高中化學(xué) 晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 第一部分基本概念和基本結(jié)構(gòu) 重晶石BaSO4 瑩石CaF2 膽礬CuSO4 5H2O 食鹽NaCl 黃鐵礦 螢石 水晶 綠色魚(yú)眼石 菱錳礦 圖片2 晶體是真正意義的固體 在宏觀(guān)上 晶體有別于橡膠 玻璃 琥珀 樹(shù)脂等非晶態(tài)的最普遍的本質(zhì)特征是它的 自范性 即 晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的規(guī)則凸多面體的外形 配制明礬飽和溶液 在容器中央掛一條線(xiàn) 浸入溶液的線(xiàn)段懸一小塊明礬晶體 晶種 盡量保持恒溫令溶液慢慢揮發(fā) 數(shù)天后 會(huì)發(fā)現(xiàn)線(xiàn)端的晶種長(zhǎng)大了 呈現(xiàn)八面體外形 一 晶體的定義 晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì) 注意 1 一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的 而非由外觀(guān)判斷 2 周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征 二 晶體性質(zhì) 均勻性 各向異性 自發(fā)地形成多面體外形其中 F 晶面 V 頂點(diǎn) E 晶棱 有明顯確定的熔點(diǎn) 有特定的對(duì)稱(chēng)性 使X射線(xiàn)產(chǎn)生衍射 F V E 2 直線(xiàn)點(diǎn)陣 可以發(fā)現(xiàn) 相隔一定的距離 總有完全相同的原子排列出現(xiàn) 平面點(diǎn)陣 這是晶體的普遍特征 叫做平移對(duì)稱(chēng)性 三 晶體的微觀(guān)特征 概念 在晶體內(nèi)部原子或分子周期性地排列的每個(gè)重復(fù)單位的相同位置上定一個(gè)點(diǎn) 這些點(diǎn)按一定周期性規(guī)律排列在空間 這些點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)陣 在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中每個(gè)點(diǎn)陣所代表的具體內(nèi)容 結(jié)構(gòu)基元 包括原子或分子的種類(lèi)和數(shù)量及其在空間按一定方式排列的結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu) 點(diǎn)陣 結(jié)構(gòu)基元 四 晶胞 晶胞是晶體的代表 是晶體中的最小單位 晶胞并置起來(lái) 則得到晶體 晶胞的代表性體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面 一是代表晶體的化學(xué)組成 二是代表晶體的對(duì)稱(chēng)性 晶胞是描述晶體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的基本單元 但不一定是最小單元 晶胞有素晶胞和復(fù)晶胞之分 素晶胞 符號(hào)P 是晶體微觀(guān)空間中的最小單位 不可能再小 素晶胞中的原子集合相當(dāng)于晶體微觀(guān)空間中的原子作周期性平移的最小集合 叫做結(jié)構(gòu)基元 復(fù)晶胞是素晶胞的多倍體 一般說(shuō)來(lái) 三維晶胞都是平行六面體 二維平面上的晶胞則是平行四邊形 叫做布拉維晶胞 整塊晶體可以看成是無(wú)數(shù)晶胞無(wú)隙并置而成 晶胞結(jié)構(gòu)圖 平行六面體的幾何特征可用邊長(zhǎng)關(guān)系和夾角關(guān)系確定 布拉維晶胞的邊長(zhǎng)與夾角叫做晶胞參數(shù) 注意不要弄錯(cuò)夾角與邊的相互關(guān)系 立方Cubica b c 90 四方Tetragonala b c 90 正交Rhombica b c 90 三方Rhombohedrala b c 90 a b c 90 120 六方Hexagonala b c 90 120 單斜Monoclinica b c 90 90 三斜Triclinica b c 90 共有七種不同幾何特征的三維晶胞 稱(chēng)為布拉維系 晶胞中原子數(shù)目的計(jì)算 均攤法 頂點(diǎn)占1 8 棱占1 4 面心占1 2 體心占1 第二部分晶體的分類(lèi) 按成鍵特點(diǎn)分為 原子晶體 金剛石離子晶體 NaCl分子晶體 冰金屬晶體 Cu 一 金屬晶體 金屬的通性金屬具有一定的通性 有金屬光澤 導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性 延展性 金屬鍵對(duì)金屬通性的解釋 通常情況下金屬晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)是自由流動(dòng)的 但在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)定向移動(dòng)形成電流 在金屬晶體中 存在許多自由電子 自由電子在外加電場(chǎng)的作用下 自由電子定向運(yùn)動(dòng) 因而形成電流 由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)與金屬離子碰撞并把能量從溫度高的部分傳導(dǎo)溫度低的部分 從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度 由于金屬晶體中金屬鍵是沒(méi)有方向性的 各原子層之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)以后 仍保持金屬鍵的作用 因而在一定外力作用下 只發(fā)生形變而不斷裂 一維堆積 金屬堆積方式 密堆積 由無(wú)方向性的金屬鍵 離子鍵和范德華力等結(jié)合的晶體中 原子 離子或分子等微觀(guān)粒子總是趨向于相互配位數(shù)高 能充分利用空間的堆積密度最大的那些結(jié)構(gòu) 密堆積方式因充分利用了空間 而使體系的勢(shì)能盡可能降低 而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 二維平面堆積方式 I型 II型 行列對(duì)齊四球一空非最緊密排列 行列相錯(cuò)三球一空最緊密排列 配位數(shù) 6 配位數(shù) 4 非密置層 密置層 三維空間堆積方式 簡(jiǎn)單立方堆積 邊長(zhǎng) 2r 配位數(shù) 6 空間利用率的計(jì)算 空間利用率 指構(gòu)成晶體的原子 離子或分子在整個(gè)晶體空間中所占有的體積百分比 球體積空間利用率 100 晶胞體積 簡(jiǎn)單立方堆積 在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個(gè)晶胞共享 空間利用率 2r 3 4 r3 3 52 36 微粒數(shù)為 8 1 8 1 體心立方堆積 配位數(shù) 8 體對(duì)角線(xiàn) 4r 體心立方 在立方體頂點(diǎn)的微粒為8個(gè)晶胞共享 處于體心的金屬原子全部屬于該晶胞 微粒數(shù)為 8 1 8 1 2 不是最密堆積 密置層堆積 第二層 對(duì)第一層來(lái)講最緊密的堆積方式是將球?qū)?zhǔn)1 3 5位 或?qū)?zhǔn)2 4 6位 其情形是一樣的 關(guān)鍵是第三層 對(duì)第一 二層來(lái)說(shuō) 第三層可以有兩種最緊密的堆積方式 上圖是此種六方緊密堆積的前視圖 A 第一種 將第三層球?qū)?zhǔn)第一層的球 于是每?jī)蓪有纬梢粋€(gè)周期 即ABAB堆積方式 形成六方緊密堆積 配位數(shù)12 同層6 上下層各3 六方密堆積 A A A A B B 各層均為密置層 六方最密堆積分解圖 空間利用率 74 包含6個(gè)球 包含2個(gè)球 ABC 此種立方緊密堆積的前視圖 A 第四層再排A 于是形成ABCABC三層一個(gè)周期 這種堆積方式可劃分出面心立方晶胞 配位數(shù)12 同層6 上下層各3 面心立方密堆積 ABCABC形式的堆積 為什么是面心立方堆積 面心立方最密堆積分解圖 面對(duì)角線(xiàn) 4r 面心立方堆積方式的空間利用率計(jì)算 常見(jiàn)的密堆積類(lèi)型 常見(jiàn)密堆積型式 面心立方最密堆積 A1 六方最密堆積 A3 體心立方密堆積 A2 最密 非最密 面心立方最密堆積和六方最密堆積這兩種最密堆積方式 每個(gè)球的配位數(shù)為12 有相同的空間利用率 均為74 05 定義 離子間通過(guò)離子鍵結(jié)合而成的晶體性質(zhì) 熔沸點(diǎn)較高 硬度較大 難揮發(fā) 難壓縮 水溶液或熔融狀態(tài)下均導(dǎo)電 二 離子晶體 1 每個(gè)晶胞中含幾個(gè)Na 和幾個(gè)Cl 2 Na 和Cl 的配位數(shù)是多少 氯化鈉的晶胞 3 在每個(gè)Na 周?chē)c它最近且距離相等的Na 有多少個(gè) NaCl的晶體結(jié)構(gòu)示意圖 在NaCl晶體中每個(gè)Na 同時(shí)吸引著 個(gè)Cl NaCl型 它們所圍成的空間幾何構(gòu)型是 正八面體 CsCl的晶體結(jié)構(gòu)示意圖 CsCl型 每個(gè)Cs 同時(shí)吸引個(gè)Cl 每個(gè)Cl 同時(shí)吸引個(gè)Cs 而Cs 數(shù)目與Cl 數(shù)目之比為 8 8 1 1 CsCl型 根據(jù)氯化銫的結(jié)構(gòu)模型確定晶胞 并分析其構(gòu)成 每個(gè)晶胞中有Cs 有個(gè)Cl 1 1 CsCl型 在每個(gè)Cs 周?chē)c它最近的且距離相等的Cs 有個(gè) 三 原子晶體 概念 相鄰原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合而形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體 構(gòu)成原子晶體的粒子是原子 原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合 金剛石 原子晶體的物理特性 在原子晶體中 由于原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵相結(jié)合 而且形成空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 所以原子晶體的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)很高硬度很大一般不導(dǎo)電且難溶于一般的溶劑 109 28 共價(jià)鍵 金剛石的晶體結(jié)構(gòu) 金剛石晶胞 1 在金剛石晶體中每個(gè)碳原子周?chē)o鄰的碳原子有多少個(gè) 2 在金剛石晶體中每個(gè)碳原子形成幾個(gè)共價(jià)鍵 3 在金剛石晶體中碳原子個(gè)數(shù)與C C共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比是多少 4 在金剛石晶體中最小碳環(huán)由幾個(gè)碳原子來(lái)組成 5 在金剛石晶胞中占有的碳原子數(shù) 問(wèn)題 4個(gè) 1 2 6個(gè) 4個(gè) 8個(gè) 180 109 28 Si O 共價(jià)鍵 二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu) 1 在SiO2晶體中 每個(gè)硅原子與個(gè)氧原子結(jié)合 每個(gè)氧原子與個(gè)硅原子結(jié)合 在SiO2晶體中硅原子與氧原子個(gè)數(shù)之比是 2 在SiO2晶體中 每個(gè)硅原子形成個(gè)共價(jià)鍵 每個(gè)氧原子形成個(gè)共價(jià)鍵 硅原子個(gè)數(shù)與Si O共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比是 氧原子個(gè)數(shù)與Si O共價(jià)鍵個(gè)數(shù)之比是 3 在SiO2晶體中 最小環(huán)為元環(huán) 問(wèn)題 2 1 2 4 4 2 1 4 1 2 12 干冰 四 分子晶體 1 分子間以分子間作用力相結(jié)合的晶體叫分子晶體 2 構(gòu)成分子晶體的粒子是 3 微粒間的相互作用是 由于分子晶體的構(gòu)成微粒是分子 所以分子晶體的化學(xué)式幾乎都是分子式 1 分子晶體的概念及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 分子 分子間作用力 1 所有非金屬氫化物的固態(tài) H2O H2S NH3 CH4 HX