高中化学 第3章 第1节 认识晶体 第1课时 晶体的特性和晶体结构的堆积模型教案 鲁科版选修3.docx

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高中化学第3章第1节认识晶体第1课时晶体的特性和晶体结构的堆积模型教案鲁科版选修3

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、晶体的特性

1．晶体与非晶体

（1）晶体：

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．晶体的特性：

（1）自范性：

晶体在适宜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）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）对称性：

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．常见的四种晶体类型

晶体类型

构成微粒种类

微粒间的相互作用

实例

离子晶体

阴、阳离子

离子键

NaCl

金属晶体

金属原子

金属键

Cu

原子晶体

原子

共价键

金刚石

分子晶体

分子

分子间作用力

干冰

（1）晶体与非晶体的区别

外观

微观结构

自范性

各向异性

熔、沸点

晶体

具有规则几何外形

微粒在三维

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

几何外形

微粒排列

相对无序

无

各向同性

不固定

本质区别

微观粒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之一：

根据晶体结构微粒的种类及微粒间的相互作用。

例1

　下列物质中属于晶体的是（　　）

A．棉花B．玻璃C．陶瓷D．胆矾

答案　D

解析　棉花内部微粒的排列是没有规则的，属于非晶体；玻璃、陶瓷没有固定的熔点，属于非晶体；胆矾的化学式为CuSO4·5H2O，是硫酸铜的晶体。

例2

　下列叙述中正确的是（　　）

A．具有规则几何外形的固体一定是晶体

B．具有特定对称性的固体一定是晶体

C．具有各向异性的固体一定是晶体

D．依据构成粒子的堆积方式可将晶体分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、原子晶体

答案　C

解析　晶体所具有的规则几何外形、各向异性和特定的对称性是其内部粒子规律性排列的外部反映，有些人工加工而成的固体也具有规则几何外形和高度对称性，故A、B两项错误；具有各向异性的固体一定是晶体，C项正确；晶体划分为金属晶体、离子晶体、分子晶体、原子晶体是依据构成晶体的微粒的种类和微粒间相互作用的不同，故D项错误。

易错警示　

晶体具有规则的几何外形，但具有规则几何外形的固体不一定是晶体。

非晶体也可以打磨成规则的几何外形，但仍不是晶体。

二、晶体结构的堆积模型

1．晶体结构的密堆积的原理

金属原子、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。

这是因为金属键、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，使晶体变得比较稳定。

2．等径圆球的密堆积（金属晶体）

（1）单列紧密堆积方式：

等径圆球在一列上进行紧密堆积的方式只有一种，即所有的圆球都在一条直线上排列，如图所示：

（2）同层紧密堆积方式：

①等径圆球在一列上进行紧密堆积的方式只有一种，即只有当每个等径圆球与周围六个圆球相接触时才能做到最紧密堆积，这样形成的层称为密置层。

②在密堆积中，一个原子或离子周围距离相等且最近的原子或离子的数目叫配位数。

非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。

③密置层放置的平面利用率比非密置层放置的要高。

（3）多层紧密堆积的方式

观察分析图，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，其配位数为12。

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，其配位数为12。

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－所形成的空隙中；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。

（1）只有晶体微粒间的作用力不具有方向性和饱和性才遵循紧密堆积原理。

①金属晶体采用等径圆球的密堆积，是因为金属键无方向性和饱和性。

②离子晶体采用不等径圆球的密堆积，是因为离子键无方向性和饱和性。

③不含氢键的分子晶体尽可能采用紧密堆积方式，因为范德华力没有方向性和饱和性。

分子晶体中分子的堆积与分子的形状有关，如干冰中CO2分子呈直线形，CO2晶体在空间是按A1型最密堆积方式形成晶体的。

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原子晶体中微粒堆积不服从紧密堆积原理。

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。

（2）A1型和A3型最密堆积的方式不同，但都是同一层上每个球与同层中周围6个球相接触，同时又与上下两层中各3个球相接触，所以它们的配位数都为12。

例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．此堆积方式为A1型最密堆积

C．配位数为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…”，为A3型，而铜的堆积方式为A1型，故A、B两项错误，D项正确；A3型最密堆积的配位数为12，即中间一层有6个，上下两层各有3个，C项错误。

方法规律　

晶体的A1型和A3型最密堆积中，晶体微粒的配位数都是12。

例4

　下列叙述中不正确的是（　　）

A．氯化钠的晶体结构为非等径圆球密堆积

B．晶体尽量采取紧密堆积方式，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紧密堆积原则

D．金属铜和镁均以“…ABAB…”方式堆积

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；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项正确；密堆积原理适用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，而不适用于具有方向性和饱和性的共价键所形成的原子晶体以及存在氢键的分子晶体，C项正确；金属铜采用“…ABCABC…”方式堆积，金属镁采用“…ABAB…”方式堆积，所以D项错误。

规律总结

金属晶体、离子晶体和无氢键的分子晶体中都存在A1型紧密堆积模型的晶体。

原子晶体不遵循紧密堆积原则；分子晶体是否密堆积与分子间作用力是否具有饱和性与方向性有关，与分子内共价键的特征（方向性与饱和性）无关。

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．区分晶体和非晶体最科学的方法是（　　）

A．测定熔、沸点的高低

B．对固体进行X射线衍射

C．看是否有规则的几何外形

D．比较硬度

答案　B

解析　晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的粒子在微观空间里是否有序排列，利用X射线衍射可测定晶体结构，B项正确；晶体具有固定的熔、沸点，非晶体没有固定的熔、沸点，二者的区别与熔、沸点的高低无关，A项错误；有规则几何外形的固体不一定是晶体，C项错误；无法从硬度上区分晶体和非晶体，D项错误。

3．（2018·平凉灵台校级月考）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．a没有固定的熔点

B．a是非晶体

C．b是晶体

D．b是非晶体

答案　D

解析　晶体有固定的熔点，由a的熔化曲线分析可知，中间有一段温度不变但一直在吸收能量，该段所对应的温度就是晶体a的熔点；由b的熔化曲线可知，温度一直升高，所以物质b没有固定的熔点，为非晶体。

4．金属晶体、离子晶体和分子晶体（不含氢键的）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

解析　金属晶体、离子晶体、分子晶体（不含氢键的）采取密堆积方式的原因是金属键、离子键、分子间作用力（除氢键外）均无方向性和饱和性，趋向使原子、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方式降低体系的能量，使分子变得比较稳定。

5.关于下图叙述不正确的是（　　）

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

答案　A

解析　从垂直方向看三层球心均不在一条直线上，故为A1型最密堆积，可以用“…ABCABC…”表示。

6．非晶硅光电薄膜产业的研发成长，在转换效率上，已逐渐接近于多晶硅太阳能电池，发电成本仅为多晶硅的三分之一。

预计非晶硅光电薄膜产业的增长速率，将比多晶硅太阳能产业更为快速，非晶硅薄膜技术将成为今后太阳能电池的市场主流。

试探究下列问题：

（1）下图中a、b是两种硅的部分结构，请指出哪种是晶体硅，哪种是非晶硅？

a：

__________________；b：

__________________。

（2）有关晶体常识的相关说法中正确的是_____（填字母）。

A．玻璃是非晶体

B．固体粉末都是非晶体

C．晶体内部质点具有有序性的特征，有固定的熔、沸点和各向异性

D．区别晶体和非晶体最有效的方法是通过X射线衍射实验

答案　

（1）非晶硅　晶体硅　

（2）ACD

解析　

（1）从粒子在微观空间里是否有有序性和自范性角度观察。

（2）A项，玻璃是一种无固定熔、沸点的非晶体；B项，许多固体粉末不能用肉眼观察到晶体外形，但可通过光学显微镜或电子显微镜看到规则的几何外形，所以固体粉末也可能是晶体。

题组1　晶体的分类与特征

1．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　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；晶体和非晶体的本质区别在于其微观结构不同。

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　A正确，如晶态SiO2和非晶态SiO2；B不正确，最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验；C、D正确。

3．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

答案　B

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．下列途径不能得到晶体的是（　　）

A．熔融态SiO2快速冷却

B．熔融态SiO2热液缓慢冷却

C．FeCl3蒸气冷凝

D．CuSO4饱和溶液蒸发浓缩后冷却

答案　A

解析　晶体呈现自范性是需要一定条件的，即晶体生长的速率要适当。

熔融态物质快速冷却时不能得到晶体，如熔融态SiO2快速冷却得到看不到晶体外形的玛瑙，热液缓慢冷却则形成水晶。

FeCl3、AlCl3等固体均易升华，其蒸气凝华则得到晶体。

D项析出胆矾晶体（CuSO4·5H2O）。

5．将晶体分为离子晶体、金属晶体、原子晶体和分子晶体的本质标准是（　　）

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．下列叙述正确的是（　　）

A．任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子

B．离子晶体中可能含有共价键

C．离子晶体中只含有离子键不含有共价键

D．分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键

答案　B

解析　金属晶体中存在金属阳离子与“自由电子”，没有阴离子，A项错误；离子晶体中一定含有离子键，可能含有共价键，B项正确，C项错误；分子晶体中一定存在分子间作用力，除稀有气体分子外均存在共价键，D项错误。

题组2　晶体结构的堆积模型

7．金属原子在二维空间里的放置有下图所示的两种方式，下列说法不正确的是（　　）

A．图a为密置层B．图b为非密置层

C．图a配位数为6D．图b配位数为6

答案　D

解析　金属原子在二维空间里有两种放置方式，一种是密置层，原子配位数为6；一种是非密置层，原子配位数为4。

8．下列晶体的结构不遵循紧密堆积原则的是（　　）

A．金属铜B．氯化钠C．金刚石D．干冰

答案　C

9．下列晶体按A1型进行最密堆积的是（　　）

A．干冰、NaCl、金属铜

B．ZnS、金属镁、氮化硼

C．水晶、金刚石、晶体硅

D．ZnS、NaCl、金属镁

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、晶体硅均为原子晶体，不遵循紧密堆积原则，故只有A项正确。

10．（2018·河南师大附中高二月考）金属晶体中金属原子有三种常见的堆积方式：

六方最密堆积、面心立方最密堆积和体心立方堆积，如图a、b、c分别代表这三种堆积方式的结构示意图，则图示结构内金属原子个数比为（　　）

A．3∶2∶1B．11∶8∶4

C．9∶8∶4D．21∶14∶9

答案　A

解析　图a中所含原子的个数为12×

＋2×

＋3＝6，图b中所含原子的个数为8×

＋6×

＝4，图c中所含原子的个数为8×

＋1＝2。

11.如图是金属晶体的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体对角线的面。

12．金属铜的晶胞结构如图所示，下列有关说法正确的是（　　）

A．金属钋也采取这种堆积方式

B．这种堆积方式中，金属原子的配位数为8

C．每个晶胞中含有4个Cu原子

D．这种堆积方式的空间利用率较低

答案　C

解析　Po采取简单立方堆积，A项错误；在面心立方最密堆积中，金属原子的配位数为12，B项错误；根据“均摊法”，该晶胞中含有的Cu原子数为8×

＋6×

＝4，C项正确；简单立方堆积的空间利用率为52%，体心立方堆积的空间利用率为68%，六方最密堆积和面心立方最密堆积的空间利用率均为74%，D项错误。

13．（2019·邢台一中月考）

（1）在下列物质中，__________（填序号，下同）是晶体，______________是非晶体。

①塑料　②明矾　③松香　④玻璃　⑤CuSO4·5H2O⑥冰糖　⑦石蜡　⑧单晶硅　⑨铝块　⑩橡胶

（2）晶体和非晶体在外形上有差别，晶体一般都具有____________________，而非晶体__________________；另外非晶体具有物理性质______________的特点，而晶体具有物理性质__________________的特点。

答案　

（1）②⑤⑥⑧⑨　①③④⑦⑩

（2）规则的几何外形　没有规则的几何外形　各向同性

各向异性

解析　明矾是KAl（SO4）2·12H2O，它和CuSO4·5H2O、冰糖、单晶硅、铝块都是晶体；塑料、松香、玻璃、石蜡、橡胶都是非晶体。

晶体的重要特征就是各向异性和有固定的熔点等。

14．

（1）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________。

（2）某物质的晶体内部一截面上原子的排布情况如右图所示，则该晶体的化学式可表示为________。

答案　

（1）①非密置　4　密置　6　②6　

（2）AB

解析　

（1）①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为配位数。

非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。

②每个金属原子的上、下、左、右、前、后各有一个原子与之相邻，故配位数为6。

（2）由该晶体一截面上原子的排布情况可知，每一个A原子周围有2个B原子，每一个B原子周围有2个A原子。

故该晶体的化学式可表示为AB。

15．完成填空：

（1）判断物质是晶体还是非晶体，正确的方法是________（填字母）。

a．从外形上判断

b．从各向异性或各向同性上来判断

c．从导电性能来判断

d．从有无固定熔、沸点判断

（2）由于离子键____________________________，NaCl晶体中的阴、阳离子服从紧密堆积原理，NaCl晶体的密堆积方式看成是________（填字母）。

a．Na＋按A1型方式进行最密堆积，Cl－填在Na＋形成的空隙中

b．Cl－按A1型方式进行最密堆积，Na＋填在Cl－形成的空隙中

c．Cl－按A3型方式进行最密堆积，Na＋填在Cl－形成的空隙中

（3）右图堆积方式可用符号________（填“…ABAB…”或“…ABCABC…”），属________（填“A1”或“A3”）型最密堆积，________（填“镁”或“铜”）属于此种堆积方式。

答案　

（1）bd　

（2）没有方向性和饱和性　b

（3）…ABAB…　A3　镁

解析　

（1）可以从本质上判断晶体与非晶体，也可根据性质判断，bd正确。

（2）NaCl为离子晶体，离子键没有方向性和饱和性。

NaCl晶体的密堆积方式看成离子半径较大的Cl－按A1型进行最密堆积，Na＋填在Cl－形成的空隙中。

（3）由图可以明显看出是A3型最密堆积，第一层有6个原子，第二层有3个原子，第三层有6个原子，第三层与第一层的圆球的球心相对应，用符号表示为“…ABAB…”，金属铜属于A1型最密堆积。