第3-1讲-物质的聚集状态与晶体的常识(解析版).docx

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第三章 晶体结构与性质
第一节 物质的聚集状态与晶体的常识

【典例1】（2022·四川宜宾·高二期末）下列区别晶体和非晶体最可靠的方法是
A．观察形状 B．光谱仪测定
C．X射线衍射法 D．质谱仪测定
【答案】C
【详解】
构成晶体的粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列，晶体的这一结构特征可以通过X-射线衍射图谱反映出来，因此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，故选C。
【典例2】（2021·辽宁大连·高二期末）下列关于晶体的说法正确的是
A．凡有规则几何外形的固体均为晶体
B．晶体在不同方向上的硬度、导热性、导电性均相同
C．水晶有固定的熔点，普通玻璃无固定的熔点
D．将饱和硫酸铜溶液冷却降温，析出的固体不是晶体
【答案】C
【解析】
A．具有规则几何外形的固体不一定是晶体，故A错误；
B．由于晶体内部质点排列的高度有序性，使得晶体在强度、导热性、光学性质等物理性质上常常表现为各向异性，故B错误；
C．水晶是晶体，有固定的熔点，普通玻璃是混合物无固定的熔点，故C正确；
D．得到晶体一般有三条途径：①熔融态物质凝固；②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)；③溶质从溶液中析出，所以将饱和硫酸铜溶液冷却降温，析出的固体是晶体，故D错误；
故选C。
【典例3】水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K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的密度相同，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．X射线通过玻璃态水时，能产生谱线
【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，X射线通过玻璃态水时不能产生谱线，因密度与普通水相同，故水由液态变为玻璃态时体积不变。
【典例4】（2022·浙江温州·高二期末）下列结构属于晶胞且对应的化学式不正确的是 (图中：●— X，○— Y)

A．XY
B．XY2
C．X2Y3
D．X2Y

【答案】B
【详解】
A．X个数为，Y个数为1，则化学式为XY，故A正确；
B．该物质不属于晶体，没有不能形成重复的结构，故B错误；
C．X个数为，Y个数为，则化学式为XY3，故C正确；
D．X个数为，Y个数为，则化学式为X2Y，故D正确。
综上所述，答案为B。
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一．物质的聚集状态
1．20世纪前，人们以为分子是所有化学物质能够保持其性质的最小粒子，物质固、液、气三态的相互转化只是分子间距离发生了变化。
2．20世纪初，通过X射线衍射等实验手段，发现许多常见的晶体中并无分子，如氯化钠、石墨、二氧化硅、金刚石以及各种金属等。
3．气态和液态物质不一定都是由分子构成。如等离子体是由电子、阳离子和电中性粒子(分子或原子)组成的整体上呈电中性的气态物质；离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。
4．其他物质聚集状态，如晶态、非晶态、塑晶态、液晶态等。
二．晶体与非晶体
1．晶体与非晶体的本质差异
固体
自范性
微观结构
晶体
有
原子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体
无
原子排列相对无序

2.获得晶体的三条途径
①熔融态物质凝固。
②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。
③溶质从溶液中析出。
3．晶体的特性
(1)自范性：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。
(2)各向异性：晶体在不同方向上表现出不同的物理性质。
(3)固定的熔点。
4．晶体与非晶体的测定方法
测定方法
测熔点
晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点
可靠方法
对固体进行X射线衍射实验
三．晶胞
1．概念
描述晶体结构的基本单元。
2．晶胞与晶体的关系
一般来说，晶胞都是平行六面体，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。
(1)“无隙”是指相邻晶胞之间无任何间隙。
(2)“并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。
(3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。
3．晶胞中粒子数目的计算
1.晶胞是最小的平行六面体，它有8个顶角，三套各4根平行棱，三套各两个平行面。
2．均摊法确定晶胞中粒子的个数
若晶胞中某个粒子为n个晶胞所共用，则该粒子有属于这个晶胞。
长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献

四．晶体结构的测定
1．常用仪器：X射线衍射仪。
2．测定过程：当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，会在记录仪上产生分立的斑点或者明锐的衍射峰。
3．作用：根据衍射图，经过计算可以获得晶体结构的有关信息。
精准变式题

（变式训练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．是否为具有规则几何外形的固体 B．是否具有各向异性
C．是否具有美观、对称的外形 D．内部微粒在空间是否呈周期性有序排列
【答案】D
【解析】
具有规则几何外形的固体不一定都是晶体，如玻璃，故A错误；具有各向异性的固体一定是晶体，但是否具有各向异性不是晶体和非晶体的本质区别，故B错误；美观对称的固体不一定都是晶体，如玻璃，故C错误；晶体与非晶体的本质区别在于其内部微粒在空间是否按一定规律呈周期性有序排列，故D正确。
（变式训练2）下列有关晶胞的叙述中正确的是(　　)
A．晶胞的结构是晶体的结构
B．不同的晶体中，晶胞的大小和形状都相同
C．晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞
D．已知晶胞的组成就可推知晶体的组成
【答案】D
【解析】
相同晶体中晶胞的大小和形状完全相同，不同晶体中，晶胞的大小和形状不一定相同，B选项错误；晶体中的大部分粒子被若干个晶胞所共有，不完全属于某个晶胞，C选项错误；知道晶胞的组成，利用“均摊法”即可推知晶体的组成，D选项正确。
（变式训练3）（2021·陕西金台·高二期末）某晶体晶胞中A、B、C三种元素原子的排列如图所示，C(∆)在晶胞的中心，则晶体中A、B、C的原子个数之比

A．1∶3∶1 B．2∶3∶1 C．8∶6∶1 D．4∶3∶1
【答案】A
【分析】
本题考查晶胞的计算，明确顶点、棱上以及面心上每个原子被几个晶胞所共有是解答本题关键。
【详解】
根据题给晶胞图可知，A、B、C分别位于顶点、面心和体心，顶点上的原子被8个晶胞共用，面心上的原子被2个晶胞共用，体心上的原子被1个晶胞占有。利用均摊法计算该晶胞中A、B、C三种原子个数。所以，该晶胞中A原子个数，B原子个数，C原子个数=1，所以晶体中A、B、C的原子个数比为1∶3∶1。A项正确；
答案选A。

1．（2022·四川绵阳·高二期末）X-射线衍射实验是鉴别晶体与非晶体最可靠的方法，下列属于晶体的是
A．玛瑙 B．陶瓷 C．水晶 D．玻璃
【答案】C
【详解】
X-射线衍射实验能够测出物质的内部结构，根据微粒是否有规则的排列就能区分出晶体与非晶体，水晶为晶体，玛瑙、陶瓷、玻璃都不是晶体，故选C。
2．（2020·四川省荥经中学高二期中）石墨晶体为层状结构，每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成平面片层，同层相邻碳原子间距142pm、相邻片层间距为335 pm。如图是其晶体结构片层俯视图。每一层由无数个正六边形构成，则平均每一个正六边形所占有的碳原子为

A．6 B．4 C．3 D．2
【答案】D
【详解】
如图，每个碳原子与周围三个碳原子相连，每个六边形中的一个碳原子占，六边形占有的碳原子为，故选D。
3．（2021·浙江·宁波市北仑中学高二期中）下列哪些性质或方法不能区别晶体与玻璃体
A．各向异性 B．X射线衍射
C．导电性 D．原子在三维空间里呈周期性有序排列
【答案】C
【详解】
根据晶体的特点和性质可知，晶体具有规则的几何外形、物理性质具有各向异性、衍射时能看到谱线、且晶体除金属晶体外，一般不容易导电，故选C项。
4．（2021·北京东城·高二期末）下列关于晶体性质的描述中，正确的是
A．晶体具有物理性质各向同性的特点
B．形成晶体的形态与结晶过程的速率无关
C．用射线衍射实验可以区分晶体和非晶体
D．晶体表现自范性的过程是自发过程，不需要外界条件
【答案】C
【解析】
A．由于晶体内部质点排列的有序性，所以晶体的某些物理性质具有各向异性的特点，故A错误；
B．晶体的形成都有一定的形成条件，如温度、结晶速率等，故B错误；
C．X射线衍射实验能够测出物质的内部结构，根据微粒是否有规则的排列可区分晶体与非晶体，故C正确；
D．晶体的自范性指晶体能自发地呈现多面体外形的性质，所谓自发过程，即自动发生的过程，不过自发过程的实现仍需要一定的外界条件，故D错误；
故选C。
5．（2021·广东肇庆·高二期末）最近发现一种由R、Q、T三种原子构成的气态团簇分子，其分子模型如图所示，则该分子的化学式为

A．RQT B． C． D．
【答案】D
【详解】
气态团簇分子与晶胞不同，改气态团簇分子中有多少原子，就是其分子式中原子的个数，观察气态团簇分子可知，分子中有8个R原子、6个Q原子和1个T原子，故该分子的化学式为R8Q6T，答案选D。
6．（2021·江苏·泗阳县实验高级中学高二阶段练习）如图所示是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式，图中○—X、●—Y、⊗—Z。其对应的化学式不正确的是
A． B． C． D．
【答案】B
【详解】
A．图中X、Y均处于顶点，且个数均为4，个数比为1：1，化学式为XY，故A正确；
B．Y有8个位于顶点，个数为8×=1，X位于体心，个数为1，个数比为1:1，化学式为X2Y，故B错误；
C．图中X的数目：4×＋1＝，Y的数目：4×＝，化学式X3Y正确，故C正确；
D．图中，X的数目：8×＝1，Y的数目：6×＝3，Z位于体心，数目为1，化学式XY3Z，故D正确；
故选：B。
7．（2022·浙江温州·高二期末）下列说法不正确的是
A．利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为光谱分析
B．核外电子的概率密度分布被称为电子云
C．等离子体和离子液体都具有良好的导电性
D．用X射线衍射摄取石英玻璃和水晶的粉末得到的图谱是相同的
【答案】D
【详解】
A．用光谱仪器摄取各种元素的电子的吸收光谱或发射光谱总称原子光谱，不同元素原子的吸收光谱或发射光谱不同，所以可以利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，故A正确；
B．电子云表示处于一定空间运动状态电子在核外空间的概率密度分布的描述，故B正确；
C．由大量带电微粒（离子、电子）和中性微粒（原子或分子）所组成的物质聚集体称为等离子体，等离子体和完全由离子组成的离子液体都具有良好的导电性，故C正确；
D．石英玻璃为非晶态二氧化硅，水晶为晶态二氧化硅，非晶态二氧化硅和晶态二氧化硅的X射线衍射粉末图谱不相同，则用X射线衍射摄取石英玻璃和水晶的粉末得到的图谱是不相同的，故D错误；
故选D。
8．（2021·四川省绵阳南山中学高二期中）下列说法正确的是
A．在沸水中配制明矾饱和溶液，然后急速冷却，可得到较大颗粒明矾晶体
B．晶体中分子间作用力越大，分子越稳定
C．元素周期表中位于金属和非金属分界线附近的元素属于过渡元素
D．可用X射线衍射实验区分晶体与非晶体
【答案】D
【详解】
A．在沸水中配制明矾饱和溶液，然后急速冷却，可得到较小颗粒明矾晶体，A错误；
B．晶体中分子间作用力越大，物质的熔沸点就越高，而分子的稳定性与分子内的化学键的强弱有关，与分子间作用力大小无关，B错误；
C．元素周期表中位于金属和非金属分界线附近的元素导电性介于导体和绝缘体之间，可以寻找半导体材料，不属于过渡元素，C错误；
D．根据X射线衍射图显示的信息，科学家能推知晶体内部的微观结构，故可用X射线衍射实验区分晶体与非晶体，D正确；
故合理选项是D。
9．（2021·天津静海·高二阶段练习）如图所示，CsCl晶体的晶胞(晶体中最小重复单元)，已知晶体中2个最近Cl—核间距为acm，氯化铯的相对分子质量为M，NA为阿伏加德罗常数，则CsCl晶体的密度为

A．g·cm-3 B．g·cm-3 C．g·cm-3 D．g·cm-3
【答案】C
【解析】
由晶胞结构可知，晶胞中铯离子个数为1，氯离子个数为8×=1，由晶体中2个最近Cl—核间距为acm可知，晶胞的参数为acm，设晶体的密度d为g·cm-3，由晶胞质量公式可得：a3d=，解得d=，故选C。
10．（2021·湖北十堰·高二期末）钛酸钡是一种典型钙钛矿型结构晶体，广泛应用于多层陶瓷电容器、热敏电阻器等方面，其立方晶胞结构如图所示，下列说法不正确的是

A．钛酸钡的化学式为
B．晶体中与每个紧邻且等距离的有6个
C．的配位数是4
D．若将置于晶胞体心，置于晶胞顶点，则位于立方体的面心
【答案】C
【解析】
A．由结构可知，Ba2+位于体心，个数为1；O2-位于棱心，个数为12=3；Ti4+位于顶点，个数为8=1；则钛酸钡的化学式为，故A正确；
B．根据晶胞结构可知，晶体中与每个紧邻且等距离的有6个，故B正确；
C．位于体心，周围有12个O2-，8个Ti4+，配位数是20，故C错误；
D．由晶胞结构可知，每个周围有6个O2-，若将置于晶胞体心，置于晶胞顶点，则位于立方体的面心，故D正确；
故选C。
11．（2021·山西·怀仁市大地学校高中部高二阶段练习）有一种钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式为

A．Ti14C13 B．TiC C．Ti14C4 D．Ti4C3
【答案】A
【解析】
根据题意知，该结构就是其分子结构，分子中含有的原子就是其化学式中含有的原子，直接数出其中的Ti原子和C原子个数即可，其分子式为Ti14C13，故选A。
12．（2021·新疆新源·高二阶段练习）下列说法正确的是
A．水晶和玛瑙都是晶体，都有固定的熔点
B．蓝宝石在不同方向上的硬度一定相同
C．区分晶体和非晶体的方法是看是否有规则的几何外形
D．晶胞是晶体结构的基本单元
【答案】D
【解析】
A．玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶则是缓慢冷却形成的，玛瑙是非晶体，水晶是晶体，玛瑙没有固定的熔点，A错误；
B．由于质点的有序排列，故晶体具有各向异性的性质，蓝宝石属于晶体，在不同方向上硬度有一些差异，B错误；
C．具有规则几何外形的固体不一定是晶体，区别晶体和非晶体最好的方法是对固体进行X射线衍射实验，C错误；
D．晶体由晶胞构成，晶胞是晶体结构的基本单元，是晶体结构中最小的重复单元，D正确；
故选D。
13．因生产金属铁的工艺和温度等因素不同，产生的铁单质的晶体结构、密度和性质均不同，对铁晶体用X射线衍射进行测定，测得A、B两种晶胞，其晶胞结构示意图如下：

则A、B两种晶胞中含有的铁原子数分别是：___________、___________个。
【答案】 2 4
【详解】
A晶胞中铁原子在8个顶点和1个中心，则含有铁原子是8×+1=2个；B晶胞中铁原子在8个顶点和6个面心，含有铁原子为8×+6×=4个。
14．(1)一种Pt、Co金属间化合物可作为质子交换膜燃料电池的催化剂，其晶胞结构如图1所示，该金属间化合物的中Pt与Co的个数比为___________。

(2)室温下，[Cu(NH3)4](NO3)2，与液氨混合并加入Cu可制得一种黑绿色晶体。黑绿色晶体的晶胞如图2所示，写出该晶体的化学式___________。
(3)如图3所示的是金红石的晶胞，则每个晶胞拥有___________个Ti4+、___________个O2-。
【答案】 3：1 Cu3N 2 4
【解析】
(1)根据均摊原则，1个晶胞中Pt原子数是、Co原子数是，Pt与Co的个数比为3:1；
(2) 根据均摊原则，1个晶胞中Cu原子数是、N原子数是，该晶体的化学式Cu3N；
(3)根据均摊原则，则每个晶胞拥有个Ti4+、个O2-。
15．（2021·北京通州·高二期中）Eu、Ti和O形成一种化合物，其晶胞为如图所示的立方体。

(1)Eu是镧系元素，位于元素周期表的_______。
A．s区 B．p区 C．d区 D．ds 区 E．f区
(2)在该晶胞中，Eu、Ti、O的粒子个数比是_______。
(3)若将Ti原子置于立方体的体心，Eu原子置于立方体顶角，则O原子处于立方体的_______位置。
A．体心 B．面心 C．棱心 D．顶角
(4)1个Eu原子和_______个O原子相邻，1个Ti原子和_______个O原子相邻。1个O原子和_______个Eu原子相邻，1个O原子和_______个Ti原子相邻。
【答案】 E 1：1：3 B 12 6 4 2
【解析】
(1)Eu是镧系元素，位于元素周期表的第六周期，物质在参加反应时，原子核外电子最外层、次外层及倒数第三层的电子都会发生变化，因此属于f区的元素，故合理选项是E；
(2)在该晶胞中，Eu原子个数为：1，Ti原子个数为：8×=1，含有的O原子个数为12×=3，则晶胞中Eu、Ti、O的粒子个数比是1：1：3；
(3)若将Ti原子置于立方体的体心，在一个晶胞中含有1个Ti原子，通过该Ti原子的8个晶胞中含有8个Eu原子，将8个Eu原子相连，形成一个立方体，Eu位于立方体的顶角上， O原子处于立方体的面心上，故合理选项是B；
(4)根据图示可知：在晶胞中与Eu原子距离相等且最近的O原子有12个，距离为晶胞面对角线的一半；以晶胞顶点Ti原子为研究对象，在晶胞中与Ti原子距离相等且最近的O原子有6个，分别位于Ti原子上下、前后、左右6个方向，距离为晶胞边长的一半；O原子位于晶胞棱边上，通过该棱边可以形成4个晶胞，每个晶胞中有一个Ti原子，因此与1个O原子和4个Eu原子距离相等且最近，距离是晶胞面对角线的一半；在1个O原子周围有2个Ti原子与O原子距离相等且最近，距离是晶胞边长的一半。