2018-2019学年高中化学 第3章 物质的聚集状态与物质性质 第1节 第1课时 晶体的特性和晶体结构的堆积模型学案 鲁科版选修3.docx

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第1课时　晶体的特性和晶体结构的堆积模型 [学习目标定位]　1.熟知晶体的概念、晶体的类型和晶体的分类依据。2.知道晶体结构的堆积模型。 一　晶体的特征 1．观察下列物质的结构模型，回答问题。 　　 (1)晶体内部、非晶体的内部微粒排列各有什么特点？ 答案　组成晶体的微粒在空间按一定规律呈周期性排列，而组成非晶体的微粒在空间杂乱无章地排列。 (2)由上述分析可知： ①晶体：内部粒子(原子、离子或分子)在空间按一定规律呈周期性重复排列构成的固体物质。如金刚石、食盐、干冰等。 ②非晶体：内部原子或分子的排列呈杂乱无章的分布状态的固体物质。如橡胶、玻璃、松香等。 2．阅读教材，回答下列问题： (1)晶体的自范性是晶体在适当条件下可以自发地呈现封闭的、规则的多面体外形的性质。 (2)晶体的各向异性是指在不同的方向上表现出不同的物理性质，如强度、导热性、光学性质等。 (3)晶体具有特定的对称性，如规则的食盐晶体具有立方体外形，它既有轴对称性，也有面对称性。 (4)晶体具有固定的熔、沸点。 3．晶体的主要类型 (1)根据晶体内部微粒种类和微粒间的相互作用的不同，可将晶体分为离子晶体、金属晶体、原子晶体和分子晶体。 (2)将下列各晶体的类型填入表中： 晶体 氯化钠 金刚石 金属铜 干冰 类型 离子晶体 原子晶体 金属晶体 分子晶体 [归纳总结] 1．晶体具有的三个基本特征是自范性、各向异性和特定的对称性。 2．晶体与非晶体的区别方法 间接方法 看是否有固定的熔点 科学方法 对固体进行X射线衍射实验 3.判断晶体类型的方法是先看晶体结构微粒，再看微粒间的相互作用。 [活学活用] 1．晶体与非晶体的本质差别是(　　) A．有无各向异性 B．有无一定的几何外形 C．有无固定熔点 D．构成固体的粒子在三维空间里是否呈现周期性的有序排列 答案　D 解析　晶体具有各向异性和固定的熔点，这是由于构成晶体的粒子在三维空间里呈周期性的有序排列的结果。本质上，晶体的自范性(能自发呈现多面体外形)是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。 2．在单质的晶体中一定不存在的微粒是(　　) A．原子 B．分子 C．阴离子 D．阳离子 答案　C 解析　A项，例如金刚石由碳原子组成；B项，例如I2由I2分子组成；D项，例如金属Cu由Cu2＋和自由电子组成；C项中阴离子只能存在于离子化合物中。 二　晶体结构的堆积模型 1．X射线衍射实验测定的结果表明，组成晶体的原子、离子或分子在没有其他因素(如氢键)影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。请根据晶体结构微粒间作用力的特征解释其原因是什么？ 答案　在金属晶体、离子晶体和分子晶体的结构中，金属键、离子键和分子间作用力均没有方向性，因此都趋向于使原子、离子或分子吸引尽可能多的其他原子、离子或分子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，这样晶体变得比较稳定。 2．等径圆球的密堆积(金属晶体) (1)金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种方式——非密置层和密置层(如下图所示)。 观察上图回答下列问题： ①等径圆球在一列上紧密堆积的方式是所有圆球都在同一条直线上排列。 ②平面放置的两种方式中，平面利用率高的是密置层。 ③在密堆积中，一个原子或离子周围所邻接的原子或离子的数目称为配位数。分析上图非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。 (2)等径圆球在三维空间的密堆积方式实际上是密置单层与单层之间的堆积排列方式。 取A、B两个等径圆球密置层，将B层放在A层上面。要做最密堆积使空隙最小也只有一种堆积方式，就是将两个密置层平行地错开一点，使B层的球的投影位置正落在A层中三个球所围成的空隙的中心上，并使两层紧密接触，称为密置双层(见右图)。 (3)在密置双层的基础上再堆积第三层时，有两种堆积方式，如下图所示。 观察分析上图，并结合教材内容回答下列问题： ①图1所示密置层排列方式为“…ABAB…”，这种堆积方式称为A3型最密堆积，其堆积特点是B的上层与B的下层两层中的球的球心相对应。 ②图2所示密置层排列方式为“…ABCABC…”，这种堆积方式称为A1型最密堆积，其堆积特点是A、B、C三层球的球心位置均不同。 3．非等径圆球的密堆积(离子晶体) (1)由于阴、阳离子的半径不同，因此离子晶体为不等径圆球的密堆积，可以将这种堆积方式看成是大球先按一定的方式做等径圆球的密堆积，小球再填充在大球所形成的空隙中。 (2)在一些离子晶体中，阴离子半径较大，应先将阴离子看成是等径圆球进行密堆积，而阳离子有序地填在阴离子所形成的空隙中。例如，NaCl晶体中的Cl－按A1型方式进行最密堆积，Na＋填在Cl－形成的空隙中；ZnS晶体中S2－按A1型方式进行最密堆积，Zn2＋填入S2－所形成的空隙中。 [归纳总结] 1．分析理解晶体结构的堆积模型时，要注意晶体、微粒排列是周期性变化的；每一个球尽可能多的与其他球相接触。 2．在分子晶体中，分子的堆积与分子的形状有关，分子不是等径圆球，而是有一定的结构和形状。如干冰中，CO2分子呈直线形，CO2晶体是A1型最密堆积方式。 3．若分子间靠氢键形成晶体，则不采取密堆积结构，因为氢键有方向性，一个分子周围其他分子的数目和堆积方向是一定的。如苯甲酸晶体、冰等。 4．原子晶体中微粒间以共价键相结合，由于共价键具有饱和性和方向性，就决定了一个原子周围的其他原子的数目不仅是很有限的，而且堆积方向也是一定的，所以原子晶体中微粒堆积不服从紧密堆积原理。如氮化硼晶体。 [活学活用] 3．如图为金属镉的堆积方式，下列说法正确的是(　　) A．此堆积方式属于非最密堆积 B．此晶胞类型为面心立方堆积 C．配位数(一个金属离子周围紧邻的金属离子的数目)为8 D．镉的堆积方式与铜的堆积方式不同 答案　D 解析　据图可看出，镉的堆积方式为“…ABAB…”形式，为A3型最密堆积，即六方最密堆积，而铜的堆积方式为面心立方最密堆积，故A、B两项错误，D项正确；六方最密堆积的配位数为12，中间一层有6个，上下两层各有3个，C项错误。 4．右图是金属晶体的A1型最密堆积形成的面心立方晶胞示意图，在密堆积中处于同一密置层上的原子组合是(　　) A．④⑤⑥⑩⑪⑫ B．②③④⑤⑥⑦ C．①④⑤⑥⑧ D．①②⑪⑭⑧⑤ 答案　B 解析　A1型最密堆积形成的面心立方晶胞的对角线是垂直于密置层面的直线，所以要找处于同一密置层上的原子，必须找出垂直于晶胞对角线的面。 当堂检测 1．下列晶体的结构不遵循“紧密堆积”原理的是(　　) A．金属铜 B．氯化钠 C．金刚石 D．干冰 答案　C 解析　金刚石属于原子晶体，碳原子以共价键相结合，由于共价键有饱和性和方向性，决定了一个原子周围的其他原子的数目不仅是有限的，而且堆积方向也是一定的。所以原子晶体不遵循紧密堆积原理。 2．等径圆球形成的A1型最密堆积和A3型最密堆积中，每个球的配位数分别是(　　) A．3,3 B．12,12 C．3,6 D．6,6 答案　B 解析　在晶体结构中，原子或离子总是按一定方式与周围的原子或离子相结合，此时，一个质点与周围直接接触的质点数称为配位数。在金属晶体中，由于金属原子通常做最紧密堆积，决定了金属原子具有较高或最高的配位数。配位数为12，是晶体结构中最大的配位数，所以等径圆球形成的A1型最密堆积和A3型最密堆积中，每个球的配位数都是12，其中同一层上是6个，上下相邻两层各有3个。 3．下列叙述，不正确的是(　　) A．氯化钠的晶体结构为非等径圆球的密堆积 B．晶体尽量采取最密堆积方式，以使其变得比较稳定 C．因为共价键有饱和性和方向性，所以原子晶体不遵循最密堆积原理 D．金属铜和镁均为A3型最密堆积 答案　D 解析　在NaCl晶体中，半径较大的Cl－按A1型方式进行最密堆积，Na＋填在Cl－所形成的空隙中，因此NaCl晶体结构为非等径圆球密堆积，A项正确；密堆积原理适合于没有方向性的金属键、离子键和范德华力相互作用形成的金属晶体、离子晶体和分子晶体，而不适合于具有方向性和饱和性的共价键所形成的原子晶体以及氢键所形成的分子晶体，采用密堆积的方式可以降低体系的能量，使晶体变得比较稳定，B和C两项都正确；金属铜为A1型最密堆积，金属镁为A3型最密堆积，所以D项错误。 4．下列物质都是固体，其中不是晶体的是(　　) ①橡胶　②石墨　③水　④干冰　⑤冰醋酸　⑥石蜡　⑦玻璃 A．①⑥⑦ B．①②⑦ C．②④⑤⑦ D．①③⑥⑦ 答案　A 解析　固体分为晶体和非晶体。晶体是内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质，如石墨、水、干冰、冰醋酸等都是晶体；非晶体是内部微粒的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质，如橡胶、石蜡、玻璃等都是非晶体。 5．水的状态除了气态、液态和固体外，还有玻璃态，它是由液态水急速冷却到165K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相同，有关玻璃态水的叙述中正确的是(　　) 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．玻璃态水是分子晶体 答案　C 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，因密度不变， 因此水转变为玻璃态时体积不变，当然水的化学性质也不变。故C项正确。 40分钟课时作业 [基础过关] 一、晶体、非晶体的比较与区别 1．普通玻璃和水晶的根本区别在于(　　) A．外形不一样 B．普通玻璃的基本构成粒子无规则地排列，水晶的基本构成粒子按一定规律做周期性重复排列 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 答案　B 解析　晶体和非晶体的本质区别就是粒子(原子、离子或分子)在微观空间里是否呈现周期性的有序排列。 2．下列说法错误的是(　　) A．同一物质有时可以是晶体，有时可以是非晶体 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．雪花是水蒸气凝华得到的晶体 D．溶质从溶液中析出可以得到晶体 答案　B 解析　本题考查晶体获得的途径及区别晶体和非晶体的方法。A项正确，如晶态SiO2和非晶态SiO2；B项错误，最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验；C、D项正确。 3．下列哪些性质不能区别晶体与玻璃体(　　) ①各向异性②X射线衍射 ③导电性④有规则的几何外形 A．①② B．②④ C．③④ D．①③ 答案　C 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，但具有规则的几何外形的物质不一定都是晶体；晶体的物理性质具有各向异性；对晶体进行X射线衍射时能看到谱线；而晶体除金属晶体外，一般不容易导电，故选C项。 二、晶体类型及其判断 4．下列叙述正确的是(　　) A．固态物质一定是晶体 B．冰和固体碘晶体中微粒间相互作用力完全相同 C．晶体内部的微粒按一定规律做周期性的重复排列 D．凡有规则外形的固体一定是晶体 答案　C 解析　固态物质分为晶体和非晶体，二者的根本区别是构成物质的内部微粒(原子、离子或分子)在空间是否按一定规律做周期性重复排列。B项冰中除范德华力外还含有氢键，而碘中只有范德华力。所以A、B、D都错误，只有C正确。 5．将晶体划分为离子晶体、金属晶体、原子晶体和分子晶体的标准是(　　) A．基本构成的微粒种类 B．晶体中最小重复结构单元的种类 C．微观粒子的密堆积种类 D．晶体内部微粒的种类及微粒间相互作用的种类 答案　D 解析　根据晶体内部微粒的种类和微粒间的相互作用的不同，可将晶体分为离子晶体、金属晶体、原子晶体和分子晶体。 6．某固态物质在固态和熔融态时均能导电，熔点较高，该固态物质可能是(　　) A．离子晶体 B．原子晶体 C．分子晶体 D．金属晶体 答案　D 解析　A项，离子晶体固态不导电；B项，原子晶体一般不导电；C项，分子晶体不导电且熔点低；D项，固态金属和熔融态金属均导电，且熔点可能较高，故只有D项最符合题意。 三、晶体结构的堆积模型 7．金属晶体、离子晶体和分子晶体采取密堆积方式的原因是(　　) A．构成晶体的微粒均可视为圆球 B．金属键、离子键、分子间作用力均无饱和性和方向性 C．三种晶体的构成微粒相同 D．三种晶体的构成微粒多少及相互作用力相同 答案　B 8．关于NaCl晶体的密堆积方式的说法中正确的是(　　) A．看成是Na＋按A1型方式进行最密堆积，Cl－填在Na＋形成的空隙中 B．看成是Cl－按A1型方式进行最密堆积，Na＋填在Cl－形成的空隙中 C．看成是Cl－按A3型方式进行最密堆积，Na＋填在Cl－形成的空隙中 D．由于离子键有方向性和饱和性，NaCl晶体中的阴、阳离子不服从紧密堆积原理 答案　B 9．关于右图叙述不正确的是(　　) A．该种堆积方式为A3型最密堆积 B．该种堆积方式称为A1型最密堆积 C．该种堆积方式可用符号“…ABCABC…”表示 D．金属Cu就属于此种最密堆积型式 答案　A 解析　由图示可知，该堆积的第一层与第四层重合，所以此种堆积方式属于A1型最密堆积，可以用“…ABCABC…”表示。 10．下列晶体均按A1型方式进行最密堆积的是(　　) A．干冰、NaCl、金属铜 B．ZnS、Mg、氮化硼 C．水晶、金刚石、晶体硅 D．ZnS、NaCl、Mg 答案　A 解析　干冰、NaCl、Cu、ZnS均为A1型最密堆积，Mg为A3型最密堆积，水晶、金刚石、氮化硼、晶体硅为原子晶体，不服从紧密堆积原理，故只有A项正确。 [能力提升] 11．从我们熟悉的食盐、金属、冰到比较贵重的钻石、水晶等都是晶体，而同样透明的玻璃却是非晶体。下列关于晶体和非晶体的本质区别的叙述中，正确的是(　　) A．是否具有规则几何外形的固体 B．是否具有固定组成的物质 C．是否具有美观对称的外形 D．内部基本构成微粒是否按一定规律做周期性重复排列 答案　D 解析　本题考查对晶体、非晶体本质区别的把握。通过对晶体和非晶体的对比、鉴别，深化对晶体定义的理解。有规则几何外形或美观对称外形的固体不一定都是晶体，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；具有固定组成的物质也不一定是晶体，如某些无定形体也是固定的组成。晶体和非晶体的本质区别在于其微观结构不同。 12．下列关于晶体的性质叙述中，不正确的是(　　) A．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规则的多面体几何外形 B．晶体的各向异性和对称性是矛盾的 C．晶体的对称性是微观粒子按一定规律做周期性重复排列的必然结果 D．晶体的各向异性直接取决于微观粒子的排列具有特定的方向性 答案　B 解析　晶体的各向异性是取决于微观粒子的排列具有特定的方向性，而对称性是微观粒子按一定规律做周期性重复排列的必然结果，二者不相矛盾。 13．关于晶体结构堆积模型的说法正确的是(　　) A．所有的晶体的空间排列都服从紧密堆积原理 B．晶体尽量采用紧密堆积方式，以使其变得比较稳定 C．金属晶体的结构为非等径圆球的密堆积 D．等径圆球的密堆积有A1、A3两种堆积方式，其中Cu属于A3型最密堆积 答案　B 解析　离子晶体、分子晶体、金属晶体的空间排列服从紧密堆积原理，而原子晶体的构成粒子为原子，粒子间的相互作用为共价键，由于共价键有方向性和饱和性，所以原子晶体的空间排列不服从紧密堆积原理，A项不正确；金属晶体为等径圆球的密堆积，C项不正确；Cu属于A1型密堆积，D项不正确。 14．下列说法中，错误的是(　　) A．分子晶体中范德华力没有方向性和饱和性，所以分子晶体一般都采取密堆积，但要受到分子形状的影响 B．离子晶体一般都是非等径圆球的密堆积 C．由于共价键的方向性和饱和性，原子晶体堆积的紧密程度大大降低 D．配位数就是配位键的数目 答案　D 解析　配位数是指在密堆积中，一个原子或离子周围所邻接的原子或离子的数目。 15．根据下图，回答问题 (1)将等径圆球在二维空间里进行排列，可形成密置层和非密置层。在图1所示的半径相等圆球的排列中，A属于________层，配位数是________；B属于________层，配位数是________。 (2)将非密置层一层一层地在三维空间里堆积，得到图2所示的一种金属晶体的晶胞，它被称为简单立方堆积。在这种晶体中，金属原子的配位数是________。 答案　(1)非密置　4　密置　6　(2)6 [拓展探究] 16．有下列九种晶体：A.水晶　B．冰醋酸　C．氧化镁 D．白磷　E．晶体氩　F．氯化铵　G．过氧化钾　H．金刚石　I．镁 (1)属于原子晶体的化合物是________(填序号，下同)，直接由原子构成的晶体是________，直接由原子构成的分子晶体是________。 (2)由极性分子构成的晶体是________，含有共价键的离子晶体是________，属于分子晶体的单质是____________________________________________________________。 (3)受热熔化后化学键不发生变化的是__________，需克服共价键的是________，需克服金属键的是___________________________________________________________。 答案　(1)A　AEH　E　(2)B　FG　DE (3)BD　AH　I