第三章 第1节 认识晶体[选修3]鲁科版

第1节认识晶体精彩图文导入具有鲜艳深蓝色的透明钻石，是稀世珍品，大粒者世界上仅有几颗，名钻“希望”，就是其中之一。

现存于世的钻石“希望”，重45.52克拉，具有权其罕见的深蓝色。

据说，它不仅蓝得美丽，而且似乎发射出一股凶恶的光芒，这可能是因为在它那像迷雾一样的历史中，充满了奇特和悲惨的经历，它总是给它的主人带来难以抗拒的噩运之故。

而现在这颗历尽坎坷，蒙受了无数不白之冤的美丽蓝钻“希望”，得到了它适宜的归宿。

温斯顿将它作为礼物捐献给了国家，它现在藏于美国华盛顿的史密森研究所。

从此，它再也不是炫耀豪华和财富，或增加个人娇美的装饰品了，而是成了科学研究的标本。

随着人们生活水平的不断提高，宝石也逐渐走进了寻常百姓家。

由于宝石价格昂贵，一些不法商贩常常以假充真、以次充好欺骗消费者。

而一旦购入了假宝石，则会给消费者带来很大的经济损失。

要想鉴别真假宝石，我们必需了解宝石的结构，宝石就是我们常见的晶体之一，那么究竟什么样的物质才能称为晶体？晶体具有什么样的结构和性质？一细品教材一、晶体的特性1.晶体与非晶体（1）晶体定义：内部粒子（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：食盐、干冰、金刚石等。

（2）非晶体定义：内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质。

如：橡胶、松香、玻璃等。

【例1】下列物质属于晶体的是（）（双选）A.橡胶B.玻璃C.食盐D.水晶注意：晶体和非晶体都是针对固体来说的。

2.晶体的特性（1）具有规则的几何外形在适宜的条件下，晶体能够自发的呈现封闭的规则的多面体外形，这称为晶体的自范性。

非晶态物质没有这个特性。

①有规则的几何外形是指物质在凝固或从溶液中结晶的自然生长过程中，能自发地形成规则的多面体外形，而不是指加工成某种特定的几何形状。

②所谓自范性即“自发”进行，但这里得注意，“自发”过程的实现仍需一定的条件。

例如：水能自发地从高处流向低处，但不打开拦截水流的闸门，水库里的水不能下泻。

其中最重要的条件是晶体的生长速率适当。

例如同样是熔融态的二氧化硅，快速的冷却得到玛瑙，而缓慢冷却得到水晶过程。

总结：晶体形成的一段途径：a.熔融态物质凝固；b.气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）；c.溶质从溶液中析出。

（2）各向异性晶体在不同的方向上表现出不同的物理性质即各项异性。

如：例如：蓝晶石（Al2O3·SiO2）在不同方向上的硬度不同；石墨在与层垂直的方向上的导电率与层平行的方向上的导电率1∕104。

解释：对于晶体来说,许多物理性质：如导电性、导热性、膨胀系数、折光率、硬度、光学性质等，因研究角度不同而产生差异，即为各向异性。

好比同一幅图案来说,从不同的方向审视,也会产生不同的感受。

（3）晶体具有特定的对称性晶体的特征除了具有规则几何外形、各向异性、对称性外，还具有固定的熔、沸点等其他特征。

【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.晶体与非晶体的根本区别在于是否具有规则的几何外形。

C.具有各向异性的固体一定是晶体。

D.晶体、非晶体具有固定的熔点3.晶体的分类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。

对于常见的晶体，例如：氯化钠是Na+与Cl-通过离子键形成的晶体称为离子晶体；金属铜是以金属键为基本作用所形成的晶体，称为金属晶体；金刚石是碳原子间完全通过共价键形成的晶体称为原子晶体；冰是水分子间通过分子间相互作用形成的晶体称为分子晶体。

总结：关于晶体四种类型的划分要把握住两点：“微粒种类”和“微粒间相互作用”不同。

【例3】将晶体划分为离子晶体、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二、晶体结构的堆积模型探究与交流：X射线衍射实验测定的结果表明，组成晶体的微粒在空间为什么大都服从紧密堆积原理？因为分别借助于没有方向性的金属键、离子键和分子间相互作用形成的金属晶体、离子晶体和分子晶体的结构中，都趋向于使原子或分子吸引尽可能多的原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。

总结：对密堆积原理的理解应注意，各类晶体的构成微粒为什么尽可能采取密堆积的形式形成晶体？晶体的构成微粒采取密堆积的形式形成晶体可以提高空间利用率，降低体系能量，整个体系的能量越低，所形成的晶体就越稳定。

1.等径圆球的密堆积由于金属键没有方向性，每个金属原子中的电子分布基本是球对称的，所以可以把金属晶体看成是由直径相等的圆球的三维空间堆积而成的。

等径圆球的密堆积方式有A3型最密堆积和A1最密堆积。

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。

①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。

②等径圆球在一个平面上进行最紧密堆积排列有一种，即只有当每个等径圆球与周围其它六个球相接触时，才能做到最紧密堆积，这称为密置层。

每个等径圆球与其它六个球相接触。

③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唯一堆积方式，就是将两个密置平行地错开一点，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（见上图）。

④在密置双层的基础上再堆积第三层时，一种堆积方式是第三层与第一层相同，第3层与第1层的圆球球心相对应，第3层相当于第1层，之后的第4、6、8……个密置层的圆球正好与第2层相对应，第5、7、9……个密置层都与第1层相对应，这样形成了“…ABABAB…”堆积，称为六方堆积，又称为A3型紧密堆积。

另一种堆积方式是第三层小球的球心正好落在第一层球形成的另一类空隙的中心，这样形成了“…ABCABCABC…”堆积，称为面心立方堆积，又称为A1型紧密堆积。

总结：在A1和A3型结构的金属单质晶体中，每个金属原子的配位数均为12，即每个原子是与12个原子（同一密置层中六个原子，上、下层中各三个原子）相邻接。

这两种堆积方式是在等径圆球密堆积中最紧密的，配位数最高，空隙最小。

2.非等径圆球的密堆积由离子构成的晶体可视为不等径圆球的密堆积，即将不同半径的圆球的堆积看成是大球采取等径圆球密堆积，小球填入大球的空隙。

在分子晶体中，由于范德华力没有方向性和饱和性，因此分子间尽可能采取密堆积方式，但分子的排列与分子形状有关，例如干冰中直线型的二氧化碳分子在空间是以A1型密堆积方式形成晶体的。

原子晶体中微粒间以共价键结合进行堆积时，由于共价键具有方向性和饱和性，就决定了原子周围的其他原子的数目和堆积方向是一定的，所以原子晶体不符合密堆积原理。

总结：①密堆积模型适合于靠无方向性的化学键形成的晶体。

②分子晶体由于不是等径圆球，而是有一定的形状和结构，因此分子晶体采取尽可能密堆积的结构。

但有些分子晶体分子间靠氢键结合形成晶体，如苯甲酸晶体、冰等。

氢键是有方向性的，因此与原子晶体类似，一个分子周围其他分子的数目和位置是一定的，不采取密堆积结构。

【例4】下列叙述，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方式堆积三.晶体结构的基本单元1.晶胞定义：晶胞是晶体中最小的结构重复单元。

晶胞都是从晶体结构中截取下来的大小、形状完全相同的平行六面体。

由A3密堆积中可以划分出六方晶胞，从A1密堆积中可以划分出立方面心晶胞。

整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞无隙并置而成，所谓无隙是指相邻晶胞之间没有任何间隙，所谓并置是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。

晶胞是具有代表性的体积最小的平行六面体。

总结：对晶胞的理解主要抓住两点：①它是晶体中最小的结构重复单元这一关键点，可用蜂巢和蜂室的关系比喻晶体和晶胞的关系。

晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。

2.晶胞中的微粒数的求法晶体中微粒的排列具有周期性，其中最小的结构重复单元称为晶胞，利用分摊法可以确定一个晶胞中的粒子数，可以确定晶体的化学式。

（1）分摊法的知识要点晶胞任意位置上的一个原子如被x个晶胞共有，那么每个晶胞对这个原子分得份额就是1/x。

分摊法就是指每个晶胞平均拥有的粒子数目。

①每个顶点被8个晶胞共有，所以晶胞对自己顶点上的每个原子只占1/8份额；②每条棱被4个晶胞共有，所以晶胞对自己棱上的每个原子只占1/4份额；③每个面被2个晶胞共有，所以晶胞对自己面上（不含棱）的每个原子只占1/2份额；④晶胞内的原子不与其他晶胞分享。

总结：解题时首先观察晶胞的结构，然后利用分摊法解题。

【例5】如图为铜的面心六方晶胞，求铜的一个晶胞中实际拥有的微粒数？二综合探究1.区分晶体与非晶体有人认为：可以依据是否有规则的几何外形，是否具有各向异性，是否有固定的熔点。

而有人认为：区分晶体与非晶体的最可靠的方法是对固体进行X射线衍射实验。

你怎么认为？晶体和非晶体的本质区别：固体中的微粒在三维空间里是否呈周期性有序排列，即晶体呈现自范性，这是组成晶体的微粒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体和非晶体。

有些晶体存在缺陷，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不是晶体。

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，因此是区分晶体和非晶体的最可靠的科学方法。

总结：考察事物时还要努力揭示现象和本质的关系，晶体具有的规则几何外形、各向异性、固定的熔点都是外部表现出的特征，而X—射线衍射实验涉及到了事物的本质，揭示了晶体内部微粒呈现周期性有序排列这一本质特征。

2.晶体的本质特征是什么？晶体的定义是从微观层面上进行本质界定的，此定义是在分析晶体的宏观特征的基础上提出来的。

晶体的自范性和对称性说明了晶体内部的基本构成微粒按一定规律周期性重复排列，晶体的各向异性又进一步说明了晶体内部的晶体基本构成微粒排列时满足一定的方向要求，并不是所有方向上都有排列的。

总结：对于晶体基本特征的认识，要把握住晶体内部的微粒在空间按一定规律做周期性重复排列这一本质特征。

有了这一特征，晶体才表现出有规则的几何外形、各向异性、特定的对称性和自范性等基本特征。