晶体结构基础知识ppt课件

晶体结构基础知识 红宝石rubyAl2O3 Cr 宏观晶体的形貌 立方 立方晶体的宏观形貌 晶体的宏观对称性分析 石英玻璃 非晶态又称玻璃态 天然石英玻璃矿物照片 晶体的原子呈周期性排列非晶体的原子不呈周期性排列 玻璃结构示意图 B O Si M 熔融态析晶 硫 单斜硫 S8 碘I2 CuSO4 5H2O 凝华 水溶液析晶 晶体的显微照片 一 晶体 晶体的宏观特征 自范性 晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形 对称性 晶体理想外形中常常呈现形状和大小相同的等同晶面 均一性 质地均匀 具有确定的熔点 各向异性 晶体的一些物理性质因晶体取向不同而异 晶体的微观特征 平移对称性 二 晶胞晶胞是晶体的代表 是晶体中的最小单位 完全等同的晶胞无隙并置起来 则得到晶体 晶胞的本质属性 平移性晶胞类型 体心晶胞符号I特征 可作体心平移面心晶胞F可作面心平移底心晶胞可作底心平移 晶胞的代表性体现在以下两个方面 一是代表晶体的化学组成 二是代表晶体的对称性 即与晶体具有相同的对称元素 对称轴 对称面和对称中心 晶胞是具有上述代表性的体积最小 直角最多的平行六面体 三 晶系平行六面体晶胞中 表示三度的三个边长 称为三个晶轴 三个晶轴的长度分别用a b c表示 三个晶轴之间的夹角分别用 表示 a b的夹角为 a c的夹角为 b c的夹角为 按a b c之间的关系 以及 之间的关系 晶体可以分成7种不同的晶系 称为七大晶系 立方晶系 四方晶系 正交晶系是这七类中的三类 a b c 90 立方晶系 a b c 90 四方晶系 a b c 90 正交晶系 此外还有六方晶系 三方晶系 单斜晶系和三斜晶系 由晶胞参数a b c 表示 a b c为六面体边长 分别是bcca ab所形成的三个夹角 晶胞的两个要素 1 晶胞的大小与形状 2 晶胞的内容 粒子的种类 数目及它在晶胞中的相对位置 按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系 按带心型式分类 将七大晶系分为14种型式 例如 立方晶系分为简单立方 体心立方和面心立方三种型式 晶格的14种型式 简单立方 体心立方 面心立方 简单四方 体心四方 简单六方 简单菱形 简单正交 底心正交 体心正交 面心正交 简单单斜 底心单斜 简单三斜 晶体分类 离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体 阴阳离子间通过离子键构成的晶体 原子间以共价键形成的空间网状结构的晶体 分子间以分子间作用力 范德华力 形成的晶体 金属阳离子和自由电子通过金属键形成的单质晶体 四 金属晶体 金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的 下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式 在一个层中 最紧密的堆积方式 是一个球与周围6个球相切 在中心的周围形成6个凹位 将其算为第一层 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 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 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 ABCABC形式的堆积 为什么是面心立方堆积 这两种堆积都是最紧密堆积 空间利用率为74 05 1 常见离子晶体结构我们讨论的立方晶系AB型离子晶体 其中AB型是指正负离子数目之比为1 1 如NaCl CsCl ZnS等均属于此类晶体 五 离子晶体 在离子晶体中每个正 或负 离子所接触的负 或正 离子总数 称为正 或负 离子的配位数 阴阳离子配位数 NaCl晶体结构示意图 第二层的离子 NaCl晶体的结构示意图 属于4个小立方体 属于8个小立方体 有1 8属于该立方体 有1 4属于该立方体 有1 2属于该立方体 完全属于该立方体 运用晶胞可以将复杂的问题简单化 求晶体中微粒个数比步骤如下 1 找到晶体的最小重复单元 晶胞 2 分析晶胞中各微粒的位置 位于晶胞顶点的微粒 实际提供给晶胞的只有1 8 位于晶胞棱边的微粒 实际提供给晶胞的只有1 4 位于晶胞面心的微粒 实际提供给晶胞的只有1 2 位于晶胞中心的微粒 实际提供给晶体的是1 3 数清晶胞中各微粒的个数 晶体中的微粒个数比 微粒提供给每个晶胞的数值 晶胞中微粒个数 之比 小结 例题分析 如图所示的晶体结构是一种具有优良的压电 铁电 光电等功能的晶体材料的最小结构单元 晶胞 晶体内与每个 T 紧邻的氧原子数和这种晶体材料的化学式分别是 各元素所带的电荷均已略去 例题解析 化学式为 BaTiO3 Ba 1x1Ti 8x 1 8 O 12x 1 4 晶体结构的综合计算 计算公式 VNA ZMZ即晶胞中微粒的个数 例1 NaCl摩尔质量为Mg mol 晶体密度为 g cm3 阿伏加德罗常数为NA 则食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为cm 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 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 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 练习4 某物质的晶体中含A B C三种元素 其排列方式如图 则该离子晶体的化学式是 A B C 1 8 8 12 1 4 1 1 3 1 AB3C B 化学式 A 练习5 根据下列簇状分子结构示意图 判断下列分子的化学式 C A8BC6 练习6 萤石 CaF2 晶体属于立方晶系 萤石中每个Ca2 被8个F 所包围 则每个F 周围最近距离的Ca2 数目为 A 2B 4C 6D 8 B 练习7 中学教材上图示的NaCl晶体结构 它向三维空间延伸得到完美晶体 NiO晶体结构与NaCl相同 Ni2 与邻近的O2 核间距为a 10 8 计算NiO晶体密度 已知NiO摩尔质量为74 7g mol 1 例2 FexO晶体晶胞结构为NaCl型 由于晶体缺陷 x值小于1 测知FexO晶体为 为5 71g cm3 晶胞边长为4 28 10 10m 相对原子质量 Fe55 9 O16 0 求 1 FexO中x值为 精确至0 01 2 晶体中Fe分别为Fe2 Fe3 在Fe2 和Fe3 的总数中 Fe2 所占分数为 用小数表示 精确至0 001 3 此晶体的化学式为 4 Fe在此晶系中占据空隙的几何形状是 即与O2 距离最近且等距离的铁离子围成的空间形状 5 在晶体中 铁元素的离子间最短距离为m CsCl晶体的结构 CsCl晶体的结构 立方ZnS晶体结构 立方ZnS型离子晶体 结构基元及每个晶胞中结构基元的数目 ZnS 4个 Zn和S离子的配位数都是4 六方ZnS型离子晶体 CaF2型离子晶体 结构基元及每个晶胞中结构基元的数目 CaF2 4个 Ca和F离子的配位数分别是8和4 观察实心圆点K 除了立方体顶点的8个K外 体心位置有1个K 所以称为体心立方晶胞 再看金属钾的晶胞 右图 必须说明的是 它属于立方晶系 但既不是AB型 也不属于离子晶体 立方晶系有3种类型晶胞 面心立方 简单立方 体心立方 四方2种 正交4种 六方1种 三方1种 单斜2种 三斜1种 共有14种类型的晶胞 2 配位数与r r 的关系NaCl六配位 CsCl八配位 ZnS四配位 均为立方晶系AB型晶体 为何配位数不同 1 离子晶体稳定存在的条件 a 同号阴离子相切 异号离子相离 不稳定 c 同号阴离子相切 异号离子相切 介稳状态 b 同号离子相离 异号离子相切 稳定 结论时 配位数为6 从八配位的介稳状态出发 探讨半径比与配位数之间的关系 当r 继续增加 达到并超过时 即阳离子周围可容纳更多阴离子时 为8配位 可以求得 结论为0 414 0 732 6配位NaCl式晶体结构 总之 配位数与r r 之比相关 0 225 0 4144配位ZnS式晶体结构0 414 0 7326配位NaCl式晶体结构0 732 1 0008配位CsCl式晶体结构 注意讨论中将离子视为刚性球体 这与实际情况有出入 但这些计算结果仍不失为一组重要的参考数据 因而 我们可以用离子间的半径比值作为判断配位数的参考 若r 再增大 可达到12配位 r 再减小 则形成3配位 若r 变小 当 则出现a 种情况 如右图 阴离子相切 阴离子阳离子相离的不稳定状态 配位数将变成4 离子晶体中的稳定配位多面体的理论半径比 六 分子晶体和原子晶体 晶体类型结构单元质点间作用力物理性质分子晶体分子分子间力熔沸点低 硬度小原子晶体原子共价键熔沸点高 硬度大 金刚石的晶体结构 几种典型的原子晶体 石墨的晶体结构 石墨中C C夹角为120 C C键长为 0 142nm 1 42 10 10m 分子间作用力 层间距3 35 10 10m C C共价键 金刚石 硅 与石墨 构型 键角 键长 正四面体 空间网状原子晶体 平面正六边形 层状混合晶体 109o28 120o 键长 金刚石 石墨 金刚石 硅 与石墨 最小碳环 C C键与C原子的个数比 六元环 不同面 2 1 六元环 同面 3 2 干冰晶体结构示意图 CO2分子 Na Cl 每个二氧化碳分子周围有12个二氧化碳分子 典型的分子晶体 干冰晶体 1 二氧化碳分子的位置 二氧化碳分子位于 体心和棱中点 面心和顶点 2 每个晶胞含二氧化碳分子的个数 二氧化碳分子的个数 4个 3 与每个二氧化碳分子等距离且最近的二氧化碳分子有几个 12个 总结 离子 分子 原子 离子键 范德华力 共价键 较高 较低 很高 较大 较小 很大 NaClCaO 干冰碘 金刚石二氧化硅 阴阳离子 分