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1、第三章 晶体结构与性质,第一节 晶体的常识,1.定义：晶体具有规则几何外形的固体 非晶体没有规则几何外形的固体 又称玻璃体,一、晶体和非晶体,思考:为什么晶体呈现规则的几何外形，而非晶体没有规则的几何外形呢？你认为可能和什么因素有关？,2.分类,3.特点和性质：（1）自范性：晶体能自发地呈现多面体外形的性质是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表现,（2）物理性质表现各向异性（强度、导热性、光学性质）同样反映了晶体内部粒子排列的有序性,（3）晶体具有固定的熔点,4.晶体自范性的条件之一是生长的速率适当,天然水晶球里的玛瑙和水晶,思考：得到晶体的途径，除了冷却的方法，还有没有其它途径？
2、你能列举哪些？,5.晶体形成的途径,(1)熔融态物质凝固(2)气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）(3)溶质从溶液中析出,（1）物理性质差异 如：外形、硬度、熔点、折光率（2）区分晶体和非晶体最科学的方法是对固体进行X-射线衍射实验。,6.鉴别晶体和非晶体,具有规则的几何外形,有,粒子在三维空间周期性有序排列,各向异性,固定,不具有规则的几何外形,没有,粒子排列相对无序,各向同性,不固定,微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序排列,二晶胞,1.晶胞：描述晶体结构的基本单元,蜂巢与蜂室,铜晶体,铜晶胞,晶体与晶胞的关系可用蜂巢与峰室的关系比喻,然而蜂巢是有形的，晶胞是无形的，是人为划定的。,平行六
3、面体,无隙并置,2、特点：晶胞都是平行六面体.晶胞在晶体中“无隙并置”.,3.三种典型立方晶体结构,体心立方,简单立方,面心立方,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,分摊法：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,5.常见晶胞中微粒数的计算,(1)六方晶胞：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：121/6+21/2+3=6,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,（2）面心立方：在立方体顶点的微粒为8
4、个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。微粒数为：81/8+61/2=4,(3)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：81/8+1=2,3.在碳单质的成员中还有一种混合型晶体石墨，如图所示。它是层状结构，层与层之间依靠作用力相结合。每层内部碳原子与碳原子之间靠作用力相结合，其键角为120。分析图中每个六边形含有 个碳原子。占有的碳碳键数为_个。碳原子数目与碳碳化学键数目之比为_.,2,2:3,3,8+6=4,4.下图是CO2分子晶体的晶胞结构示意图，其中有多少个分子？,5.下列是NaCl晶胞示意图，晶胞中Na+和Cl的个数比是多少？,6.最近发现一
5、种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如下图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式是。,解析：由于本题团簇分子指的是一个分子的具体结构，并不是晶体中的最小的一个重复单位，不能采用均摊法分析，所以只需数出该结构内两种原子的数目就可以了。答案为：Ti14C13,2001年报道的硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。如图所示的是该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子，6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为,A.MgB B.MgB2 C.Mg2B D.Mg3B2,Mg原子的数目：121/6+21/2=3
6、B原子的数目：6故化学式可表示为 MgB2,3.2分子晶体与原子晶体,一、分子晶体,1、概念分子间以分子间作用力（范德华力，氢键）相结合的晶体叫分子晶体（1）构成分子晶体的粒子是分子。（2）粒子间的相互作用是分子间作用力。（3）范德华力远小于化学键的作用；（4）分子晶体熔化破坏的是分子间作用力。,(1)较低的熔点和沸点，易升华；(2)较小的硬度；(3)一般都是绝缘体，熔融状态也不导电。,原因：分子间作用力较弱,2、物理特性：,分子晶体有哪些物理特性，为什么？,3、典型的分子晶体：非金属氢化物：H2O，H2S，NH3，CH4，HX酸：H2SO4，HNO3，H3PO4部分非金属单质:X2，O2，H
7、2，S8，P4，C60 部分非金属氧化物:CO2，SO2，NO2，P4O6，P4O10大多数有机物：乙醇，冰醋酸，蔗糖,4、分子晶体结构特征(1)只有范德华力，无分子间氢键分子密堆积每个分子周围有12个紧邻的分子，如：C60、干冰、I2、O2(2)有分子间氢键不具有分子密堆积特征如：HF、冰、NH3,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（O2）的晶体结构,碳60的晶胞,分子的密堆积,（与CO2分子距离最近的CO2分子共有12个）,干冰的晶体结构图,冰中个水分子周围有个水分子,冰的结构,氢键具有方向性,分子的非密堆积,归纳要点分子的密度取决于晶体的体积，取决于紧密堆积程度
8、，分子晶体的紧密堆积由以下两个因素决定：,（1）范德华力（2）分子间氢键,5、分子晶体熔、沸点高低的比较规律分子晶体要熔化或汽化都需要克服分子间的作用力。分子间作用力越大，物质熔化和汽化时需要的能量就越多，物质的熔、沸点就越高。因此，比较分子晶体的熔、沸点高低，实际上就是比较分子间作用力（包括范力和氢键）的大小。,（1）组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高。如：O2N2，HIHBrHCl。（2）分子量相等或相近，极性分子的范德华力大，熔沸点高，如CON2（3）含有氢键的，熔沸点较高。如H2OH2TeH2SeH2S，HFHCl，NH3PH3（4）在烷烃的同分异构体中，
9、一般来说，支链数越多，熔沸点越低。如沸点：正戊烷异戊烷新戊烷；芳香烃及其衍生物苯环上的同分异构体一般按照“邻位间位对位”的顺序。,原子晶体,二原子晶体（共价晶体）,1、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。（1）构成原子晶体的粒子是原子；（2）原子晶体的粒子间以较强的共价键相结合；（3）原子晶体熔化破坏的是共价键。,180,10928,Si,O,共价键,二氧化硅晶体结构示意图,10928,共价键,金刚石的晶体结构示意图,2、原子晶体的物理特性,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，所以原子晶体的熔点和沸点高硬度大一般不导电且难溶于一些常见
10、的溶剂,3、常见的原子晶体,某些非金属单质：金刚石（C）、晶体硅(Si)、晶体硼（B）、晶体锗(Ge)等某些非金属化合物：碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体某些氧化物：二氧化硅（SiO）晶体、-Al2O3,10928,金刚石的晶体结构示意图,共价键,思考：在金刚石晶体中，每个碳与周围多少个碳原子成键？形成怎样的空间结构？最小碳环由多少个碳原子组成？它们是否在同一平面内？,在金刚石晶体中，碳原子个数与C-C键数之比为多少？,12g金刚石C-C键数为多少NA？,金刚石中每个C原子以sp3杂化，分别与4个相邻的C 原子形成4个键，故键角为10928，每个C原子的配位数为4；每个C原子均可与相邻
11、的4个C构成实心的正四面体，向空间无限延伸得到立体网状的金刚石晶体，在一个小正四面体中平均含有1+41/4=2个碳原子；在金刚石中最小的环是六元环，1个环中平均含有61/12=1/2个C原子，含C-C键数为61/6=1；金刚石的晶胞中含有C原子为8个，内含4个小正四面体，含有C-C键数为16。,180,10928,Si,O,二氧化硅的晶体结构示意图,共价键,二氧化硅中Si原子均以sp3杂化，分别与4个O原子成键，每个O原子与2个Si原子成键；晶体中的最小环为十二元环，其中有6个Si原子和6个O原子，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Si-
12、O键被6个十二元环共有；每个十二元环所拥有的Si原子数为61/12=1/2，拥有的O原子数为61/6=1，拥有的Si-O键数为121/6=2，则Si原子数与O原子数之比为1：2。,4、原子晶体熔、沸点比较规律对于原子晶体，一般来说，原子间键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高，硬度越大。,5、晶体熔沸点的高低比较对于分子晶体，一般来说，对于组成和结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的熔沸点也越高。对于原子晶体，一般来说，原子间键长越短，键能越大，共价键越稳定，物质的熔沸点越高，硬度越大。,【总结】非金属单质是原子晶体还是分子晶体的判断方法（1）依据组成晶体的粒子
13、和粒子间的作用判断：原子晶体的粒子是原子，质点间的作用是共价键；分子晶体的粒子是分子，质点间的作用是范德华力。（2）记忆常见的、典型的原子晶体。（3）依据晶体的熔点判断：原子晶体熔、沸点高，常在1000以上；分子晶体熔、沸点低，常在数百度以下至很低的温度。（4）依据导电性判断：分子晶体为非导体，但部分分子晶体溶于水后能导电；原子晶体多数为非导体，但晶体硅、晶体锗是半导体。（5）依据硬度和机械性能判断：原子晶体硬度大，分子晶体硬度小且较脆。,（1）石墨中C原子以sp2杂化；（2）石墨晶体中最小环为六元环，含有C 2个，C-C键为 3；（3）石墨分层，层间为范德华力，硬度小，可导电；（4）石墨中r
14、（C-C）比金刚石中r（C-C）短。,3.3金属晶体,1、金属键的定义：金属离子和自由电子之间的强烈的相互作用，叫金属键。（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。（3）金属键没有方向性也没有饱和性。,一、金属的结构,2、金属晶体的定义：通过金属离子与自由电子之间的较强的相互作用形成的晶体。（1）在晶体中，不存在单个分子（2）金属阳离子被自由电子所包围。,3、电子气理论：经典的金属键理论叫做“电子气理论”。它把金属键形象地描绘成从金属原子上“脱落”下来的大量自由电子形成可与气体相比拟的带负电的“电子气”，金属原子则“浸泡”在“电子气”的“海洋”之中。二、
15、金属共同的物理性质容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。,【讨论1】金属为什么易导电？在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有一定方向的，但在外加电场的条件下自由电子就会发生定向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。,水溶液或熔融状态下,晶体状态,自由移动的离子,自由电子,比较离子晶体、金属晶体导电的区别：,三、金属晶体的结构与金属性质的内在联系,1、金属晶体结构与金属导电性的关系,【讨论2】金属为什么易导热？,自由电子在运动时经常与金属离子碰撞，引起两者能量的交换。当金属某部分受热时，那个区域里的自由电子能量增加，运动速度加快，通过碰撞，把能量传给金属离子。金属容易导热，
16、是由于自由电子运动时与金属离子碰撞把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。,2、金属晶体结构与金属导热性的关系,【讨论3】金属为什么具有较好的延展性？原子晶体受外力作用时，原子间的位移必然导致共价键的断裂，因而难以锻压成型，无延展性。而金属晶体中由于金属离子与自由电子间的相互作用没有方向性，各原子层之间发生相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。,3、金属晶体结构与金属延展性的关系,4、金属晶体结构具有金属光泽和颜色,由于自由电子可吸收所有频率的光，然后很快释放出各种频率的光，因此绝大多数金属具有银白色或钢灰色光泽。而某些金属（
17、如铜、金、铯、铅等）由于较易吸收某些频率的光而呈现较为特殊的颜色。当金属成粉末状时，金属晶体的晶面取向杂乱、晶格排列不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以成黑色。,5、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，金属键越强。一般情况下，金属晶体熔点由金属键强弱决定,金属阳离子半径越小，所带电荷越多，自由电子越多，金属键越强，熔点就相应越高，硬度也越大,资料,金属之最,熔点最低的金属是-,汞-38.87,熔点最高的金属是-,钨 3410,密度最小的金属是-,锂 0.53g/cm3,密度最大的金属是-,锇 22.57g/cm3,硬度最小的金属是-,铯 0.2,硬度最大的金属是-,铬
18、9.0,最活泼的金属是-,铯,最稳定的金属是-,金,延性最好的金属是-,铂铂丝直径：mm,展性最好的金属是-,金金箔厚：mm,金属原子在二维空间（平面）上有二种排列方式,二、金属晶体的原子堆积模型,（a）非密置层（b）密置层,金属晶体可以看成金属原子在三维空间中堆积而成.那么,非密置层在三维空间里堆积有几种方式？请比较不同方式堆积时金属晶体的配位数、原子的空间利用率、晶胞的区别。,配位数=4,配位数=6,思考与交流,1、简单立方堆积,Po,每个晶胞含原子数：,6,1,52%,2、体心立方堆积-钾型,非密置层的另一种堆积是将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中,（IA，VB，VIB）,每个
19、晶胞含原子数：,8,68%,2,第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准 1，3，5 位。(或对准 2，4，6 位，其情形是一样的),关键是第三层。对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。,思考：密置层的堆积方式有哪些？,下图是此种六方紧密堆积的前视图,A,第一种是将第三层的球对准第一层的球。,于是每两层形成一个周期，即 AB AB 堆积方式，形成六方紧密堆积。,配位数。(同层，上下层各。),12,6,3,此种立方紧密堆积的前视图,A,第四层再排 A，于是形成 ABC ABC 三层一个周期。得到面心立方堆积。,配位数。(同层，上下层各),12,6,3,镁型,六方密堆积,3、,按
20、密置层的堆积方式的第一种：六方密堆积,每个晶胞含原子数：,12,74%,2,镁型六方密堆积,（Be Mg B B B）,4、铜型,面心立方,按密置层的堆积方式的第二种：面心立方堆积,每个晶胞含原子数：,铜型 面心立方,12,74%,4,（B Pb Pd Pt）,1、金属晶体的四种堆积模型对比,阅读资料卡片并掌握,2、石墨是层状结构的混合型晶体,第四节 离子晶体,1.定义：2.结构特点：(1)成键粒子：(2)相互作用力：常见的离子晶体：,强碱、活泼金属氧化物、大部分的盐类。,由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。,阴、阳离子,离子键,一、离子晶体,有无单个分子存在?,无单个分子存在;NaCl
21、不表示分子式。,(2)硬度较大。,3.离子晶体物理性质的特点：,(1)熔沸点较高,难挥发难压缩。,(3)水溶性,(4)导电性,离子电荷越多,核间距离越小,熔沸点升高。,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。,（1）氯化钠型晶胞,1钠离子和氯离子的位置：,钠离子和氯离子位于立方体的顶角上，并交错排列。钠离子：体心和棱中点；氯离子：面心和顶点，或反之。,2每个晶胞含钠离子、氯离子的个数：,3与Na+等距离且最近的Na+有：,12个,4.几种常见的离子晶体的晶胞结构：,NaCl的晶体结构模型,4与Na+等距离且最近的Cl有：6个（配位数）,（2）氯化铯型晶胞,1
22、铯离子和氯离子的位置：,铯离子：体心氯离子：顶点；或者反之。,2每个晶胞含铯离子、氯离子的个数：,3与铯离子等距离且最近的铯离子、氯离子各有几个？,铯离子：6个；氯离子：8个(配位数),1个,CsCl晶体及晶胞结构示意图,(3)CaF2型晶胞,2Ca2+的配位数：,F-的配位数：,1一个CaF2晶胞中含：,4个Ca2+和8个F,8,4,(4)ZnS型晶胞,2阳离子的配位数：,阴离子的配位数：,1一个ZnS晶胞中含：,4个阳离子和4个阴离子,4,4,5.决定离子晶体结构的因素,（1）几何因素（2）电荷因素（3）键性因素,晶体中正负离子的半径比.,晶体中正负离子的电荷比.,离子键的纯粹因素,一般决
23、定配位数的多少:正负离子的半径比越大,配位数越多.,正负离子电荷比=正负离子的配位数比=正负离子的数目反比,科学视野,阅读思考 碳酸盐热分解的实质是什么？表3-7的有关数值说明了什么？,组成碳酸盐中阳离子的金属的金属性越弱，金属阳离子的半径越小，碳酸盐的热稳定性越差，反之越好。,二、晶格能,定义：气态离子形成1摩离子晶体时释放的能量。晶格能的大小与阴、阳离子所带电荷的乘积成正比，与阴、阳离子间的距离成反比。(电荷越多，半径越小，晶格能越大。)晶格能越大：形成的离子晶体越稳定；（离子键越强）熔点越高；硬度越大。,各类型离子晶体晶胞的比较,Na+：,6,Cl-：,6,Cs+：,Cl-：,8,8,Z
24、n2+：,S2-：,4,4,Ca2+：,F-：,4,8,Na+：,Cl-：,Cs+：,Cl-：,Zn2+：,S2-：,Ca2+：,F-：,Na+：,Cl-：,Cs+：,Cl-：,Zn2+：,S2-：,Ca2+：,F-：,6,6,8,8,4,4,4,8,4,4,1,1,4,4,8,4,KBr AgCl、MgO、CaS、BaSe,ZnS、AgI、BeO,CsCl、CsBr、CsI、TlCl,碱土金属卤化物、碱金属氧化物。,构成晶体的微粒,微粒间的作用力,存在的化学键,物质的类别,物质性质,熔、沸点,硬 度,导电性,传热性,延展性,溶解性,离子键等,共价键,共价键,金属键,阴、阳离子,原子,分子,金
25、属阳离子、电子,离子键,共价键,分子间作用力,金属键,离子化合物,部分属共价化合物、单质,金属及合金,较高,很高,低,多数高,硬而脆,大,小,多数硬,固态时不导电,非导体,非导体,良导体,不良,不良,不良,良好,良好,不良,不良,不良,大多数易溶于极性溶剂,不溶于任何溶剂,相似相溶,不溶,总结,2、晶体熔沸点的比较,1、若晶体类型不同，一般情况下：原子晶体离子晶体分子晶体。2、若晶体类型相同，则有：离子晶体中，结构相似时，离子半径越小，离子电荷越高，晶格能越大，离子键就越强，熔点就越高。原子晶体中，结构相似时，原子半径越小，共价键键长越短，键能越大，熔点越高。分子晶体中（不含氢键时），分子组成和结构相似时，相对分子质量越大，范德华力就越强，熔点就越高。金属晶体中，离子半径越小，离子电荷越高，金属键就越强，熔点就越高。合金的熔点比它的各成分金属的熔点低。,
