高中化学-晶体结构.ppt

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1、晶体的结构与性质晶体的结构与性质第一部分第一部分 基本概念和基本结构基本概念和基本结构重晶石重晶石 BaSO4 莹石莹石 CaF2胆矾胆矾 CuSO45H2O食盐食盐 NaCl黄铁矿黄铁矿萤萤 石石水晶水晶绿色鱼眼石绿色鱼眼石菱锰矿菱锰矿图片图片2晶体是真正意义的固体，在宏观上，晶体有晶体是真正意义的固体，在宏观上，晶体有别于橡胶、玻璃、琥珀、树脂等非晶态的最别于橡胶、玻璃、琥珀、树脂等非晶态的最普遍的本质特征是它的普遍的本质特征是它的“自范性自范性”：即：晶体能够即：晶体能够自发自发地呈现地呈现封闭封闭的的规则规则凸多面凸多面体的外形。体的外形。配制明矾饱和溶液，在容器中央挂一条线，浸配制明

2、矾饱和溶液，在容器中央挂一条线，浸入溶液的线段悬一小块明矾晶体入溶液的线段悬一小块明矾晶体(晶种晶种)，尽量，尽量保持恒温令溶液慢慢挥发，数天后，会发现线保持恒温令溶液慢慢挥发，数天后，会发现线端的晶种长大了，呈现八面体外形。端的晶种长大了，呈现八面体外形。一、晶体的定义一、晶体的定义“晶体是由原子或分子在空间按一定规律晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性周期性地重复排列构成的固体物质。地重复排列构成的固体物质。”注意：注意：（1 1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；的，而非由外观判断；（2 2）周期性是晶体结构最基本的特征。）

3、周期性是晶体结构最基本的特征。二、晶体性质二、晶体性质 均匀性均匀性各向异性各向异性自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形 其中，其中，F-F-晶面，晶面，V-V-顶点，顶点，E-E-晶棱晶棱有明显确定的熔点有明显确定的熔点有特定的对称性有特定的对称性使使X X射线产生衍射射线产生衍射F+V=E+2直直线线点点阵阵可以发现，相可以发现，相隔一定的距离，隔一定的距离，总有完全相同总有完全相同的原子排列出的原子排列出现。现。平平面面点点阵阵这是晶这是晶体的普体的普遍特征，遍特征，叫做平叫做平移对称移对称性性三、晶体的微观特征三、晶体的微观特征概念：在晶体内部原子或分子概念：在晶体内部原子或分子周

4、期性周期性地排列的每个重复地排列的每个重复单位的相同位置上定一个点，这些点按一定周期性规律单位的相同位置上定一个点，这些点按一定周期性规律排列在空间，这些点构成一个排列在空间，这些点构成一个点阵点阵。在晶体的点阵结构中每个点阵所代表的具体内容在晶体的点阵结构中每个点阵所代表的具体内容-结构基元结构基元，包括原子或分子的种类和数量及其在空间，包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构。按一定方式排列的结构。晶体结构晶体结构=点阵点阵+结构基元结构基元四、晶胞四、晶胞晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。晶胞并晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。晶胞并置起来，则得到晶体。置起来，则

5、得到晶体。晶胞的代表性体现在以下两个方面：晶胞的代表性体现在以下两个方面：一是代表晶体一是代表晶体的化学组成；二是代表晶体的对称性的化学组成；二是代表晶体的对称性 晶胞是描述晶体微观结构的基本单元，但不一定是最小晶胞是描述晶体微观结构的基本单元，但不一定是最小单元。晶胞有素晶胞和复晶胞之分。素晶胞，符号单元。晶胞有素晶胞和复晶胞之分。素晶胞，符号P P，是晶体微观空间中的最小单位，不可能再小。素晶胞中是晶体微观空间中的最小单位，不可能再小。素晶胞中的原子集合相当于晶体微观空间中的原子作周期性平移的原子集合相当于晶体微观空间中的原子作周期性平移的最小集合，叫做结构基元。复晶胞是素晶胞的多倍体的最

6、小集合，叫做结构基元。复晶胞是素晶胞的多倍体 一般说来，三维晶胞都是平行六面体一般说来，三维晶胞都是平行六面体(二维平面上的晶胞二维平面上的晶胞则是平行四边形则是平行四边形)-叫做叫做布拉维布拉维晶胞。整块晶体可以看成晶胞。整块晶体可以看成是无数晶胞无隙并置而成。是无数晶胞无隙并置而成。晶胞结构图晶胞结构图 平行六面体的几何平行六面体的几何特征可用边长关系特征可用边长关系和夹角关系确定。和夹角关系确定。布拉维晶胞的边长布拉维晶胞的边长与夹角叫做晶胞参与夹角叫做晶胞参数。数。注意不要弄错夹角注意不要弄错夹角与边的相互关系与边的相互关系立方立方 Cubica=b=c,=90四方四方 Tetrago

7、nala=b c,=90正交正交 Rhombica b c,=90三方三方 Rhombohedrala=b=c,=90a=b c,=90 =120六方六方 Hexagonal a=b c,=90,=120单斜单斜 Monoclinic a b c =90,90三斜三斜 Triclinica b c =90共有七种不同几何特征的三维晶胞，称为布拉维共有七种不同几何特征的三维晶胞，称为布拉维系。系。晶胞中原子数目的计算晶胞中原子数目的计算(均摊法均摊法)顶点占顶点占1/8棱占棱占1/4面心占面心占1/2体心占体心占1第二部分第二部分 晶体的分类晶体的分类按成键特点分为：按成键特点分为：原子晶体：金

8、刚石原子晶体：金刚石 离子晶体：离子晶体：NaCl 分子晶体：冰分子晶体：冰 金属晶体：金属晶体：Cu 一、金属晶体一、金属晶体金属的通性金属的通性金属具有一定的通性：有金属光泽，导电性，导热金属具有一定的通性：有金属光泽，导电性，导热性，延展性性，延展性金属键对金属通性的解释金属键对金属通性的解释通常情况下金属晶体内部电子的运动是自通常情况下金属晶体内部电子的运动是自由流动的，但在外加电场的作用下会定向由流动的，但在外加电场的作用下会定向移动形成电流移动形成电流共共 性性金属晶体与性质的关系金属晶体与性质的关系导电性导电性导热性导热性延展性延展性在金属晶体中，存在许多自由电子，自由电子在金属

9、晶体中，存在许多自由电子，自由电子在外加电场的作用下，自由电子定向运动，因在外加电场的作用下，自由电子定向运动，因而形成电流而形成电流由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子碰撞并把能量从温度高的部分传导温度低的碰撞并把能量从温度高的部分传导温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度部分，从而使整块金属达到相同的温度由于金属晶体中金属键是没有方向性的，各原由于金属晶体中金属键是没有方向性的，各原子层之间发生相对滑动以后，仍保持金属键的子层之间发生相对滑动以后，仍保持金属键的作用，因而在一定外力作用下，只发生形变而作用，因而在一定外力作用下，只发生形变而不断裂

10、不断裂一维堆积一维堆积金属堆积方式金属堆积方式 密堆积：密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。大的那些结构。密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。尽可能降低，而结构稳定。二维平面堆积方式二维平面堆积方式I I 型型II II 型型行列对齐四球一空行列对齐四球一空 非最紧密排列非最紧密排列行

11、列相错三球一空行列相错三球一空最紧密排列最紧密排列配位数配位数:6:6配位数配位数:4:4非密置层非密置层密置层密置层 三维空间堆积方式三维空间堆积方式.简单立方堆积简单立方堆积边长边长=2r=2r配位数：配位数：6 6空间利用率的计算空间利用率的计算空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。整个晶体空间中所占有的体积百分比。球体积球体积 空间利用率空间利用率=100%晶胞体积晶胞体积简单立方堆积：在立方体顶点的简单立方堆积：在立方体顶点的微粒为微粒为8个晶胞共享，个晶胞共享，空间利用率：空间利用率：(2r)(2r)3

12、 34 4rr3 3/3/3=52.36%=52.36%微粒数为：微粒数为：81/8=1.体心立方堆积体心立方堆积配位数：配位数：8 8体对角线体对角线=4r=4r3 3边长边长=4 r/3=4 r/3体心立方：在立方体顶点的微粒为体心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。该晶胞。微粒数为：微粒数为：81/8+1=23 34r3/32(4 r/3)3=68%不是最密堆积不是最密堆积密置层堆积密置层堆积123456 第二层第二层：对第一层来讲最紧密的堆积方式是将对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准球对准1，3，5 位。位

13、。(或对准或对准 2，4，6 位，其情形是一位，其情形是一样的样的)123456AB，关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。最紧密的堆积方式。123456 上图是此种六方上图是此种六方紧密堆积的前视图紧密堆积的前视图ABABA 第一种：第一种：将第三层球对准第一层的球将第三层球对准第一层的球123456 于是每两层形成一个周于是每两层形成一个周期，即期，即 AB AB 堆积方式，堆积方式，形成六方紧密堆积。形成六方紧密堆积。配位数配位数 12 (同层同层 6，上下层各，上下层各 3).六方密堆积六方密堆积A AA AA

14、 AA AB BB B各层均为密置层各层均为密置层六方最密堆积分解图六方最密堆积分解图空间利用率：空间利用率：74%包含包含6个球个球包含包含2个球个球123456123456123456A AB BC C123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于是形成，于是形成 ABC ABC 三层一个周期。三层一个周期。这种堆积方式可划分出面心这种堆积方式可划分出面心立方晶胞。立方晶胞。配位数配位数 12 12(同层同层 6 6，上下层各上下层各 3)3).面心立方密堆积面心立方密堆积123456 ABC ABC 形式的堆积，为什形式的堆积，为

15、什么是面心立方堆积？么是面心立方堆积？BCA面心立方最密堆积分解图面心立方最密堆积分解图边长边长=2 r=2 r2 2面对角线面对角线=4r面心立方堆积方式的空间利用率计算面心立方堆积方式的空间利用率计算常见的密堆积类型常见密堆积型式常见密堆积型式面心立方最密堆积面心立方最密堆积（A1A1）六方最密堆积六方最密堆积(A3)(A3)体心立方密堆积体心立方密堆积(A2)(A2)最密最密非最密非最密面心立方最密堆积和六方最密堆积这两种最密堆积面心立方最密堆积和六方最密堆积这两种最密堆积方式，每个球的配位数为方式，每个球的配位数为12。有相同的空间利用率，。有相同的空间利用率，均为均为74.05%。定

16、义：定义：离子间通过离子键结合而成的晶体离子间通过离子键结合而成的晶体性质：性质：熔沸点较高，硬度较大，难挥发、熔沸点较高，硬度较大，难挥发、难压缩，水溶液或熔融状态下均导电。难压缩，水溶液或熔融状态下均导电。二、离子二、离子二、离子二、离子晶体晶体晶体晶体（1 1）每个晶胞中含几个）每个晶胞中含几个）每个晶胞中含几个）每个晶胞中含几个NaNa+和几个和几个和几个和几个ClCl-?（2 2）NaNa+和和和和ClCl-的配位数是多少？的配位数是多少？的配位数是多少？的配位数是多少？氯氯化化钠钠的的晶晶胞胞（3）在每个）在每个Na+周围与它最近且距离相等周围与它最近且距离相等 的的Na+有多少个

17、？有多少个？Cl-Na+在在NaClNaCl晶体中晶体中每个每个NaNa+同时吸引同时吸引着个着个ClCl-。【NaCl 型型】它们所围成的空间几它们所围成的空间几何构型是何构型是 。正八面体正八面体【CsCl 型型】、每个、每个CsCs+同时吸同时吸引引 个个 ClCl-，每个，每个ClCl-同时吸引同时吸引 个个CsCs+，而，而CsCs+数目与数目与ClCl-数目之比数目之比为为8 88 81 1：1 1【CsCl 型型】、根据氯化铯根据氯化铯的结构模型确定的结构模型确定晶胞晶胞，并分析其，并分析其构成。每个晶胞构成。每个晶胞中有中有 CsCs+，有，有 个个ClCl-1 11 1【Cs

18、Cl 型型】、在每个、在每个CsCs+周围与它最近周围与它最近的且距离相等的且距离相等的的CsCs+有有 个个三、原子晶体三、原子晶体概念：概念：相邻原子间以共价键相结合而形成相邻原子间以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体。空间立体网状结构的晶体。构成原子晶体的粒子是原子，原子构成原子晶体的粒子是原子，原子间以间以较强的共价键较强的共价键相结合。相结合。金金刚刚石石原子晶体的物理特性原子晶体的物理特性在原子晶体中，由于原子间以较强的共价在原子晶体中，由于原子间以较强的共价键相结合，而且形成空间立体网状结构，键相结合，而且形成空间立体网状结构，所以原子晶体的所以原子晶体的熔点和沸点很高熔点

19、和沸点很高硬度很大硬度很大一般不导电一般不导电且难溶于一般的溶剂且难溶于一般的溶剂10928共价键共价键金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构金刚石晶胞金刚石晶胞1 1：在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有多少个？原子有多少个？2 2：在金刚石晶体中每个碳原子形成几个共价在金刚石晶体中每个碳原子形成几个共价键？键？3 3：在金刚石晶体中碳原子个数与在金刚石晶体中碳原子个数与CC共价键共价键个数之比是多少？个数之比是多少？4:4:在金刚石在金刚石晶体中最小碳环由几个碳原子来晶体中最小碳环由几个碳原子来组成组成?5.在金刚石晶胞中占有的碳原子数？在金刚石晶胞中占

20、有的碳原子数？问题：问题：4个个1：26个个4个个8个个18010928SiO共价键共价键二氧化硅的晶体结构二氧化硅的晶体结构1.在在SiO2晶体中，每个硅原子与晶体中，每个硅原子与 个氧原子个氧原子结合；每个氧原子与结合；每个氧原子与 个硅原子结合；在个硅原子结合；在SiO2晶体中硅原子与氧原子个数之比是晶体中硅原子与氧原子个数之比是 。2.在在SiO2 晶体中，每个硅原子形成晶体中，每个硅原子形成 个共个共价键；每个氧原子形成价键；每个氧原子形成 个共价键；硅原子个共价键；硅原子个数与个数与SiO 共价键个数之比是共价键个数之比是 ；氧原；氧原子个数与子个数与SiO 共价键个数之比是共价键

21、个数之比是 。3.在在SiOSiO2 2 晶体中，最小环为晶体中，最小环为 元环。元环。问题：问题：21：24421：41：212干干 冰冰四、分子晶体四、分子晶体（1）分子间以分子间作用力相结合的晶体分子间以分子间作用力相结合的晶体叫叫分子晶体分子晶体。（2）构成分子晶体的粒子是：）构成分子晶体的粒子是：（3）微粒间的相互作用是：）微粒间的相互作用是：由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子晶体的化学式几乎都是分子式。晶体的化学式几乎都是分子式。1.1.分子晶体的概念及其结构特点：分子晶体的概念及其结构特点：分子分子分子间作用力分子间作用力(1)所有非金属

22、氢化物所有非金属氢化物的固态的固态：H2O、H2S、NH3、CH4、HX(2)大多数非金属单质大多数非金属单质的固态的固态:X2、N2、O2、H2、S8、P4、C60(3)大多数非金属氧化物大多数非金属氧化物的固态的固态:CO2、SO2、N2O4、P4O6、P4O10(4)几乎所有的酸几乎所有的酸的固态的固态：H2SO4 、HNO3 、H3PO4(5)大多数有机物大多数有机物的固态的固态：乙醇，冰醋酸，蔗糖乙醇，冰醋酸，蔗糖2 2、典型的分子晶体、典型的分子晶体干冰的晶体结构干冰的晶体结构（1）二氧化碳分子的）二氧化碳分子的位置：位置：（2）每个晶胞含二氧）每个晶胞含二氧化碳分子的个数化碳分子的个数混合晶体混合晶体