高中化學(xué)新人教版選擇性必修2第3章第1節(jié)物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識(shí)學(xué)案

第一節(jié)物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識(shí)基礎(chǔ)課時(shí)10物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識(shí)學(xué)習(xí)任務(wù)1．理解物質(zhì)的聚集狀態(tài)會(huì)影響物質(zhì)的性質(zhì)，通過改變物質(zhì)的聚集狀態(tài)可能獲得特殊的材料，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想的核心素養(yǎng)。2．了解晶體中微粒的空間排布存在周期性，認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單的晶胞，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。3．知道晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)是測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法和實(shí)驗(yàn)手段，培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的核心素養(yǎng)。一、物質(zhì)的聚集狀態(tài)1．物質(zhì)三態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化2．物質(zhì)的聚集狀態(tài)物質(zhì)的聚集狀態(tài)除了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)外，還有更多的物質(zhì)聚集狀態(tài)如晶態(tài)、非晶態(tài)以及介乎二者之間的塑晶態(tài)、液晶態(tài)等。微點(diǎn)撥：構(gòu)成物質(zhì)三態(tài)的粒子不一定都是分子，還可以是原子或離子等，如水的三態(tài)都是由分子構(gòu)成的，離子液體是熔點(diǎn)不高的僅由離子組成的液體物質(zhì)。下列說法正確的是()A．水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的過程中，水分子變小，水的體積減小B．二氧化碳?xì)怏w在一定條件下轉(zhuǎn)化為干冰，吸收熱量C．等離子體和離子液體都由陰、陽(yáng)離子構(gòu)成，故都能導(dǎo)電D．固態(tài)時(shí)的粒子不能自由移動(dòng)D[物質(zhì)(水)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，粒子(水分子)大小不變，粒子(水分子)間距離變小，導(dǎo)致體積減小，A項(xiàng)錯(cuò)誤。物質(zhì)在一定條件下由氣態(tài)不經(jīng)液態(tài)直接變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝華，分子間距離減小，放出熱量，B項(xiàng)錯(cuò)誤。等離子體是由電子、陽(yáng)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(zhì)聚集體，不存在陰離子；離子液體是熔點(diǎn)不高的僅由陰、陽(yáng)離子組成的液體物質(zhì)，二者均可以導(dǎo)電，C項(xiàng)錯(cuò)誤。同種物質(zhì)的粒子，在氣態(tài)時(shí)能自由移動(dòng)，在固態(tài)時(shí)只能在固定的位置上振動(dòng)，在液態(tài)時(shí)介于二者之間，D項(xiàng)正確。]二、晶體與非晶體1．晶體與非晶體的本質(zhì)差異自范性微觀結(jié)構(gòu)晶體有原子在三維空間里呈周期性有序排列非晶體沒有原子排列相對(duì)無序2．晶體的特點(diǎn)(1)自范性：①定義：晶體能自發(fā)地呈現(xiàn)多面體外形的性質(zhì)。②形成條件：晶體生長(zhǎng)的速率適當(dāng)。③本質(zhì)原因：晶體中粒子在微觀空間里呈現(xiàn)周期性的有序排列的宏觀表象。(2)各向異性：許多物理性質(zhì)常常會(huì)表現(xiàn)出各向異性。(3)晶體有固定的熔點(diǎn)。(4)外形和內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列的高度有序性。3．獲得晶體的途徑(1)熔融態(tài)物質(zhì)凝固。(2)氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華)。(3)溶質(zhì)從溶液中析出。具有規(guī)則幾何外形的固體，一定是晶體嗎？提示：不一定。晶體規(guī)則的幾何外形是自發(fā)形成的。在人力作用下形成的有規(guī)則幾何外形的固體不是晶體，如玻璃、塑料等相關(guān)制品。下列物質(zhì)中，屬于晶體的是________(填序號(hào))。A．橡膠B．玻璃C．食鹽D．水晶E．塑料F．膽礬G．陶瓷[解析]固體有晶體和非晶體之分。晶體是內(nèi)部粒子(原子、離子或分子)在空間按一定規(guī)律做周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)，食鹽、冰、水晶、大部分礦石等都是晶體；非晶體是內(nèi)部粒子的排列呈現(xiàn)雜亂無章的分布狀態(tài)的固體物質(zhì)，如玻璃、橡膠等都是非晶體。[答案]CDF三、晶胞1．概念：晶胞是描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元。2．結(jié)構(gòu)：常規(guī)的晶胞都是平行六面體，整塊晶體可以看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成。(1)“無隙”：相鄰晶胞之間沒有任何間隙。(2)“并置”：所有晶胞都是平行排列的，取向相同。(3)所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個(gè)數(shù)及幾何排列是完全相同的。3．晶胞中粒子數(shù)目的計(jì)算(1)平行六面體(立方體形)晶胞中粒子數(shù)目的計(jì)算。①晶胞的頂角原子是8個(gè)晶胞共用；②晶胞棱上的原子是4個(gè)晶胞共用；③晶胞面上的原子是2個(gè)晶胞共用。如金屬銅的一個(gè)晶胞(如圖所示)均攤到的原子數(shù)為8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4。(2)幾種晶胞中原子數(shù)目的確定。結(jié)合圖示，鈉、鋅、碘、金剛石晶胞中含有原子的數(shù)目分別為2、2、8、8。鈉、鋅、碘、金剛石晶胞圖晶胞是否全是平行六面體？由晶胞構(gòu)成的晶體，其化學(xué)式是否表示一個(gè)分子中原子的數(shù)目？提示：不一定，如有的晶胞呈六棱柱形。由晶胞構(gòu)成的晶體，其化學(xué)式不表示一個(gè)分子中原子的數(shù)目，只表示每個(gè)晶胞中各類原子的最簡(jiǎn)整數(shù)比。(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)晶胞是晶體的最小重復(fù)單元。 (√)(2)不同的晶體中晶胞的大小和形狀都相同。 (×)(3)晶胞中的任何一個(gè)粒子都只屬于該晶胞。 (×)(4)雪花是水蒸氣凝華得到的晶體。 (√)已知X、Y、Z三種元素組成的化合物是離子晶體，其晶胞如圖所示，則下列表示該化合物的化學(xué)式正確的是()A．ZXY3B．ZX2Y6C．ZX4Y8D．ZX8Y12A[該晶胞中，X原子均位于平行六面體的頂角，故含X的個(gè)數(shù)為8×eq\f(1,8)＝1；Y原子均位于平行六面體的棱上，故含Y的個(gè)數(shù)為12×eq\f(1,4)＝3；Z原子位于平行六面體內(nèi)部，故含Z的個(gè)數(shù)為1，則該化合物的化學(xué)式為ZXY3，A項(xiàng)正確。]四、晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定1．測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)最常用的儀器是X射線衍射儀。在X射線通過晶體時(shí)，X射線和晶體中的電子相互作用，會(huì)在記錄儀上產(chǎn)生分立的斑點(diǎn)或明銳的衍射峰。2．由衍射圖形獲得晶體結(jié)構(gòu)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(xiàn)的對(duì)稱類型、原子在晶胞里的數(shù)目和位置等。晶體是一類非常重要的材料，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。我國(guó)現(xiàn)已能夠拉制出直徑為300毫米、重量達(dá)81千克的大直徑單晶硅，晶體硅大量用于電子產(chǎn)業(yè)。下列對(duì)晶體硅的敘述正確的是()A．形成晶體硅時(shí)速率越快越好B．晶體硅沒有固定的熔點(diǎn)C．可用X射線衍射實(shí)驗(yàn)來區(qū)別晶體硅和玻璃D．晶體硅的形成與晶體的自范性有關(guān)，而與各向異性無關(guān)C[形成晶體的適宜條件之一是適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)速率，生長(zhǎng)速率過快，粒子難以形成周期性的有序排列，A項(xiàng)錯(cuò)誤；晶體均具有固定的熔點(diǎn)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；區(qū)別晶體和非晶體最可靠的科學(xué)方法是對(duì)固體進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)，晶體能產(chǎn)生衍射，非晶體只能產(chǎn)生散射，C項(xiàng)正確；晶體硅的形成與晶體的自范性和各向異性都有密切關(guān)系，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]探究晶體與非晶體的差異材料1西漢時(shí)期有位名叫韓嬰的詩(shī)人，他寫了一本《韓詩(shī)外傳》，該書中明確指出，“凡草木花多五出，雪花獨(dú)六出”。材料2《本草綱目》中提到：“光明鹽……大者如升，皆正方光徹。”這說明在當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)條件下，鹽均為方形。[問題1]材料1中“雪花獨(dú)六出”是什么意思？雪花和冰都是由水分子凝聚成的，二者中，水分子間的作用力類型是否相同？提示：“雪花獨(dú)六出”是指大氣中的水蒸氣凝結(jié)成的雪花，在自然條件下是六瓣的；雪花和冰中水分子間的作用力類型相同。[問題2]材料2中自然形成的固體鹽為方形，如果我們將鹽溶液快速加熱，能否得到“方形”鹽？提示：不能。晶體呈現(xiàn)自范性需滿足一定條件，條件之一是晶體生長(zhǎng)的速率適當(dāng)。將鹽溶液快速加熱常得到看不到多面體外形的粉末或無規(guī)則外形的塊狀物。[問題3]在一定溫度下，將不規(guī)則的NaCl固體，放入飽和NaCl溶液中，經(jīng)過一段時(shí)間，會(huì)發(fā)生什么變化？為什么？提示：NaCl固體會(huì)變?yōu)橐?guī)則的立方體。因?yàn)槿芙夂徒Y(jié)晶是可逆過程，根據(jù)晶體的自范性可知，在溶解和結(jié)晶的過程中，離子會(huì)自發(fā)地規(guī)則排列，形成規(guī)則的立方體。1．晶體與非晶體的比較晶體非晶體微觀結(jié)構(gòu)特征粒子周期性有序排列粒子排列相對(duì)無序性質(zhì)特征自范性有無熔點(diǎn)固定不固定各向異性有無鑒別方法間接方法看是否具有固定的熔點(diǎn)或根據(jù)某些物理性質(zhì)的各向異性科學(xué)方法對(duì)固體進(jìn)行X－射線衍射實(shí)驗(yàn)舉例NaCl、I2、SiO2、Na晶體等玻璃、橡膠等2．晶體呈現(xiàn)自范性的條件晶體呈現(xiàn)自范性的條件之一是晶體生長(zhǎng)的速率適當(dāng)。熔融態(tài)物質(zhì)冷卻凝固，有時(shí)得到晶體，但凝固速率過快時(shí)，常常只得到看不到多面體外形的粉末或沒有規(guī)則外形的塊狀物。如瑪瑙是熔融態(tài)SiO2快速冷卻形成的，而水晶是熔融態(tài)SiO2緩慢冷卻形成的。晶體的其他基本性質(zhì)(1)均一性：晶體的化學(xué)組成、密度等性質(zhì)在晶體中各部分都是相同的。(2)對(duì)稱性：晶體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特有的對(duì)稱性。在外形上，常有相等的晶面、晶棱和頂角重復(fù)出現(xiàn)。這種相同的性質(zhì)在不同的方向或位置上存在有規(guī)律的重復(fù)，就是對(duì)稱性。(3)穩(wěn)定性：結(jié)晶狀態(tài)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。1．下列關(guān)于晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別的敘述正確的是()A．是否為具有規(guī)則幾何外形的固體B．是否具有各向異性C．是否具有美觀對(duì)稱的外形D．內(nèi)部微粒在三維空間里是否按一定規(guī)律呈周期性有序排列D[具有規(guī)則幾何外形或美觀對(duì)稱的固體不一定都是晶體，如玻璃制品，A、C項(xiàng)錯(cuò)誤；具有各向異性的固體一定是晶體，但是否具有各向異性不是晶體和非晶體的本質(zhì)區(qū)別，B項(xiàng)錯(cuò)誤；晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)別在于其內(nèi)部粒子在三維空間里是否按一定規(guī)律呈周期性有序排列，D項(xiàng)正確。]2．下列關(guān)于晶體的說法正確的是()A．將飽和硫酸銅溶液降溫，析出的固體不是晶體B．假寶石往往是玻璃仿造的，可以用劃痕的方法鑒別寶石和玻璃制品C．石蠟和玻璃都是非晶體，但它們都有固定的熔點(diǎn)D．藍(lán)寶石在不同方向上的硬度一定相同B[選項(xiàng)A，將飽和CuSO4溶液降溫可析出膽礬，膽礬屬于晶體。選項(xiàng)B，寶石的硬度較大，玻璃制品的硬度較小，可以根據(jù)有無劃痕來鑒別。選項(xiàng)C，非晶體沒有固定熔點(diǎn)。選項(xiàng)D，晶體的各向異性導(dǎo)致藍(lán)寶石在不同方向上的硬度有些差異。]關(guān)于晶體與非晶體的認(rèn)識(shí)誤區(qū)(1)同一物質(zhì)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(guī)則幾何外形或者美觀、對(duì)稱外形的固體，不一定是晶體。例如，玻璃制品可以塑造出規(guī)則的幾何外形，也可以具有美觀對(duì)稱的外觀。(3)具有固定組成的物質(zhì)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(guī)則的幾何外形，如瑪瑙。晶胞的計(jì)算人們最初對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)完全是理性思考的結(jié)果。法國(guó)的結(jié)晶學(xué)家阿羽衣依據(jù)晶體具有沿一定晶面碎裂的性質(zhì)，對(duì)晶體的微觀結(jié)構(gòu)做了合理而大膽的設(shè)想，于1784年提出晶體是由具有多面體形狀的晶胞平行而無間隙地堆積而成的。阿羽衣的思想被法國(guó)物理學(xué)家布拉維發(fā)展為空間點(diǎn)陣學(xué)說，即構(gòu)成晶體的粒子按一定規(guī)則排列為空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。俄國(guó)的費(fèi)多羅夫、德國(guó)的熊富利斯和英國(guó)的巴洛三位科學(xué)家分別于1890年、1891年和1894年以晶體結(jié)構(gòu)周期性重復(fù)單位為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出描述晶體空間排列的對(duì)稱性理論——230種空間群。這些思考完全是在不能測(cè)定晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下產(chǎn)生的，科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展后來完全證實(shí)了上述理性思考的正確性。[問題1]晶體的“空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)”中，構(gòu)成晶體的相鄰微粒間是否相切？提示：是。構(gòu)成晶體的微粒是“無隙并置”的，故這些相鄰微粒間相切。[問題2]如何理解晶體結(jié)構(gòu)中“周期性重復(fù)單位”？提示：“周期性重復(fù)單位”是指晶體中最小的結(jié)構(gòu)單元可以無限重復(fù)(答案合理即可)。[問題3]晶體的化學(xué)式表達(dá)的意義是什么？提示：晶體的化學(xué)式表示的是晶體(或晶胞)中各類原子或離子的最簡(jiǎn)整數(shù)比。1．均攤法確定晶胞中粒子的個(gè)數(shù)均攤法：若某個(gè)粒子為n個(gè)晶胞所共有，則該粒子的eq\f(1,n)屬于這個(gè)晶胞。(1)長(zhǎng)方體形(正方體形)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計(jì)算：(2)六棱柱晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計(jì)算：(3)均攤法在計(jì)算其他結(jié)構(gòu)晶胞中微粒數(shù)的應(yīng)用其他結(jié)構(gòu)晶胞中微粒數(shù)目的計(jì)算同樣可以用均攤法，其關(guān)鍵是根據(jù)立體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析某處微粒被幾個(gè)晶胞共用。如：某晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，該晶胞中，1個(gè)A微粒為12個(gè)晶胞共用，1個(gè)C微粒為1個(gè)晶胞所有，而B微粒分兩種情況；位于上底面和下底面棱上的B微粒被4個(gè)晶胞共用，位于側(cè)面棱上的B微粒被6個(gè)晶胞共用，則一個(gè)晶胞中包含的A、B、C三種微粒的數(shù)目分別是eq\f(1,2)、2、1，則該晶體的化學(xué)式(按A、B、C順序)為AB4C2。2．晶體密度的計(jì)算ρ＝eq\f(n0M,a3NA)(n0：晶胞包含的物質(zhì)組成個(gè)數(shù)，M：該物質(zhì)組成的摩爾質(zhì)量，a：晶胞邊長(zhǎng)，NA：阿伏加德羅常數(shù)。例如：如圖是CsCl晶體的一個(gè)晶胞，相鄰的兩個(gè)Cs＋的核間距為acm，NA為阿伏加德羅常數(shù)，CsCl的摩爾質(zhì)量用Mg·mol－1表示，則CsCl晶體的密度為ρ＝eq\f(M,a3NA)g·cm－3。3．釩(V)的某種氧化物的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。該晶體的化學(xué)式為()A．VO3B．VO2C．V2O3D．V2O4B[由晶胞結(jié)構(gòu)可知，V位于晶胞的頂角和體心，V的個(gè)數(shù)為1＋8×eq\f(1,8)＝2；有4個(gè)O位于晶胞面上，2個(gè)O位于晶胞內(nèi)部，則O的個(gè)數(shù)為4×eq\f(1,2)＋2＝4，則該晶體的化學(xué)式為VO2，故選B。]4．甲、乙、丙三種晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示：甲乙丙(1)甲晶體的化學(xué)式(X為陽(yáng)離子)為__________。(2)乙晶體中A、B、C三種微粒的個(gè)數(shù)比是__________。(3)丙晶體中每個(gè)D微粒周圍結(jié)合E微粒的個(gè)數(shù)是__________________________________________________________。[解析](1)X位于正方體體心，該晶胞中含有1個(gè)X；Y位于頂角，該晶胞中Y的個(gè)數(shù)＝4×eq\f(1,8)＝eq\f(1,2)，則該晶胞中X、Y的個(gè)數(shù)比是2∶1，又X為陽(yáng)離子，所以甲晶體的化學(xué)式為X2Y。(2)乙晶胞中A的個(gè)數(shù)＝8×eq\f(1,8)＝1，B的個(gè)數(shù)＝6×eq\f(1,2)＝3，C的個(gè)數(shù)為1，所以乙晶體中A、B、C三種微粒的個(gè)數(shù)比為1∶3∶1。(3)丙晶體中每個(gè)D微粒周圍結(jié)合E微粒的個(gè)數(shù)是8，即共用D微粒的8個(gè)晶胞中的E微粒的個(gè)數(shù)，這8個(gè)E微粒與D微粒的距離最近且相等。[答案](1)X2Y(2)1∶3∶1(3)8(1)根據(jù)均攤法計(jì)算出1個(gè)晶胞中，各種原子個(gè)數(shù)的最簡(jiǎn)整數(shù)比可確定該物質(zhì)的化學(xué)式。(2)對(duì)于獨(dú)立原子構(gòu)成的分子，其分子式的確定則不能用均攤法。如由金屬原子M和非金屬原子N構(gòu)成的氣態(tài)團(tuán)簇分子，如圖所示，頂角和面上的原子是M原子，棱中心和體心的原子是N原子，由于M、N原子并不存在共用關(guān)系，所以由氣態(tài)團(tuán)簇分子結(jié)構(gòu)圖可知，其分子式可由示意圖查原子個(gè)數(shù)來確定，M原子共14個(gè)，N原子13個(gè)，即分子式為M14N13。1．(2021·江蘇南通檢測(cè))下列關(guān)于晶體的說法正確的是()A．固體都是晶體B．不同的晶體可能有不同的幾何外形C．有規(guī)則幾何外形的固體就是晶體D．研碎后的晶體即變?yōu)榉蔷wB[固體不一定都是晶體，如玻璃是非晶體(玻璃體)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；有規(guī)則幾何外形的固體可能是人為加工而成的非晶體，C項(xiàng)錯(cuò)誤；研碎后的晶體內(nèi)部微粒的排列并未改變，仍為晶體，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]2．下列關(guān)于晶胞的說法不正確的是()A．所有的晶胞都是平行六面體B．晶胞是晶體結(jié)構(gòu)的基本單元C．晶胞和晶體的各原子個(gè)數(shù)比相等D．晶胞和晶體的密度相同A[常規(guī)的晶胞都是平行六面體，但并非所有的晶胞都是平行六面體，A項(xiàng)錯(cuò)誤；晶胞是晶體中基本的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，整塊晶體可看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成，所以晶胞和晶體的各原子個(gè)數(shù)比相等，晶胞和晶體的密度相同，B、C、D項(xiàng)正確。]3．下列過程得到的固體不是晶體的是()A．將NaCl飽和溶液降溫，所得到的固體B．氣態(tài)H2O冷卻直接形成的固體C．熔融的KNO3冷卻后所得到的固體D．將液態(tài)的玻璃冷卻