《晶体结构教学研究》PPT课件

晶体结构教学研究,段连运duanly,二零零八年度西部高校教师培训班,二零零八年十月二十八日西安,低年级,低年级,高年级,一、结构化学基础课基本内容建议,1.我国传统的化学基础课程体系,2.两种物理化学课程体系,3.教指委制定的结构化学基本内容(草案),量子力学基础(1)微观粒子的波粒二象性(2)不确定度关系（测不准原理）(3)量子力学的基本假设(4)箱中粒子原子结构(1)氢原子及类氢离子的薛定谔方程量子数的物理意义原子轨道图(2)电子自旋(3)多电子原子的结构及元素周期律(4)原子光谱项,分子结构(1)分子轨道理论和双原子分子结构(2)多中心键和缺电子分子结构(3)离域键和共轭分子结构共振论(4)价键理论(5)杂化轨道理论及价层电子对互斥理论(6)分子轨道的对称性和反应机理范德华力氢键,分子对称性(1)对称元素和对称操作(2)分子点群(3)偶极矩、旋光性与分子对称性的关系晶体结构基础(1)周期性点阵理论空间点阵型式(2)晶系晶胞(3)微观对称性及国际记号(4)密堆积原理和金属晶体的结构(5)离子晶体的结构及结晶化学规律(6)非金属元素的晶体结构和分子晶体的结构(7)晶体的X射线衍射,同不妨异异不妨同,结构化学基础教学三字诀“三二一”3个“三”：1.三种理论(量子力学理论、化学键理论、点阵理论)2.三种结构(原子结构、分子结构、晶体结构)3.三种基础(量子基础、对称性基础、晶体学基础)2个“二”：1.二种构型(电子构型、几何构型)2.二种方法(谱学方法、衍射方法)1个“一”:一条渠道(沟通结构性能应用的渠道),4.结构化学基础教学基本内容（建议）,我国结构化学基础课主流形式：独立设课；个别学校将物化和结构合二为一.优化课程：探索,实践,比较,一家之言欢迎批评,贯穿“晶体结构两大基本特征”：周期性和对称性：长程平移有序和长程取向有序周期性：几何表示法:点阵或晶格(两者义同而形别)代数表示法:平移群(Tmnp=ma+nb+pc)对称性：对称元素和对称操作:宏观对称性点群微观对称性空间群周期性和对称性的相互联系和相互制约纠正关于晶体结构两大基本特征的错误或欠妥表述研究:把晶体结构两大基本特征从概念、原理及方法上讲清、讲准,使学生受鱼、受渔、更受道！,二、关于“晶体结构”部分的教学建议,以“晶胞”的教学为例,各类晶胞示意图,1.“混乱”的晶系、晶胞和点阵概念关于晶系、晶族、晶胞、点阵的错误或欠妥表述举例：“根据晶胞的形状划分、确定晶系”“晶胞是晶体结构中最小的重复单位”“CsCl晶体可画出体心立方晶胞，其空间点阵型式为体心立方(cI)；金刚石晶体可画出面心立方晶胞”;“点阵的对称元素与实际晶体的对称元素总是相同的”。关于三方晶系晶体的晶胞、点阵错误或困惑问题举例：“三方、六方和三斜晶体都只有素格子,它们的点阵型式可分别用记号R,H,P来标记”；三方晶系只抽象出“R心六方（hR）点阵”；为什么菱面体晶胞未入选、而六方晶胞却能入选6类晶胞？为何三方晶系的晶体既有简单六方(hP)又有R心六方(hR)两种空间点阵型式？三斜晶族的记号为何用a而不t？,概念混乱,给教与学带来困惑,2.建议按四个层级组织关于“晶胞”的教学,内涵：晶胞晶体结构的缩影和基本重复单位既为晶体结构的缩影,则必须：(1)代表晶体的化学组成(2)为平行六面体.但平行六面体并非一定是晶胞,须看是否符合该晶体的周期性(可否平移复原,例如,体积为NaCl晶体立方复晶胞1/8的小立方体就不是晶胞)(3)是晶体结构的基本重复单位,有大有小,分为素晶胞、复晶胞和正当晶胞,第一层级：晶胞定义的内涵和外延,外延:(4)“底心晶胞”、“体心晶胞”、“面心晶胞”等称谓值得商榷(5)晶胞和结构基元既有联系又有区别(6)二维晶胞(投影问题,例如石墨的二维晶胞)(7)辨析几种图形是否为晶胞(划分晶胞的方式多种多样,晶胞的顶点并非一定在原子上),(8)晶胞不是划分晶系的标准(9)若干晶体的晶胞示意图,(a)(b),(c)(d),晶胞“并置”构成晶体，因而必为平行六面体；但平行六面体未必是晶胞；,是六方晶胞吗？,素晶胞复晶胞正当晶胞,晶胞与结构基元,NaCl晶体的正当晶胞,立方金刚石晶胞沿a轴的投影,碘晶体沿x方向的投影,第二层级晶胞的两个要素晶胞参数:表示晶胞的大小和形状；晶胞中“原子”的坐标参数:表示晶胞中“原子”的分布下面的晶胞是NaCl晶体的立方复晶胞，也是NaCl晶体的正当晶胞晶胞，包含4个Na+离子，4个Cl-离子晶胞参数：a=b=c=2(rNa+rCl-)=564pm=90晶胞体积:V=abc,体心,1,面心,1/2,棱心,1/4,顶点,1/8,Cl-:,0,0,0;,0,;,x,y,z,0,0;,0,Na+:,;,0,0;,0,0;,0,0,第三层级以晶胞为基础的计算(1)D=ZM/NA/V,知任何4个因子即可计算第5因子；(2)用原子坐标参数求两原子之间的距离；(3)求晶体的空间利用率或空隙率(-TiCl3,C60)；(4)用晶胞参数推求原子的半径(或化学键键长)或用半径推求晶胞参数(金刚石晶体,NaCl晶体)；(5)推求每个原子平均摊到的空隙数、空隙的大小、空隙的分布以及离子占据多面体空隙的分数(A1,A2,A3型结构);(6)推求晶体的化学式(BaTiO3,KMgF3,TiO2)或分子式(分子晶体)；,(7)计算晶体的结构因子Fhkl；(8)利用已知晶胞理解另一种晶体的结构,如ReO3,NaWO3,La2CuO4,YBa2Cu3O6-7(9)根据已知的化学式画出晶胞(画法有多种,但必须根据其它条件分辨正确的晶胞)；(10)根据空隙推求化学式(原子数、空隙数、晶胞等之间的关系)。第四层级精选精做习题和实习,钙钛矿晶体的A型晶胞和B型晶胞,MgCNi3超导材料的晶胞,新而精:精选具有举一反三作用的新成果、新进展、新技术为载体,负载晶体化学基本概念、原理和方法；有利于培养信息加工或统摄信息能力：图示信息(图示呈现显信息和隐信息)、文字信息(文字表达显信息和隐信息);有利于研训多样化的动态思维模式,以培养思维能力,留有思维空间;习题表征：通过表征形成脑中链接和知识网络思维连续：图文表征,数字表征,符号表征,语言表征;题型：以构造式为主,阶梯型,层次性,单元性和综合性结合；通过以上4环节的学习,完成“接受-储存-转译-输出”全过程,形成概念,掌握原理和方法,用来解决问题。,习题内容、来源、表述模式,例题,总之,晶胞既是晶体结构周期性范畴内的概念,又是晶体结构对称性范畴内的概念,讲授须关联此二性。,Cl-,Cl-,Cl-,Mg2+,回答了三方晶系晶体的对称性和周期性问题,(1)划分晶系的标准：晶体的特征对称元素或点群,而不是晶胞七个晶系(括号中是国内外书刊中的曾用名)高级晶系：立方晶系(等轴晶系)中级晶系：六方晶系、四方晶系、三方晶系(菱面体晶系或菱方系)低级晶系：正交晶系(斜方晶系)、单斜晶系、三斜晶系(2)六个晶族：以按3个原则选择晶胞所得几何特征为依据,将晶体分成6类,每一类称为一个晶族.共6个晶族,与6类晶胞对应.三方、六方晶系皆选六方晶胞，同属六方晶族。,3.关于三方晶系晶体,根据3个原则选择六种晶胞形状,结论(1)三方晶系的晶体既可画出三方晶胞,也可画出六方晶胞；但不管画出何种晶胞,其特征对称元素皆为三重对称轴；画成六晶胞较为方便。(2)三方晶系的晶体和六方晶系的晶体同属于六方晶族,尽管它们的特征对称元素不同.其他晶系的晶体晶系和晶族相同,此即7个晶系却只有6个晶族的原因。(3)常见于文献的菱面体晶胞未入选(而六方晶胞入选)的原因是,它不符合3个原则,它不是某个晶系的特征晶胞,它与六方、三方、立方晶系都有关系.,(4)三方晶系的晶体既有简单六方(hP),又有R心六方(hR)两种空间点阵型式；素单位是hP。(5)三斜晶族的记号用a而不t。(6)关于术语“菱面体三方”、“菱面体格子”、“简单三方的点阵型式”、“R格子三方”、“菱面体的点阵型式”。(7)建