人教版高中化学选修三 第三章 晶体结构与性质总复习（课件1） 84页

第三章 晶体结构与性质 1 、 结构特征 ： 晶体 —— 结构微粒在微观空间里呈周期性有序排列 非晶体 —— 结构微粒无序排列 一、晶体和非晶体 2 晶体与 非晶体的性质特征 说明： 晶体自范性的本质：是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。 晶体自范性的条件之一：生长速率适当。 自范性 微观结构 晶体 有（能 自发 呈封闭的规则的多面体外形） 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 晶体的特性 <2> . 有固定的熔沸点 （非晶体有固定的熔沸点） （常用于区分晶体和非晶体） <3> . 各向异性（强度、导热性、光学性质等） （ 不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异。 ） <4>. 当一波长的ｘ－射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或者普线． 区分晶体和非晶体最可靠的科学方法是： 对固体进行 X— 射线衍射实验 3 、晶体形成的途径 熔融态物质凝固。 ( 注 ) 气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）。 溶质从溶液中析出。 练习 :241 页深度思考 1 天然水晶球里的玛瑙和 水晶 玛瑙和水晶都是 SiO 2 的晶体，不同的是玛瑙是熔融态 SiO 2 快速冷却形成的，而水晶则是熔融态 SiO 2 缓慢冷却形成的。 玛瑙 水晶 1. 晶胞的定义： 晶体结构的最小 重复 ( 或基本单元 ) 单元 2 . 晶胞的特征： 通过上、下、左、右、前、后的 平移 能与下一个最小单元（即晶胞）完全重合 二 : 晶胞 : 3. 晶体和晶胞的关系： 晶体可以看作是 完全等同 数量巨大的晶胞 “无隙并置” 而成 . ( 蜂巢和蜂室的关系教材 66 页图 3-7) “ 并置” 指所有晶胞都是平行排 列 的，取向相同。 一个晶胞到另一个晶胞只需平移， 不需转动 “ 无隙 ” 指相邻的晶胞之间没有任何间隙； 一个晶胞与相邻的晶胞完全共顶点、共 棱边、共面 请理解： “ 完全等同” 指所有晶胞的形状、内部的原子种类、个数及几何排列完全相同 平行六面体 无隙并置 体心： 1 面心： 1/2 顶点： 1/8 棱边： 1/4 4. 晶胞中原子个数的计算 均摊法： 晶胞任意位置上的一个原子如果是被 x 个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是 1/x 1 2 4 3 7 6 8 5 1 2 2 1 3 4 请看 : 1 体心： 1 面心： 1/2 顶点： 1/8 棱边： 1/4 5 、三种典型立方晶体结构 体心立方 简单立方 面心立方 常见晶胞中微粒数的计算 : 长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献： 顶 ----1/8 棱 ----1/4 面 ----1/2 心 ----1 （ 1 ） 面心立方 ：在立方体顶点的微粒为 8 个晶胞共有，在面心的为 2 个晶胞共有。 微粒数为： 8 × 1/8 + 6×1/2 = 4 (2) 体心立方 ：在立方体顶点的微粒为 8 个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。 微粒数为： 8×1/8 + 1 = 2 在六方体顶点的微粒为 6 个晶胞共有，在面心的为 2 个晶胞共有，在体内的微粒全属于该晶胞。 微粒数为： 12 ×1 /6 + 2 ×1 /2 + 3 = 6 (3) 六方晶胞 1 、现有甲、乙、丙、丁四种晶胞 , 可推知：甲晶体中 A 与 B 的离子个数比为 ；乙晶体的化学式为 ；丙晶体的化学式为 ______ ；丁晶体的化学式为 ______ 。 1∶1 C 2 D EF XY 3 Z 2 、下图依次是金属钠 (Na) 、金属锌 (Zn) 、碘 (1 2 ) 、金刚石 (C) 晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含有几个原子 ? Na Zn I 2 金刚石 8.NiO 晶体结构如图， Ni 2 ＋ 与邻近的 O 2- 核间距为 a×10 -8 ㎝ ，计算 NiO 晶体密度（已知 NiO 摩尔质量为 74.7g·mol -1 ) 练习 :241 页第三题 3 分子晶体 1. 定义 ： 只含分子的晶体称为分子晶体 如碘晶体只含 I 2 分子，属于分子晶体。 构成粒子 ： 分子 构成晶体中粒子间的相互作用： 分子间作用力 ( 范德华力和氢键 ) 注：分子内原子间以共价键结合，除 稀有气体 因为 稀有气体分子为单原子分子，无共价键。 碘晶体结构 分子晶体熔化时一般只破坏分子间作用力 , 不破坏化学键 , 也有例外 , 如 S8 2 、属于分子晶体的化合物类别举例 （ 1 ）所有非金属氢化物 H 2 O,H 2 S, NH 3 , CH 4 ,HX （ 2 ）部分非金属单质 X 2 ,O 2 ,H 2 , S 8 , P 4 , C 60 除金刚石 , 石墨 , 晶体硅 , 晶体硼等 （ 3 ）部分非金属氧化物 CO 2 , SO 2 , NO 2 , P 4 O 6 , P 4 O 10 除碳化硅 （ 4 ）几乎所有的酸 H 2 SO 4 ,HNO 3 ,H 3 PO 4 （ 5 ）绝大多数有机物晶体 乙醇，冰醋酸，蔗糖 (6) 其他的 : 氯化铝 , 氯化铍 分子晶体的物理特性： 较低的熔点和沸点（为什么？） 较小的硬度（多数分子晶体在常温时为气态或液态） 一般都是绝缘体，固态或熔融状态也不导电 , 部分溶于水后导电 ( 举例 ) 。 溶解性与溶质、溶剂的分子的极性相关 —— 相似相溶 ( 讲 ) 。 原因：分子间作用力很弱 分子晶体熔沸点变化规律 P243-244 页 注 :① 分子间作用力越大 , 熔沸点越高 ( 相对分子质量 , 分子极性 , 氢键 ) ② 分子晶体熔化时一般只破坏分子间作用力 , 不破坏化学键 , 也有例外 , 如 S8 （２）有分子间氢键－不具有分子密堆积特征（如 ： HF 、 冰 、 NH 3 ） 晶体分子结构特征 （１）只有范德华力，无分子间氢键－分子密堆积（若以一个分子为中心 , 其该分子周围有 12 个紧邻的分子，如： C60 、 干冰 、 I2 、 O2 ） 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（ O 2 ）的晶体结构 碳 60 的晶胞 分子的密 堆积 晶体中与某一 CO2 分子等距离且最近的 CO2 分子有 个 干冰的晶体结构图 12 冰中１个水分子周围有４个水分子 冰的结构 氢键具有方向性 分子的非密堆积 氢键具有饱和性 4 、水分子间存在着氢键的作用，使水分子彼此结合而成（ H 2 O ） n 。在冰中每个水分子被 4 个水分子包围形成变形的正四面体，通过“氢键”相互连接成庞大的分子晶体，其结构如图：试分析： ① 1mol 冰中有 mol 氢键？ ② H 2 O 的熔沸点比 H 2 S 高还是低？为什么？ 冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞（其 晶胞结构如右图）相似，其中空心所示原子位于立方体的 顶点 2 氢键 一、原子晶体 概念： 相邻原子间 以共价键相结合 而形成 空间立体网状结构 的晶体。 构成粒子： 原子 粒子之间的作用： 共价键 熔化时需克服的作用： 共价键 原子晶体中，成键元素原子半径越小，共价键键能越大，熔点越高。 P243 原子晶体熔沸点高低比较 练习 1 、碳化硅 SiC 的一种晶体具有类似金刚石的结构，其中 C 原子和 Si 原子的位置是交替的。在下列三种晶体①金刚石、②晶体硅、③碳化硅中，它们的熔点从高到低的顺序是（ ） A 、 ① ③ ② B 、 ② ③ ① C 、 ③ ① ② D 、 ② ① ③ A 3 、常见原子晶体 （ 1 ）某些非金属单质：硼（ B ）、硅（ Si ）、锗（ Ge ）、金刚石（ C ）等 （ 2 ）某些非金属化合物： SiC 、 BN 等 （ 3 ）某些氧化物： SiO 2 、 等 2 、 原子晶体的物理性质 熔点和沸点很高 硬度很大 一般不导电（硅和锗是半导体） 且难溶于一些常见的溶剂 原因：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 4 、典型的原子晶体 （ 1 ）金刚石 109 º28´ 154pm 键能： 347.7kj/mol 熔点： 大于 3550 0 C 硬度：很大 109 º28´ 金刚石的晶体结构 示意图 键能： 347.7kj/mol 熔点： 大于 3550 0 C 硬度：很大 154pm 4 、典型的原子晶体 在金刚石晶体里 每个碳原子结合了 个碳原子形成 4 个 σ 键 ，即每个碳原子被 个碳原子包围着，被包围的碳原子和四个相邻的碳原子形成的空间构型为 夹角为 所以在金刚石中碳原子的杂化方式为 金刚石晶体中所有的 C—C 键长 4 109 。 28 ， 4 正四面体 sp 3 相等 晶体中最小的碳环由 个碳组成，且不在同一平面内 , ；晶体中每个 C 原子被 　 12 　 个六元环所共有 , 每个环平均拥有： 　 1 　 个 C － C 键， 1/2 个 C 原子。 晶体中每个 C 参与了 4 条 C—C 键的形成，而在每条键中的贡献只有一半，故 C 原子与 C—C 键数之比为： 6 1:2 3 、典型的原子晶体 （ 1 ）金刚石 109 º28´ 154pm 键能： 347.7kj/mol 熔点： 大于 3550 0 C 硬度：很大 金刚石晶胞中含 8 个碳原子 [2011 高考题节选 】 六方氮化硼（ BN) 在高温高压下可以转化为立方氮化硼（ BN) ，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶胞边长为 361.5pm, 问立方氮化硼晶胞中含多少个氮原子，多少个硼原子 , 立方氮化硼的密度是 ___________ g·cm-3 ？ 各为 4 个 180 º 109 º28´ Si O 共价键 二氧化硅晶体结构示意图 SiO 2 的结构特征 在 SiO 2 晶体中 ①每个 Si 原子周围结合个 O 原子；所以 Si 原子均以 sp3 杂化分别与 4 个 O 原子成键 , 同时，每个 O 原子跟个 Si 原子相结合。实际上， SiO 2 晶体是由 Si 原子和 O 原子按 的比例所组成的立体网状的晶体。 。 4 2 1 ： 2 ③1mol SiO2 中含 Si—O 键 4mol ② 最小的环是由个 Si 原子和 个 O 原子组成的 12 元环 , 含有 12 个 Si-O 键；每个 Si 原子被 12 个十二元环共有，每个 O 原子被 6 个十二元环共有 , 每个十二元环所拥有的 Si 原子数为 6×1/12=1/2 ，拥有的 O 原子数为 6×1/6=1 拥有的 Si-O 键数为 12×1/6=2 ，则 Si 原子数与 O 原子数之比为 1 ： 2 , 6 6 练习：如图所示，在石墨晶体的层状结构中，每一个最小的碳环完全拥有碳原子数为 ，每个 C 完全拥有 C － C 数为 。 石墨中 C － C 夹角为： 120 0 ， C － C 键长： 1.42×10 － 10 m 层间距： 3.35× 10 － 10 m 石墨及其结构（混合型晶体） 空间层状结构 空间结构俯视图 离子晶体 1 、定义： 由阳离子和阴离子通过离 子键结合而成的晶体。 2 、成键粒子： 阴、阳离子 3 、相互作用力： 离子键 4 、离子键的特征：无饱和性和方向性 5 、常见的离子晶体： 强碱、活泼金属氧化物、大部分的盐类。 离子晶体的物理性质 ， ， 难挥发难压缩。且随着离子电荷的增加，核间距离的缩短，晶格能增大，熔点升高。 一般易溶于水，而难溶于非极性溶剂。 固态不导电，水溶液或者熔融状态下能导电。 熔沸点较高 硬度较大 晶格能 1 、晶格能的定义： 气态 离子形成 1mol 离子晶体 释放 的能量。 2 、影响晶格能大小的因素： 阴、阳离子的半径越小，晶格能越大 , 形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。 阴、阳离子所带电荷越多，晶格能越大 , 形成的离子晶体越稳定，而且熔点越高，硬度越大。 练习：比较下列晶体熔沸点高低： (1)NaF KCl NaCl (2)MgO Al 2 O 3 (1)NaF>NaCl>KCl (2) Al 2 O 3 >MgO Na + Cl - Cl - Na + Na + Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Cl - Na + Na + Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Na + Cl - Cl - Na + Cl - Na + Cl - Na + Cl - Cl - Na + Na + Na + Cl - Cl - Na + Na + Cl - Cl - Na + Na + Na + Cl - Cl - Na + 可见： 在 NaCl 晶体中，钠离子、氯离子按一定的规律在空间排列成立方体。 主页 5 、 晶胞类型： （ 1 ）氯化钠型晶胞 每个 Na + 周围有六个 Cl - 每个 Cl - 周围有六个 Na + 与 Na + 最近且等距的 Cl - 的连线构成的图形为正八面体，反之亦然 5 、几种离子晶体 (1)NaCl 晶体 每个 Na + 周围最近且等距离的 Cl - 有 个，每个 Cl - 周围最近且等距离的 Na + 有 个；在每个 Na + 周围最近且等距离的 Na + 有 个，在每个 Cl - 周围最近等距离的 Cl - 有 个。 Na + 和 Cl - 的配位数分别为 、 。一个 NaCl 晶胞中含 个 Na + 和 个 Cl - 。 NaCl 晶体中 NaCl 分子，化学式 NaCl 表示 。 6 6 12 4 4 6 无 12 6 Na + 和 Cl - 的最简个数比 同类习题重现 在氯化钠晶胞中，若 Na + 和 Cl - 间的最近距离为 0.5a x 10 -10 m ， 则晶体的密度 多少 g/cm 3 ？ ---Cs + ---Cl - CsCl 的晶体结构及晶胞构示意图 (2)CsCl 晶体 每个 Cs + 周围最近且等距离的 Cl - 有 个，每个 Cl - 周围最近且等距离的 Cs + 有 个；在每个 Cs + 周围最近且等距离的 Cs + 有 个，在每个 Cl - 周围最近等距离的 Cl - 有 个。一个 CsCl 晶胞中含 个 Cs + 和 个 Cl - 。 Cs + 和 Cl - 的配位数分别为 、 。 8 8 6 6 1 1 8 8 (3)CaF 2 型晶胞 ①Ca 2+ 的配位数： 8 ②F - 的配位数： 4 ③ 一个 CaF 2 晶胞中含： 4 个 Ca 2+ 和 8 个 F - Ca 2+ F - (3)CaF 2 晶体 每个 Ca 2+ 周围最近且等距离的 F - 有 个，每个 F - 周围最近且等距离的 Ca 2+ 有 个；在每个 Ca 2+ 周围最近且等距离的 Ca 2+ 有 个，在每个 F - 周围最近等距离的 F - 有 个。一个 CaF 2 晶胞中含 个 Ca 2+ 和 个 F - ； Ca 2+ 和 F - 的配位数分别为 、 。 8 4 12 6 4 8 8 4 Ca 2+ F - (4)ZnS 型晶胞 ① 阳离子 Zn 2+ 的配位数： 4 ② 阴离子 S 2- 的配位数： 4 ③ 一个 ZnS 晶胞中含： 4 个阳离子和 4 个阴离子 黄颜色的为 Zn 2+ 黑色的为 S 2- 2012 高考题节选 ZnS 在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等业中应用广泛，立方 ZnS 晶体结构如图所示，其晶胞边长为 540.0pm, 则密度为多少 g/cm -3 4.1g/cm -3 课后思考 （ 2 ） Zn 2+ 与 S 2- 距离为的多少？ 决定离子晶体结构的因素 几何因素 晶体中正负离子的半径比 电荷因素 晶体中正负离子的电荷比 键性因素 离子键的纯粹因素 金属键： 金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用叫做金属键（电子气理论） 1 ）金属键的成键微粒是金属阳离子和自由电子。 （ 2 ）金属键存在于金属单质和合金中。 特征： （ 3 ）金属键没有方向性也没有饱和性。 影响金属键强弱的因素 金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属离子与自由电子的作用力就越强，即金属键越强 , 金属晶体熔点就相应越高，硬度也越大。 组成粒子： 金属阳离子和自由电子 3 、金属晶体： 通过金属键结合形成的晶体。 金属单质和合金都属于金属晶体 微粒间作用力： 金属键 金属晶体性质 ⑴ 金属导电性 ⑶ 金属延展性 ⑵ 金属导热性 (4) 、金属光泽和颜色 三维空间 里 非密置层 的金属原子的堆积方式 （ 1 ） 第二层小球的 球心 正对 着 第一层小球的 球心 （ 2 ） 第二层小球的 球心 正对 着 第一层小球形成的 空穴 简单立方晶胞 （ 1 ）简单立方堆积 Po ① 配位数： 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 6 同层 4 ，上下层各 1 （ 2 ）金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： a a a a a = 2 r 体心立方晶胞 （ 2 ）体心立方堆积 （碱金属） ① 配位数： 8 1 2 3 4 5 6 7 8 上下层各 4 （ 2 ）金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系： a a a a 2 a b = 4 r b = 3 a a = 4 r 3 b 2 a （ 3 ）体心立方晶胞平均占有的原子数目： 8 1 ×8 = 2 + 1 (3) 、镁型 （ 1 ） ABAB… 堆积方式 —— 六方最密堆积 （镁） 前视图 A B A B A （ 1 ） ABAB … 堆积方式 每两层形成一个周期 地 紧密堆积 。 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 ① 配位数： 1 2 3 4 5 6 同层 6 ， 上下层各 3 ② 六方紧密堆积晶胞平均占有的原子数目： 6 1 ×12 = 6 + 3 + 2 1 ×2 金属原子的半径 r 与六棱柱的边长 a 、高 h 的关系： a = 2 r a h h = a 6 3 2 （ 2 ） ABCABC … 堆积方式 —— 面心立方最密堆积 （铜） A B C 第三层小球对准第一层小球空穴的 2 、 4 、 6位 。 第四层同第一层。 每三层形成一个周期 地 紧密堆积 。 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 A B A B C A 1 2 3 4 5 6 前视图 C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 ① 配位数： 同层 6 ， 上下层各 3 1 2 3 4 5 6 ② 面心立方紧密堆积晶胞平均占有的原子数目： 8 1 ×8 = 4 + 2 1 ×6 金属原子的半径 r 与正方体的边长 a 的关系： a = 4 r 2 a a a a a 堆积模型 采纳这种堆积的典型代表 空间利用率 配位数 晶胞 简单立方 52% 6 钾型 (bcp) K 、 Na 、 Fe 68% 8 镁型 (hcp) Mg 、 Zn 、 Ti 74% 12 铜型 (ccp) Cu, Ag, Au 74% 12 Po ( 钋 )