晶体结构（基础班）课件2024年化学奥林匹克竞赛

CrystalStructure晶体结构认识晶体PART01固体晶体非晶体认识晶体Understandingcrystals认识晶体Understandingcrystals观察构成晶体与非晶体的微粒在空间的排列有何不同?Cu晶体结构示意图NaCl晶体结构示意图晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图认识晶体Understandingcrystals认识晶体Understandingcrystals认识晶体Understandingcrystals认识晶体Understandingcrystals1.晶体与非晶体的本质差异注意：1.是否为晶体不是看几何外形，是看内部。2.同一种物质，既可以形成晶体，也可以形成非晶体。例：晶体SiO2和无定型SiO2。

晶体自范性本质：熔融态SiO2有规则外形的水晶知识拓展粒子微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象自范性条件之一：生长速率适当——冷却形成没有规则外形的玛瑙晶体自范性认识晶体Understandingcrystals

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)溶质从溶液中析出知识拓展形成途径认识晶体Understandingcrystals认识晶体Understandingcrystals自范性微观结构晶体有(能自发呈现多面体外形)原子在三维空间里呈周期性有序排列非晶体没有(不能自发呈现多面体外形)原子排列相对无序关键1.晶体与非晶体的本质差异区分晶体和非晶体科学方法：

问题讨论

晶体非晶体的判断思考讨论粉末状的固体都是非晶体吗？怎样判断固体是晶体或非晶体？晶体有固定熔沸点；非晶体没有固定熔沸点。晶体判断方法认识晶体Understandingcrystals3．晶体的分类(1)分类标准：根据晶体内部

的种类和微粒间

的不同。微粒相互作用认识晶体Understandingcrystals(2)分类认识晶体Understandingcrystals141．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2．下列不属于晶体的特点是 （）A．有固定的几何外形 B．有各向异性C．有固定的熔点

D．是无色透明的固体3．下列过程难以得到晶体的有 （）A．对NaCl饱和溶液降温，所得到的固体B．气态H2O冷却为液态，然后再冷却成的固态C．熔融的KNO3冷却后所得的固体D．将液态的玻璃冷却成所得到的固体DDD151．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2．下列不属于晶体的特点是 （）A．有固定的几何外形 B．有各向异性C．有固定的熔点

D．是无色透明的固体DD当堂巩固认识晶体UnderstandingcrystalsC认识晶体Understandingcrystals4.下列说法错误的是(

)A.同一物质有时可以是晶体,有时可以是非晶体B.区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是确定有没有固定熔点C.雪花是水蒸气凝华得到的晶体D.溶质从溶液中析出可以得到晶体认识晶体UnderstandingcrystalsB晶体结构的最小重复单位-晶胞PART021.晶胞

能够反应晶体结构特点的基本单元叫做晶胞蜂巢与蜂室铜晶体铜晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell

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）1.晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell平行六面体无隙并置晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell（2）晶胞必须符合两个条件：一是代表晶体的化学组成(晶胞中各原子个数比与晶体中相等)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，对称面和对称中心划分晶胞要遵循2个原则：

一是尽可能反映晶体内结构的对称性二是体积尽可能小，优选棱的夹角为直角。晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell2.认识几种晶胞简单立方晶胞面心立方晶胞体心立方晶胞简单单斜晶胞六方最密堆积立方最密堆积A1型最密堆积及其面心立方晶胞A3型最密堆积及其六方晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell2121341体心：1面上：1/2顶点：1/8棱上：1/4均摊法24376185晶胞中微粒数的计算并非每一个完整的原子都属于一个晶胞体心立方晶胞体心立方晶胞体心立方晶胞均摊法切割图晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell面心立方晶胞面心立方晶胞面心立方晶胞均摊法切割图晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell每个六棱柱相当于三个六方晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell每个六棱柱相当于三个六方晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell顶点:晶体中原子被6个共用，1/6属于晶胞或1/12棱:晶体中原子被3个共用，1/3属于晶胞内部:1属于晶胞习题导学六方最密堆积（含三个晶胞）面:晶体中原子被2个共用，1/2属于晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell六方晶胞六方晶胞均摊法切割图六方晶胞晶体结构的最小重复单位-晶胞Theminimumrepeatingunitofcrystalstructure-crystalcell铜晶体晶胞顶角棱上面上体心立方体

1/8

1/4

1/2

1顶点：8×1/8=1面上：6×1/2=3总共：1+3=4铜晶胞铜晶体的一个晶胞中含有多少个铜原子?立方晶胞中质点的占有率思考讨论练习1：晶胞中微粒数的计算计算下面晶胞中含有原子个数8×—+1=2188×—+1=218(8×—+6×—)×2=818128×—+6×—+4=81812

练习1：晶胞中微粒数的计算NaCl晶胞CsCl晶胞NaCl晶胞、CsCl晶胞中含有的离子数目钠离子：1＋12×1/4＝4氯离子：8×1/8＋6×1/2＝4铯离子：1氯离子：8×1/8＝1

练习1：晶胞中微粒数的计算化学式:NaCl

化学式:CsCl

配位数？练习2：钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器都有应用。如图为钛酸钡晶体的结构示意图，其化学式是(

)A．BaTi8O12B．BaTi4O5C．BaTi2O4D．BaTiO3

DO在棱上12×1/4Ti在顶点8×1/8Ba在中心属于晶胞N(Ba):N(Ti):N(O)=1:1:3

练习3：典型晶体结构PART03典型晶体结构Typicalcrystalstructure金属键:金属阳离子和自由电子之间的强的相互作用。自由电子遍布整块金属，从而把所有金属阳离子维系在一起。一.金属晶体1.金属晶体:金属原子通过金属键形成的晶体。金属单质及其合金属于金属晶体，如Au、Cu、MgAl合金等典型晶体结构Typicalcrystalstructure金属键不具有方向性和饱和性。在金属晶体中，金属如同等径圆球一样，彼此相切，在三维堆积在一起。典型晶体结构Typicalcrystalstructure一.金属晶体简单立方晶胞面心立方晶胞体心立方晶胞六方最密堆积Po(钋)Zn,Ti,MgLi,Na,K,Ba,Fe,WAu,Ag,Cu,Al,Ca,Pd,Pt1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)典型晶体结构Typicalcrystalstructure(1)简单立方晶胞一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)典型晶体结构Typicalcrystalstructure(1)简单立方晶胞一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)棱边2原子相切，a=2r晶胞所含原子数：配位数：半径r和边长a的关系：密度：8×1/8

=16（上下左右前后）Po(钋)晶胞密度

ρ＝N为晶胞中所含微粒个数，M为所含微粒的摩尔质量，NA为阿伏加德罗常数，V为晶胞的体积，其单位为cm3，ρ为晶体的密度，其单位为g·cm－3。1nm=10-7cm1pm=10-10cm典型晶体结构Typicalcrystalstructure一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)典型晶体结构Typicalcrystalstructure(2)体心立方晶胞一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)典型晶体结构Typicalcrystalstructure(2)体心立方晶胞一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)

a=

体对角线=4r3晶胞所含原子数：配位数：r和a的关系：密度：8×1/8

+1

=28（立方体）体对角线3原子相切Li,Na,K,Ba,Fe,W典型晶体结构Typicalcrystalstructure(3)面心立方晶胞一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)晶胞所含原子数：r和a的关系：密度：8×1/8+6×1/2=4面对角线3原子相切

a=面对角线=4r2Au,Ag,Cu,Al,Ca,Pd,Pt配位数：12典型晶体结构Typicalcrystalstructure(3)面心立方晶胞一.金属晶体1.常见金属晶体的结构(等径圆球的密堆积)Au,Ag,Cu,Al,Ca,Pd,Pt（4）六方晶胞：底面棱的夹角不是直角Zn,Ti,Mg60°120°包含3个平行六面体晶胞配位数：12每个晶胞微粒数为：

六方晶胞4×1/6+4×1/12+1=2顶点：A°/720°

竖棱：A°/360°水平棱：1/41+1=2简单立方晶胞体心立方晶胞面心立方晶胞六方晶胞晶胞含原子数配位数r和a的关系边上原子相切a=2r8×1/8

=16

a=4r38×1/8

+1

=28体对角线原子相切8×1/8+6×1/2

=412面对角线原子相切

a=4r212a=b=2r每个A粒子周围与它最近的且距离相等的A粒子有

个12AB四类晶体金属晶体离子晶体共价晶体分子晶体溶解性导电性硬度熔点不溶于水部分与水反应(Na)固体或熔融状态时导电（自由电子，升温导电性变弱）差别大，多数较大（Na质软，Hg液体）差别大（W：3410℃,Hg：-38℃）同主族递减，同周期递增合金熔点比成分金属低合金硬度比成分金属大原子半径↘、价电子数↗，金属键↗，熔、沸点逐渐↗。①金属晶体熔点差别较大

如：汞Hg

-38.90C常温为液态；铁Fe

15350C；钨W

33900C②一般来说,原子半径越小、价电子数越多，金属键越强,熔点越高.（同周期？同主族？）原子半径↗、价电子数－，金属键↘，熔、沸点逐渐↘。右上大NaMgAlNaKRb典型晶体结构Typicalcrystalstructure一.金属晶体2.金属晶体的熔、沸点变化规律：典型晶体结构Typicalcrystalstructure一.金属晶体2.金属晶体的熔、沸点变化规律：合金

：由一种金属与另一种金属或几种金属或某些非金属所组成的、具有金属特性的物质。合金的特点:①熔点比成分金属低。②硬度比成分金属高。

合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此，在一般情况下，合金比纯金属硬度大。典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体明矾晶体重晶石硫化锌晶体氯化钠1.离子晶体：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。2.离子键无方向性、无饱和性。

在离子晶体每个离子都会尽可能多的吸引带相反电荷的离子，而且阴阳离子总是交错排列的。以离子键结合的化合物倾向于形成紧密堆积。阴阳离子半径不同，故离子化合物的结构可以归结为不等径圆球密堆积的几何问题。典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体1.

Na+

、Cl-

在晶胞中的什么位置？2.在一个晶胞中，

Cl-

的个数等于多少？

Na+的个数等于多少？

NaCl

型

钠离子和氯离子交错排列。Cl-位于顶点和面心（面心立方）Na+位于棱心和体心

或者反之。3.在NaCl晶体中，是否存在单独“NaCl”分子？离子晶体没有分子式，其化学式表示的是离子的个数比。Cl-：8×1/8+6×1/2=4Na+：12×¼+1=4阴阳离子个数比1:1典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体每个Cl-周围与之最接近且距离相等的Na+共有

个。66个Cl-形成的空间几何构型是正八面体每个Na+周围与之最接近且距离相等的Cl-共有

个。6个Na+形成的空间几何构型是正八面体离子晶体中离子的配位数：一个离子周围最邻近的异电性离子的数目。6Na+的配位数:6Cl-的配位数:6阴阳离子配位数比1:1典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体每个Na+周围最近的Na+有几个：每个Cl-周围最近的Cl-有几个：1212典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体8CsCl型1.Cs+、Cl-分别在晶胞中的什么位置？2.一个晶胞中Cs+和Cl-的个数：3.

Cs+的配位数：

Cl-的配位数：4.Cs+周围最近且距离相等的Cs+个数：

Cl-

周围最近且距离相等的Cl-个数：5.Cs+、Cl-

之间的最短距离b与晶胞边长a的关系?66搭建模型认识晶胞811周围最近且距离相等的Cl-个数周围最近且距离相等的Cs+

个数Cl-形成的空间几何构型是Cs+

形成的空间几何构型是立方体立方体典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体迁移应用认识晶胞1.粒子位置：2.微粒数：

阳、阴离子个数比：3.Ca2+配位数：F-的几何图形：F-配位数：Ca2+的几何图形：阳、阴离子配位数比：CaF2晶胞Ca2+位于顶点和面心F-位于8个小立方体内Ca2+F-4个Ca2+，8个F-2:18立方体4正四面体1:2典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体ZnS晶胞典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体ZnS型1.ZnS晶胞中微粒的位置？一个晶胞中Zn2+和S2-的个数：2.Zn2+的配位数：3.S2-的配位数：4.Zn2+

、

S2-之间的最短距离b与晶胞边长a的关系?迁移应用认识晶胞ZnS晶胞4444S2—：顶点和面心Zn2+：4个小立方体中心(上层：下层：)正四面体正四面体典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体AB型1:1AB2型1:2化学式NaClCsClZnSCaF2晶胞配位数Cl－6Na＋6Cl－8Cs＋8Zn2＋4S2－

4Ca2＋8F－4晶胞中微粒数Na＋4Cl－4Cs＋1Cl－1Zn2＋4S2－4Ca2＋4F－8小结：典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体【问题探究】离子晶体结构与性质的关系NaClMgO熔点/℃8012800沸点/℃14133600思考：结构相似的离子晶体，为什么熔沸点仍存在差异？思考：离子键的强弱通常用什么来衡量？晶格能离子键的强弱不同离子半径越小，离子电荷越多，离子键越强典型晶体结构Typicalcrystalstructure二.离子晶体NaCl(s)=Na+(g)+Cl-(g)(在一定程度上可以用来衡量离子键的强弱)离子晶体的晶格能(2)意义：(1)概念：将1mol离子晶体完全气化为气态阴、阳离子所吸收的能量。吸收的能量越多，晶格能越大，表示离子间作用力越强，离子晶体的熔点越高，硬度越大。(3)影响晶格能因素：a.离子半径越小，离子所带电荷数越多，晶格能越大b.与离子晶体的结构型式有关。金属晶体离子晶体共价晶体分子晶体溶解性导电性硬度熔点不溶于水部分与水反应(Na)固体或熔融状态时导电（自由电子，升温导电性变弱）差别大，多数较大（Na质软，Hg液体）差别大（W：3410℃,Hg：-38℃）同主族递减，同周期递增合金熔点比成分金属低合金硬度比成分金属大一般易溶于水，难溶于有机溶剂固态时不导电，水溶液或熔融状态下均导电离子电荷数越多、离子间距越小，晶格能越大，硬度越大较大较高晶格能越大，熔点越高典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体金刚石晶胞晶胞的碳原子数：8×1/8＋6×1/2＋4＝8配位数：4半径r与边长a的关系：a4r8r4r8r

＝

体对角线=

金刚石结构示意图空间利用率?空间利用率这么低，为何硬度如此之大？典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体原子共价键金刚石结构示意图以共价键相连的三维骨架结构共价晶体（原子晶体）构成粒子粒子间的作用力空间结构：共价晶体：相邻原子之间以共价键相结合形成的具有空间网状结构的晶体。共价键具有方向性和饱和性。使共价晶体中某个原子周围结合的其他原子是有限的，因此比较松散。共价晶体中的微粒堆积不服从紧密堆积原理。共价晶体（种类较少）单质：金刚石C、晶体硅Si、晶体硼B、晶体锗Ge等化合物：碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体、

氮化硅（Si3N4）晶体、二氧化硅（SiO２）晶体等共价晶体中不存在单个分子（无分子式，有化学式），原子晶体的化学式仅仅表示晶体中的原子个数最简比。典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体（1）金刚石的晶体结构②每个碳原子都采取_______;sp3杂化③所有的C—C键长相等，键角相等，键角为_________；109.5°④C原子与C—C键数之比为

；6不在⑤12g金刚石含有_____个C原子，含有_____个C-C键。⑥晶体中最小的碳环由___个碳组成，且_____同一平面内；①每个碳原子周围紧邻的碳原子有

个，成为_________结构；41:22NANA正四面体典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体金刚石晶体中，每个碳原子被

个环共用。12C42×2典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体金刚石模型的演变——等电子体原理(1)与碳同族单质(如Si、Ge)都具有与金刚石相似的结构；(2)第ⅣA族相邻元素间也可形成相似结构的晶体(如SiC)(3)与第ⅣA族同周期的元素间根据等电子体原理，如BN、GaAs等也可形成与金刚石结构相似的晶体。【知识拓展】碳原子和硅原子交替排列，只存在Si-C极性键。原子个数之比为1∶1。典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体（3）一般不导电（晶体硅是半导体）熔融状态也不导电

结构相似的共价晶体，原子半径越小，键长越短,键能越大，晶体熔点越高，硬度越大。（4）难溶于常见溶剂典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体（2）二氧化硅的晶体结构

向晶体硅结构中每个Si—Si键中间“插入”一个O原子，便得到以硅氧四面体为骨架的SiO2晶体结构。晶体硅的结构二氧化硅的结构①.晶体中1个Si与__个O以共价键结合，形成________结构；1个O与__个Si结合，故SiO2晶体中Si与O之比为______。在SiO2晶体中，

单个的SiO2分子存在。没有4正四面体1:22③.最小环上有_____个原子(____个Si和____个O)。②.1molSiO2晶体中含_____molSi-O键。41266硅（Si）典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure三.共价晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体分子晶体分子分子间作用力

共价键范德华力(一定)氢键(可能)(除稀有气体)分子间通过分子间作用力相结合形成的晶体。

分子晶体：典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体影响分子晶体的物理性质，如熔沸点、硬度影响分子的稳定性分子间作用力小于共价键典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体非金属元素组成的、只含共价键的晶体（除铵盐与共价晶体）典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体思考1：分子晶体的熔沸点、硬度是怎样的？思考2：如何比较分子晶体熔、沸点的高低？滑冰时，冰面上常常容易留下划痕提示：分子晶体熔化时破坏的是分子间作用力，分子间作用力很弱。因此，分子晶体的熔点通常较低(几百、几十、零下)，有较强的挥发性；硬度也较小。典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体☆分子晶体熔沸点比较：2、组成结构相似，相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高3、相对分子质量相同时，分子极性越大，熔沸点越高有机物支链越少，熔沸点越高1、氢键：分子间氢键使熔沸点升高，分子内氢键使熔沸点降低。（满足N、O、F—H…N、O、F，距离合适。易形成分子内氢键）CO

N2

正丁烷

异丁烷

典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体【归纳小结】分子晶体的物理特性1、熔点、沸点低2、硬度小3、固体和熔融状态不导电。4、溶解性一般遵循“相似相溶”规律，与溶剂形成氢键能增加溶解性等。H2O(极性溶剂)—溶解度:HCl(极性分子)>Cl2(非极性分子)有些（电解质）的水溶液能导电，如HI、CH3COOH等（溶于水发生电离）。有的（非电解质）不导电，如C2H5OH。干冰(CO2)冰(H2O)在分子晶体中，分子间作用力不同会对其内部分子的排列产生什么影响呢？只有范德华力既有范德华力也有氢键范德华力无方向性、饱和性氢键有方向性、饱和性典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体干冰(CO2)12①每个晶胞中有____个分子。②每个CO2分子周围等距紧邻的CO2分子有_____。4典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体单质碘晶胞为长方体，每个顶点和面心各有一个分子。①平均每个晶胞中有

个碘分子，②微粒间的作用力是。

4范德华力典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体①水分子之间的作用力是_______、__________。②冰中1个水分子周围有__个水分子形成_________。③1mol冰中有___mol“氢键”。氢键范德华力42冰H2O氢键具有方向性、饱和性，空间利用率低四面体典型晶体结构Typicalcrystalstructure四.分子晶体为什么冰的密度比水的小，而4℃时的水的密度最大？

氢键的存在