晶体的结构与性质PPT课件.ppt

13 3晶体结构与性质 1 晶体的常识 1 1 定义 教材60页表3 1 晶体 内部的微粒 原子分子离子 在三维空间里呈周期性有序排列而能自发呈现多面体外形的固体 大多数固体均为晶体 非晶体 内部的微粒排列相对无序 不能自发呈现多面体外形的固体 如橡胶塑料玻璃石蜡沥青高炉冶炼排出的炉渣 晶体SiO2 非晶体SiO2 如食盐 水晶 碘等 2 天然水晶球里的玛瑙和水晶 2 晶体的特点a 自范性 即晶体能自发呈现多面体外形的性质 晶体自范性的本质 晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列 教材61页图3 3下 晶体自范性的条件之一 晶体生长的速率适当 3 b 各向异性 许多物理性质如强度 导热性 光学性质等 常常会表现出各向异性 即随方向的不同而有所差异 同样反映了晶体内部粒子排列的有序性 教材61页图3 3下 c 晶体的熔沸点固定 教材62页图3 4下 d 晶体能使x 射线产生衍射 区别晶体与非晶体最可靠科学的方法即对其进行x 射线衍射实验 教材62页图3 4下 4 3 晶体形成的一般途径 教材61页上 熔融态物质凝固 气态物质冷却不经液态直接凝固 凝华 溶质从溶液中析出 5 许多固体粉末用肉眼看不到晶体外形 但在光学显微镜下可观察到规则的晶体外形 6 玻璃的结构示意图 2 根据晶体的物理性质的各向异性的特点 人们很容易识别用玻璃仿造的假宝石 你能列举一些可能有效的方法鉴别假宝石吗 1 某同学在网站上找到一张玻璃的结构示意图 如右图 这张图说明玻璃是不是晶体 为什么 非晶体 熔沸点 加热 折光率 刻画玻璃 X 射线衍射 教材63页 7 1 物理性质差异如 外形 硬度 熔点 折光率 是否有各向异性 质点排列是否有序 2 区分晶体和非晶体最科学的方法是对固体进行X 射线衍射实验 4 鉴别晶体和非晶体 8 二 晶胞 晶胞定义 描述晶体结构的基本单元 教材63页下 结构 晶胞一般为平行六面体 晶体则由无数晶胞 无隙并置 而成 无隙 相邻晶胞之间无任何间隙 并置 所有晶胞都是平行排列的 取向相同 铜晶体 铜晶胞 9 平行六面体 无隙并置 10 体心立方 简单立方 面心立方 三种典型立方晶体结构 11 3 晶胞中原子个数的计算 处于顶点的粒子 同时被8个晶胞共用 每个粒子有1 8属于该晶胞 处于棱上的粒子 同时被4个晶胞共用 每个粒子有1 4属于该晶胞 12 处于面上的粒子 同时被2个晶胞共用 每个粒子有1 2属于该晶胞 处于晶胞内部的粒子 完全属于该晶胞 13 A B 练习1 根据离子晶体的晶胞结构 判断下列离子晶体的化学式 A表示阳离子 化学式 AB 14 练习2 根据离子晶体的晶胞结构 判断下列离子晶体的化学式 A表示阳离子 A B 化学式 A2B 15 A B 化学式 练习3 根据离子晶体的晶胞结构 判断下列离子晶体的化学式 A表示阳离子 AB 16 练习4 钙 钛矿晶胞结构如图所示 观察钙 钛矿晶胞结构 求该晶体中 钙 钛 氧的微粒个数比为多少 CaTiO3 17 B 化学式 A 练习5 根据离子晶体的晶胞结构 判断下列离子晶体的化学式 A表示阳离子 C ABC3 18 6 下列是NaCl晶胞示意图 晶胞中Na 和Cl 的个数比是多少 19 8 6 3 12 7 下图是CO2分子晶体的晶胞结构示意图 其中有多少个原子 20 8 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 21 22 23 9 2001年报道的硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录 如图所示的是该化合物的晶体结构单元 镁原子间形成正六棱柱 且棱柱的上下底面还各有1个镁原子 6个硼原子位于棱柱内 则该化合物的化学式可表示为 A MgBB MgB2C Mg2BD Mg3B2 24 Mg原子的数目 12 1 6 2 1 2 3B原子的数目 6故化学式可表示为MgB2 25 2 分子晶体与原子晶体 26 一 分子晶体 1 概念 2 组成微粒 3 微粒间作用力 4 分子晶体的一般宏观性质 只含分子的晶体称为分子晶体 分子 在分子晶体中 分子内的原子间以共价键结合 相邻分子靠分子间作用力或氢键相互吸引 较低的熔沸点 较小的硬度 固态或熔融状态下都不导电 分子晶体的溶解性与溶质与溶剂的分子的极性相关 相似相溶 27 5 常见的分子晶体 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 N2 3 部分非金属氧化物CO2 SO2 NO2 P4O10 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 28 6 分子晶体结构特征 只有范德华力 无分子间氢键 分子密堆积 如 C60 干冰 I2 O2 29 分子的密堆积 与CO2分子距离最近的CO2分子共有12个 干冰的晶体结构图 30 碘的晶体结构图 每个I2周围有个碘分子 12 每个Na 周围有个Cl 每个Cl 周围有个Na 氯化钠晶体结构示意图 6 6 31 冰的结构 分子的非密堆积 有分子间氢键 不具有分子密堆积特征 如 HF 冰 NH3 氢键具有方向性 32 CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示 通过比较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体 33 二 原子晶体1 概念 原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体 2 构成微粒 原子3 微粒之间的作用 共价键4 气化或熔化时破坏的作用 共价键5 一般宏观性质 沸点高 硬度大 难溶于一般溶剂 6 常见原子晶体例举 1 某些非金属单质 硼 硅 锗 金刚石等 2 某些非金属化合物 SiC BN等 3 某些氧化物 SiO2 Al2O3等 34 109 28 金刚石的晶体结构示意图 共价键 35 思考 金刚石 晶体硅结构与此类似 1 由图中观察可知 每个碳原子被相邻的4个碳原子包围 以共价键跟4个碳原子连接 形成四面体 这些四面体向空间发展 构成一个坚实的 彼此联结的空间网状晶体 每个C C键长相等 键角均为109 28 2 晶体中最小环由 个C组成且不共面 6 3 晶体中C原子数与C C键数之比为 4 晶体中每个碳原子为 个环所共用 36 180 109 28 Si O 二氧化硅的晶体结构示意图 共价键 37 SiO2平面结构 金刚石的结构 38 1 SiO2最小的环有 原子组成 思考 2 Si周围紧邻的O 个 O周围紧邻的Si 个 SiO2中Si O个数比为 个 SiO2含有 Si O 39 一种结晶形碳 有天然出产的矿物 铁黑色至深钢灰色 质软具滑腻感 可沾污手指成灰黑色 有金属光泽 六方晶系 成叶片状 鳞片状和致密块状 密度2 25g cm3 化学性质不活泼 具有耐腐蚀性 在空气或氧气中强热可以燃烧生成二氧化碳 石墨可用作润滑剂 并用于制造坩锅 电极 铅笔芯等 知识拓展 石墨 40 石墨晶体结构 知识拓展 石墨 41 石墨 1 石墨为什么很软 2 石墨的熔沸点为什么很高 高于金刚石 3 石墨属于哪类晶体 为什么 石墨为层状结构 各层之间是范德华力结合 容易滑动 所以石墨很软 石墨各层均为平面网状结构 碳原子之间存在很强的共价键 大 键 故熔沸点很高 石墨为混合键型晶体 42 43 例 如右图所示 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 完全拥有C C数为 石墨中C C夹角为120 C C键长为1 42 10 10m层间距3 35 10 10m 2 3 44 小结 金刚石 石墨的比较 每个环中 正四面体空间网状 六边形平面层状 共价键 共价键与范德华力 个原子不同面 个原子同面 6 1 6 1 6 1 2 3 6 1 12 1 2 6 1 3 2 45 2019 12 28 46 分析下列物质的物理性质 判断其晶体类型 A 碳化铝 黄色晶体 熔点2200 熔融态不导电 B 溴化铝 无色晶体 熔点98 熔融态不导电 C 五氟化钒 无色晶体 熔点19 5 易溶于乙醇 氯仿 丙酮中 D 物质A 无色晶体 熔融时或溶于水中都能导电 47 小结 相邻原子间以共价键相结合而形成空间网状结构 分子间以分子间作用力结合 原子 分子 共价键 分子间作用力 很高 较低 很大 较小 不溶于任何溶剂 部分溶于水 不导电 个别为半导体 固体和熔化状态都不导电 部分溶于水导电 48 3 金属晶体 金属样品 49 一 金属共同的物理性质 容易导电 导热 有延展性 有金属光泽等 二 金属的结构 1 电子气理论 金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块金属的 电子气 被所有原子共用 从而把所有金属原子维系在一起 2 金属键 金属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 特征 金属键可看成是由许多原子共用许多电子的一种特殊的键 这种键既没有方向性 也没有饱和性 金属键的特征是成键电子可以在金属中自由流动 使得金属呈现出特有的属性 50 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 4 电子气理论对金属的物理性质的解释 在金属晶体中 电子气的运动是没有一定方向的 但在外加电场的条件下 自由电子定向运动形成电流 所以金属容易导电 不同的金属导电能力不同 导电性最强的三中金属是 Ag Cu Au 金属导电性的解释 51 水溶液或熔融状态下 晶体状态 自由移动的离子 自由电子 思考 电解质在熔化状态或溶于水能导电 这与金属导电的本质是否相同 化学变化 物理变化 增强 减弱 52 电子气 自由电子 在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传到温度低的部分 从而使整块金属达到相同的温度 金属导热性的解释 电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞使得金属的热导率随温度升高而降低 53 当金属受到外力作用时 晶体中的各原子层就会发生相对滑动 但不会改变原来的排列方式 弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用 所以在各原子层之间发生相对滑动以后 仍可保持这种相互作用 因而即使在外力作用下 发生形变也不易断裂 因此 金属都有良好的延展性 金属延展性的解释 54 4 熔点和沸点金属原子价电子越多 原子半径越小 金属离子与自由电子的作用力就越强 晶体的熔沸点就越高 反之越低 碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低 卤素单质的熔沸点从上到下却逐渐升高 同周期NaMgAl 同主族LiNaKRbCs 不同金属熔点相差较大 比Hg常温下为液态 W具有较高的熔点一般合金的熔点比成分金属低 55 三 金属晶体的原子堆积模型 1 几个概念紧密堆积 微粒之间的作用力使微粒间尽可能的相互接近 使它们占有最小的空间 配位数 在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数 空间利用率 晶体的空间被微粒占满的体积百分数 用它来表示紧密堆积的程度 56 2 金属晶体的原子在二维平面堆积模型 金属晶体中的原子可看成直径相等的小球 将等径圆球在一平面上排列 有两种排布方式 按 b 图方式排列 圆球周围剩余空隙最小 称为密置层 按 a 图方式排列 剩余的空隙较大 称为非密置层 a 非密置层 b 密置层 57 3 金属晶体的原子在三维空间堆积模型 1 简单立方堆积 Po 非最紧密堆积 空间利用率低 58 2 体心立方堆积 钾型 碱金属 非最紧密堆积 配位数 8 59 镁型 铜型 60 第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准1 3 5位 或对准2 4 6位 其情形是一样的 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 61 下图是此种六方紧密堆积的前视图 A 第一种是将球对准第一层的球 于是每两层形成一个周期 即ABAB堆积方式 形成六方紧密堆积 配位数12 同层6 上下层各3 空间利用率为74 62 3 六方紧密堆积 镁型 63 64 此种立方紧密堆积的前视图 A 第四层再排A 于是形成ABCABC三层一个周期 得到面心立方堆积 配位数12 同层6 上下层各3 65 4 面心立方 铜型 66 67 68 69 70 71 镁型 铜型 金属晶体的两种最密堆积方式 72 Po 钋 73 1 下列有关金属元素特征的叙述中正确的是A 金属元素的原子只有还原性 离子只有氧化性B 金属元素在化合物中一定显正价C 金属元素在不同化合物中的化合价均不同D 金属单质的熔点总是高于分子晶体 能力训练 B 74 2 已知金属铜为面心立方晶体 如图所示 铜的相对原子质量为63 54 密度为8 936g cm3 试求 1 图中正方形边长a 2 铜的金属半径r a a r r o r r 提示 数出面心立方中的铜的个数 75 4 离子晶体 76 强碱 活泼金属氧化物 大部分的盐类 1 定义 由阳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 常见的离子晶体 一 离子晶体 77 5 晶胞类型 1 氯化钠型晶胞 1 钠离子和氯离子的位置 钠离子和氯离子位于立方体的顶角上 并交错排列 钠离子 体心和棱中点 氯离子 面心和顶点 2 每个晶胞含钠离子 氯离子的个数 3 与Na 等距离且最近的Na 有 12个 4 NaCl晶体中阴 阳离子配位数 Cl 的配位数 6 Na 的配位数 6 78 NaCl的晶体结构示意图 79 80 2 CsCl晶胞 1 铯离子和氯离子的位置 铯离子 体心 氯离子 顶点 2 晶胞含铯离子 氯离子的个数 铯离子 1个 氯离子 1个 3 铯离子等距离且最近的铯离子 氯离子各有几个 铯离子 6个 氯离子 8个 4 CsCl晶体中阴 阳离子配位数 Cs 的配位数 8 Cl 的配位数 8 81 CsCl晶体及晶胞结构示意图 8 8 82 3 Ca2 的配位数 F 的配位数 2 一个CaF2晶胞中含 4个Ca2 和8个F 8 4 3 CaF2型晶胞 1 晶胞中Ca2 和F 位置 Ca2 顶点和面心 F 晶胞内 83 Ca F Ca2 配位数是 F 的配位数是 8 4 图示为CaF2晶胞的1 8 观察点为上左前方 晶胞上面心 84 4 ZnS型晶胞 2 阳离子的配位数 阴离子的配位数 1 一个ZnS晶胞中含 4个阳离子和4个阴离子 4 4 85 1 几何因素晶体中正负离子的半径比 2 电荷因素晶体中正负离子的电