人教版選修3 第3章第1、2節(jié) 晶體的常識 分子晶體與原子晶體 學(xué)案.doc

第1、2節(jié) 晶體的常識 分子晶體與原子晶體【學(xué)習(xí)目標】1、初步了解晶體的知識，知道晶體與非晶體的本質(zhì)差異，學(xué)會識別晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)示意圖；2、知道晶胞的概念，了解晶胞與晶體的關(guān)系，學(xué)會通過分析晶胞得出晶體的組成；3、了解分子晶體和原子晶體的特征，能以典型的物質(zhì)為例描述分子晶體和原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系；4、知道分子晶體與原子晶體的結(jié)構(gòu)粒子、粒子間作用力的區(qū)別?！疽c梳理】要點一、晶體與非晶體1、概念：晶體：質(zhì)點(分子、離子、原子)在空間有規(guī)則地排列成的、具有整齊外型、以多面體出現(xiàn)的固體物質(zhì)。晶體具有的規(guī)則的幾何外形源于組成晶體的微粒按一定規(guī)律周期性的重復(fù)排列。非晶體：非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性特點，而是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明膠等。非晶體不具有晶體物質(zhì)的共性，某些非晶態(tài)物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì)要點詮釋：晶體與非晶體的區(qū)分：晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。許多固體的粉末用肉眼是看不見晶體的，但我們可以借助于顯微鏡觀察，這也證明固體粉末仍是晶體，只不過晶粒太小了。晶體的熔點較固定，而非晶體則沒有固定的熔點。區(qū)分晶體和非晶體最可靠的科學(xué)方法是對固體，進行x射線衍射實驗，x射線透過晶體時發(fā)生衍射現(xiàn)象。特別注意：一種物質(zhì)是否晶體，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，而非由外觀判斷。2、分類：3、晶體與非晶體的本質(zhì)差異： 自范性 微觀結(jié)構(gòu) 晶體 有(能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形) 原子在三維空間里呈周期性有序排列 非晶體 沒有(不能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形) 原子排列相對無序 說明：自范性：晶體能自發(fā)性地呈現(xiàn)多面體外形的性質(zhì)。所謂自范性即“自發(fā)”進行，但這里要注意，“自發(fā)”過程的實現(xiàn)仍需一定的條件。例如：水能自發(fā)地從高處流向低處，但若不打開攔截水流的閘門，水庫里的水不能下瀉；晶體自范性的條件之一：生長速率適當；晶體自范性的本質(zhì):是晶體中粒子微觀空間里呈現(xiàn)周期性的有序排列的宏觀表象。4、晶體形成的途徑：熔融態(tài)物質(zhì)凝固，例：熔融態(tài)的二氧化硅，快速冷卻得到瑪瑙，而緩慢冷卻得到水晶。氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華)；溶質(zhì)從溶液中析出。5、晶體的特性：有規(guī)則的幾何外形；有固定的熔沸點；各向異性(強度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等)；說明：因研究角度不同而產(chǎn)生差異，即為各向異性。例如：藍晶石(al2o3sio2)在不同方向上的硬度不同；石墨在與層垂直的方向上的導(dǎo)電率是層平行的方向上的導(dǎo)電率1/104。自發(fā)的形成多面體外形；有特定的對稱性；使x射線產(chǎn)生衍射。要點二、晶胞1、定義：晶體中重復(fù)出現(xiàn)的最基本的結(jié)構(gòu)單元。晶體可看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成，所謂“無隙”是指相鄰晶胞之間沒有任何間隙，所謂“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。說明：劃分晶胞要遵循2個原則：一是盡可能反應(yīng)晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對稱性，二是盡可能小。2、三種典型的立方晶體結(jié)構(gòu)：說明：晶胞的頂角原子是8個晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4個晶胞共用的，晶胞面上的原子是2個晶胞共用的。3、晶胞中原子個數(shù)的計算：位于晶胞頂點的微粒，實際提供給晶胞的只有1/8；位于晶胞棱邊的微粒，實際提供給晶胞的只有1/4；位于晶胞面心的微粒，實際提供給晶胞的只有1/2；位于晶胞中心的微粒，實際提供給晶胞的只有1。要點三、晶胞中原子個數(shù)的計算：在一個晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的多個原子，這些原子并不是只為這個晶胞所獨立占有，而是為多個晶胞所共有，那么，在一個晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的每個原子，這個晶體能分攤到多少比例，這就是分攤法。分攤法的根本目的是算出一個晶胞單獨占有的各類原子的個數(shù)。分攤法的根本原則是：晶胞任意位置上的一個原子如果是被x個晶胞所共有，那么，每個晶胞對這個原子分得的份額就是1/x。在立體晶胞中，原子可以位于它的頂點，也可以位于它的棱上，還可以在它的面上(不含棱)，當然，它的體內(nèi)也可以有原子。每個頂點被8個晶胞共有，所以晶胞對自己頂點上的每個原子只占1/8份額；每條棱被4個晶胞共有，所以晶胞對自己棱上的每個原子只占1/4份額；每個面被2個晶胞共有，所以晶胞對自己面上(不含棱)的每個原子只占1/2份額；晶胞體內(nèi)的原子不與其他晶胞分享，完全屬于該晶胞。每個晶胞涉及a原子數(shù)目m個，每個a原子為n個晶胞共有，則每個晶胞占有a原子：m1/n。計算方法位置 頂點 棱邊 面心 體心 貢獻 1/8 1/4 1/2 1 要點四、判斷晶體類型的依據(jù)：(1)看構(gòu)成晶體的微粒種類及微粒間的相互作用對于分子晶體,構(gòu)成晶體的微粒是分子，微粒間的相互作用是分子間作用力；對于原子晶體，構(gòu)成晶體的微粒是原子，微粒間的相互作用是共價鍵。(2)看物質(zhì)的物理性質(zhì)(如：熔、沸點或硬度等)一般情況下，不同類晶體熔點高低順序是：原子晶體分子晶體。原子晶體比分子晶體的熔沸點高得多。(3)依據(jù)物質(zhì)的分類判斷金屬氧化物(如k2o、na2o2等)、強堿(如naoh、koh等)和絕大多數(shù)的鹽類是離子晶體。大多數(shù)非金屬單質(zhì)（除金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼外）、氣態(tài)氫化物、非金屬氧化物(除sio2外)、酸、絕大多數(shù)有機物（除有機鹽外）是分子晶體。常見的原子晶體單質(zhì)有金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼等；常見的原子晶體化合物有碳化硅、二氧化硅等。金屬單質(zhì)(除汞外)與合金都是金屬晶體。要點五、晶體熔、沸點比較規(guī)律：(1)不同晶體類型的物質(zhì)：原子晶體分子晶體；(2)同一晶體類型的物質(zhì)，需比較晶體內(nèi)部粒子間的作用力，作用力越大，熔沸點越高。原子晶體：要比較共價鍵的強弱，一般地說，原子半徑越小，形成共價鍵的鍵長越短，鍵能越大，其晶體熔沸點越高，如熔點：金剛石碳化硅晶體硅。分子晶體：分子組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對分子質(zhì)量越大，熔沸點越高，如熔沸點：o2n2、hihbrhcl。組成結(jié)構(gòu)不相似的物質(zhì)，分子的極性越大，其熔沸點就越高， 如熔沸點：con2。由上述可知，同類晶體熔沸點比較思路為：原子晶體共價鍵鍵能鍵長原子半徑、分子晶體分子間作用力相對分子質(zhì)量。要點六、分子晶體1、定義：含分子的晶體稱為分子晶體，也就是說，分子間以分子間作用力相結(jié)合的晶體叫做分子晶體。例：干冰晶體中只含有co2分子，碘晶體中只含有i2分子。2、構(gòu)成微粒：分子。3、微粒間的作用力：分子間作用力范德華力和氫鍵一般來說，對于組成和結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，物質(zhì)的熔沸點就越高。但是有些氫化物的熔點和沸點的遞變不完全符合此規(guī)律。例如： h2o的沸點就出現(xiàn)反常。因為h2o分子之間的主要作用力是氫鍵(當然也存在范德華力)。氫鍵形成的過程：氫鍵形成的條件：半徑小，吸引電子能力強的原子(n、o、f)與h原子；氫鍵的定義：半徑小、吸引電子能力強的原子與h原子之間的靜電吸引作用。氫鍵可看作是一種比較強的分子間作用力；氫鍵對物質(zhì)性質(zhì)的影響：氫鍵使物質(zhì)的熔沸點升高。如h2o、hf、nh3的沸點出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。4、較典型的分子晶體：所有非金屬氫化物，如水、硫化氫、氨、氯化氫、甲烷等；部分非金屬單質(zhì)，如鹵素x2、氧(o2)、硫(s8)、氮(n2)、白磷(p4)、碳60(c60)等；部分非金屬氧化物，如co2、p4o6、p4o10、so2等；幾乎所有的酸；絕大多數(shù)有機物的晶體。5、分子晶體的物理特性：熔沸點較低、易升華、硬度小。一般都是絕緣體，固態(tài)和熔融狀態(tài)都不導(dǎo)電。6、分子晶體的結(jié)構(gòu)特點：對于大多數(shù)分子晶體結(jié)構(gòu)，如果分子間作用力只是范德華力。以一個分子為中心，其周圍通?？梢杂袔讉€緊鄰的分子。如o2、c60，把這一特征叫做分子緊密堆積。 實例：干冰的晶體結(jié)構(gòu)晶胞模型。干冰晶體中co2分子之間只存在分子間作用力不存在氫鍵，因此干冰中co2分子緊密堆積。每個co2分子周圍，最近且等距離的co2分子數(shù)目有12個。一個co2分子處于三個相互垂直的面的中心，在每個面上，處于四個對角線上各有一個co2分子，所以每個co2分子周圍最近且等距離的co2分子數(shù)目是12個。分子間除范德華力外還有其他作用力(如氫鍵)，如果分子間存在著氫鍵，分子就不會采取緊密堆積的方式。實例：冰的晶體結(jié)構(gòu)。在冰的晶體中，每個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子，形成正四面體。氫鍵不是化學(xué)鍵，比共價鍵弱得多卻跟共價鍵一樣具有方向性，而氫鍵的存在迫使四面體中心的每個水分子與四面體頂角方向的4個相鄰水分子的相互吸引，這一排列使冰晶體中空間利用率不高，皆有相當大的空隙，使得冰的密度減小。說明：分子的密度取決于晶體的體積，取決于緊密堆積程度，分子晶體的緊密堆積由兩個因素決定：范德華力和分子間氫鍵。要點七、原子晶體1、定義：相鄰原子間以共價鍵相結(jié)合而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。2、構(gòu)成微粒：原子。3、微粒間的作用力：共價鍵。4、原子晶體的物理性質(zhì)：熔、沸點很高，硬度很大；難溶于一般的溶劑；不導(dǎo)電。5、常見的原子晶體：某些非金屬單質(zhì)，如硼(b)、硅(si)、鍺(ge)等；某些非金屬化合物，如碳化硅(sic)、氮化硼(bn)等；某些氧化物，如氧化鋁(al2o3)等。小結(jié)：原子晶體可以為單質(zhì)，也可是化合物；原子晶體中微粒間的作用力為較強的共價鍵；由于原子晶體中，原子間用較強的共價鍵相結(jié)合，因而熔、沸點很高、硬度很大，并難溶于溶劑；原子晶體中，原子按一定規(guī)律在空間排列(見課本金剛石晶體結(jié)構(gòu)示意圖)；原子晶體熔點的比較，其實質(zhì)為鍵能的比較，可視為成鍵的兩原子核間距離的比較，即鍵長的比較；原子晶體中不存在單個分子，原子晶體的化學(xué)式不代表其分子式。6、典型的原子晶體金剛石金剛石中每個c原子以sp3雜化，每個碳原子被相鄰的4個碳原子包圍，以鍵跟4個碳原子相連，形成四面體。這些四面體向空間發(fā)展，構(gòu)成一個堅實的、彼此聯(lián)結(jié)的空間網(wǎng)狀晶體。每個 c-c鍵長相等，鍵角均為10928。晶體中最小環(huán)由6個c組成且不共平面，每個c原子周圍形成4個共價鍵，每2個共價鍵即可形成1個六元環(huán)，則可形成6個六元環(huán)，每個共價鍵被2個六元環(huán)共用，所以一個c原子可連接12個六元環(huán)。1個環(huán)中平均含有61/12=1/2個c原子，含c-c鍵數(shù)為61/6=1。注意：石墨雖和金剛石都是由碳原子形成的單質(zhì),但石墨是一種混合型晶體。層內(nèi)存在共價鍵,層間以分子間作用力結(jié)合,兼具有原子晶體、分子晶體的特征。層內(nèi)，每個碳原子與其他3個碳原子形成c-c鍵，構(gòu)成正六邊形，鍵角為120，形成平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此，石墨的熔點很高；但在層與層之間以分子間作用力結(jié)合，容易滑動，因此石墨的硬度很小。要點詮釋：各類晶體主要特征分子晶體 原子晶體 構(gòu)成晶體微粒 分子 原子 形成晶體的作用力 分子間作用力 共價鍵 物理性質(zhì)熔沸點 較低 很高 硬度 較小 較大 導(dǎo)電性 固態(tài)和熔融狀態(tài)都不導(dǎo)電 不導(dǎo)電 溶解性 相似相溶 難溶于常見溶劑 典型實例 p4、干冰、硫 金剛石、二氧化硅 【典型例題】類型一：晶體與非晶體的區(qū)分例題1 關(guān)于晶體和非晶體的說法不正確的是( )a晶體和非晶體的最大區(qū)別在于物質(zhì)內(nèi)部的微粒能否有序地規(guī)則排列 b晶體在合適條件下可以自發(fā)生成規(guī)則的幾何外形，非晶體從液態(tài)冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形體 c晶體在不同方向上表現(xiàn)不同的物性質(zhì)，非晶體物理性質(zhì)一般不隨方向的變化而改變。d晶體內(nèi)部微粒長程有序且重復(fù)排列，非晶體內(nèi)部長程無序、短程無序。 【思路點撥】本題考查晶體與非晶體的區(qū)別，注意對基本概念的理解?！敬鸢浮縟【解析】非晶體內(nèi)部微粒長程無序，短程有序，d說法不正確。【總結(jié)升華】晶體粒子在微觀空間里的排列與結(jié)構(gòu)的有序性，使晶體表現(xiàn)出許多與非晶體不同的性質(zhì)。如熔點、強度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等。舉一反三：【變式1】下列物質(zhì)有固定熔、沸點的是( )acuso4溶液 b石蠟 c玻璃 d白磷【答案】d【解析】bc是非晶體，a是混合物。【變式2】晶體與非晶體的嚴格判別可采用( )a有否自范性b有否各向同性c有否固定熔點 d有否周期性結(jié)構(gòu)【答案】d【解析】晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別是組成物質(zhì)的粒子在微觀空間是否有序排列。類型二：判斷晶體類型的依據(jù)例題2 與分子晶體中分子的堆積情況無關(guān)的是( ) a范德華力無方向性和飽和性 b氫鍵具有方向性和飽和性 c分子的具體形狀d分子內(nèi)共價鍵的方向性和飽和性【思路點撥】分子晶體是否密堆積與分子間作用力是否有方向性和飽和性有關(guān)?！敬鸢浮縟【解析】分子晶體中的范德華力無方向性和飽和性，所以分子排列時可以遵循緊密堆積原理，但分子形狀如果與圓球差別很大，則會影響堆積情況，如果分子晶體中存在氫鍵，氫鍵的方向性和飽和性則會直接決定分子的排列，分子內(nèi)部的共價鍵不會影響分子的堆積情況?！究偨Y(jié)升華】判斷晶體類型的方法有很多，可根據(jù)物質(zhì)的分類判斷，可根據(jù)構(gòu)成晶體的微粒判斷等，另外要記憶常見物質(zhì)的晶體類型。舉一反三：【變式1】氮化硼很難熔化，加熱至3000方可熔化，下列對氮化硼的敘述，不正確的是( )a氮化硼是分子晶體 b氮化硼是原子晶體c氮化硼是離子晶體 d化學(xué)式為bn【答案】ac類型三：晶胞與晶體的關(guān)系例題3 如下圖表示一些晶體中的某些結(jié)構(gòu)，它們分別是nacl、cscl、干冰、金剛石、石墨結(jié)構(gòu)中的某一種的某一部分：(1)代表金剛石的是_(填字母，下同)，其中每個碳原子與_個碳原子最接近且距離相等。金剛石屬于_晶體。在金剛石晶體中，c原子所連接的最小環(huán)為六元環(huán)，每個c原子連接 個六元環(huán)，六元環(huán)中最多有 個c原子在同一平面。(2)代表石墨的是_，每個c原子連接_個六元環(huán)，每個正六邊形占有的碳原子數(shù)平均為_個。(3)代表nacl的是_，每個na+周圍與它最接近且距離相等的na+有_個。(4)代表cscl的是_，它屬于_晶體，每個cs+與_個cl-緊鄰。(5)代表干冰的是_,它屬于_晶體，每個co2分子與_個co2分子緊鄰?！舅悸伏c撥】 解答這類習(xí)題，通常采用分攤法?！敬鸢浮?1)d4原子12 4(2)e 32(3)a12(4)c離子8(5)b分子12【解析】根據(jù)不同物質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)特點來辨別圖形所代表的物質(zhì)。nacl晶胞是簡單的立方單元，每個na+與6個cl-緊鄰，每個cl-又與6個na+緊鄰，但觀察na+與最近且等距離的na+數(shù)時要拋開cl-，從間結(jié)構(gòu)上看是12個na+，即x軸面上、y軸面上、z軸面上各4個。cscl晶體由cs+、cl-構(gòu)成體心立方結(jié)構(gòu)。干冰也是立方體結(jié)構(gòu)，但在立方體每個正方形面的中央都有一個co2分子，稱為“面心立方”。所以每個co2分子在三維空間里x、y、z三個面各緊鄰4個co2，共12個co2分子。金剛石的基本單元是正四面體，每個c原子緊鄰4個其他碳原子即每個c原子周圍形成4個共價鍵，每2個共價鍵即可形成1個六元環(huán)，則可形成6個六元環(huán)，每個共價鍵被2個六元環(huán)共用，所以一個c原子可連接12個六元環(huán)；根據(jù)數(shù)學(xué)知識，3個c原子可形成一個平面，而每個c原子都可構(gòu)成1個正四面體，所以六元環(huán)中最多有4個c原子共面。石墨的片層由正六邊形結(jié)構(gòu)組成，每個碳原子緊鄰3個碳原子，即每個六邊形占有1個碳原子的1/3，所以大的結(jié)構(gòu)中每個六邊形占有的碳原子數(shù)是61/3=2個?！究偨Y(jié)升華】晶體結(jié)構(gòu)、晶胞對質(zhì)點的占有率類習(xí)題，最常見的題型就是已知晶胞的結(jié)構(gòu)而求晶體的化學(xué)式。解答這類習(xí)題首先要明確一個概念：由晶胞構(gòu)成的晶體，其化學(xué)式不一定是表示一個分子中含有多少個原子，而是表示每個晶胞中平均含有各類原子的個數(shù)，即各類原子的最簡個數(shù)比。舉一反三：【變式1】如下圖所示是晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單元(晶胞)的排列方式，圖中x、y、 z。其中對應(yīng)的化學(xué)式不正確的是_。 【答案】be【解析】a圖中x、y原(離)子的位置、數(shù)目完全等同，化學(xué)式xy正確；b圖中x、y的個數(shù)比為1(8)=11，化學(xué)式x2y錯誤；c圖中，x的數(shù)目：，y的數(shù)目：，化學(xué)式x3y正確；d圖中，x的數(shù)目：8=1，y的數(shù)目：6=3，z位于體心，數(shù)目為1，化學(xué)式xy3z正確。e圖不是一個平行六面體晶胞，而是一個正三棱柱結(jié)構(gòu)，它分攤到的粒子數(shù)目分別為：頂點，水平棱上，豎直棱上，內(nèi)部1，x都在頂點，6個y在水平棱上，3個y在豎直棱上，z位于內(nèi)部，所以x、y、z三種粒子數(shù)之比為，化學(xué)式x6y9z不正確。【變式2】某物質(zhì)的晶體中含a、b、c三種元素，其排列方式如圖所示(其中前后兩面心上的b原子未能畫出)，晶體中a、b、c的原子個數(shù)之比依次為()a1:3:1 b2:3:1c2:2:1 d1:3:3【答案】a【解析】a原子是8個1/8，b原子是6個1/2，c原子是1.類型四：晶體熔、沸點的比較規(guī)律例題4據(jù)報道，科研人員應(yīng)用電子計算機模擬出類似c60的物質(zhì)n60，試推測下列有關(guān)n60的說法正確的是( )an60易溶于水bn60是一種原子晶體，有較高熔點和硬度cn60的熔點高于n2dn60的穩(wěn)定性低于n2【思路點撥】不同晶體類型的熔沸點取決因素不同，熔沸點的高低有一定差異?！敬鸢浮?