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晶体结构与性质,晶体结构知识初步,你知道固体有晶体和非晶体之分吗？能否举例说明？,一、晶体与非晶体,胆矾明矾晶体,冰糖晶体水晶,水晶石,祖母绿,绿宝石,猫眼石,紫水晶,黄水晶,黄水晶,NaCl晶体结构示意图：,金刚石晶体结构示意图,干冰晶体结构,玻璃结构示意图,B,O,Si,M,晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图,思考?,1、什么是晶体？什么是非晶体？,定义：晶体具有规则几何外形的固体非晶体没有规则几何外形的固体,2、晶体有什么特点和性质？,特点和性质：（1）晶体有自范性（几何外形和内部质点排列的高度有序性，非晶体没有）（2）晶体具有各向异性（非晶体不具有各向异性）（3）晶体具有固定的熔点（非晶体不具有固定的熔点）,3、晶体和非晶体的本质区别是什么？,晶体的自范性即晶体能自发地呈现多面体外形的性质。,3、晶体与非晶体的本质区别在于,构成固体的粒子在三维空间里是否呈现周期性的有序排列,4、晶体形成的途径：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.,思考:根据已有知识,举例说明如何制得晶体?,思考与交流:1.如何鉴别晶体和非晶体?,（1）性质差异如外形、硬度、熔点、折光率（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。,2、某同学在网站找到一张玻璃的结构示意图如图所示，这张图说明玻璃是不是晶体?为什么?3、根据晶体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。你能列举出一些可能有效的方法鉴别假宝石吗?,分组探讨,本节小结：,一、晶体与非晶体,1、定义：晶体具有规则几何外形的固体非晶体没有规则几何外形的固体,2、特点和性质：（1）晶体有自范性（2）晶体具有各向异性（3）晶体具有固定的熔点,3、晶体与非晶体的本质区别在于构成固体的粒子在三维空间里是否呈现周期性的有序排列,5、晶体和非晶体的鉴别,4、晶体形成的途径：,1、下列关于晶体与非晶体的说法正确的是A、晶体一定比非晶体的熔点高B、晶体有自范性但排列无序C、非晶体无自范性而且排列无序D、固体SiO2一定是晶体2、区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是A、熔沸点B、硬度C、颜色D、x-射线衍射实验,C,D,课堂练习,二晶胞,1.描述晶体结构的基本单元叫做晶胞,蜂巢与蜂室,铜晶体,铜晶胞,晶体与晶胞的关系可用蜂巢与峰室的关系比喻，然而蜂巢是有形的，晶胞是无形的，是人为划定的。,晶胞一般是平行六面体，整块晶体可看作数量巨大的晶胞“无隙并置”而成（晶胞间无间隙，平行排列）,NaCl晶体结构和晶胞,思考与交流:1.上述铜晶体、金刚石、CO2晶体、NaCl晶体的晶胞的空间构形呈什么形状？2.在上述晶体中，晶胞是如何排列的？晶胞之间是否存在空隙？,CO2晶胞,晶体结构,晶胞示意图,铜晶体,铜晶胞,金刚石的多面体外形、晶体结构和晶胞示意图,NaCl晶体结构和晶胞,思考与交流:上述铜晶体、金刚石、NaCl晶体的晶胞空间构形是怎样的？,平行六面体,无隙并置,思考：铜晶胞含有4个铜原子，为什么不是14个？,2、晶胞中原子个数的计算,晶胞中原子个数的计算,晶体空间结构,1,2,3,4,5,6,7,8,立方晶胞,体心：,1,面心：,1/2,棱边：,1/4,顶点：,1/8,小结:晶胞对质点的占有率,探究: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，它们分别平均含几个原子?,钠、锌晶胞都是：81/8+1=2；碘：（81/8+61/2）2=8；金刚石：81/8+61/2+4=8。,例: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,典例分析,Mg原子的数目：121/6+21/2=3B原子的数目：6故化学式可表示为Mg2B,典例分析,立方晶胞,体心：,1,面心：,1/2,棱边：,1/4,顶点：,1/8,二晶胞,1、概念：描述晶体结构的基本单元叫做晶胞,2、晶胞中原子个数的计算,3、如图所示晶体中每个阳离子A或阴离子B，均可被另一种离子以四面体形式包围着，则该晶体对应的化学式为AABBA2BCAB3DA2B3,4、右面图形是石墨晶体的层面结构图，试分析图形推测层面上每个正六边型拥有的共价键数和碳原子数是分别：A、6，6B、2，4C、2，3D、3，2,5、某离子晶体晶胞结构如右图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心，晶体中距离最近的两个X与一个Y形成的夹角XYX的角度为：A.90B.60C.120D.10928,6、图是超导化合物一钙钛矿晶体中最小重复单元(晶胞)的结构.请回答：(1)该化合物的化学式为_.(2)在该化合物晶体中，与某个钛离子距离最近且相等的其他钛离子共有_个.(3)设该化合物的相对分子质量为M，密度为阿伏加德罗常数为NA，则晶体中钙离子与钛离子之间的最短距离为_.,CaTiO3,6,7、如图是CsCl晶体的晶胞（晶体中最小的重复单元）已知晶体中2个最近的Cs+核间距离为acm，氯化铯的相对分子质量为M，NA为阿佛加德罗常数，则CsCl晶体的密度为（单位：克/cm3）A、8M/a3NAB、a3M/8NAC、M/a3NAD、a3M/NA,分子晶体与原子晶体,交流讨论,雪花、冰糖、食盐、水晶和电木（酚醛树脂）这些固体是否属于晶体？若不是晶体，请说明理由。,观察与思考：下列两种晶体有什么共同点？,碘晶体结构,干冰晶体结构,一、分子晶体,构成晶体的粒子是分子，粒子间以分子间作用力（范德华力，氢键）相互作用的晶体叫分子晶体。,1、概念,（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（3）部分非金属氧化物:CO2，SO2，NO2，P4O6，P4O10（4）几乎所有的酸：H2SO4，HNO3，H3PO4（5）绝大多数有机物的晶体：乙醇，冰醋酸，蔗糖,2、典型的分子晶体：,分子晶体有哪些物理特性，为什么？,思考与交流,(1)较低的熔点和沸点，易升华；(2)较小的硬度；(3)一般都是绝缘体，熔融状态也不导电。,原因：分子间作用力较弱,3、物理特性：,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,（与CO2分子距离最近的CO2分子共有12个）,干冰的晶体结构图,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,只有范德华力，无分子间氢键分子密堆积。这类晶体每个分子周围一般有12个紧邻的分子，如：C60、干冰、I2、O2。,4、晶体结构特征,（1）密堆积,有分子间氢键氢键具有方向性,使晶体中的空间利率不高,留有相当大的空隙.这种晶体不具有分子密堆积特征。如：HF、NH3、冰（每个水分子周围只有4个紧邻的水分子）。,（2）非密堆积,笼状化合物,科学视野,天然气水合物一种潜在的能源,思考与交流,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。碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族，为什么CO2晶体的熔、沸点很低，而SiO2晶体的熔沸点很高？,180,10928,Si,O,共价键,二氧化硅晶体结构示意图,10928,共价键,金刚石的晶体结构示意图,二原子晶体（共价晶体）,构成晶体的粒子是原子，所有的相邻原子间都以共价键相结合而形成空间立体网状结构的晶体。,金刚石,1、概念：,观察思考,对比分子晶体和原子晶体的数据，原子晶体有何物理特性？,2、原子晶体的物理特性,（1）熔点和沸点高；（2）硬度大；（3）一般不导电；（4）且难溶于一些常见的溶剂。,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，所以原子晶体有特殊的物理性质。,3、常见的原子晶体,（1）某些非金属单质：金刚石（C）、晶体硅(Si)、晶体硼（B）、晶体锗(Ge)等（2）某些非金属化合物：碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体（3）某些氧化物：二氧化硅（SiO）晶体、-Al2O3,解释：结构相似的原子晶体，原子半径越小，键长越短，键能越大。碳、硅、锗原子半径依次增大，键长依次增大，键的强度依次减弱。故它们熔点和硬度依次下降。即金刚石硅锗,学与问,1、怎样从原子结构角度理解金刚石、硅和锗的熔点和硬度依次下降？,2、“具有共价键的晶体叫做原子晶体”。这种说法对吗？为什么？,分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较,构成晶体粒子,分子,原子,分子间作用力,共价键,结构、性质,较小,较大,较低,很高,固态和熔融状态都不导电,不导电,相似相溶,难溶于常见溶剂,知识拓展比较石墨和金刚石晶体结构,1.5510-10m,石墨,金刚石,思考：,（1）石墨为什么很软？（2）石墨的熔沸点为什么很高？石墨的熔点为什么高于金刚石？（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。,它们都有很强的C-C共价键。在石墨中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），C-C键长比金刚石的短，键的强度大，故其熔点金刚石高。,石墨为混合键型晶体。,5.属于分子晶体的有：干冰、冰、硫磺、C60、碘、白磷、苯甲酸、稀有气体的晶体、氧的晶体、氮的晶体；属于原子晶体的有：金刚石、石英、金刚砂,4.只认识到冰中含有共价键（即氢元素和氧元素之间的共价键），而没有认识冰晶体中水分子与其他水分子之间的作用力是范德华力和氢键，不是化学键，所以误认为冰是原子晶体。,金属晶体,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。,金属为什么具有这些共同性质呢?,二、金属的结构,问题：构成金属晶体的粒子有哪些？,组成粒子：,金属阳离子和自由电子,1.“电子气理论”(自由电子理论)金属原子脱落来的价电子形成遍布整个晶体的“电子气”,被所有原子所共用，从而把所有的原子维系在一起。,2.金属键:这种金属原子间由于电子气产生的作用.(在金属晶体中，金属阳离子和自由电子之间的较强的相互作用)在金属晶体中。,金属键强弱判断:阳离子所带电荷多、半径小金属键强，熔沸点高。,3、金属晶体：通过金属键作用形成的单质晶体,【讨论1】金属为什么易导电？在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子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就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。,三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系,【讨论2】金属为什么易导热？,金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属离子碰撞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。,【讨论3】金属为什么具有较好的延展性？金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性，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。,不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、熔点等又表现出很大差别。这与金属原子本身、晶体中原子的排列方式等因素有关。,金属的延展性,资料,金属之最,熔点最低的金属是-,汞,熔点最高的金属是-,钨,密度最小的金属是-,锂,密度最大的金属是-,锇,硬度最小的金属是-,铯,硬度最大的金属是-,铬,最活泼的金属是-,铯,最稳定的金属是-,金,延性最好的金属是-,铂,展性最好的金属是-,金,1、金属晶体的形成是因为晶体中存在（）A.金属离子间的相互作用B金属原子间的相互作用C.金属离子与自由电子间的相互作用D.金属原子与自由电子间的相互作用,C,练习,2金属能导电的原因是（）A.金属晶体中金属阳离子与自由电子间的相互作用较弱B金属晶体中的自由电子在外加电场作用下可发生定向移动C金属晶体中的金属阳离子在外加电场作用下可发生定向移动D金属晶体在外加电场作用下可失去电子,C,3、下列叙述正确的是（）A.任何晶体中，若含有阳离子也一定含有阴离子B原子晶体中只含有共价键C.离子晶体中只含有离子键，不含有共价键D分子晶体中只存在分子间作用力，不含有其他化学键,B,4、为什么碱金属单质的熔沸点从上到下逐渐降低，而卤素单质的熔沸点从上到下却升高？,二金属晶体的密堆积结构,思考：,1、金属原子在形成晶体时有几种堆积方式？,金属晶体的原子平面堆积模型,（a）非密置层（b）密置层,哪种排列方式圆球周围剩余空隙最小？,简单立方堆积（Po）,金属晶体的原子空间堆积模型1,晶胞的形状是什么？含几个原子？,体心立方堆积（IA，VB，VIB）,金属晶体的原子空间堆积模型2,三维堆积四种方式,简单立方堆积,钾型体心立方,由非密置层一层一层堆积而成,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),六方密堆积,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),镁型,铜型,金属晶体的两种最密堆积方式,三、金属晶体的四种堆积模型对比,金属晶体的四中堆积模型对比,石墨是层状结构的混合型晶体,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,2关于A族和A族元素的下列说法中正确的是A同一周期中，A族单质的熔点比A族的高B浓度都是0.01molL1时，氢氧化钾溶液的pH比氢氧化钡的小C氧化钠的熔点比氧化镁的高D加热时碳酸钠比碳酸镁易分解,3有A、B、C三种元素。已知4gA元素的单质与水作用，标况下放出H22.24L，反应中有1.2041023个电子发生转移。B元素可与A形成AB2型的离子化合物，且知A、B的离子具有相同的核外电子排布。元素C的气态氢化物可与其最高价氧化物的水化物发生非氧化还原反应生成盐，1mol该盐含42个电子。据此填写下列空白：（1）元素符号：A_，B_，C_。（2）用电子式表示C的气态氢化物的形成过程_；它与B的气态氢化物反应时有_现象发生，生成物的电子式_，它属于_晶体。,4、某些金属晶体(Cu、Ag、Au)的原子按面心立方的形式紧密堆积，即在晶体结构中可以划出一块正立方体的结构单元，金属原子处于正立方体的八个顶点和六个侧面上，试计算这类金属晶体中原子的空间利用率。,5、单质硼有无定形和晶体两种，参考下列数据回答：,(1)晶体硼的晶体类型属于_晶体。(2)已知晶体硼的基本结构单元是由B原子构成的正二十面体，其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶点，每个顶点各有一个B原子。通过观察图形及推算，可知此结构单元是由_个B原子构成，其中BB键间的夹角是_。,离子晶体,(1)离子键的形成Na(3s1)-eNa+(2s22p6)NaClCl(3s23p5)+eCl-(3s23p6),离子键与离子型化合物。,正负离子由静电作用形成的化学键,（2）影响离子键强度的因素,1离子电荷数的影响：离子所带电荷多，离子键强。,2离子半径的影响：离子半径大，离子间距大，作用力小；相反，半径小，作用力大。,（3）常见的离子化合物,a.活泼的金属与活泼的非金属形成的化合物,b.大多数金属氧化物,c.含氧酸盐（包括铵盐）,d.大多数碱,各种离子晶体,一、离子晶体,1、定义：阳离子和阴离子通过离子键结合成的晶体,2、构成微粒：阴阳离子3、微粒间作用：离子键,4、离子晶体的物理性质（1）硬度较大（2）熔、沸点较高（3）固态时不导电，熔化状态才导电。,思考：氯化钠晶体中钠离子和氯离子分别处于晶胞的什么位置？,氯化钠晶体的堆积方式,每个Cl-周围与之最接近且距离相等的Na+共有个。,6,这几个Na+在空间构成的几何构型为。,正八面体,NaCl晶体中离子的配位数,CsCl晶体的结构,氯化铯晶体中氯离子和铯离子分别处于晶胞的什么位置？,铯离子位于顶点，氯离子位于体心。,氯化铯晶体,CsCl晶体中离子的配位数,（1）每个晶胞含铯离子、氯离子的个数？,（2）在氯化铯晶体中，每个Cs+周围与之最接近且距离相等的Cl-共有；这几个Cl-在空间构成的几何构型为。,（3）在每个Cl-周围距离相等且最近的Cs+共有；这几个Cs在空间构成的几何构型。,NaCl，CsCl晶体中的配位数,6,6,8,8,影响离子配位数的因素,1.几何因素,2.电荷因素,3.键性因素,1、几何因素,配位数与r+/r之比相关：0.2250.4144配位0.4140.7326配位0.7321.0008配位,NaCl:95/181=0.525CsCl:169/181=0.933,2、电荷因素,CaF2的晶胞,例：CaF2的晶体中，Ca2和F的个数之比_，电荷数之比_，Ca2配位数是_，F的配位数是_。,由正负离子的电荷比影响离子晶体的配位数的因