高中化学人教版选修3教案第3章 第1节 晶体的常识附答案.docx
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高中化学人教版选修3教案第3章第1节晶体的常识附答案
第一节 晶体的常识
1.认识晶体和非晶体的本质差异,知道晶体的特征和性质。
2.了解获得晶体的途径。
3.知道晶胞的概念,学会晶胞中微粒数的计算方法(均摊法),能根据晶胞的结构确定晶体的化学式。
(重难点)
晶体与非晶体
[基础·初探]
1.晶体与非晶体的本质差异
自范性
微观结构
晶体
有
原子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体
没有
原子排列相对无序
2.获得晶体的途径
(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.晶体的特点
(1)自范性:
①定义:
晶体能自发地呈现多面体外形的性质。
②形成条件:
晶体生长的速率适当。
③本质原因:
晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列。
(2)各向异性:
许多物理性质常常会表现出各向异性。
(3)晶体有固定的熔点。
(4)外形和内部质点排列的高度有序性。
[探究·升华]
[思考探究]
如图是某固体的微观结构示意图
问题思考:
(1)区分晶体与非晶体的最可靠的科学方法是什么?
试根据示意图判断固体Ⅰ、Ⅱ的类型。
【提示】 最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验。
根据结构图可知,Ⅰ中微粒呈周期性有序排列,为晶体;Ⅱ中微粒排列不规则为非晶体。
(2)将固体Ⅰ、Ⅱ分别加热至熔化,各有什么现象发生?
该现象能说明晶体、非晶体的哪种性质?
【提示】 加热晶体Ⅰ,温度达到熔点时晶体Ⅰ开始熔化,在全部熔化以前,继续加热,温度基本保持不变,完全熔化后,温度才开始升高,所以晶体有固定的熔点。
加热非晶体Ⅱ时,温度升高到某一程度后非晶体Ⅱ开始软化,流动性增强,最后变为液体。
从软化到完全熔化,中间经过较大的温度范围,所以非晶体无固定的熔点。
[认知升华]
1.晶体与非晶体的区别
固体
外观
微观结构
自范性
各向异性
熔点
晶体
具有规则的几何外形
原子在三维空间呈周期性有序排列
有
各向
异性
固定
非晶体
不具有规则的几何外形
原子排列相对无序
没有
各向同性
不固定
本质区别
微观原子在三维空间是否呈现周期性有序排列
2.晶体与非晶体的测定方法
测定
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
[题组·冲关]
题组1 晶体与非晶体
1.下列物质中前者为晶体,后者为非晶体的是( )
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。
【答案】 C
2.下列有关晶体和非晶体的说法中正确的是( )
A.具有规则几何外形的固体均为晶体
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
【解析】 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,因此,A、D项错误。
晶体是由晶胞通过无隙并置形成的,构成晶体的粒子在三维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,所以C项错误。
自范性是晶体和非晶体的本质区别,B项正确。
【答案】 B
3.下列关于晶体与非晶体的说法正确的是( )
A.晶体一定比非晶体的熔点高
B.晶体有自范性但排列无序
C.非晶体无自范性而且排列无序
D.固体SiO2一定是晶体
【解析】 晶体有固定的熔点,非晶体没有固定的熔点,A项错误;晶体有自范性且排列有序,非晶体无自范性而且排列无序,故B项错误,C项正确;晶体形成也需要一定条件,当条件不具备时,不一定形成晶体,如熔融态SiO2快速冷却形成的固体SiO2就不是晶体,故D项错误。
【答案】 C
题组2 晶体的获得及特点
4.下列过程得到的固体不是晶体的是( )
A.将NaCl饱和溶液降温,所得到的固体
B.气态H2O冷却直接形成的固体
C.熔融的KNO3冷却后所得到的固体
D.将液态的玻璃冷却后所得到的固体
【解析】 得到晶体的三个途径是:
①溶质从溶液中析出,②气态物质凝华,③熔融态物质的凝固。
A选项符合①,B选项符合②,C选项符合③。
由于玻璃本来就属于非晶体,熔融后再冷却所得固体仍为非晶体。
【答案】 D
5.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项所述过程不可能实现;C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项中的玻璃是非晶体。
【答案】 B
6.普通玻璃和水晶的根本区别在于( )
水晶工艺品 玻璃灯饰
A.外形不一样
B.普通玻璃的基本构成微粒无规律性地排列,水晶的基本构成微粒呈周期性有序排列
C.水晶有固定的熔点,普通玻璃无固定的熔点
D.水晶可用于能量转换,普通玻璃不能用于能量转换
【解析】 普通玻璃为非晶体,水晶为晶体,它们的根本区别在于内部微粒是否呈周期性有序排列,B项正确。
【答案】 B
晶胞
[基础·初探]
1.概念
晶胞是描述晶体结构的基本单元。
2.结构
习惯采用的晶胞都是平行六面体,晶体是由无数晶胞“无隙并置”而成。
(1)“无隙”:
相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)“并置”:
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、个数及几何排列是完全相同的。
[探究·升华]
[思考探究]
现有甲、乙、丙(如图所示)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)。
问题思考:
(1)甲晶体中X与Y的个数比是多少?
【提示】 甲晶体中,体心X为1,顶角Y为6×
,所以N(X)∶N(Y)=1∶
=4∶3。
(2)乙晶体中A与B的个数比是多少?
【提示】 乙晶体中,体心A为1,顶角B为8×
=1,所以N(A)∶N(B)=1∶1。
(3)丙晶体中每个晶胞包含有C离子、D离子各为多少?
【提示】 丙晶体中,C离子个数为12×
+1=4,D离子个数为8×
+6×
=4。
[认知升华]
晶胞中粒子数的计算
1.平行六面体晶胞中不同位置的粒子数的计算(均摊法)
2.非平行六面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,每个六边形占该粒子的1/3。
[题组·冲关]
题组1 晶胞及其微粒个数的确定
1.某晶体的部分结构为正三棱柱(如图所示),这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是( )
A.3∶9∶4 B.1∶4∶2
C.2∶9∶4D.3∶8∶4
【解析】 由图可知该晶体部分结构的上下两面为正三角形,因此处于顶点的粒子为12个该结构共用,故该结构中A的数目为6×
=
;处于水平棱上的粒子为4个该结构共用,处于垂直棱上的粒子为6个该结构共用,故该结构单元中包含B粒子的数目为6×
+3×
=2;该结构中包含C粒子的数目为1,由此可见A、B、C三种粒子的数目之比为
∶2∶1=1∶4∶2。
【答案】 B
2.如图为甲、乙、丙三种晶体的晶胞。
试完成下列问题:
(1)甲晶体的化学式(X为阳离子)为________。
(2)乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是________。
(3)丙晶体中每个D周围结合E的个数是________。
【解析】 甲晶体中X位于立方体的体心,每个晶胞实际占有1个,Y位于立方体的顶角,实际占有:
4×
=
个,X∶Y(个数比)=1∶
=2∶1,所以甲的化学式为X2Y。
乙晶体中A在立方体的顶角,A占有:
8×
=1个,B位于面心,B占有:
6×
=3个,C位于立方体的体心,C占有1个,由此推出A∶B∶C(个数比)=1∶3∶1。
丙晶体中E位于立方体的体心,但从大的晶体范围看每个D属于8个晶胞,故D周围E的个数与E周围D的个数相同,每个E周围有8个D,所以每个D周围有8个E。
【答案】
(1)X2Y
(2)1∶3∶1 (3)8
题组2 晶体化学式的确定方法
3.如图所示是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式,图中
—X、
—Y、—Z。
其对应的化学式不正确的是( )
【解析】 A中X、Y均为4×
=
,粒子数目比为1∶1,故化学式为XY;B中X为1,Y为8×
=1,粒子数目比为1∶1,故化学式为XY;C中X为1+4×
=
,Y为4×
=
,粒子数目比为3∶1,故化学式为X3Y;D中X为8×
=1,Y为6×
=3,Z为1,粒子数目比为1∶3∶1,故化学式为XY3Z。
【答案】 B
4.如图所示,在较高温度时,钾、氧两种元素形成的一种晶体结构与NaCl晶体结构相似,则该化合物的化学式为( )
A.K2OB.K2O2
C.K2O3D.KO2
【解析】 每个晶胞中属于该晶胞的K+的个数:
8×
+6×
=4;O
的个数:
12×
+1=4,故其比值为1∶1,应选D。
【答案】 D
5.
(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)利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷,如图为其晶胞结构示意图,则每个晶胞中含有B原子的个数为________,该功能陶瓷的化学式为________。
(4)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。
(5)有一种钛原子和碳原子构成的气态团簇分子,如下图所示,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.Ti14C13B.TiC
C.Ti14C4D.Ti4C3
【解析】
(1)晶胞中灰球代表的微粒4个,白球代表的微粒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,则该晶胞中铜原子数目是氧原子的2倍,即16个。
(3)每个氮化硼晶胞中含有白球表示的原子个数为8×
+1=2,灰球表示的原子个数为1+4×
=2,所以每个晶胞中含有N原子和B原子各2个;N的电负性大于B,所以该陶瓷的化学式为BN。
(4)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原子位于晶胞的顶角,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。
(5)由题意知该物质是气态团簇分子,故题目中图示应是该物质的一个完整的分子,由14个Ti原子和13个C原子构成。
选项A正确。
【答案】
(1)CuCl
(2)16 (3)2 BN (4)CoTiO3 6 12 (5)A
【规律总结】 晶体化学式的确定流程
观察确认微粒种类―→确定各微粒在晶体中的位置―→用均摊法求各微粒数目―→求各微粒数目的最简比―→确定化学式。
题组3 涉及晶胞的有关计算
6.右图是CsCl晶体的一个晶胞,相邻的两个Cs+的核间距为acm。
NA为阿伏加德罗常数,CsCl的相对分子质量用M表示,则CsCl晶体的密度为( )
A.
B.
C.
D.
【解析】 由均摊法求得CsCl晶胞含有1个Cs+和1个Cl-,其质量是M/NA,再由相邻的两个Cs+的核间距为acm,求出该晶胞的体积是a3,所以晶胞的密度是
,晶体的密度和晶胞的密度是相同的。
【答案】 D
7.食盐晶体是由钠离子(图中的“●”)和氯离子(图中的“○”)构成的,且均为等距离的交错排列。
已知食盐的密度是2.2g·cm-3,阿伏加德罗常数为6.02×1023mol-1。
在食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离最接近于( )
A.3.0×10-8cmB.3.5×10-8cm
C.4.0×10-8cmD.5.0×10-8cm
【解析】 从NaCl晶体结构模型中分割出一个小立方体,如图所示a表示其边长,d表示两个Na+中心间的距离。
每个小立方体含Na+:
×4=
,含Cl-:
×4=
,即每个小立方体含Na+—Cl-离子对
个。
则有:
a3·2.2g·cm-3=
解得a≈2.81×10-8cm,
又因为d=
a,故食盐晶体中两个距离最近的Na+中心间的距离为d=
×2.81×10-8cm≈4.0×10-8cm。
【答案】 C
8.如图所示为高温超导领域里的一种化合物——钙钛矿的晶体结构,该结构是具有代表性的最小重复单位。
(1)在该物质的晶体结构中,每个钛离子周围与它最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dnm(1nm=10-9m),则该晶体的密度为__________________________________________________________g·cm-3。
【解析】
(1)以钛离子为顶角,应有8个立方晶胞紧靠在一起,这样钛原子成为空间直角坐标系的中心原子,它的三维方向上前后左右上下最近且相邻各有1个氧离子(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,钙离子个数为1,钛离子个数为8×
=1,故其个数比为3∶1∶1,则它的化学式可表示为CaTiO3。
(3)1mol晶体的质量等于(a+b+3c)g,1mol晶体的体积为d3×10-21×6.02×1023cm3,则其密度为ρ=
=
=
g·cm-3。
【答案】
(1)6 8 6
(2)3∶1∶1 CaTiO3 (3)
【规律总结】 有关立方晶胞的计算公式
(1)立方晶胞的棱长a与面对角线、体对角线的关系:
①面对角线=
;②体对角线=
。
(2)立方晶胞的密度ρ与晶胞内微粒数x之间的关系:
a3·ρ=
。
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