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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
本节从实验室常见的固体引入，介绍了自然界中绝大多数固体都是晶体，晶体与非晶体的本质
区别和性质上的差异。晶体呈现多面体的外形是由于晶体中的粒子在微观空间里呈现周期性有序排
列的结果。通过以铜晶体和铜晶胞为例，介绍了晶胞的概念和晶胞与晶体的关系。教学时要注意运
用多种教学媒体帮助学生理解教学内容，并让学生主动参与学习活动。
课程目标 学科素养
1. 了解晶体与非晶体的区别，了解获得晶体的一 a. 变化观念与平衡思想:认识物质的聚集状
般途径。 态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集
状态可能获得特殊的材料
2. 知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过
改变物质的聚集状态能获得特殊的材料。 b. 证据推理与模型认知：认识简单的晶胞
3. 认识简单的晶胞，类推其他晶胞的分析方法。 c. 科学探究与创新意识：晶体X射线衍射实
验是测定物质结构的基本方法和实验手段
4. 知道晶体X射线衍射实验是测定物质结构的基
本方法和实验手段。
5. 学会晶胞中微粒数的计算方法(均摊法)，能根
据晶胞的结构确定晶体的化学式。
重点：晶体与非晶体的区别；晶体的自范性、各向异性，结晶的方法、对晶胞的认识
难点：晶体与非晶体的区别、对晶胞的认识
多媒体调试、讲义分发
【新课导入】
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，物质三态的相互转化只是
分子间距离发生了变化，分子在固态只能振动，在气态能自由移动，在液态则介乎二者之间。【讲解】物质不同聚集状态的特点
物质的聚集状态 微观结构 微观运动 宏观性质
微粒紧密排列，微粒 在固定的位置上振 大多有固定的形状，几
固态
间的空隙很小 动 乎不能被压缩
微粒排列较紧密，微 介于固态和气态之 没有固定的形状，不易
液态
粒间的空隙较小 间 被压缩
没有固定的形状，容易
气态 微粒间的距离较大 可以自由移动
被压缩
【讲解】
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。例如，氯化钠、石
墨、二氧化硅、金刚石以及各种金属等。
气态和液态物质也同样不一定都由分子构成。例如，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；又如，离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体
物质。此外，还有更多的物质聚集状态，如晶态、非晶态，以及介乎晶态和非晶态之间的塑晶态、
液晶态等。这些事实表明，描述的物质三态间的相互转化模型显然过于简单了。
【学生活动】
除了三态，还有更多的物质聚集状态，如等离子体 、离子液体、晶态、非晶态，以及介乎晶态和
非晶态之间的塑晶态、液晶态等。
【设疑】
阅读［科学▪技术▪社会］中的等离子体、液晶。总结等离子体、液晶态的概念、特征及应用。
【总结】
1.等离子体
(1)概念：气态物质在高温或者在外加电场激发下，分子发生分解，产生电子和阳离子等。这种由电
子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的物质聚集体称为等离子体。
(2)特点：等离子体具有良好的导电性和流动性。
(3)应用
运用等离子体显示技术可以制造等离子体显示器；利用等高子体可以进行化学合成；核聚变也是在
等离子态下发生的等。
2.液晶(1)概念：物质加热到达到熔点后，先呈浑浊态，再加热达到一定温度时，浑浊态变透明清亮态，将
熔点至澄清点温度范围内的物质状态称为液晶。
(2)特征：
液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，既具有液体的流动性、黏度、性变形等，又具有晶体的某
些物理性质，如导热性、光学性质等。
(3)应用
液晶已有广泛的应用。例如，手机、电脑和电视的液晶显示器，由于施加电场可使液晶的长轴取向
发生不同程度的改变，从而显示数字、文字或图像。再如，合成高强度液晶纤维已广泛应用于飞
机、火箭、坦克、舰船、防弹衣、防弹头盔等。
【过渡】
走进化学实验室，你能见到许多固体，如蜡状的白磷(P )、黄色的硫黄(S )、紫黑色的碘(I)和高锰
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酸钾(KMnO)、蓝色的硫酸铜(CuSO •5H O)、白色的碳酸钙等。放眼世界，自然界中绝大多数矿物
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也都是固体。你是否知道固体有晶体和非晶体之分？
【总结】
1.晶体和非晶体的概念
(1)晶体
概念：内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性排列而构成的具有规则几何外形的固
体。
分类：根据组成晶体的微粒和微粒间的相互作用，可分为离子晶体 、分子晶体、原子晶体和金属
晶体。
(2)非晶体
概念：内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈相对无序排列而构成的不具有规则几何外形的
固体。
(3)晶体与非晶体的区别
自范性 微观结构
晶体 有(能自发呈现多面体外形) 原子在三维空间里呈周期性有序排列
非晶体 没有(不能自发呈现多面体外形) 原子排列相对无序
【设疑】
具有规则几何外形的固体一定是晶体吗？
【回答】
不一定，因为非晶体也能加工成规则的几何外形，如玻璃饰品。
【总结】
常见的晶体和非晶体
晶体：食盐、冰、铁、铜等。非晶体：玻璃、橡胶等。
晶体中粒子排列的周期性是指一定方向上每隔一定距离就重复出现的排列，粒子排列的周期性导致
晶体呈现规则的几何外形。
【设疑】
晶体与非晶体有什么本质的差异呢？
【讲解】
晶体的自范性即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，仍需要一定的条件。晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当。熔融态
物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过快，常常只得到肉眼看不到多面体外形的粉末或没有
规则外形的块状物，甚至形成的只是非晶态（玻璃态）。
晶体的自范性是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。
【总结】晶体和非晶体的本质差异
自范性 微观结构
晶体 有 原子在三维空间周期性有序排列
非晶体 没有 原子排列相对无序
【展示】
天然水晶球里的玛瑙和水晶、晶体SiO 和非晶体SiO 的投影示意图。
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【案例探析】
在水晶柱面上滴一滴熔化的石蜡，用一根红热的铁针刺中凝固的石蜡，你会发现石蜡在不同方向熔
化的快慢不同。
【讲解】
1.各向异性：同一晶体中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的许多物理性质，
如硬度、导热性 、导电性、光学性质等，常常随方向的不同而有所差异。
2.在考察固体的某些性质，如熔点，可以间接地确定某一固体是否是晶体，因为晶体的熔点较固
定，而非晶体则没有固定的熔点，熔化过程温度会发生变化。
【总结】
晶体的特点
(1)自范性。在适宜条件下，晶体能自发地呈现多面体外形的性质称之为自范性。晶体的自范性是
晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。
(2)各向异性。晶体在不同的方向上具有不同的物理性质。
(3)有固定的熔点。晶体有固定的熔点。常利用固体是否有固定的熔点间接确定某固体是否属于晶
体。非晶体没有固定的熔点。
【学生活动】
该如何鉴别晶体和非晶体
【讲解】
晶体物质能使X-射线产生衍射 ，非晶体只有散射效应。这是测定晶体结构的重要实验方法。
【设疑】怎样获得需要的晶体呢？
【演示实验】实验3-1
【学生】
思考与回答
【讲解】
获得晶体的途径
(1)熔融态物质凝固
实验步骤：用研钵把硫黄粉末研细，放入蒸发皿中，放在三脚架的铁圈上，用酒精灯加热至熔融
态，自然冷却结晶后，观察实验现象。
实验现象：硫加热融化，自然冷却结晶后，得到黄色晶体。
(2)气态物质冷却不经液态直接凝固
实验步骤：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。
把小烧杯放在石棉网上小火加热，观察实验现象。
实验现象：固体直接变成紫色蒸气，蒸气遇冷又重新凝聚成紫黑色的固体。
(3)溶质从溶液中析出
实验步骤：在250 mL烧杯中加入半杯饱和氯化钠溶液，用滴管滴入浓盐酸，观察实验现象。
实验现象：有白色细小晶体析出。
【思考与讨论】
(1) 图3-7是某同学找到的一张玻璃结构的示意图,根据这张图判断玻璃是不是晶体?为什么?
(2) 根据晶体物理性质的各向异性的特点，能鉴别用玻璃仿造的假宝
石。请你列举一些可能有效的方法鉴别假宝石。
【讲解】
1. 晶体与非晶体的根本区别在于构成固体中的粒子在微观空间里是否呈现周期
性的有序排列。观察教科书中的图3-7玻璃的结构示意图，构成玻璃的粒子无周
期性的排列，是无序的,所以玻璃是非晶体。
2. 利用晶体与非晶体的性质差异来鉴别玻璃和宝石。宝石是晶体，具有固定的熔点和各向异性，
可用硬度、熔点、折光率等性质来鉴别宝石。
(1)可观察宝石的形状,具有多面体的外形；实验它的硬度,可在玻璃上划出痕迹，初步确定它是晶
体；
(2)可利用宝石的折光率鉴别；
(3)可利用X-射线衍射仪鉴别。
【总结】固体 外观 微观结构 自范性 各向异性 熔点
具有自发形成的 原子在三维空间呈
晶体 有 有 固定
规则的几何外形 周期性有序排列
不能自发形成规
非晶体 原子排列相对无序 没有 没有 不固定
则的几何外形
本质区别 微观原子在三维空间里是否呈现周期性有序排列
【过渡】
如果我们把一块铜晶体切割，就会得到一小块铜，如果继续不停的切割，最后得到的是什么呢？这
就是我们这节课所要学习的晶体结构的基本单元——晶胞。
【讲解】
1.晶胞
(1)描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。
(2)晶胞是晶体中最小的结构重复单元。这就好比我们要研究蜂巢，因为蜂巢是由无数多个蜂室构成
的，所以我们只需研究一个个基本单元——蜂室就可以了。晶体和其基本单元的关系就和蜂巢与蜂
室的关系一样。
(3)晶体也是由无数多个重复的基本单元“无隙并置”而成。
【设疑】
什么是无隙并置？
【讲解】
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。
【讲解】
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。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。
【学生活动】
图3-8的右图是金属铜的一个晶胞，它是一个立方体，含4个铜原子。这
张图里不是有14个铜原子吗?怎么说一个晶胞只含4个铜原子呢?
请同学们分组讨论，原子再六面体上可以有几个不同的位置出现：顶点、
棱上、面上、内部。
【讲解】
晶胞只是晶体微观空间结构里的一个基本单元，在它的上下左右前后无隙并置地排列着无数晶胞，
而且所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列(包括取向)是完全相同的。
晶胞的结构
(1)晶胞中不同位置的原子在晶胞中的占比。
晶胞的顶角原子是8个晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4个晶胞共用的，
晶胞面上的原子是2个晶胞共用的。
晶胞内部的原子是1个晶胞共用的。
（2）晶胞中微粒数目的确定。
“均摊法”是计算每个晶胞平均拥有的粒子数目的常用方法。其基本理念是每个粒子被 n个晶
胞所共用，则该粒子有1/n属于这个晶胞。
【学生活动】
【例1】氯化钠晶胞中所含的Na+、Cl-数。
3.晶胞中粒子数目的计算(以金属铜为例):
在铜的晶胞结构中,铜原子不全属于该晶胞,按均摊原则,金属铜的一个
氯化钠晶胞如图所示，其中体积较小的为Na+，体积较大的为Cl-，则晶胞中含4个Na+(提示:晶胞
晶胞的原子数=8× +6× =4。
中心还有一个Na+)和4个Cl-。
结合下图,钠、1锌、1碘、金刚石晶胞中含有原子的数目分别为2、2、8、
【例 82。】试 计算钠、锌、8碘、金2刚石晶胞中含有原子的数目
钠、锌、碘、金刚石晶胞示意图
钠、锌、碘、金刚石晶胞示意图
金属钠的一个晶胞的原子数=
金属锌的一个晶胞的原子数=
碘的一个晶胞的原子数=
金刚石的一个晶胞的原子数=【师拓展】非长方体晶胞中的粒子视具体情况而定
【讲解】
2、晶体结构的测定
（1）X射线衍射原理
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
点或明锐的衍射峰。
（2）X射线衍射实验获得晶胞信息
晶体的X射线衍射实验图经过计算，可以获得包括晶胞形状和大小、分子或原子在微观空间有
序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等，以及结合晶体化学组成的信息推出原子之
间的相互关系。
（3）X射线衍射实验获得分子信息
通过晶体X射线衍射实验，可以测定晶胞中各个原子的位置(坐标)，根据原子坐标，可以计算
原子间的距离，判断哪些原子之间存在化学键，确定键长和键角，得出分子的空间结构。
【课堂小结】
第一节 物质的聚集状态与晶体的常识
一、晶体与非晶体
二、晶胞1. 下列关于晶体与非晶体的说法正确的是
A. 晶体与非晶体的本质区别在于是否有固定的熔、沸点
B. 晶体有自范性的原因是粒子在微观空间呈周期性有序排列
C. 固体食盐、水晶、塑料、胆矾、玻璃均属于晶体
D. 区分晶体与非晶体的最科学可靠的方法是检测其是否具有各向异性
【答案】B
【解析】
A.晶体与非晶体的根本区别在于其内部粒子在空间上是否按一定规律做周期性重复排列，故A错误；
B.晶体有自范性的原因是粒子在微观空间呈周期性有序排列，故B正确；
C.塑料、玻璃没有固定的熔沸点，不属于晶体，故C错误；
D. 射线衍射法是区分晶体和非晶体的最科学的方法，故D错误。
2. 下列有关晶胞的说法正确的是
A. 晶胞是晶体中最小的结构单元
B. 晶胞中所有的粒子都为几个晶胞共用
C. 晶胞均为长方体
D. 不同晶体的晶胞不一定相同
【答案】D
【解析】
A.晶胞是晶体的最小重复单元，但不一定是最小结构单元，故A错误；
B.晶胞中有些粒子为晶胞独自拥有，故B错误；
C.晶胞多数为平行六面体，不一定为长方体，故C错误；
D.不同晶体的晶胞可能相同，也可能不相同，故D正确。3. 元素X的某价态离子 中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它
与 形成的晶胞结构如图所示．下列说法中错误的是
A. 的核外电子数为18
B. 该晶体中阳离子与阴离子的个数比为
C.
D. 晶体中每个 周围有2个等距离且最近的
【答案】A
【解析】
A.由中 所有电子正好充满K、L、M三个电子层，可知 为 ，其核外电子数为28，故
A错误；
B.利用均摊法可知该晶胞中 的个数为 ， 的个数为 ，该晶体中阳离子
与阴离子的个数比为 ，故B正确；
C.该晶体中阳离子与阴离子的个数比为 ，晶体的化学式为 ，根据化合物中各元素正、负化
合价代数和为0可以确定 ，故C正确；
D.由图可知，晶体中与 等距离且最近的 有2个，故D正确。
4. 射线金相学 中记载关于铜与金可形成两种有序的金属互化物，其结构如图所示。下列
有关说法正确的是
A. 图Ⅰ、Ⅱ中物质的化学式相同
B. 图Ⅱ中物质的化学式为
C. 图Ⅱ中与每个铜原子紧邻的铜原子有3个
D. 设图Ⅰ中晶胞的边长为 ，则图Ⅰ中合金的密度为
【答案】B
【解析】A.根据均摊法可知，图Ⅰ中含有铜原子数为 ，金原子数为 ，图Ⅱ中含
有铜原子数为 ，金原子数为 ，图Ⅰ中物质的化学式AuCu，图Ⅱ中物质的化学式
，故A错误；
B.根据A中计算可知图Ⅱ中物质的化学式为 ，故B正确；
C.根据图Ⅱ的结构图可知，以顶点铜原子为例，与每个铜原子紧邻的铜原子分布在经过该顶点的晶
胞的棱边上，共有6个，故C错误；
D.根据A的计算可知图Ⅰ中晶胞中含有铜原子数为2，金原子数为2，所以晶体的密度为
，故D错误。
故选B。
5. 已知NaH的晶胞如图，晶胞边长为a。下列说法中错误的是
A. 钠离子的配位数是6
B. 该结构单元中氢离子数目为4
C. 氢离子之间的最短距离为
D. 基态钠离子的价电子排布式为
【答案】C
【解析】
A.钠离子周围最近的氢离子有6个，则配位数是6，故A正确；
B.理由均摊法计算，该结构单元中氢离子数目为 ，故B正确；
C.氢离子之间的最短距离为面对角线的一半，即 ，故C错误；D.基态钠离子核外电子为10个，价电子排布式为 ，故D正确。
6. 几种晶体晶胞结构如图所示，其中干冰的晶胞为立方体， 分子取向分别与晶胞体对角线
方向平行。下列说法错误的是
A. 晶胞的平移性特征包括“化学上相同”和“几何上相同”，以上晶胞都是面心晶胞
B. 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子的分数坐标。
铜晶胞中有4种原子坐标，有4个原子
C. 干冰晶胞中有4种不同取向的 分子，一个分子周围有12个紧邻的分子
D. 碘分子排列有2种不同取向，2种取向不同的碘分子以4配位数交替配位形成层状结构
【答案】A
【解析】
A.晶胞的平移性特征包括“化学上相同 原子或分子相同 ”和“几何上相同 原子的排列和取向相
同 ”，铜晶胞为面心晶胞，干冰中的二氧化碳分子取向不同，因此不是面心晶胞，而是简单立方
晶胞，故A错误；
B.以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子的分数坐标。铜晶
胞中有4种原子坐标，均摊法确定每个晶胞中有4个原子，故B正确；
C.干冰晶胞中有4种不同取向的 分子，位于顶点分子取向相同，三对面心各不相同，一个分子
周围有12个平面，则有12个紧邻的分子，故C正确；
D.碘分子的排列有2种不同的取向，在顶点和面心不同，2种取向不同的碘分子以4配位数交替配
位形成层状结构，故D正确。
通过本节课的学习了解晶体与非晶体的区别，了解获得晶体的一般途径，知道物质的聚集状态
会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态能获得特殊的材料。培养学生变化观念与平衡思想的
科学素养。认识简单的晶胞，类推其他晶胞的分析方法，学会晶胞中微粒数的计算方法(均摊法)，
培养学生证据推理与模型认知的科学素养。知道晶体X射线衍射实验是测定物质结构的基本方法和
实验手段。培养学生科学探究与创新意识的科学素养。
