高中化學(xué)-晶體結(jié)構(gòu)1

1、晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第一部分第一部分 基本概念和基本結(jié)構(gòu)基本概念和基本結(jié)構(gòu)重晶石重晶石 BaSO4 瑩石瑩石 CaF2膽礬膽礬 CuSO45H2O食鹽食鹽 NaCl黃鐵礦黃鐵礦螢螢 石石水晶水晶綠色魚眼石綠色魚眼石菱錳礦菱錳礦圖片2晶體是真正意義的固體，在宏觀上，晶體有晶體是真正意義的固體，在宏觀上，晶體有別于橡膠、玻璃、琥珀、樹脂等非晶態(tài)的最別于橡膠、玻璃、琥珀、樹脂等非晶態(tài)的最普遍的本質(zhì)特征是它的普遍的本質(zhì)特征是它的“自范性自范性”：即：晶體能夠即：晶體能夠自發(fā)自發(fā)地呈現(xiàn)地呈現(xiàn)封閉封閉的的規(guī)則規(guī)則凸多面凸多面體的外形。體的外形。配制明礬飽和溶液，在容器中央掛一條線，浸配制明礬飽

2、和溶液，在容器中央掛一條線，浸入溶液的線段懸一小塊明礬晶體入溶液的線段懸一小塊明礬晶體(晶種晶種)，盡量，盡量保持恒溫令溶液慢慢揮發(fā)，數(shù)天后，會發(fā)現(xiàn)線保持恒溫令溶液慢慢揮發(fā)，數(shù)天后，會發(fā)現(xiàn)線端的晶種長大了，呈現(xiàn)八面體外形。端的晶種長大了，呈現(xiàn)八面體外形。一、晶體的定義一、晶體的定義“晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)?！?注意：注意：（1 1）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，而非由外觀判斷；的，而非由外觀判斷；（2 2）周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。）周

3、期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。二、晶體性質(zhì)二、晶體性質(zhì) 均勻性均勻性 各向異性各向異性 自發(fā)地形成多面體外形自發(fā)地形成多面體外形 其中，其中，F(xiàn)-F-晶面，晶面，V-V-頂點(diǎn)，頂點(diǎn)，E-E-晶棱晶棱 有明顯確定的熔點(diǎn)有明顯確定的熔點(diǎn) 有特定的對稱性有特定的對稱性 使使X X射線產(chǎn)生衍射射線產(chǎn)生衍射F+V=E+2直線點(diǎn)陣直線點(diǎn)陣可以發(fā)現(xiàn)，相可以發(fā)現(xiàn)，相隔一定的距離，隔一定的距離，總有完全相同總有完全相同的原子排列出的原子排列出現(xiàn)?，F(xiàn)。平面點(diǎn)陣平面點(diǎn)陣這是晶這是晶體的普體的普遍特征，遍特征，叫做平叫做平移對稱移對稱性性三、晶體的微觀特征三、晶體的微觀特征概念：在晶體內(nèi)部原子或分子概念：在晶體內(nèi)部原子

4、或分子周期性周期性地排列的每個重復(fù)地排列的每個重復(fù)單位的相同位置上定一個點(diǎn)，這些點(diǎn)按一定周期性規(guī)律單位的相同位置上定一個點(diǎn)，這些點(diǎn)按一定周期性規(guī)律排列在空間，這些點(diǎn)構(gòu)成一個排列在空間，這些點(diǎn)構(gòu)成一個點(diǎn)陣點(diǎn)陣。在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中每個點(diǎn)陣所代表的具體內(nèi)容在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中每個點(diǎn)陣所代表的具體內(nèi)容- -結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元，包括原子或分子的種類和數(shù)量及其在空間，包括原子或分子的種類和數(shù)量及其在空間按一定方式排列的結(jié)構(gòu)。按一定方式排列的結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = = 點(diǎn)陣點(diǎn)陣 + + 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元四、晶胞四、晶胞晶胞是晶體的代表，是晶體中的晶胞是晶體的代表，是晶體中的最小單位最小單位。晶胞并。晶胞并置

5、起來，則得到晶體。置起來，則得到晶體。 晶胞的代表性體現(xiàn)在以下兩個方面：晶胞的代表性體現(xiàn)在以下兩個方面： 一是代表晶體一是代表晶體的的化學(xué)組成化學(xué)組成；二是代表晶體的；二是代表晶體的對稱性對稱性 晶胞是描述晶體微觀結(jié)構(gòu)的基本單元，但不一定是最小晶胞是描述晶體微觀結(jié)構(gòu)的基本單元，但不一定是最小單元。晶胞有素晶胞和復(fù)晶胞之分。素晶胞，符號單元。晶胞有素晶胞和復(fù)晶胞之分。素晶胞，符號P P，是晶體微觀空間中的最小單位，不可能再小。素晶胞中是晶體微觀空間中的最小單位，不可能再小。素晶胞中的原子集合相當(dāng)于晶體微觀空間中的原子作周期性平移的原子集合相當(dāng)于晶體微觀空間中的原子作周期性平移的最小集合，叫做結(jié)構(gòu)

6、基元。復(fù)晶胞是素晶胞的多倍體的最小集合，叫做結(jié)構(gòu)基元。復(fù)晶胞是素晶胞的多倍體 一般說來，三維晶胞都是平行六面體一般說來，三維晶胞都是平行六面體(二維平面上的晶胞二維平面上的晶胞則是平行四邊形則是平行四邊形)-叫做叫做布拉維布拉維晶胞。整塊晶體可以看成晶胞。整塊晶體可以看成是無數(shù)晶胞無隙并置而成。是無數(shù)晶胞無隙并置而成。晶胞結(jié)構(gòu)圖晶胞結(jié)構(gòu)圖 平行六面體的幾何平行六面體的幾何特征可用邊長關(guān)系特征可用邊長關(guān)系和夾角關(guān)系確定。和夾角關(guān)系確定。布拉維晶胞的邊長布拉維晶胞的邊長與夾角叫做晶胞參與夾角叫做晶胞參數(shù)。數(shù)。注意不要弄錯夾角注意不要弄錯夾角與邊的相互關(guān)系與邊的相互關(guān)系bcabcabacbacbac

7、bacbac立方立方 Cubica=b=c, = = =90四方四方 Tetragonala=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單斜單斜 Monoclinic a b c = =90, 90三斜三斜 Triclinica b c = = =90共有七種不同幾何特征的三維晶胞，稱為布拉維共有七種不同幾何特征的三維晶胞，稱為布拉維系。系。晶胞中原子數(shù)目的計算晶胞中原子數(shù)目的計算(均攤法均攤法)頂點(diǎn)占頂

8、點(diǎn)占1/8棱占棱占1/4面心占面心占1/2體心占體心占1第二部分第二部分 晶體的分類晶體的分類按成鍵特點(diǎn)分為：按成鍵特點(diǎn)分為： 原子晶體：金剛石原子晶體：金剛石 離子晶體：離子晶體：NaCl 分子晶體：冰分子晶體：冰 金屬晶體：金屬晶體： Cu 一、金屬晶體一、金屬晶體金屬的通性金屬的通性金屬具有一定的通性：有金屬光澤，導(dǎo)電性，導(dǎo)熱金屬具有一定的通性：有金屬光澤，導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，延展性性，延展性金屬鍵對金屬通性的解釋金屬鍵對金屬通性的解釋通常情況下金屬晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動是自通常情況下金屬晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動是自由流動的由流動的，但在外加電場的作用下會定向，但在外加電場的作用下會定向移動移動形成電

9、流形成電流在金屬晶體中，存在許多自由電子，自由電子在金屬晶體中，存在許多自由電子，自由電子在外加電場的作用下，自由電子定向運(yùn)動，因在外加電場的作用下，自由電子定向運(yùn)動，因而形成電流而形成電流由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動時與金屬離子由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動時與金屬離子碰撞并把能量從溫度高的部分傳導(dǎo)溫度低的碰撞并把能量從溫度高的部分傳導(dǎo)溫度低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度由于金屬晶體中金屬鍵是沒有方向性的，各原由于金屬晶體中金屬鍵是沒有方向性的，各原子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍保持金屬鍵的子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍保持金屬鍵的作用，因而在一定外力作用下，只

10、發(fā)生形變而作用，因而在一定外力作用下，只發(fā)生形變而不斷裂不斷裂一維堆積一維堆積金屬堆積方式金屬堆積方式 密堆積：密堆積： 由無方向性的金屬鍵、離子鍵和范德華力等結(jié)由無方向性的金屬鍵、離子鍵和范德華力等結(jié)合的晶體中，原子、離子或分子等微觀粒子總是趨合的晶體中，原子、離子或分子等微觀粒子總是趨向于相互配位數(shù)高，能充分利用空間的堆積密度最向于相互配位數(shù)高，能充分利用空間的堆積密度最大的那些結(jié)構(gòu)。大的那些結(jié)構(gòu)。 密堆積方式因充分利用了空間，而使體系的勢能密堆積方式因充分利用了空間，而使體系的勢能盡可能降低，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。盡可能降低，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 二維平面堆積方式二維平面堆積方式I I 型型II II 型

11、型行列對齊四球一空行列對齊四球一空 非最緊密排列非最緊密排列行列相錯三球一空行列相錯三球一空最緊密排列最緊密排列配位數(shù)配位數(shù):6:6配位數(shù)配位數(shù):4:4非密置層非密置層密置層密置層 三維空間堆積方式三維空間堆積方式. 簡單立方堆積簡單立方堆積邊長邊長 = 2r= 2r配位數(shù)：配位數(shù)：6 6空間利用率的計算空間利用率的計算 空間利用率：指構(gòu)成晶體的原子、離子或分子在空間利用率：指構(gòu)成晶體的原子、離子或分子在整個晶體空間中所占有的體積百分比。整個晶體空間中所占有的體積百分比。 球體積球體積 空間利用率空間利用率= 100% 晶胞體積晶胞體積簡單立方堆積：在立方體頂點(diǎn)的簡單立方堆積：在立方體頂點(diǎn)的微

12、粒為微粒為8個晶胞共享，個晶胞共享，空間利用率：空間利用率：(2r)(2r)3 34 4r r3 3/3/3= 52.36%= 52.36%微粒數(shù)為：微粒數(shù)為：81/8 = 1. 體心立方堆積體心立方堆積配位數(shù)：配位數(shù)：8 8體對角線體對角線 = 4r= 4r3 3邊長邊長=4 r/3=4 r/3體心立方：在立方體頂點(diǎn)的微粒為體心立方：在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個個晶胞共享，處于體心的金屬原子全部屬晶胞共享，處于體心的金屬原子全部屬于該晶胞。于該晶胞。 微粒數(shù)為：微粒數(shù)為：81/8 + 1 = 23 34r3/3 2(4 r/3)3=68%不是最密堆積不是最密堆積密置層堆積密置層堆積123456

13、第二層第二層 ： 對第一層來講最緊密的堆積方式是將對第一層來講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn)球?qū)?zhǔn)1，3，5 位。位。 ( 或?qū)?zhǔn)或?qū)?zhǔn) 2，4，6 位，其情形是一位，其情形是一樣的樣的 )123456AB， 關(guān)鍵是第三層，對第一、二層來說，第三層可以有兩種關(guān)鍵是第三層，對第一、二層來說，第三層可以有兩種最緊密的堆積方式。最緊密的堆積方式。123456 上圖是此種六方上圖是此種六方緊密堆積的前視圖緊密堆積的前視圖ABABA 第一種：第一種： 將第三層球?qū)?zhǔn)第一層的球?qū)⒌谌龑忧驅(qū)?zhǔn)第一層的球123456 于是每兩層形成一個于是每兩層形成一個周期，即周期，即 AB AB 堆積方堆積方式，形成六方緊密堆

14、積式，形成六方緊密堆積。 配位數(shù)配位數(shù) 12 ( 同層同層 6，上下層各上下層各 3 ). .六方密堆積六方密堆積A AA AA AA AB BB B各層均為密置層各層均為密置層六方最密堆積分解圖六方最密堆積分解圖空間利用率：空間利用率：74%包含包含6個球個球包含包含2個球個球123456123456123456A AB BC C123456此種立方緊密堆積的前視圖此種立方緊密堆積的前視圖ABCAABC 第四層再排第四層再排 A，于是形成于是形成 ABC ABC 三層一個周期。三層一個周期。 這種堆積方式可劃分出面心這種堆積方式可劃分出面心立方晶胞。立方晶胞。 配位數(shù)配位數(shù) 12 12 (

15、( 同層同層 6 6， 上下層各上下層各 3 3 ) ) . . 面心立方密堆積面心立方密堆積123456 ABC ABC 形式的堆積，為什形式的堆積，為什么是面心立方堆積？么是面心立方堆積？BCA面心立方最密堆積分解圖面心立方最密堆積分解圖邊長邊長 = 2 r= 2 r2 2面對角線面對角線 = 4r面心立方堆積方式的空間利用率計算%05.74344:4232333晶胞球球晶胞空間利用率個球晶胞中含解：VVrVraV常見的密堆積類型常見密堆積型式常見密堆積型式面心立方最密堆積（面心立方最密堆積（A1A1） 六方最密堆積六方最密堆積(A3)(A3) 體心立方密堆積體心立方密堆積(A2)(A2)

16、最密最密非最密非最密面心立方最密堆積和六方最密堆積這兩種最密堆積面心立方最密堆積和六方最密堆積這兩種最密堆積方式，每個球的配位數(shù)為方式，每個球的配位數(shù)為12。有相同的空間利用率，。有相同的空間利用率，均為均為74.05%。 定義：定義： 離子間通過離子間通過離子鍵離子鍵結(jié)合而成的晶體結(jié)合而成的晶體性質(zhì)：性質(zhì)： 熔沸點(diǎn)較高，硬度較大，難揮發(fā)、熔沸點(diǎn)較高，硬度較大，難揮發(fā)、難壓縮，難壓縮，水溶液或熔融狀態(tài)下均導(dǎo)電水溶液或熔融狀態(tài)下均導(dǎo)電。二、離子二、離子晶體晶體（1）每個晶胞中含幾個）每個晶胞中含幾個Na+和幾個和幾個Cl-?（2）Na+和和Cl-的配位數(shù)是多少？的配位數(shù)是多少？氯化鈉的晶胞氯化鈉

17、的晶胞（3）在每個）在每個Na+周圍與它最近且距離相等周圍與它最近且距離相等 的的Na+有多少個？有多少個？ Cl-Na+ 在在NaClNaCl晶體中晶體中每個每個NaNa+ +同時吸引同時吸引著個著個ClCl- -?！?NaCl 型型 】它們所圍成的空間幾它們所圍成的空間幾何構(gòu)型是何構(gòu)型是 。正八面體正八面體【 CsCl 型型 】、每個、每個CsCs+ +同時吸同時吸引引 個個 Cl Cl- -，每個，每個ClCl- -同時吸引同時吸引 個個CsCs+ +，而，而CsCs+ +數(shù)目與數(shù)目與ClCl- -數(shù)目之比數(shù)目之比為為8 88 81 1：1 1【 CsCl 型型 】、根據(jù)氯化銫、根據(jù)氯化

18、銫的結(jié)構(gòu)模型確定的結(jié)構(gòu)模型確定晶胞晶胞，并分析其，并分析其構(gòu)成。每個晶胞構(gòu)成。每個晶胞中有中有 CsCs+ +，有，有 個個ClCl- -1 11 1【 CsCl 型型 】、在每個、在每個CsCs+ +周圍與它最近周圍與它最近的且距離相等的且距離相等的的CsCs+ +有有 個個三、原子晶體三、原子晶體概念：概念：相鄰原子間以相鄰原子間以共價鍵相結(jié)合共價鍵相結(jié)合而形成而形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體?？臻g立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。構(gòu)成原子晶體的粒子是原子，原子構(gòu)成原子晶體的粒子是原子，原子間以間以較強(qiáng)的共價鍵較強(qiáng)的共價鍵相結(jié)合。相結(jié)合。原子晶體的物理特性原子晶體的物理特性 在原子晶體中，由于原子間以較強(qiáng)的

19、共在原子晶體中，由于原子間以較強(qiáng)的共價鍵相結(jié)合，而且形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)價鍵相結(jié)合，而且形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以原子晶體的構(gòu)，所以原子晶體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很高熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很高硬度很大硬度很大一般不導(dǎo)電一般不導(dǎo)電且難溶于一般的溶劑且難溶于一般的溶劑10928 共價鍵共價鍵金剛石的晶體結(jié)構(gòu)金剛石的晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶胞金剛石晶胞1 1：在金剛石晶體中每個碳原子周圍緊鄰的碳在金剛石晶體中每個碳原子周圍緊鄰的碳原子有多少個？原子有多少個？2 2：在金剛石晶體中每個碳原子形成幾個共價在金剛石晶體中每個碳原子形成幾個共價鍵？鍵？3 3：在金剛石晶體中碳原子個數(shù)與在金剛石晶體中碳原子個數(shù)與CC共價鍵共價鍵個數(shù)之比是多少？個數(shù)之比是多少？4: 4: 在金剛石在金剛石晶體中最小碳環(huán)由幾個碳原子來晶體中最小碳環(huán)由幾個碳原子來組成組成?5.在金剛石晶胞中占有的碳原子數(shù)？在金剛石晶胞中占有的碳原子數(shù)？問題：問題：4個個1：26個個4個個8個個18010928 SiO共價鍵共價鍵二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu)1. 在在晶體中，每個硅原子與晶體中，每個硅原子與 個氧原子個氧原子結(jié)合；每個氧原子與結(jié)合；每個氧原子與 個硅原子結(jié)合；在個硅原子結(jié)合；在