《晶体上课用》PPT课件.ppt

1、不同类型的晶体,什么叫晶体?,通过结晶过程形成的具有规则几何外形的固体叫晶体。 晶体中的微粒（分子、原子或离子）按一定的规则排列。,晶体的内部结构,晶格：把晶体中规则排列的微粒抽象成几何学中的点，并称为结点。这些点的结合称为点阵，沿着一定的方向按某种规则把结点连结起来，则得到描述各种晶体内部结构的几何图像晶体的空间格子，称为晶格。,晶胞基本特征： 晶胞有三个要素： 晶胞型式:平行六面体 晶胞中各种粒子比与晶体一致 晶胞在结构上的对称性要和晶体一致,晶胞：在晶格中，能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞。（晶体中最有代表性的重复单位）,简单立方,体心立方,面心立方,三种典型立方晶体结构,构成

2、晶体的基本微粒和作用力,阴阳离子 原子 分子,阴阳离子间以离子键结合，形成离子晶体。 原子间以共价键结合，形成原子晶体。 分子间以分子间作用力（又称范德华力）结合，形成 分子晶体。,离子晶体,什么叫离子晶体？ 离子晶体的特点？ 哪些物质属于离子晶体？,离子间通过离子键结合而成的晶体。 无单个分子存在；NaCl 和CsCl不是表示分子式。 熔沸点较高，硬度较大，较脆。 水溶液或者熔融状态下均导电。 强碱、部分金属氧化物、部分盐类。,1.食盐（晶体）的形成(立方面心）,每个Na+周围有六个Cl-,每个Cl-周围有六个Na+,在NaCl晶体中，每个Na+周围与它最接近且距离相等的Na+共有（ ）个。

3、,12,立方面心的配位数 ：6,思考：请问在NaCl晶体中Na+与Cl-的个数比是多少？,运用晶胞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：（均摊法）,（3）计算出晶胞中各微粒的个数,顶点：处于顶点的离子，同时为8个晶胞所共 有，每个离子有1/8属于该晶胞,棱上：处于棱上的离子，同时为4个晶胞所共 有，每个离子有1/4属于该晶胞,面心：处于面心的离子，同时为2个晶胞所共 有，每个离子有1/2属于该晶胞,体内：处于体心的离子，完全属于该晶胞， 该离子按1计入晶胞,晶胞结构可以看出：在每个NaCl晶胞中Na+的位置有两种：8个位于晶胞的顶点，

4、6个位于晶胞的面心，则Na+离子个数=1/88 +1/26=4； Cl-的位置有两种：12个位于晶胞的棱边，1个位于晶胞的体心，Cl-离子个数=1/412+1=4。 由此可见，NaCl晶胞中Na+离子与Cl-离子的个数比为1：1，故晶体中Na+离子与Cl-离子的个数比为1：1。,练习：ZnS型晶胞中有锌离子与硫离子个数比为（ ）,思考：设Na+与 Cl-之间的距离为a,求NaCl的密度D.,2.CsCl晶体（体心立方）,在CsCl晶体中，每个Cs+同时吸引( )个Cl-,每个Cl- 同时吸引( )个Cs+。,在CsCl晶体中，每个Cs+周围与它最接近且距离相等的Cs+共有（ ）个。,8,8,6

5、,体心立方的配位数为：,8,CsCl的晶体结构示意图,返回,思考：设CsCl晶胞的边长为a,求CsCl的密度D. 若Cs+与 Cl-之间的距离为a，则CsCl的密度D,晶体中的Cs+与Cl-个数之比为（ ）,1：1,为什么NaCl的熔沸点比CsCl高？,思考,Na+半径比Cs+ 小,Na+与Cl- 的相互作用比Cs+与Cl- 的相互作用强,Na+ 与Cs+ 均带一个单位正电荷，,阴离子均为氯离子。,NaCl晶体中的离子键较强，,NaCl晶体的熔沸点较高。,结论:一般来说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子键越强，离子晶体的熔沸点越高。,练习：比较下列化合物的熔点的高低（从低往高排列）

6、 KCl NaCl MgO MgS,3. 晶格能（用U表示）,键能:1mol 气态 分子, 离解成气体原子时, 所吸收的能量. E （1）定义：晶格能是指将1mol 离子晶体里的正负离子完全气化而远离所需要吸收的能量（符号为正）。 （或气态的正负离子, 结合成 1mol NaCl 晶体时, 放出的能量.(符号为负）,（2）意义：晶格能 U 越大, 则形成离子键时放出的能量越多, 离子键越强.键能和晶格能, 均能表示离子键的强度, 而且大小关系一致. 通常, 晶格能比较常用. 如何求得晶格能?,(3)晶格能的测定玻恩-哈伯循环法,利用生成焓（Hf）、升华热（Hs ）、离解能（D）、电离能（I）和

7、电子亲合能（A）等实验数据求得晶格能,以NaCl为例：,以NaCl为例：玻恩-哈伯循环法,Na（s）+ 1/2Cl2( g） NaCl(s),Na+（g）+ Cl- ( g）,Na（g） + Cl( g）,Hf =Hs + 1/2D + A + U,U =Hs + 1/2D + A - Hf,其中M为马德隆常数，Z+ Z-为正负离子所带电荷数 r0为阴阳离子之间的距离，n为波恩指数。,例、已知M=1.7476，MgS晶体中正负离子核间距r0=259pm, ，波恩指数n=8。求MgS晶体的晶格能。,U = 3270.6 KJ/mol,原子晶体,什么叫原子晶体？ 原子晶体的特点？ 哪些物质可以形成

8、原子晶体？,原子间以共价键结合，向空间伸展，形成彼此连接的空间网状结构的晶体。 无真正意义的“分子”存在；只有化学式。 熔沸点很高，硬度很大 。 少数非金属单质(晶体硅、金刚石等 ) 少数非金属氧化物（如SiC、SiO2）等。,原子晶体的熔沸点、硬度怎样？熔沸点高低由什么因素决定？,原子晶体中所有原子之间以共价键结合，共价键总数特别多，共价键的键能总和也特别大，所以原子晶体的熔沸点越高、硬度很大。,你知道吗,熔沸点高低由共价键的键能决定，与共价键的键长成反比，也就是与原子半径的大小成反比。,试比较：晶体硅、金刚石、碳化硅 的熔点高低？,10928,金刚石的晶体结构示意图,共价键,180,109

9、28,Si,o,二氧化硅的晶体结构示意图,共价键,原子晶体，空间网状结构，Si原子构成正四面体，O原子位于SiSi键中间。（SiO2晶体中不存在SiO2分子，只是由于Si原子和O原子个数比为12，才得出二氧化硅的化学式为SiO2）,层状结构，每一层内，碳原子以正六边形排列成平面的网状结构，每个正六边形平均拥有两个碳原子。片层间存在范德华力，是混合型晶体。,石墨的晶体结构俯视图,(1)石墨晶体的同层中，C与C之间是什么作用力，键角是多少？ (2)在石墨晶体的每个正六边 形中，碳原子数与共价键数 之比是多少？,在石墨晶体的同一层中， 每个碳原子与三个六边 形共用，每一个共价键 与两个六边形共用，所

10、 以属于每个六边形的碳 原子数为 （个） 共价键数 （个）。 每个六边形中碳原子数 与共价键数比为2:3。,1/36=2,1/26=3,三、分子晶体,什么叫分子晶体？ 分子晶体的特点？ 哪些物质可以形成分子晶体？,分子间通过分子间作用力结合成的晶体。 有单个分子存在；化学式就是分子式。 熔沸点较低，硬度较小，易升华。 多数非金属单质(卤素、氧气、等 ) 稀有气体（如氦，氖，氩） 非金属氢化物（如氨，氯化氢） 多数非金属氧化物（如CO、SO2）等。,1. 分子极性 偶极矩,在任何一个分子中都可以找到一个正电荷中心和一个负电荷中心。如HCl、CO2,正、负电荷中心重合的分子为非极性分子,正、负电荷

11、中心不重合的分子为极性分子,如CH4、BF3,如NH3 、H2O,同核双原子分子：原子的电负性相同，原子之间的化学键是非极性键，分子是非极性分子。,异核双原子分子：由于电负性不同，两个原子之间的化学键为极性键，分子是极性分子。,多原子分子：如是相同原子组成的、且仅有非极性键，则分子通常是非极性分子，如P4、S8等。如果组成原子不相同，那么分子的极性不仅与元素的电负性有关，还与分子的空间结构有关。,例如，SO2和CO2都是三原子分子，都是由极性键组成，但CO2的空间结构是直线型，键的极性相互抵消，分子的正、负电荷中心重合，分子为非极性分子。而SO2的空间构型是角型，正、负电荷重心不重合，分子为极

12、性分子,分子极性的大小用偶极矩来量度。在极性分子中，正、负电荷中心的距离称偶极长，用符号d表示，单位为米(m)；正、负电荷所带电量为q和q，单位库仑(C)； = q d,*偶极矩还可帮助判断分子可能的空间构型。例如NH3和BCl3都是由四个原子组成的分子，可能的空间构型有两种，一种是平面三角形，一种是三角锥形，根据 (NH3)=5.001030 Cm (BCl3)= 0.00 Cm 可知，BCl3分子是平面三角形构型，而NH3分子是三角锥形构型。,*根据偶极矩大小可以判断分子有无极性，比较分子极性的大小。 = 0，为非极性分子；值愈大，分子的极性愈大。,2. 分子变形性,非极性分子在外电场作用

13、下会产生偶极，成为极性分子；,极性分子在外电场作用下本来就具有的固有偶极会增大，分子极性进一步增大。这种在外电场作用下，正、负电荷中心距离增大的现象，称为变形极化，所形成的偶极称为诱导偶极,3. 分子间的吸引作用,(1)色散力 任何分子由于其电子和原子核的不断运动，常发生电子云和原子核之间的瞬间相对位移，从而产生瞬间偶极。瞬间偶极之间的作用力称为色散力,分子的变形不仅在电场中发生，在相邻分子间也会发生。分子的极性和变形性，是产生分子间力的根本原因。,分子的变形性愈大，色散力愈大。分子中原子或电子数越多，分子愈容易变形，所产生的瞬间偶极矩就愈大，相互间的色散力愈大。色散力不仅存在于非极性分子间，

14、同时也存在于非极性分子与极性分子之间和极性分子与极性分子之间。所以色散力是分子间普遍存在的作用力。,（2）诱导力,当极性分子与非极性分子相邻时，极性分子就如同一个外电场，使非极性分子发生变形极化，产生诱导偶极。极性分子的固有偶极与诱导偶极之间的这种作用力称为诱导力。,诱导力的本质是静电引力，极性分子的偶极矩愈大，非极性分子的变形性愈大，产生的诱导力也愈大；而分子间的距离愈大，则诱导力愈小。极性分子之间也会相互诱导产生诱导偶极，所以极性分子之间也会产生诱导力。,（3）取向力,极性分子与极性分子之间，由于同性相斥、异性相吸的作用，使极性分子间按一定方向排列而产生的静电作用力称为取向力。,+ -,-

15、 +,+ -,+ -,+ -,+ -,取向力的本质是静电作用，可根据静电理论求出取向力的大小。偶极矩越大，取向力越大；分子间距离越小，取向力越大。同时，取向力与热力学温度成反比。,分子间力的特点：,*分子间力属静电作用，既无方向性，也无饱和性。分子间力是一种永远存在于分子间的作用力，随着分子间距离的增加，分子间力迅速减小，其作用能的大小约比化学键小12个数量级，在几到几百焦耳每摩尔之间。,*分子间力主要影响物质的物理性质，如物质的熔点、沸点等。例如，HX的分子量依HClHBrHI顺序增加，则分子间力(主要是色散力)也依次增加，故其熔沸点依次增高。然而它们化学键的键能依次减小，所以其热稳定性依次

16、减小。此外分子间力愈大，它的气体分子越容易被吸附。,p区同族元素氢化物的熔、沸点从上到下升高，而NH3、H2O和HF却例外。如H2O的熔、沸点比H2S、H2Se和H2Te都要高。H2O还有许多反常的性质，如特别大的介电常数和比热容以及密度等。又如HF分子气相为二聚体(HF)2，HCOOH分子气相也为二聚体(HCOOH)2。根据甲酸二聚体在不同温度的解离度，可求得它的解离能为59.0kJmol1 ，这个数据显然远远大于一般的分子间力。,形成氢键的条件是： l氢原子与电负性很大的原子X形成共价键； l有另一个电负性很大且具有孤对电子的原子X(或Y)；一般在XHX(Y)中，把“”称作氢键。,氢键:当

17、氢与电负性很大、半径很小的原子X(X可以是F、O、N、等高电负性元素)形成共价键时，共用电子对强烈偏向于X原子，因而氢原子几乎成为半径很小、只带正电荷的裸露的质子。这个几乎裸露的质子能与电负性很大的其他原子(Y)相互吸引，也可以和另一个X原子相互吸引，形成氢键。,氢键是在分子间形成的，该分子中必须含有氢原子，且另一种原子吸引电子的能力很强（具体有F、O、N三种元素），只有这样才能形成氢键。常见的能形成氢键的分子主要有HF、H2O、NH3等。氢键的实质也是静电作用，氢键的强度比分子间作用力稍强，但比化学键弱的多，它仍不属于化学键范畴。,氢键的特点：,*键能一般在40kJmol1以下，比化学键的键

18、能小得多，与范德华力同一数量级。 *具有饱和性和方向性： 氢键的饱和性表示一个XH只能和一个Y形成氢键。 氢键的方向性是指Y原子与XH形成氢键时，其方向尽可能与XH键轴在同一方向，即XHY尽可能保持180。（这样成键可使X与Y距离最远，两原子的电子云斥力最小，形成稳定的氢键）。,氢键对物质的物理性质的影响：,分子间形成氢键时，使分子间结合力增强，使化合物的熔点、沸点、熔化热、汽化热、粘度等增大，蒸汽压则减小。例如HF的熔、沸点比HCl高，H2O的熔、沸点比H2S高，分子间氢键还是分子缔合的主要原因。 分子内氢键的形成一般使化合物的熔点、沸点、熔化热、汽化热、升华热减小。,氢键对化合物的溶解度的

19、影响：,当溶质和溶剂分子间形成氢键时，使溶质的溶解度增大；当溶质分子间形成氢键时，在极性溶剂中的溶解度下降，而在非极性溶剂中的溶解度增大。 当溶质形成分子内氢键时，在极性溶剂中的溶解度也下降，而在非极性溶剂中的溶解度则增大。例如邻硝基苯酚易形成分子内氢键，比其间、对硝基苯酚在水中的溶解度更小，更易溶于苯中。,氢键在人类和动植物的生理、生化过程中的作用。,氢键在生物大分子如蛋白质、DNA、RNA及糖类等中有重要作用。蛋白质分子的-螺旋结构就是靠羰基(CO)上的O原子和氨基(NH)上的H原子以氢键(COHN)结合而成。 DNA的双螺旋结构也是靠碱基之间的氢键连接在一起的。,分子间作用力对物质的熔点

20、、沸点有何影响？,分子间作用力越大，克服分子间引力使物质熔化和气化就需要更多的能量，熔沸点越高。,请解释，卤素单质熔沸点变化规律。,氟、氯、溴、碘的单质均是分子晶体，双原子分子，每个分子都是通过一个单键结合而成，随着分子量的增大，分子间作用力增大，故熔沸点递升。,结论:分子组成和结构相似时，相对分子量越大，分子间作用力越大。,范德华力,共价键,干冰的晶体结构示意图,干冰 此晶胞中的CO2分子数为_。,面心立方,4,在干冰晶体结构中，每个CO2分子周围与之最近且等距离CO2分子的个数为 。,12,每个平面上与之紧邻的CO2分子有4个,共有三个平面， 则与之紧邻的CO2分子有：34=12,C60分

21、子,欧拉定律：顶点数 + 面数 棱数 = 2,五边形、六边形数：每个五边形占有的C原子数为1/35，每个六边形占有的C原子数为1/36,棱数：每个 C原子周围有三个键（两个单键，一个双键），每个键是两个 原子公共有，所以棱数为：,60 31/2 =90,五边形12个、 六边形数20个：,单质硼有无定形和晶体两种，参考下表数据回答：,（1）晶体硼的晶体类型属于_晶体，理由是_。,（2）已知晶体的结构单元是由硼原子组成的正二十面体（如图），其中有20个等边三角形的面和一定数目的顶角，每个顶角各有一个硼原子。通过观察图形及推算，得出此基本结构单元是由_个硼原子构成的，其中BB键的键角为_，共含有_个

22、BB键。,原子,熔沸点很高，硬度很大,12,60,30,四、物质的熔沸点比较及规律（1）不同类型的晶体，一般来讲，熔沸点： 原子晶体离子晶体分子晶体。（2）由共价键形成的原子晶体中，原子半径越小的，键长越短，键能越大，晶体的熔、沸点越高。如熔点：金刚石石英碳化硅晶体硅。（3）离子晶体比较离子键的强弱。一般地说，阴、阳离子的电荷数越多，离子半径越小，则离子间的作用就越强，其离子晶体的熔沸点就越高，如熔点：MgOMgCl2NaClCsCl。（4）分子晶体：组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高；如Cl2N2。,练习：如图6-3所示在氯化钠晶体中，与每个Na+等距离且最近的几个Cl-所围

23、成的空间几何构型为 ( ) A十二面体 B八面体 C正六面体 D正四面体,B,五、金属晶体,金属键是一种很强的化学键，其本质是金属中自由电子在整个金属晶体中自由运动，从而形成了一种强烈的吸引作用。 金属单质中原子采用“密堆积原理”排列，形成特殊结构型式。,形成： 成键微粒:金属阳离子和自由电子 存在:金属单质和合金中 方向性: 无方向性,金属晶体,密堆积原理,1619年，开普勒模型（开普勒从雪花的六边形结构出发提出：金属（固体）是由球密堆积成的） 开普勒对固体结构的推测 冰的结构,密堆积的定义,密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互

24、配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。 密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。,常见的密堆积类型,常见密堆积 型式,面心立方最密堆积（A1） 六方最密堆积（A3） 体心立方密堆积（A2）,最密,非最密,1.面心立方最密堆积(A1)和六方最密堆积(A3),从上面的等径圆球密堆积图中可以看出： 只有1种堆积形式; 每个球和周围6个球相邻接,配位数位6,形成6个三角形空隙; 每个空隙由3个球围成; 由N个球堆积成的层中 有2N个空隙, 即球数：空隙数=1：2。,两层球的堆积情况图,1.在第一层上堆积第二层时， 要形成最密堆积，必须把球放 在第二层的空隙上。这样

25、，仅 有半数的三角形空隙放进了球，而另一半空隙上 方是第二层的空隙。 2.第一层上放了球的一半三角形空隙，被4个球 包围，形成四面体空隙；另一半其上方是第二层 球的空隙，被6个球包围，形成八面体空隙。,两层堆积情况分析,三层球的堆积情况图,A1型最密堆积,A3型最密堆积,三层球堆积情况分析,第二层堆积时形成了两种空隙：四面体空隙和八面体空隙。那么，在堆积第三层时就会产生两种方式： 1.第三层等径圆球的突出部分落在正四面体空隙上，其排列方式与第一层相同，但与第二层错开，形成ABAB堆积。这种堆积方式可以从中划出一个六方单位来，所以称为六方最密堆积（A3）。,2.另一种堆积方式是第三层球的突出部分

26、落在第二层的八面体空隙上。这样，第三层与第一、第二层都不同而形成ABCABC的结构。这种堆积方式可以从中划出一个立方面心单位来，所以称为面心立方最密堆积（A1）。,六方最密堆积（A3）图,六方最密堆积（A3）分解图,A3型最密堆积图片,将密堆积层的相对位置按照ABABAB方式作最密堆积，这时重复的周期为两层。,面心立方最密堆积（A1）图,面心立方最密堆积（A1）分解图,A1 型最密堆积图片,将密堆积层的相对位置按照ABCABC方式作最密堆积，重复的周期为3层。这种堆积可划出面心立方晶胞。,A1、A3型堆积小结,同一层中球间有三角形空隙，平均每个球摊列2个空隙。第二层一个密堆积层中的突出部分正好

27、处于第一层的空隙即凹陷处，第二层的密堆积方式也只有一种，但这两层形成的空隙分成两种,正四面体空隙（被四个球包围）,正八面体空隙（被六个球包围）,突出部分落在正四面体空隙 AB堆积 A3（六方） 突出部分落在正八面体空隙 ABC堆积A1（面心立方）,第三层 堆积 方式有两种,A1、A3型堆积的比较,以上两种最密堆积方式，每个球的配位数为12。 有相同的堆积密度和空间利用率(或堆积系数)，即球体积与整个堆积体积之比。均为74.05%。 空隙数目和大小也相同，N个球（半径R）；2N个四面体空隙，可容纳半径为0.225R的小球；N个八面体空隙，可容纳半径为0.414R的小球。,A1和A3堆积的异同 A

28、1是ABCABCABC型式的堆积， 从这种堆积中可以抽出一个立方面心点 阵，因此这种堆积型式的最小单位是一 个立方面心晶胞。 A3是ABABABAB型式的堆积， 这种堆积型式的最小单位是一个六方晶 胞。,空间利用率的计算,空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。 球体积 空间利用率= 100% 晶胞体积,A3型最密堆积的空间利用率计算,在A3型堆积中取出六方晶胞，平行六面体的底是 平行四边形，各边长a=2r，则平行四边形的面积： 平行六面体的高：,A3堆积的一个六方晶胞,A1型堆积方式的空间利用率计算,2.体心立方密堆积（A2）,A2不是最密堆积。,A2型密

29、堆积图片,3. 金刚石型堆积（A4）,A4堆积晶胞是立方面心点阵结构, 因此晶胞的大小可以用等径圆球的半径r表示出来, 即晶胞的边长a与r的关系为: 该晶胞中有8个圆球, 各个圆球的分数坐标分别为:,A4堆积的空间利用率的计算: A4堆积用圆球半径r表示的晶胞体积为:,4、简单立方堆积,简单立方堆积方式： A.A,形成简单立方晶胞，空间利用率较低52 ，金属钋（Po）采取这种堆积方式。,简单立方（钋，Po）,堆积方式及性质小结,5、 常见金属的堆积型式： 碱金属元素一般都是A2型堆积； 碱土金属元素中Be，Mg属于A3型堆积；Ca既有A1也A3型堆积；Ba属于A2型堆积； Cu，Ag，Au属于A1型堆积； Zn，Cd属于A3型堆积； Ge，Sn属于A4型堆积。,例1.（1