00晶體結(jié)構(gòu).ppt

1、晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),第一部分 基本概念和基本結(jié)構(gòu),劉朝興,化學(xué)第一次課,重晶石 BaSO4,瑩石 CaF2,膽礬 CuSO45H2O,食鹽 NaCl,黃鐵礦,螢 石,水晶,綠色魚眼石,菱錳礦,圖片2,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)的最普遍的本質(zhì)特征是它的“自范性”：,即：晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的規(guī)則凸多面體的外形。,配制明礬飽和溶液，在容器中央掛一條線，浸入溶液的線段懸一小塊明礬晶體(晶種)，盡量保持恒溫令溶液慢慢揮發(fā)，數(shù)天后，會(huì)發(fā)現(xiàn)線端的晶種長(zhǎng)大了，呈現(xiàn)八面體外形。,一、晶體的定義,“晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)?！?/p>

2、 注意： （1）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； （2）周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。,二、晶體性質(zhì),均勻性 各向異性 自發(fā)地形成多面體外形 其中，F(xiàn)-晶面，V-頂點(diǎn)，E-晶棱 有明顯確定的熔點(diǎn) 有特定的對(duì)稱性 使X射線產(chǎn)生衍射,F+V=E+2,直線點(diǎn)陣,可以發(fā)現(xiàn)，相隔一定的距離，總有完全相同的原子排列出現(xiàn)。,平面點(diǎn)陣,這是晶體的普遍特征，叫做平移對(duì)稱性,三、晶體的微觀特征,概念：在晶體內(nèi)部原子或分子周期性地排列的每個(gè)重復(fù)單位的相同位置上定一個(gè)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(gè)點(diǎn)陣。,在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中每個(gè)點(diǎn)陣所代表的具體內(nèi)容 -結(jié)構(gòu)基元，包括原子或分

3、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)。,晶體結(jié)構(gòu) = 點(diǎn)陣 + 結(jié)構(gòu)基元,四、晶胞,晶胞是晶體的代表，是晶體中的最小單位。晶胞并 置起來(lái)，則得到晶體。,晶胞的代表性體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 一是代表晶體 的化學(xué)組成；二是代表晶體的對(duì)稱性,晶胞是描述晶體微觀結(jié)構(gòu)的基本單元，但不一定是最小單元。晶胞有素晶胞和復(fù)晶胞之分。素晶胞，符號(hào)P，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(shuō)來(lái)，三維晶胞都是平行六面體(二維平面上的晶胞則是平行四邊形)-叫做布拉維晶胞。整塊晶體可以看成 是無(wú)數(shù)晶胞無(wú)

4、隙并置而成。,晶胞結(jié)構(gòu)圖,平行六面體的幾何特征可用邊長(zhǎng)關(guān)系和夾角關(guān)系確定。,布拉維晶胞的邊長(zhǎng)與夾角叫做晶胞參數(shù)。,注意不要弄錯(cuò)夾角與邊的相互關(guān)系,立方 Cubic a=b=c, =90,四方 Tetragonal a=bc, =90,正交 Rhombic abc, =90,三方 Rhombohedral a=b=c, =90 a=bc, =90 =120,六方 Hexagonal a=bc, =90, =120,單斜 Monoclinic abc =90, 90,三斜 Triclinic abc =90,共有七種不同幾何特征的三維晶胞，稱為布拉維系。,晶胞中原子數(shù)目的計(jì)算(均攤法),頂點(diǎn)占1/

5、8,棱占1/4,面心占1/2,體心占1,第二部分 晶體的分類,按成鍵特點(diǎn)分為： 原子晶體：金剛石 離子晶體：NaCl 分子晶體：冰 金屬晶體： Cu,一、金屬晶體,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)熱性，延展性,金屬鍵對(duì)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(dòng)是自由流動(dòng)的，但在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)定向移動(dòng)形成電流,在金屬晶體中，存在許多自由電子，自由電子在外加電場(chǎng)的作用下，自由電子定向運(yùn)動(dòng)，因而形成電流,由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)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(méi)有方向性的，各原子層之間發(fā)生

6、相對(duì)滑動(dòng)以后，仍保持金屬鍵的作用，因而在一定外力作用下，只發(fā)生形變而不斷裂,一維堆積,金屬堆積方式,密堆積： 由無(wú)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)。 密堆積方式因充分利用了空間，而使體系的勢(shì)能盡可能降低，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。,二維平面堆積方式,I 型,II 型,行列對(duì)齊四球一空 非最緊密排列,行列相錯(cuò)三球一空最緊密排列,配位數(shù):6,配位數(shù):4,非密置層,密置層,三維空間堆積方式,. 簡(jiǎn)單立方堆積,邊長(zhǎng) = 2r,配位數(shù)：6,空間利用率的計(jì)算,空間利用率：指構(gòu)成晶體的原子、離子或分子在整個(gè)晶體空間中所

7、占有的體積百分比。 球體積 空間利用率= 100% 晶胞體積,簡(jiǎn)單立方堆積：在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個(gè)晶胞共享，,空間利用率：,(2r)3,4r3/3,= 52.36%,微粒數(shù)為：81/8 = 1,. 體心立方堆積,配位數(shù)：8,體對(duì)角線 = 4r,體心立方：在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個(gè)晶胞共享，處于體心的金屬原子全部屬于該晶胞。 微粒數(shù)為：81/8 + 1 = 2,不是最密堆積,密置層堆積,第二層 ： 對(duì)第一層來(lái)講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn)1，3，5 位。 ( 或?qū)?zhǔn) 2，4，6 位，其情形是一樣的 ),關(guān)鍵是第三層，對(duì)第一、二層來(lái)說(shuō)，第三層可以有兩種最緊密的堆積方式。,上圖是此種六方 緊密堆積的前

8、視圖,A,第一種： 將第三層球?qū)?zhǔn)第一層的球,于是每?jī)蓪有纬梢粋€(gè)周期，即 AB AB 堆積方式，形成六方緊密堆積。,配位數(shù) 12 ( 同層 6，上下層各 3 ),.六方密堆積,A,A,A,A,B,B,各層均為密置層,六方最密堆積分解圖,空間利用率：74%,包含6個(gè)球,包含2個(gè)球,A B C,此種立方緊密堆積的前視圖,A,第四層再排 A，于是形成 ABC ABC 三層一個(gè)周期。 這種堆積方式可劃分出面心立方晶胞。,配位數(shù) 12 ( 同層 6， 上下層各 3 ),. 面心立方密堆積,ABC ABC 形式的堆積，為什么是面心立方堆積？,面心立方最密堆積分解圖,面對(duì)角線 = 4r,面心立方堆積方式的空

9、間利用率計(jì)算,常見(jiàn)的密堆積類型,常見(jiàn)密堆積型式,面心立方最密堆積（A1） 六方最密堆積(A3) 體心立方密堆積(A2),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方式，每個(gè)球的配位數(shù)為12。有相同的空間利用率，均為74.05%。,定義： 離子間通過(guò)離子鍵結(jié)合而成的晶體 性質(zhì)： 熔沸點(diǎn)較高，硬度較大，難揮發(fā)、難壓縮，水溶液或熔融狀態(tài)下均導(dǎo)電。,二、離子晶體,（1）每個(gè)晶胞中含幾個(gè)Na+和幾個(gè)Cl-?,（2）Na+和Cl-的配位數(shù)是多少？,氯化鈉的晶胞,（3）在每個(gè)Na+周圍與它最近且距離相等 的Na+有多少個(gè)？,NaCl的晶體結(jié)構(gòu)示意圖,在NaCl晶體中每個(gè)Na+同時(shí)吸引著個(gè)Cl

10、-。,【 NaCl 型 】,它們所圍成的空間幾何構(gòu)型是 。,正八面體,CsCl的晶體結(jié)構(gòu)示意圖,【 CsCl 型 】,、每個(gè)Cs+同時(shí)吸引 個(gè) Cl-，每個(gè)Cl-同時(shí)吸引 個(gè)Cs+，而Cs+數(shù)目與Cl-數(shù)目之比為,8,8,1：1,【 CsCl 型 】,、根據(jù)氯化銫的結(jié)構(gòu)模型確定晶胞，并分析其構(gòu)成。每個(gè)晶胞中有 Cs+，有 個(gè)Cl-,1,1,【 CsCl 型 】,、在每個(gè)Cs+周圍與它最近的且距離相等的Cs+有 個(gè),三、原子晶體,概念： 相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。 構(gòu)成原子晶體的粒子是原子，原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合。,金剛石,原子晶體的物理特性,在原子晶體中，由于原

11、子間以較強(qiáng)的共價(jià)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 熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很高 硬度很大 一般不導(dǎo)電 且難溶于一般的溶劑,10928,共價(jià)鍵,金剛石的晶體結(jié)構(gòu),金剛石晶胞,1：在金剛石晶體中每個(gè)碳原子周圍緊鄰的碳原子有多少個(gè)？ 2：在金剛石晶體中每個(gè)碳原子形成幾個(gè)共價(jià)鍵？ 3：在金剛石晶體中碳原子個(gè)數(shù)與CC共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比是多少？ 4: 在金剛石晶體中最小碳環(huán)由幾個(gè)碳原子來(lái)組成? 5.在金剛石晶胞中占有的碳原子數(shù)？,問(wèn)題：,4個(gè),1：2,6個(gè),4個(gè),8個(gè),180,10928,Si,O,共價(jià)鍵,二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu),1. 在SiO2晶體中，每個(gè)硅原子與 個(gè)氧原子結(jié)合；每個(gè)氧原子與 個(gè)硅原子結(jié)合；

12、在SiO2晶體中硅原子與氧原子個(gè)數(shù)之比是 。 2. 在SiO2 晶體中，每個(gè)硅原子形成 個(gè)共價(jià)鍵；每個(gè)氧原子形成 個(gè)共價(jià)鍵；硅原子個(gè)數(shù)與SiO 共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比是 ；氧原子個(gè)數(shù)與SiO 共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比是 。 3. 在SiO2 晶體中，最小環(huán)為 元環(huán)。,問(wèn)題：,2,1：2,4,4,2,1：4,1：2,12,干 冰,四、分子晶體,（1） 分子間以分子間作用力相結(jié)合的晶體叫分子晶體。 （2）構(gòu)成分子晶體的粒子是： （3）微粒間的相互作用是：,由于分子晶體的構(gòu)成微粒是分子，所以分子 晶體的化學(xué)式幾乎都是分子式。,1.分子晶體的概念及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,分子,分子間作用力,(1) 所有非金屬氫化物的固態(tài)： H2O、H2S、NH3、CH4、HX (2) 大多數(shù)非金屬