1、第三章 晶体结构与性质,1、结构特征：晶体结构微粒在微观空间里呈周期性有序排列 非晶体结构微粒无序排列,一、晶体和非晶体,2 晶体与非晶体的性质特征,说明： 晶体自范性的本质：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。 晶体自范性的条件之一：生长速率适当。,晶体的特性, .有固定的熔沸点（非晶体有固定的熔沸点） （常用于区分晶体和非晶体） .各向异性（强度、导热性、光学性质等） （不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异。） .当一波长的射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或者普线,区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是： 对固体进行X射线衍射
2、实验,3、晶体形成的途径,熔融态物质凝固。(注) 气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。 溶质从溶液中析出。,练习:241页深度思考1,天然水晶球里的玛瑙和水晶,玛瑙和水晶都是SiO2的晶体，不同的是玛瑙是熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶则是熔融态SiO2缓慢冷却形成的。,玛瑙,水晶,1.晶胞的定义：晶体结构的最小重复(或基本单元)单元,2 .晶胞的特征：,通过上、下、左、右、前、后的平移能与下一个最小单元（即晶胞）完全重合,二:晶胞:,3.晶体和晶胞的关系：晶体可以看作是完全等同数量巨大的晶胞“无隙并置”而成.(蜂巢和蜂室的关系教材66页图3-7),“并置”指所有晶胞都是平行排列的，取向
3、相同。一个晶胞到另一个晶胞只需平移，不需转动,“无隙”指相邻的晶胞之间没有任何间隙；一个晶胞与相邻的晶胞完全共顶点、共棱边、共面,请理解：,“完全等同”指所有晶胞的形状、内部的原子种类、个数及几何排列完全相同,平行六面体,无隙并置,体心：1,面心：1/2,顶点：1/8,棱边：1/4,4.晶胞中原子个数的计算,均摊法：晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x,请看:,体心：1,面心：1/2,顶点：1/8,棱边：1/4,5、三种典型立方晶体结构,体心立方,简单立方,面心立方,常见晶胞中微粒数的计算:,长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献： 顶
4、-1/8 棱-1/4 面-1/2 心-1,（1）面心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。 微粒数为：81/8 + 61/2 = 4,(2)体心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。 微粒数为：81/8 + 1 = 2,在六方体顶点的微粒为6个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有，在体内的微粒全属于该晶胞。 微粒数为：121/6 + 21/2 + 3 = 6,(3)六方晶胞,1、现有甲、乙、丙、丁四种晶胞,可推知：甲晶体中A与B的离子个数比为 ；乙晶体的化学式为 ；丙晶体的化学式为_；丁晶体的化学式为_。,11,C2D,EF,XY3Z,
5、2、下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(12)、金刚石(C)晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含有几个原子?,Na,Zn,I2,金刚石,8.NiO晶体结构如图，Ni2与邻近的O2-核间距为a10-8 ，计算NiO晶体密度（已知NiO摩尔质量为74.7gmol-1),练习:241页第三题3,分子晶体,1.定义：只含分子的晶体称为分子晶体 如碘晶体只含I2分子，属于分子晶体。 构成粒子：分子,构成晶体中粒子间的相互作用：分子间作用力 (范德华力和氢键),注：分子内原子间以共价键结合，除稀有气体 因为 稀有气体分子为单原子分子，无共价键。,碘晶体结构,分子晶体熔化时一般只破坏分子间作用力,
6、不破坏化学键,也有例外,如S8,2、属于分子晶体的化合物类别举例 （1）所有非金属氢化物 H2O,H2S,NH3,CH4,HX （2）部分非金属单质 X2,O2,H2, S8,P4, C60 除金刚石 ,石墨,晶体硅,晶体硼等 （3）部分非金属氧化物 CO2, SO2, NO2, P4O6, P4O10除碳化硅 （4）几乎所有的酸 H2SO4,HNO3,H3PO4 （5）绝大多数有机物晶体 乙醇，冰醋酸，蔗糖 (6)其他的:氯化铝,氯化铍,分子晶体的物理特性： 较低的熔点和沸点（为什么？） 较小的硬度（多数分子晶体在常温时为气态或液态） 一般都是绝缘体，固态或熔融状态也不导电,部分溶于水后导电
7、(举例)。 溶解性与溶质、溶剂的分子的极性相关相似相溶(讲)。,原因：分子间作用力很弱,分子晶体熔沸点变化规律,P243-244页,注:分子间作用力越大,熔沸点越高(相对分子质量,分子极性,氢键) 分子晶体熔化时一般只破坏分子间作用力,不破坏化学键,也有例外,如S8,（）有分子间氢键不具有分子密堆积特征（如：HF 、冰、NH3 ）,晶体分子结构特征,（）只有范德华力，无分子间氢键分子密堆积（若以一个分子为中心,其该分子周围有12个紧邻的分子，如：C60、干冰 、I2、O2）,分子的密堆积,（与每个分子距离最近的相同分子共有12个 ）,氧（O2）的晶体结构,碳60的晶胞,分子的密堆积,晶体中与某
8、一CO2分子等距离且最近的CO2分子有 个,干冰的晶体结构图,12,冰中个水分子周围有个水分子,冰的结构,氢键具有方向性,分子的非密堆积,氢键具有饱和性,4、水分子间存在着氢键的作用，使水分子彼此结合而成（H2O）n。在冰中每个水分子被4个水分子包围形成变形的正四面体，通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体，其结构如图：试分析： 1mol 冰中有 mol氢键？ H2O的熔沸点比H2S高还是低？为什么？ 冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞（其 晶胞结构如右图）相似，其中空心所示原子位于立方体的 顶点,2,氢键,一、原子晶体,概念：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。,构成粒
9、子：原子,粒子之间的作用：共价键,熔化时需克服的作用：共价键,原子晶体中，成键元素原子半径越小，共价键键能越大，熔点越高。,P243原子晶体熔沸点高低比较,练习 1、碳化硅SiC的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中C 原子和Si原子的位置是交替的。在下列三种晶体金刚石、晶体硅、碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是（ ） A、 B、 C、 D、 ,A,3、常见原子晶体 （1）某些非金属单质：硼（B）、硅（Si）、锗（Ge）、金刚石（C）等 （2）某些非金属化合物：SiC、BN等 （3）某些氧化物：SiO2、 等,2、原子晶体的物理性质,熔点和沸点很高 硬度很大 一般不导电（硅和锗是半导体） 且难
10、溶于一些常见的溶剂,原因：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,4、典型的原子晶体,（1）金刚石,键能： 347.7kj/mol,熔点： 大于35500C,硬度：很大,10928,金刚石的晶体结构示意图,键能： 347.7kj/mol,熔点： 大于35500C,硬度：很大,4、典型的原子晶体,在金刚石晶体里 每个碳原子结合了 个碳原子形成4个键 ，即每个碳原子被 个碳原子包围着，被包围的碳原子和四个相邻的碳原子形成的空间构型为 夹角为 所以在金刚石中碳原子的杂化方式为 金刚石晶体中所有的CC键长,4,109。28，,4,正四面体,sp3,相等,晶体中最小的碳环
11、由 个碳组成，且不在同一平面内,；晶体中每个C原子被 12 个六元环所共有,每个环平均拥有： 1 个CC键， 1/2个C原子。 晶体中每个C参与了4条CC键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故C原子与CC键数之比为：,6,1:2,3、典型的原子晶体,（1）金刚石,键能： 347.7kj/mol,熔点： 大于35500C,硬度：很大,金刚石晶胞中含8个碳原子,2011高考题节选】 六方氮化硼（BN)在高温高压下可以转化为立方氮化硼（BN) ，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为361.5pm,问立方氮化硼晶胞中含多少个氮原子，多少个硼原子,立方氮化硼的密度是_ gcm-3 ？,各为
12、4个,180,10928,Si,O,共价键,二氧化硅晶体结构示意图,SiO2的结构特征 在SiO2晶体中 每个Si原子周围结合个 O原子；所以 Si原子均以sp3杂化分别与4个O原子成键 ,同时，每个O原子跟个 Si原子相结合。实际上，SiO2晶体是由Si原子和O原子按 的比例所组成的立体网状的晶体。 。,4,2,1：2,1mol SiO2中含 SiO键,4mol,最小的环是由个 Si原子和 个O原子组成的12元环,含有12个Si-O键；每个Si原子被12个十二元环共有，每个O原子被6个十二元环共有,每个十二元环所拥有的Si原子数为61/12=1/2，拥有的O原子数为61/6=1拥有的Si-O
13、键数为121/6=2，则Si原子数与O原子数之比为1：2 ,6,6,练习：如图所示，在石墨晶体的层状结构中，每一个最小的碳环完全拥有碳原子数为 ，每个C完全拥有CC数为 。,石墨中CC夹角为： 1200， CC键长： 1.421010 m 层间距： 3.35 1010 m,石墨及其结构（混合型晶体）,离子晶体,1、定义：由阳离子和阴离子通过离 子键结合而成的晶体。 2、成键粒子：阴、阳离子 3、相互作用力：离子键 4、离子键的特征：无饱和性和方向性,5、常见的离子晶体： 强碱、活泼金属氧化物、大部分的盐类。,离子晶体的物理性质,， ， 难挥发难压缩。且随着离子电荷的增加，核间距离的缩短，晶格能
14、增大，熔点升高。 一般易溶于水，而难溶于非极性溶剂。 固态不导电，水溶液或者熔融状态下能导电。,熔沸点较高,硬度较大,晶格能,1、晶格能的定义：,气态离子形成1mol离子晶体释放的能量。,2、影响晶格能大小的因素：,阴、阳离子的半径越小，晶格能越大,形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。 阴、阳离子所带电荷越多，晶格能越大,形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。,练习：比较下列晶体熔沸点高低： (1)NaF KCl NaCl (2)MgO Al2O3,(1)NaFNaClKCl,(2) Al2O3 MgO,可见：在NaCl晶体中，钠离子、氯离子按一定的规律在空间排列成立方体。,
15、主页,5、晶胞类型：,（1）氯化钠型晶胞,每个Na+周围有六个Cl-,每个Cl-周围有六个Na+,与Na+最近且等距的Cl- 的连线构成的图形为正八面体，反之亦然,5、几种离子晶体 (1)NaCl晶体 每个Na+周围最近且等距离的Cl-有 个，每个Cl-周围最近且等距离的Na+有 个；在每个Na+周围最近且等距离的Na+有 个，在每个Cl-周围最近等距离的Cl-有 个。 Na+和Cl-的配位数分别为 、 。一个NaCl晶胞中含 个Na+和 个Cl-。 NaCl晶体中 NaCl分子，化学式NaCl表示 。,6,6,12,4,4,6,无,12,6,Na+和Cl-的最简个数比,同类习题重现,在氯化钠
16、晶胞中，若Na+和Cl-间的最近距离为0.5ax10-10m， 则晶体的密度多少g/cm3？,CsCl的晶体结构及晶胞构示意图,(2)CsCl晶体 每个Cs+周围最近且等距离的Cl-有 个，每个Cl-周围最近且等距离的Cs+有 个；在每个Cs+周围最近且等距离的Cs+有 个，在每个Cl-周围最近等距离的Cl-有 个。一个CsCl晶胞中含 个Cs+和 个Cl-。 Cs+和Cl-的配位数分别为 、 。,8,8,6,6,1,1,8,8,(3)CaF2型晶胞,Ca2+的配位数：8,F-的配位数：4,一个CaF2晶胞中含： 4个Ca2+和8个F-,Ca2+,F-,(3)CaF2晶体 每个Ca2+周围最近
17、且等距离的F-有 个，每个F-周围最近且等距离的Ca2+有 个；在每个Ca2+周围最近且等距离的Ca2+有 个，在每个F-周围最近等距离的F-有 个。一个CaF2晶胞中含 个Ca2+和 个F-； Ca2+和F-的配位数分别为 、 。,8,4,12,6,4,8,8,4,Ca2+,F-,(4)ZnS型晶胞,阳离子Zn2+的配位数：4,阴离子S2-的配位数：4,一个ZnS晶胞中含： 4个阳离子和4个阴离子,黄颜色的为Zn2+ 黑色的为S2-,2012高考题节选,ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等业中应用广泛，立方ZnS晶体结构如图所示，其晶胞边长为540.0pm,则密度为多少g/cm-3,4.
18、1g/cm-3,课后思考（2）Zn2+与S2-距离为的多少？,决定离子晶体结构的因素,几何因素 晶体中正负离子的半径比 电荷因素 晶体中正负离子的电荷比 键性因素 离子键的纯粹因素,金属键：金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用叫做金属键（电子气理论）,1）金属键的成键微粒是金属阳离子和自由电子。 （2）金属键存在于金属单质和合金中。 特征：（3）金属键没有方向性也没有饱和性。,影响金属键强弱的因素,金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，即金属键越强, 金属晶体熔点就相应越高，硬度也越大。,组成粒子：,金属阳离子和自由电子,3、金属晶体：通过金属键结合形成的
19、晶体。 金属单质和合金都属于金属晶体,微粒间作用力：,金属键,金属晶体性质,金属导电性,金属延展性,金属导热性,(4)、金属光泽和颜色,三维空间里非密置层的 金属原子的堆积方式,（1） 第二层小球的球心 正对着 第一层小球的球心,（2） 第二层小球的球心 正对着 第一层小球形成的空穴,简单立方晶胞,（1）简单立方堆积,Po,配位数：,1,2,3,4,5,6,6,同层4，上下层各1,（2）金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系：,a = 2 r,体心立方晶胞,（2）体心立方堆积,（碱金属）,配位数：,8,1,2,3,4,5,6,7,8,上下层各4,（2）金属原子半径 r 与正方体边长 a 的
20、关系：,b = 4 r,b,（3）体心立方晶胞平均占有的原子数目：,(3)、镁型,（1）ABAB堆积方式, 六方最密堆积,（镁）,A,B,A,B,A,（1）ABAB堆积方式,每两层形成一个周期地紧密堆积。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,12,配位数：,同层 6，上下层各 3,六方紧密堆积晶胞平均占有的原子数目：,= 6,+ 3,金属原子的半径 r 与六棱柱的边长 a、高 h 的关系：,a = 2 r,（2）ABCABC堆积方式,面心立方最密堆积,（铜）,第三层小球对准第一层小球空穴的2、4、6位。 第四层同第一层。 每三层形成一个周期地紧密堆积。,A,B,A,B,C,A,C,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,12,配位数：,同层 6，上下层各 3,面心立方紧密堆积晶胞平均占有的原子数目：,金属原子的半径r与正方体的边长a的关系：,Po (钋),
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