比为23。还可以根据每条CC键为2个碳原子共有，每个碳原子分占CC键的1/2，因此，碳原子数目与CC键数目之比为131/223。能 力 提 升一、选择题1下列说法正确的是(C)A玻璃是由Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔合成的晶体B水玻璃在空气中不可能变浑浊C水泥在空气和水中均可
27、以硬化D制光导纤维的重要原料是玻璃解析：玻璃是由Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔合成的混合物，不是晶体，故A项错；水玻璃是Na2SiO3的水溶液，在空气中发生反应：Na2SiO3CO2H2O=Na2CO3H2SiO3，故B项错；水泥的硬化是水泥的重要性质，是复杂的物理变化和化学变化过程，故C项正确；制光导纤维的重要原料是SiO2而不是玻璃，故D项错。2石墨与熔融的钾相互作用，形成某种青铜色的物质(其中的钾原子用表示)，原子分布如图所示，该化合物的化学式为(C)AKC2 BKC6CKC8 DKC12解析：K原子周围有6个C原子属于K原子所有，再向外的6个C原子为3个K原子共用，每个K原子
28、占2个，所以1个K结合8个C，化学式为KC8。3纳米材料的表面微粒占总微粒数的比例极大，这是它有许多特殊性质的原因。假设某氯化钠纳米颗粒的大小和开头恰好与氯化钠晶胞的大小和形状相同(如图所示)，则这种纳米颗粒的表面微粒数与总微粒数的比值为(D)A78 B1314C2425 D2627解析：表面微粒数861226，总微粒数表面微粒数中心粒子数26127。易出现的错误是用均摊法求各粒子数。4(2019新疆呼图壁县初考)如图是氯化铯晶体的晶胞示意图(晶体中最小的重复结构单元)，已知晶体中2个最近的Cs核间距为a cm，氯化铯(CsCl)的式量为M，NA为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体的密度为(C)Ag
29、 cm3 Bgcm3Cgcm3 Dgcm3解析：晶胞中平均含有一个Cs和一个Cl，晶胞的质量为(M/NA)g，体积为a3cm3，所以晶体密度为g cm3，故选C。5NaCl晶体的晶胞如图，已知氯化钠的摩尔质量为M gmol1，晶体中最邻近的钠离子和氯离子中心间的距离为a cm，晶体的密度为b gcm3。则下列叙述正确的是(C)A每个Na周围最近且等距离的Cl所围成的空间构型为正六面体B每个Na周围最近且等距离的Na有6个C阿伏加德罗常数NA的值可表示为D阿伏加德罗常数NA的值可表示为解析：每个Na周围等距离的Cl所围成的空间构型为正八面体，A错；Na周围最近且等距离的同种离子有12个，故B错；1 mol NaCl的质量为M g，体积Vcm3，一个NaCl晶胞的体积为8a3 cm3，一个晶胞含Cl：864个，Na：1214个，即
