晶体结构和性质

1、第五节晶体结构和性质教学目的要求：1 掌握晶体、离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体的概念和结构特征。2 掌握晶体。3 掌握有关晶体。教学重点：各种晶体概念和结构特征、熔沸点比较、结构的计算。一、晶体： 1. 定义：具有规则几何外形的固体。 特征：（1）具有固定的熔点；（2）外形具有对称性。 2. 晶体的分类： 根据组成晶体的微粒种类及微粒之间的作用力不同可分为离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体（暂不要求）。 二、四种晶体的比较：晶体类型原子晶体离子晶体分子晶体金属晶体概念相邻原子之间以共价键相结合而成具有空间网状结构的晶体离子之间通过离子键结合而成的晶体分子间以范德华力相结合而成的晶体

2、通过金属键形成的晶体作用力共价键离子键范德华力金属键构成微粒原子阴、阳离子分子金属阳离子和自由电子实 例物理性质熔沸点很高较高很低大多数较高硬度很大较大很小大多数较硬导电性为半导体，其它为非导体水溶液或熔融状态可导电相似相溶，部分水溶液中可导电，如导体实例金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅盐、强碱等 Ar、S等Au、Fe、Cu、钢铁等 几点说明： （1）金属单质在固体状态时为金属晶体。 （2）稀有气体在固态时是由单原子分子所形成的分子晶体，晶体中不存在共价键，微粒间只存在范德华力。 （3）石墨晶体中既有共价键（层内的碳原子间的相互作用），又有范德华力（层与层之间作用），所以石墨应为过渡型晶体，其

3、性质更接近于原子晶体。例如：高熔点。三、物质熔、沸点的比较和规律： 1. 一般来说：原子晶体离子晶体分子晶体的熔沸点。 例：金刚石氯化钠干冰 2. 同类型的晶体： (1)原子晶体熔沸点的高低取决于共价键的键长和键能，键长越短，键能越大，熔、沸点越高。例：金刚石碳化硅晶体硅。 (2)离子晶体熔、沸点的高低取决于离子键的强弱。一般来说，离子半径越小，离子所带电荷数越高，离子键越强，熔、沸点越高。如：。 (3)分子晶体熔、沸点的高低取决于范德华力的大小。对于组成和结构相似的物质，其分子量越大，范德华力越大，熔、沸点越高。 例：。 特殊：HF、在同族气态氢化物中熔、沸点出现反常。 例：四、晶体结构：

4、（1）型：在晶体中，每个同时吸引6个，每个同时吸引6个，1：1。 （2）型：每个吸引8个，每个吸引8个，1：1。 （3）金刚石：正四面体，键角：。 （4）石墨：键角：，每个顶点为3个环共用，每个环占有碳原子，则平均每个环占有碳原子：个。 （5）白磷型：（）、正四面体、键角60。五、有关晶体的计算1 微粒数目比： 相互参照法以二氧化硅为例。1Si4O，1O2Si，NSi：NO=1：2，化学式：SiO2 单位拥有（占有）法以石墨、氯化钠为例。例. 某离子晶体的结构（局部如图），X位于立方体的顶点，Y位于立方体的中心，请回答：（1）该晶体的化学式为（ ） A. B. C. D. XY （2）晶体中，

5、每个X的周围与它最接近且距离相等的X的数目为（ ） A. 4个B. 6个C. 8个D. 12个分析. （1）首先应了解离子晶体无单独的分子，当从中取局部时，顶点粒子在此局部中只有的从属性，棱边粒子只有从属性，面上的粒子只有的从属性，只有中心粒子的从属性为1，由此规律可计算出任何离子晶体的化学式：，Y1，则，化学式为，故应选C。 （2）应考虑三维立体空间，故应选D。图2-1例：如图2-1所示为高温超导领域里的一种化合物钙钛矿的结构。该结构是具有代表性的最小重复单元。确定该晶体结构中，元素钙、钛、氧的个数比及该结构单元的质量。（相对原子质量：Ca 40.1 Ti 47.9 O 16.0；阿佛加德罗

6、常数：6.02×1023）【分析】我们以右图2-1所示的正方体结构单元为研究对象，讨论钙、钛、氧这三种元素属于这个正方体结构单元的原子（或离子）各有几个。首先看钙原子，它位于正方体的体心，自然是1；再看位于顶点上的钛原子，属于这个正方体是1/8吗？在第一节中，我们曾将一个大正方体分割成八个小正方体，原来在大正方体的一个原子被分割成了八个，成为小正方体的顶点。因此，位于正方体顶点上的原子属于这个正方体应为1/8。再看位于棱心上的氧原子，将它再对分就成为顶点（或者可认为两个顶点拼合后成为棱心）。因此，位于正方体棱心上的原子属于这个正方体应为1/4。最后再看位于面心上的原子，属于这个正方体

7、的应是1/2吗？好好想一想，怎样用上面的方法去考虑呢？通过上面的分析，我们应该可以考虑出钙、钛、氧三种原子各为1个、1个、3个，由于不知道它们原子的质量，怎么能计算出这个结构单元的质量呢？但我们知道它们的相对原子质量，再通过联系宏观和微观的量阿佛加德罗常数，就可以计算出每个原子的质量了，问题也就迎刃而解了。【解答】Ca:Ti:O1:1:3；m2.26×1022g【小结】在空间无限延伸晶体的正方体重复单位中，体心上的原子完全属于这个正方体，面心上原子属于这个正方体的1/2，棱心上原子属于这个正方体的1/4，顶点上原子属于这个正方体的1/8。2 一个微粒周围等距离微粒数的计算以氯化钠、二

8、氧化碳晶体为例。例. 如图所示为分子晶体结构的一部分。观察图形，试说明每个分子周围有_个与之等距离的分子。3 环面占有的原子数、化学键数及原子拥的化学键数计算 石墨中每个六元环占有的原子数、CC健数【例题3】石墨的片层与层状结构如图2-4所示：其中CC键长为142pm，层间距离为340pm（1pm=1012m）。试回答：1片层中平均每个六元环含碳原子数为 个；在层状结构中，平均每个六棱柱（如ABCDEFA1B1C1D1E1F1）含碳原子数 个。2在片层结构中，碳原子数、CC键数、六元环数之比为 3有规则晶体密度的求算方法：取一部分晶体中的重复单位（如六棱柱ABCDEFA1B1C1D1E1F1）

9、，计算它的质量和体积，其比值即为所求晶体的密度，用此法可求出石墨晶体的密度为 g/cm3(保留三位有效数字)。【分析】在石墨的片层结构中，我们以一个六元环为研究对象，由于碳原子为三个六元环共用，即属于每个六元环的碳原子数为6×1/32；另外碳碳键数为二个六元环共用，即属于每个六元环的碳碳键数为6×1/23。那么属于一个正六棱柱的碳原子是2×24吗？这时我们应将思维从平面转移到空间上来，这时还应考虑到每个碳原子还和上面（或下面）的六棱柱在共用，从1/3变为1/6了，因此这时还是2个碳原子。我们求出这个2个碳原子的质量和正六棱柱的体积，就能求出密度（与实验值很接近）。

10、【解答】12 2 22:3:1 32.24(±0.01)C6012个五边形、20个六边形例：1996年度诺贝尔化学奖授予三位大学教授，以表彰他们在1985年发现碳的球状结构。碳的球状结构，就是富勒烯家族的由若干个碳原子组成的笼状分子结构。这种笼状分子的典型代表是C60。C60是具有60个碳原子并组成1个酷似足球的笼状分子，如图5-4所示。目前，化学家们已经找到十余种富勒烯家族的Cx，它们分子结构中都由正五边形和正六边形构成，C80是其中一种。列式计算C80中五边形和六边形的个数。【分析】我们设正五边形与正六边形数分别为a和b，利用点、线、面的空间关系可列式(5a+6b)/280

11、15;3/2120 （120就是棱的数目），另外利用封闭多面体的不饱和度也可列式(ab140)×280×22 （40可认为是双键数）。由，我们可解得a12；b30。在C80中，五边形数与在C60中五边形数是一样的（97年高考中的C70中五边形数也是12个），这儿是否有其内在规律呢？我们将式中的80改为x，将40改为x/2，这就是任意由五边形和六边形构成的富勒烯家族的Cx应满足的方程式。在解这两个方程时，消去 b的同时，也消去了x，并解出a12。因此Cx中，五边形数都是12个。另外，x是不可能为奇数的，每增加2个碳原子，就增加1个六元环（在一个六边形的相对顶点串连两个点不就构

12、成2个六边形了吗？例题1中的C20骨架是只有五边形构成的，与C60相比，正好少了40个碳原子和20个六元环。【解答】12个五边形 20个六边形4晶胞与晶体密度例：如图28金属钨晶体的密堆结构模型图。从金属钨晶体中划分出的一个晶胞（在晶体中，仍保持一定几何形状的最小单位，又称为单元晶胞），它是一个立方体，立方体中每个角各有一个钨原子，中心有一个钨原子。实验测得金属钨的密度为，相对原子质量为，。假定金属钨为等径的钨原子钢性球，采取上述方法密堆积。试回答下列问题： （1）每个晶胞平均占有钨原子多少个？ （2）计算晶体的边长a。 （3）计算钨的原子半径（提示：只有体对角线上各原子才是彼此接触的）。 解

13、析：（1）根据每个钨原子对一个晶胞的贡献，可知每个晶胞中平均占有钨原子数为：（其中8个顶点上8个钨原子对晶胞的贡献为，立方体体心的钨原子全部被晶胞占有） （2）依题意有：则知一个晶胞的质量为：，从而得出1mol钨原子的质量为：，故：，则。 （3）依题意：原子半径即为体对角线的四分之一，则有： 原子半径 答：（1）2；（2）；（3）。 图2-3例：计算如图2-3所示三种常见AB型离子化合物晶体的密度。（设以下各正方体的边长分别为a cm、b cm、c cm，Na、S、Cl、Zn、Cs的相对原子质量分别为M1、M2、M3、M4、M5）【分析】只要计算出每个正方体结构单元的质量和体积，其比值就是我们所需要的密度了。【解答】Cl原子在体心，是1；Cs原子在顶点