最新人教版高中化学《晶体的常识》名师导航

第一节　晶体的常识

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知识梳理

1.固体分为__________和__________，__________能自发呈现多面体外形，即有__________性，其构成粒子在三维空间里呈__________排列。相反，__________中粒子的排列__________，因而无__________。

2.晶体与非晶体本质差异

3.晶体具有自范性的本质是__________　。

4.自发过程，即__________的过程。“自发”过程的实现，仍需要一定的条件。晶体呈自范性的条件之一是__________。

水晶球是岩浆里__________侵入地壳内的空洞冷却形成的。剖开水晶球，常见它的外层是看不出晶体外形的__________，内层才是呈__________的__________。熔融态的SiO2快速冷却形成__________，缓慢冷却形成__________。

5.得到晶体一般有三条途径：（1）__________。（2）__________。（3）__________。

6.碘的升华实验

在一个小烧杯里加入少量碘，用一个表面皿盖在小烧杯上，并在表面皿上加少量冷水，然后将小烧杯放在石棉网上加热。

（1）在表面皿上加少量冷水的目的是__________。

（2）实验中可以观察到的现象有__________。

（3）该过程中发生的是__________（填“物理”或“化学”）变化。

（4）把碘单质换成氯化铵，同样会看到小烧杯中的固体逐渐减少以至消失，在表面皿底部出现氯化铵晶体。这个过程与碘的变化过程__________（填“是”或“不”）相同。

7.晶体与非晶体的区别除是否有自范性外，晶体的许多物理性质，如__________、__________、__________等方面常常会表现出__________，而非晶体则不具有物理性质__________。晶体的__________同样反映了晶体内部质点排列的__________。

8.根据固体的某些性质，如熔点，可以间接地确定某一固体是否是晶体，因为晶体的熔点__________，而非晶体则没有__________。然而，区分晶体和非晶体的最可靠的科学方法是__________，如果是晶体，其图谱中会出现__________。

9.晶胞是__________，一般来说，晶胞都是__________。在观察晶胞图时，千万不能忘记，晶胞只是__________一个基本单元，在它的__________排列着无数晶胞，而且所有晶胞的__________及其内部原子的__________、__________及__________是完全相同的。

10.整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成，所谓“无隙”是指__________，所谓“并置”是指__________。

11.对于一个平行六面体的晶胞来说，晶胞顶角上的原子是__________个晶胞共用的，晶胞棱上的原子是__________个晶胞共用的，晶胞面上的原子是__________个晶胞共用的，晶胞内部的原子则__________。

知识导学

晶体能“自发”地呈现多面体外形，一些非晶体虽然也有规则的几何外形，但不是“自发”形成的。学习时一定要清楚这一点，否则就不能正确理解晶体和非晶体的区别。

晶体有自范性，即会自发地生长出由晶面、晶棱和顶点构成的完整几何多面体外形。

晶体呈现自范性是有条件的，只有明白了这一点才能理解二氧化硅为什么既可以形成非晶体玛瑙又可以形成水晶晶体。

事物是复杂的，现象是事物本质的反映，但是现象相同本质未必相同。本实验中的碘和氯化铵，实验现象极其相似，很多同学误以为是同样的变化所导致的。其实不然，碘的升华和凝华是物理变化，而氯化铵则是经历了分解和重新生成两个化学变化过程。

物质的组成和结构决定物质的性质，物质的性质体现物质的结构。这是学习本模块需要贯穿始终的一个重要思想。晶体的规则几何外形、各向异性、固定熔点都是其微观结构的反映。因此晶体和非晶体的本质区别是微观结构层次的不同，因而能精确反映物质微观结构信息的X射线衍射实验才是区别晶体和非晶体的最可靠的科学方法。

不能把晶胞仅仅理解为晶体中的基本单元。必须是能够在晶体中通过无隙并置构成整块晶体的基本结构单元才是晶胞。比如在金刚石中，我们可以找到的最小单元是以一个碳原子为中心连接四个碳原子的正四面体结构，但是这个最小单元不能通过无隙并置构成整块的金刚石，所以它不是金刚石的晶胞。

可以说，只要晶体中的某个结构单元可以无隙并置地充满整个微观空间，就可以将其作为晶胞。所以，晶胞不一定就是平行六面体，但应强调指出，若不特别指明，三维的“习用晶胞”都是平行六面体，二维平面上的晶胞则是平行四边形。

疑难突破

1.怎样区别晶体和非晶体？

剖析：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。晶体的规则几何外形是其内部质点规则排列的反映，整个晶体就是由很小的有规则形状的晶体格子堆砌起来的。晶体的这一特征可以通过X射线衍射图谱反映出来，所以区别晶体和非晶体的最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验。

晶体一般存在各向异性，即晶体在不同方向上的传热、导电、光的折射等物理性质不同。晶体具有各向异性，是由于在结点结构中，任一物质粒子与周围粒子之间并不处于球形对称状态，因而晶体中沿不同方向上物质粒子的排列情况有所不同，造成了不同方向上物理性质的不同。这就是晶体在宏观上表现出具有各向异性的原因。

晶体和非晶体的另一个区别是：晶体的熔点较固定，而非晶体则没有固定的熔点。所以，通过考察固体的熔点可以间接地确定某一固体是否是晶体。

2.怎样理解晶体中晶胞的无隙并置？

剖析：晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列，所以在描述晶体时无须画出千千万万个原子或离子或分子，只要从晶体中抽取出一个可以不断重复的结构单元即可。这个不断重复的结构单元就是晶胞，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。如图3－1所示（左下图是金属铜的晶胞示意图，右下图是多个晶胞无隙并置的情况）：

图3－1

从图中可以看出，所谓“无隙”是指相邻晶胞之间没有任何间隙，即相邻晶胞共用面和棱，共享面和棱上的粒子；所谓“并置”是指所有晶胞都是平行排列的且取向相同，体现了周期性和有序性。

3.如何计算晶胞中各种粒子的数目？晶体的化学式是怎样确定的？

剖析：已知晶胞的结构求晶体的化学式，是晶体结构中常见的题型。同学们首先应该明确：晶体是由无数个晶胞通过无隙并置构成的，晶体的化学式表示的是晶体（也可以说是晶胞）中各类原子或离子的最简整数比。

解答这类习题通常采用分摊法。晶胞中的粒子并不一定为这个晶胞所独占，一般来说，只有晶胞内部的粒子才完全属于该晶胞，而晶胞表面的粒子是被多个晶胞所共有，在计算时，我们要考虑每一个粒子能分摊到一个晶胞的比例，这就是所谓的分摊法。

分摊法的基本原则是：晶胞表面任意位置的一个粒子，若被N个晶胞所共有，则每个晶胞拥有该粒子的份额就是1/N。通常晶胞为平行六面体，每个位置上粒子分摊到一个晶胞的份额如下表所示：

这一点也可以从图3－2中看出：

图3－2

这样，求出了每个晶胞中不同粒子的个数比就可以确定该晶体的化学式。

疑难导析

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。一切宏观上的差别都是由这个本质所决定的。

要清楚晶体的规则几何外形与晶体内部质点的排列情况有无关系，晶体是怎样堆砌起来的，怎样证明晶体的结构特征。

还要弄清晶体是否具有各向异性，是否在不同方向上的传热、导电、光的折射等物理性质上都有体现，这与组成晶体粒子的排列情况有什么关系，晶体的熔点是否固定，非晶体的熔点是否固定等。

能否理解“无隙并置”，直接影响对晶胞和晶体关系的把握。因为整块晶体就是由无数晶胞以无隙并置堆砌起来的。在学习时，要注意根据示意图，发挥想象，在头脑中构建起晶体的三维微观图像，另外也可以充分利用宏观物体来帮助理解。比如，将一定数量的规格相同的箱子整齐地堆砌起来，这并非无隙并置，因为每个箱子仍然拥有各自的面，没有出现共用。再如，将一个箱子用隔板分隔成大小相等的若干小立方格子，这就比较接近“无隙并置”，因为相邻的立方格子使用共同的面和顶点。

分摊法是有关晶胞计算的基本方法，只要理解了晶胞通过无隙并置可以构成整块晶体，就比较容易理解分摊法了。

使用分摊法的关键是要清楚晶胞中的每个粒子与几个相邻的晶胞共用。掌握了这个关键，我们不仅可以迅速计算平行六面体晶胞中所含的各种粒子的数目，也可以计算其他形状的三维晶胞或者二维平面晶胞中所含的各种粒子的数目。图3－3是直六棱柱无隙并置的局部示意图，据此我们可以确定六棱柱晶胞中各个位置上的粒子的分摊情况。

图3－3

问题探究

问题1：要制备硫酸铜晶体，如何选择制备条件？请加以探究。

探究：（1）在100 mL水中加入40 g CuSO4·5H2O，加热溶解，然后冷却至室温。

（2）取三支大试管，分别加入20 mL饱和的热CuSO4溶液，在第一支试管里加入4 mL浓H2SO4，第二支试管里加入4 mL浓盐酸，第三支试管不加任何酸。将三支试管中的溶液自然冷却，观察实验现象。将溶液继续冷却至室温后，对三支试管中析出的晶体进行比较和称量，发现什么现象。

现象：（1）看不到有晶体析出。

（2）可观察到第一支试管中首先析出晶体，第二支试管中最后析出晶体。将溶液继续冷却至室温后，对三支试管中析出的晶体进行比较和称量：第一支试管里析出晶体的颗粒大且量多，第二支试管里析出的晶体颗粒比第三支试管中析出的晶体颗粒小且量少。

分析：（1）硫酸铜在水中溶解度较大，在室温下（20～25 ℃）很难有硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）析出。

（2）第一支试管里加入4 mL浓H2SO4，因为产生同离子效应使CuSO4的溶解度减小，从而析出的硫酸铜晶体数量增多；第二支试管里加入4 mL浓盐酸，相当于稀释了CuSO4溶液，降低了其浓度，从而使析出的硫酸铜晶体偏少。

问题2：教材中从三个方面对晶体和非晶体进行了区分，即①是否有规则的几何外形，②是否具有各向异性，③是否有固定的熔点。但是，在课本P64第三段中却说“区分晶体和非晶体的最可靠的科学方法是对固体进行X射线衍射实验”。请你查阅资料，探究原因。

探究：晶体和非晶体的本质区别是：固体中的粒子在三维空间里是否呈周期性有序排列。晶体规则的几何外形是“自发”形成的，这是组成晶体的粒子在微观空间里周期性有序排列的宏观表现。玻璃不属于晶体，却可以通过人工干预，加工成不同的几何形状。因此，通过几何外形来判断晶体和非晶体就不十分可靠。

晶体有单晶和多晶之分。由一个晶核各向均匀生长而成的晶体为单晶（如冰糖、单晶硅），其内部的粒子呈现周期性有序排列，可以表现出各向异性。多晶体是由很多单晶体杂乱聚结而成，失去了各向异性。所以，我们便不能通过各向异性来区分多晶和非晶体。

而有些晶体由于存在缺陷，也不一定就有固定熔点。所以根据是否具有固定熔点也只能粗略地判断某固体是否是晶体。

X射线衍射实验是从微观上对晶体结构进行测定，可以得到晶胞的大小、形状以及晶胞中原子或离子的位置等信息，因此是区分晶体和非晶体的最可靠的科学方法。

问题导思

第一个实验，信息量少，主要涉及温度、溶剂和溶质的量，所以应该从物质的溶解度出发，考虑能否析出晶体。

第二个实验中三个试管的情况相互对照，关键是抓住三者的不同之处来考虑。

第一个实验设计的意图是看制备硫酸铜晶体时，硫酸铜在水中溶解度对硫酸铜晶体析出有无影响。

第二个实验设计的意图是看制备硫酸铜晶体时，通过加入与硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）能电离出同离子的浓H2SO4，判断同离子效应对硫酸铜晶体析出有无影响；通过加入与硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）不能电离出同离子的浓盐酸，判断稀释了CuSO4溶液，对硫酸铜晶体析出有无影响。

第二个实验通过不加任何酸、加浓H2SO4、加浓盐酸三种情况的比较以找出制备硫酸铜晶体的合适条件。

解决这个问题，首先需要注意“特殊”和“一般”的关系。在总结规律时，人们往往对一类事物的共性进行概括，但是并不排斥有例外或者说特殊情况。

要清楚晶体和非晶体的本质区别是什么，晶体规则的几何外形是否是“自发”形成的，有规则几何外形的固体是否一定是晶体。

要明确在使用三个标准区分晶体和非晶体时，在大多数情况下是否可以得出正确的结论，是否有一些例外，单晶和多晶是否都有各向异性，有些晶体是否存在缺陷。

另外，考察事物时还要努力揭示现象和本质的关系，教材中从三个方面对晶体和非晶体进行了区分，这三个判断标准是否是从外在表现出发的，而X射线衍射实验是否涉及了事物的本质。

典题精讲

【例1】某离子化合物的晶胞如图3－4所示。阳离子位于晶胞的中心，阴离子位于晶胞的8个顶点上，则该离子化合物种阴、阳离子的个数比为(　　)

图3－4

A.1∶8 B.1∶4 C.1∶2 D.1∶1

思路解析：离子晶体是由晶胞在三维空间里通过无隙并置构成的。每一个晶胞中的粒子属于该晶胞的份额计算方法如下：

顶点上的粒子，被8个晶胞共用，一个晶胞占1/8；棱上的粒子，被4个晶胞共用，一个晶胞占1/4；面上的粒子，被2个晶胞共用，一个晶胞占1/2；晶胞内的粒子，完全属于该晶胞。

由图可知，阳离子位于晶胞的中心，属于该晶胞的数目为1，阴离子位于晶胞的8个顶点上，属于该晶胞的数目为8×1/8=1，因此，阴离子与阳离子的个数比为1∶1。

答案：D

【例2】某晶胞结构如图3－6所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心。试分析：

图3－6

（1）在一个晶胞中有__________个X，__________个Y，晶体的化学式为________________。

（2）晶体中距离最近的两个X与一个Y所形成的夹角∠XYX角度为__________（填角的度数）。

思路解析：（1）Y的个数为1，X的个数为4×1/8=1/2，所以X∶Y=1∶2，因此化学式为XY2。（2）X与Y之间的连接线构成一个正四面体，类似甲烷的分子结构，所以∠XYX角度等于甲烷中的键角，为109.5°。

答案：（1）1　1/2　XY2　（2）109.5°

典题导考

绿色通道：解这类题关键是要弄清楚：一个结构单元中的粒子是完全属于该结构单元，还是与相邻的结构单元共用；如果与相邻的结构单元共用，要清楚是被几个结构单元共用。据此可以计算出一个结构单元中所占用的粒子数目。这种思想也可以扩展到化学键的 分析。

【典题变式1】石墨是一种具有片层结构的晶体，层与层之间的相互作用是范德华力，每一层为碳原子通过共价键形成的六元环并置形成的平面，图3－5为其部分结构。平均每一个最小的正六边形占有的碳原子数目为__________，拥有化学键的数目为__________。

图3－5

黑色陷阱：如果是一个晶胞，则只有立方体内部的粒子才完全属于该晶胞，顶点、棱上以及面上的粒子属于该晶胞的分别是1/8、1/4、1/2；如果是一个分子，则所有的原子都属于该分子。审题时，一定要注意这一点。

【典题变式2】最近发现了一种由金属原子M和非金属原子N构成的气态团簇分子，如图3－7所示，顶角和面的原子是M原子，棱中心和体心的原子是N原子，它的分子式为(　　)

图3－7

A.M4N4

B.MN

C.M14N13

D.条件不够，无法写出

典题变式答案

【典题变式1】2　3

【典题变式2】C

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/03a9a60b1fd9ad51f01dc281e53a580217fc505d.html