高中化學(xué)新人教選修3 第三章 晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)ppt

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1、1 Chapter 2 Structure and property of materials2 2.2 Crystal & non-crystal非晶體非晶體1. 晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點晶體晶體原子或原子團(tuán)、離原子或原子團(tuán)、離子或分子在空間按子或分子在空間按一定規(guī)律呈周期性一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的固體地排列構(gòu)成的固體原子、分子或離原子、分子或離子無規(guī)則地堆積子無規(guī)則地堆積在一起所形成的在一起所形成的固體固體3 2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英玻璃石英晶體石英晶體4 2.3.3 Structure & physical performa

2、nce of crystal materials 晶體的特征晶體的特征（1）均勻性均勻性（2）各向異性各向異性（3）自發(fā)地形成多面體外形自發(fā)地形成多面體外形（4）晶體具有明顯確定的熔點晶體具有明顯確定的熔點周期性周期性（5）晶體的對稱性晶體的對稱性 （6）晶體對晶體對X X射線的衍射射線的衍射 晶體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、光的透射、折射、偏振、晶體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、光的透射、折射、偏振、壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不同而異，壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不同而異，叫做各向異性。如：叫做各向異性。如：如石墨在與層平行的方向上具有導(dǎo)電性，如石墨在與層平行的方向上具有導(dǎo)電性，而在與層垂直的方向上就不具有導(dǎo)電性。

3、若而在與層垂直的方向上就不具有導(dǎo)電性。若在水晶的柱面上涂一層蠟，用紅熱的針接觸在水晶的柱面上涂一層蠟，用紅熱的針接觸蠟面中央，蠟熔化呈橢圓形而不呈圓形，這蠟面中央，蠟熔化呈橢圓形而不呈圓形，這是由于水晶柱面長軸方向與短軸方向傳熱速是由于水晶柱面長軸方向與短軸方向傳熱速度不同。再如：從不同方向觀察紅寶石或藍(lán)度不同。再如：從不同方向觀察紅寶石或藍(lán)寶石，會發(fā)現(xiàn)寶石的顏色不同，這是由于方寶石，會發(fā)現(xiàn)寶石的顏色不同，這是由于方向不同，晶體對光的吸收性質(zhì)不同。向不同，晶體對光的吸收性質(zhì)不同。6 Crystal symmetry石英晶體的石英晶體的 形狀與對稱元素形狀與對稱元素平移對稱性示意圖平移對稱性示意

4、圖非晶體的宏觀特征非晶體的宏觀特征（1 1）只有玻璃轉(zhuǎn)化溫度，無熔點。）只有玻璃轉(zhuǎn)化溫度，無熔點。（2 2）沒有規(guī)則的多面體幾何外型，可以制成）沒有規(guī)則的多面體幾何外型，可以制成 玻璃體，絲，薄膜等特殊形態(tài)。玻璃體，絲，薄膜等特殊形態(tài)。（3 3）物理性質(zhì)各向同性。）物理性質(zhì)各向同性。（4 4）均勻性來源于原子無序分布的統(tǒng)計性規(guī)）均勻性來源于原子無序分布的統(tǒng)計性規(guī) 律，無晶界。律，無晶界。 準(zhǔn)晶體是準(zhǔn)晶體是19841984年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)聚集形態(tài)。一年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的

5、結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對稱性，因而可以結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。例如五次對稱軸等。具有晶體所不允許的宏觀對稱性。例如五次對稱軸等。 準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)一方面極大地深化了我們對晶體學(xué)、衍射物理和凝聚態(tài)物一方面極大地深化了我們對晶體學(xué)、衍射物理和凝聚態(tài)物理地的認(rèn)識。另一方面，準(zhǔn)晶體的各種獨特性質(zhì)使準(zhǔn)晶體理地的認(rèn)識。另一方面，準(zhǔn)晶體的各種獨特性質(zhì)使準(zhǔn)晶體具有潛在的應(yīng)用價值。具有潛在的應(yīng)用價值。2 2、晶胞、晶胞(unit cell)(unit cell)晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復(fù)晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復(fù)單元，形狀為單元，形狀為平行六面體，

6、平行六面體，其三邊長度其三邊長度a,b,ca,b,c不一定相等，也不一定垂直。整不一定相等，也不一定垂直。整個晶體是由晶胞并置堆砌而個晶體是由晶胞并置堆砌而成。劃分晶胞要遵循劃分晶胞要遵循2 2個原則：一是盡可能反映晶體內(nèi)個原則：一是盡可能反映晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對稱性；二是盡可能小。結(jié)構(gòu)的對稱性；二是盡可能小。 晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單位，稱為晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單位，稱為晶胞晶胞。 例題（例題（2001年）今年年）今年3月發(fā)現(xiàn)硼化鎂在月發(fā)現(xiàn)硼化鎂在39K呈超導(dǎo)性，可能呈超導(dǎo)性，可能是人類對超導(dǎo)認(rèn)識的新里程碑。在硼化鎂晶體的理想模型中，是人類對超導(dǎo)認(rèn)識的新里程碑。在硼化鎂晶體的理想

7、模型中，鎂原子和硼原子是分層排布的，像維夫餅干，一層鎂一層硼鎂原子和硼原子是分層排布的，像維夫餅干，一層鎂一層硼地相間，下圖是該晶體微觀空間中取出的部分原子沿地相間，下圖是該晶體微觀空間中取出的部分原子沿C軸方軸方向的投影，白球是鎂原子投影，黑球是硼原子投影，圖中的向的投影，白球是鎂原子投影，黑球是硼原子投影，圖中的硼原子和鎂原子投影在同一平面上。由圖可確定硼化鎂的化硼原子和鎂原子投影在同一平面上。由圖可確定硼化鎂的化學(xué)式為：學(xué)式為： 。畫出硼化鎂的一個晶胞的透視圖，標(biāo)出。畫出硼化鎂的一個晶胞的透視圖，標(biāo)出該晶胞內(nèi)面、棱、頂角上可能存在的所有硼原子和鎂原子該晶胞內(nèi)面、棱、頂角上可能存在的所有硼

8、原子和鎂原子（鎂原子用大白球，硼原子用小黑球表示）。（鎂原子用大白球，硼原子用小黑球表示）。15 Unit cella、b、c : 確定晶胞大小確定晶胞大小 、 、 : 確定晶胞形狀確定晶胞形狀晶胞晶胞參數(shù)參數(shù)晶胞晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子離子)的坐標(biāo)3、晶胞的分類晶胞的分類 晶系晶系 晶系晶系 晶軸晶軸 軸間夾角軸間夾角 實例實例 立方立方 a = b = c = 900 Cu, NaCl 四方 a = b c = 900 Sn, SiO2 正交 a = b c = 900 I2, BaCO3 三方 a = b = c = 900 As, Al2O3 a = b c = 9

9、00 ， = 1200 單斜 a b c = = 900 ， 900 KClO3 三斜 a b c 900 K2CrO7 六方 a = b c = 900， =1200 Mg,CuS晶胞中質(zhì)點個數(shù)的計算：晶胞中質(zhì)點個數(shù)的計算：晶體密度的計算：晶體密度的計算：AVNnMVW魯科版（88頁）3、已知一個金屬銅的晶胞切割，該晶胞的邊長為3.6210-10m，每一個銅原子的質(zhì)量為1.05510-25kg ，試回答下列問題：（1）一個晶胞中“實際”擁有的銅原子數(shù)是多少？（2）該晶胞的體積是多大？（3）利用以上結(jié)果計算金屬銅的密度。晶體空間利用率的計算：晶體空間利用率的計算：晶胞的體積和晶胞中所有質(zhì)點的體

10、積空間利用率%4 4、晶體的缺陷：、晶體的缺陷： 晶體的缺陷影響晶體的性質(zhì)，可使晶體的某些優(yōu)良性能降晶體的缺陷影響晶體的性質(zhì)，可使晶體的某些優(yōu)良性能降低，但是從缺陷可以改變晶體的性質(zhì)角度看，在晶體中造低，但是從缺陷可以改變晶體的性質(zhì)角度看，在晶體中造成種種缺陷，就可以使晶體的性質(zhì)有著各種各樣的變化，成種種缺陷，就可以使晶體的性質(zhì)有著各種各樣的變化，晶體的許多重要性能由缺陷產(chǎn)生。改變晶體缺陷的形式和晶體的許多重要性能由缺陷產(chǎn)生。改變晶體缺陷的形式和數(shù)量，就可制得所需性能的晶體。數(shù)量，就可制得所需性能的晶體。22 2.4.1.1 Point defect23 鈣鈦礦型鈣鈦礦型非整比化合物非整比化合

11、物YBa2Cu3O7-x（x0.1)，它是由于氧原子不足而產(chǎn)生空位缺陷，正是這它是由于氧原子不足而產(chǎn)生空位缺陷，正是這種缺陷，使固體具有超導(dǎo)性能。種缺陷，使固體具有超導(dǎo)性能。 24 Example Ca TiOBaYCuOab TiOBaYCuOabYBa2Cu3O7-x的缺陷型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的缺陷型鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 魯科版（97頁）10(2) 天然的和絕大部分人工制備的晶體都存在各種缺陷。例如，在某種NiO晶體中就存在缺陷：一個Ni2+空缺，另兩個Ni2+被兩個Ni3+所取代。其結(jié)果是晶體仍呈電中性，但化合物中Ni和O的個數(shù)卻發(fā)生了變化。某氧化鎳樣品的組成為Ni0.97O，試計算該晶體中Ni3+與Ni

12、2+的離子個數(shù)之比。 5、金屬晶體的結(jié)構(gòu)金屬晶體的結(jié)構(gòu) 等徑圓球堆積模型等徑圓球堆積模型: :（1 1）簡單立方堆積）簡單立方堆積形成簡單立方晶胞，空形成簡單立方晶胞，空間利用率較低間利用率較低52 ，金，金屬釙（屬釙（Po）采取這種堆）采取這種堆積方式。積方式。（2 2）體心立方堆積）體心立方堆積(bcc ，A2)堿金屬、堿金屬、-Fe 、 難熔金屬難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 28 a ：晶胞單位長度：晶胞單位長度 R ：原子半徑：原子半徑R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)

13、單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc（3 3）面心立方堆積）面心立方堆積(fcc ，A1)Al，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬貴金屬 以及以及 奧氏體不銹鋼等奧氏體不銹鋼等 31 fccR Ra aa aR R2424 n = 474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R （4 4）六方堆積）六方堆積(hcp， A3)-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等等 22360sinaaaS平行六面體的底是個平行四邊形，各邊為平行六面體的底是個平行四邊形，各邊為a=2R,平行四邊形的面積平行四邊形的面積平行六面體的高平行六面體的高aaah3623622的

14、四面體高邊長為34 hcpR Ra aa ac c238 n = 274. 0)2(2338)3/4(2)23()3/4(2333hcpRRaacR(5)(5)金剛石型堆積金剛石型堆積(A4)aR836 6、離子晶體、離子晶體（1 1）CsClCsCl型型: : (CsCl, CsBr, CsI(CsCl, CsBr, CsI, NH, NH4 4Cl)Cl) )(23RRa（2）NACL型:)(2RRa例題：研究離子晶體，?？疾煲砸粋€離子為中例題：研究離子晶體，?？疾煲砸粋€離子為中心時，其周圍不同距離的離子對它的吸引或排心時，其周圍不同距離的離子對它的吸引或排斥的靜電作用力。設(shè)氯化鈉晶體中鈉

15、離子跟離斥的靜電作用力。設(shè)氯化鈉晶體中鈉離子跟離它最近的氯離子之間的距離為它最近的氯離子之間的距離為d，以鈉離子為中，以鈉離子為中心，則：心，則：1第二層離子有第二層離子有 12 個，離中心離子的距離個，離中心離子的距離為為，它們是，它們是 鈉鈉 離子。離子。d2 22已知在晶體中已知在晶體中NaNa+ +離子的半徑為離子的半徑為116pm116pm，CICI- -離子的半徑離子的半徑為為167pm167pm，它們在晶體中是緊密接觸的。求離子占據(jù)整個，它們在晶體中是緊密接觸的。求離子占據(jù)整個晶體空間的百分?jǐn)?shù)。晶體空間的百分?jǐn)?shù)。 V晶胞=2(116pm+167pm)3=181 106pm3 V離

16、子=4 (4/3)(116pm)3+ 4 (4/3)(167pm)3 =104106 pm3 V離子/ V晶胞=57.5%3納米材料的表面原子占總原于數(shù)的比例極大，這是它納米材料的表面原子占總原于數(shù)的比例極大，這是它的許多特殊性質(zhì)的原因，假設(shè)某氯化鈉納米顆粒的大小和的許多特殊性質(zhì)的原因，假設(shè)某氯化鈉納米顆粒的大小和形狀恰等于氯化鈉晶胞的大小和形狀，求這種納米顆粒的形狀恰等于氯化鈉晶胞的大小和形狀，求這種納米顆粒的表面原子占總原子數(shù)的百分比。表面原子占總原子數(shù)的百分比。 26/27=96%4假設(shè)某氯化鈉顆粒形狀為立方體，邊長為氯化假設(shè)某氯化鈉顆粒形狀為立方體，邊長為氯化鈉晶胞邊長的鈉晶胞邊長的1

17、0倍，試估算表面原子占總原子數(shù)倍，試估算表面原子占總原子數(shù)的百分比。的百分比。 10倍晶胞的納米顆粒的離子總數(shù)倍晶胞的納米顆粒的離子總數(shù):213=9261 9倍晶胞的納米顆粒的離子總數(shù)倍晶胞的納米顆粒的離子總數(shù):193=6859 10倍晶胞的納米顆粒的表面離子數(shù)倍晶胞的納米顆粒的表面離子數(shù): 6959-9261=2402 表面原子數(shù)所占比例：表面原子數(shù)所占比例：2402/9261=26%（3）立方ZnS:(魯科版)（魯科版版p96 ,10） NiO晶體的結(jié)構(gòu)型式與晶體的結(jié)構(gòu)型式與NaCl晶體的結(jié)構(gòu)型式完全相同，晶體的結(jié)構(gòu)型式完全相同，Ni2與最鄰近的與最鄰近的O2的核間距為的核間距為a 10-

18、10m。試計算。試計算NiO晶體的晶體的密度。（已知密度。（已知NiO的摩爾質(zhì)量為的摩爾質(zhì)量為74.7g.mol-1） （4） CaF2型 (人教版）人教版）一個離子周圍異電性離子的個數(shù)受離子半徑比等因素制約，一個離子周圍異電性離子的個數(shù)受離子半徑比等因素制約，離子半徑越大，周圍可容納的異電性離子就越多。在理論離子半徑越大，周圍可容納的異電性離子就越多。在理論上，只有當(dāng)正負(fù)離子半徑比處在一定范圍內(nèi)，才能在離子上，只有當(dāng)正負(fù)離子半徑比處在一定范圍內(nèi)，才能在離子晶體中呈現(xiàn)某種穩(wěn)定的配位多面體。晶體中呈現(xiàn)某種穩(wěn)定的配位多面體。正負(fù)離子半徑比和離子配位多面體離子晶體中的穩(wěn)定配位多面體的離子晶體中的穩(wěn)定

19、配位多面體的理論理論半徑比半徑比配位多面體配位多面體配位數(shù)配位數(shù)半徑比半徑比(r+/r)范圍范圍平面三角形平面三角形30.155-0.225四面體四面體40.225-0.414八面體八面體60.414-0.732立方體立方體80.732-1.000立方八面體立方八面體121.000（5 5）晶格能）晶格能 晶格能晶格能( (U U) )是指將是指將1 1摩離子晶體里的正負(fù)離子（克摩離子晶體里的正負(fù)離子（克服晶體中的靜電引力）完全氣化而遠(yuǎn)離所需要吸收的服晶體中的靜電引力）完全氣化而遠(yuǎn)離所需要吸收的能量（數(shù)符為能量（數(shù)符為+ +）。例如：）。例如：NaCl(s)NaNaCl(s)Na+ +(g)+

20、Cl(g)+Cl(g) (g) U U=786kJ=786kJmolmol11晶格能越大，表明離子晶體中的離子鍵越穩(wěn)定。一般晶格能越大，表明離子晶體中的離子鍵越穩(wěn)定。一般而言，晶格能越高，離子晶體的熔點越高、硬度越大。而言，晶格能越高，離子晶體的熔點越高、硬度越大。晶格能大小還影響著離子晶體在水中的溶解度、溶解晶格能大小還影響著離子晶體在水中的溶解度、溶解熱等性質(zhì)。熱等性質(zhì)。 LiF LiCl LiBr LiI(g/100mLH2O) 0.27 64 145 165注：注：無機鹽的溶解是水合離子的生成過程：無機鹽的溶解是水合離子的生成過程： MX(s)M+(g)+X-(g) M+(aq)+X-

21、(aq)離離子晶體在水中的溶解度與溶解熱不但與晶體中離子晶體在水中的溶解度與溶解熱不但與晶體中離子克服晶格能進(jìn)入水中吸收的能量有關(guān)，還與進(jìn)入子克服晶格能進(jìn)入水中吸收的能量有關(guān)，還與進(jìn)入水中的離子發(fā)生水化放出的能量（水化熱）有關(guān)水中的離子發(fā)生水化放出的能量（水化熱）有關(guān)。RRZZmpmRZZmRNeZZU U )mol(KJ )11 ()(39. 1)11 (41 -00002某些離子晶體的晶格能以及晶體中的離子電某些離子晶體的晶格能以及晶體中的離子電荷、核間距、晶體的熔點、硬度荷、核間距、晶體的熔點、硬度AB型型離子晶體離子晶體最短核間最短核間距距ro/pm晶格能晶格能U/kJmol1熔點熔點

22、m.p./oC摩氏摩氏硬度硬度NaF2319239933.2NaCl2827868012.5NaBr2987477472.5NaI323704661 2.5MgO210379128526.5CaO240340126144.5SrO257322324303.5BaO256305419183.3 7、原子晶體原子晶體 同種非金屬元素或異種非金屬元素的原子以共價鍵結(jié)同種非金屬元素或異種非金屬元素的原子以共價鍵結(jié)合而成無限分子的晶體合而成無限分子的晶體. .(1)(1)金剛石型金剛石型（2）SiO2石英晶體8、分子晶體分子晶體 （1 1）單原子分子形成的晶體（惰性元素晶體）單原子分子形成的晶體（惰性元

23、素晶體） -純的范德華力純的范德華力 （2 2）原子先以共價鍵結(jié)合成分子）原子先以共價鍵結(jié)合成分子, ,分子間再以范分子間再以范 德華力或氫鍵等結(jié)合形成的晶體德華力或氫鍵等結(jié)合形成的晶體. . 9、混合鍵型晶體混合鍵型晶體 內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含有兩種以上鍵型的晶體（內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含有兩種以上鍵型的晶體（Ca(OH)Ca(OH)2 2, , Mg(OH)Mg(OH)2 2CaICaI2 2, MgI, MgI2 2, MgBr, MgBr2 2,CdI,CdI2 2,).,).19991999年美國年美國科學(xué)科學(xué)雜志報道：在雜志報道：在40GPa40GPa高壓下，用激高壓下，用激光器加熱到光器加熱到1800

24、K1800K，人們成功制得了原子晶體干冰，人們成功制得了原子晶體干冰，下列推斷正確的是下列推斷正確的是 A 原子晶體干冰有很高的熔點、沸點，有很大的硬度B 原子晶體干冰易氣化，可用作制冷材料C 原子晶體干冰硬度大，可用作耐磨材料D 每摩爾原子晶體干冰中含2mol CO鍵 題六題六、某離子晶體晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，x位于立方體的頂點，y位于立方體的中心，試分析： （1）晶體中每個y同時吸引著多少個x？（4個）每個x同時吸引著多少個y？（8個） 該晶體的化學(xué)式為？（xy2） （2）晶體中在每個x周圍與它最接近且距離相等的x共有多少個？（12個） （3） 晶體中距離最近的2個x與1個y形成的夾角xyx角度為多少？（10928） （4）該晶體的摩爾質(zhì)量為Mgmol-1，晶體密度為gcm-3，阿佛加德羅常數(shù)為NA，則晶體中兩個距離最近的x中心間的距離為多少？（）