高中化學 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 綠色魚眼石 菱錳礦 圖片2 晶體是真正意義的固體 在宏觀上 晶體有別于橡膠 玻璃 琥珀 樹脂等非晶態(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 浸入溶液的線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 會發(fā)現(xiàn)線端的晶種長大了 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 E 晶棱 有明顯確定的熔點 有特定的對稱性 使X射線產(chǎn)生衍射 F V E 2 直線點陣 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) 平面點陣 這是晶體的普遍特征 叫做平移對稱性 三 晶體的微觀特征 概念 在晶體內(nèi)部原子或分子周期性地排列的每個重復單位的相同位置上定一個點 這些點按一定周期性規(guī)律排列在空間 這些點構(gòu)成一個點陣 在晶體的點陣結(jié)構(gòu)中每個點陣所代表的具體內(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 則得到晶體 晶胞的代表性體現(xiàn)在以下兩個方面 一是代表晶體的化學組成 二是代表晶體的對稱性 晶胞是描述晶體微觀結(jié)構(gòu)的基本單元 但不一定是最小單元 晶胞有素晶胞和復晶胞之分 素晶胞 符號P 是晶體微觀空間中的最小單位 不可能再小 素晶胞中的原子集合相當于晶體微觀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 復晶胞是素晶胞的多倍體 一般說來 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數(shù)晶胞無隙并置而成 晶胞結(jié)構(gòu)圖 平行六面體的幾何特征可用邊長關(guān)系和夾角關(guān)系確定 布拉維晶胞的邊長與夾角叫做晶胞參數(shù) 注意不要弄錯夾角與邊的相互關(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 稱為布拉維系 晶胞中原子數(shù)目的計算 均攤法 頂點占1 8 棱占1 4 面心占1 2 體心占1 第二部分晶體的分類 按成鍵特點分為 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 導電性 導熱性 延展性 金屬鍵對金屬通性的解釋 通常情況下金屬晶體內(nèi)部電子的運動是自由流動的 但在外加電場的作用下會定向移動形成電流 在金屬晶體中 存在許多自由電子 自由電子在外加電場的作用下 自由電子定向運動 因而形成電流 由于金屬晶體中自由電子運動時與金屬離子碰撞并把能量從溫度高的部分傳導溫度低的部分 從而使整塊金屬達到相同的溫度 由于金屬晶體中金屬鍵是沒有方向性的 各原子層之間發(fā)生相對滑動以后 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 行列對齊四球一空非最緊密排列 行列相錯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 簡單立方堆積 邊長 2r 配位數(shù) 6 空間利用率的計算 空間利用率 指構(gòu)成晶體的原子 離子或分子在整個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 簡單立方堆積 在立方體頂點的微粒為8個晶胞共享 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 體對角線 4r 體心立方 在立方體頂點的微粒為8個晶胞共享 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 對第一層來講最緊密的堆積方式是將球?qū)? 3 5位 或?qū)? 4 6位 其情形是一樣的 關(guān)鍵是第三層 對第一 二層來說 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)实谝粚拥那?于是每兩層形成一個周期 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個球 包含2個球 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 面對角線 4r 面心立方堆積方式的空間利用率計算 常見的密堆積類型 常見密堆積型式 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 離子間通過離子鍵結(jié)合而成的晶體性質(zhì) 熔沸點較高 硬度較大 難揮發(fā) 難壓縮 水溶液或熔融狀態(tài)下均導電 二 離子晶體 1 每個晶胞中含幾個Na 和幾個Cl 2 Na 和Cl 的配位數(shù)是多少 氯化鈉的晶胞 3 在每個Na 周圍與它最近且距離相等的Na 有多少個 NaCl的晶體結(jié)構(gòu)示意圖 在NaCl晶體中每個Na 同時吸引著 個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Cs 同時吸引個Cl 每個Cl 同時吸引個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 每個晶胞中有Cs 有個Cl 1 1 CsCl型 在每個Cs 周圍與它最近的且距離相等的Cs 有個 三 原子晶體 概念 相鄰原子間以共價鍵相結(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 原子間以較強的共價鍵相結(jié)合 金剛石 原子晶體的物理特性 在原子晶體中 由于原子間以較強的共價鍵相結(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和沸點很高硬度很大一般不導電且難溶于一般的溶劑 109 28 共價鍵 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碳原子周圍緊鄰的碳原子有多少個 2 在金剛石晶體中每個碳原子形成幾個共價鍵 3 在金剛石晶體中碳原子個數(shù)與C C共價鍵個數(shù)之比是多少 4 在金剛石晶體中最小碳環(huán)由幾個碳原子來組成 5 在金剛石晶胞中占有的碳原子數(shù) 問題 4個 1 2 6個 4個 8個 180 109 28 Si O 共價鍵 二氧化硅的晶體結(jié)構(gòu) 1 在SiO2晶體中 每個硅原子與個氧原子結(jié)合 每個氧原子與個硅原子結(jié)合 在SiO2晶體中硅原子與氧原子個數(shù)之比是 2 在SiO2晶體中 每個硅原子形成個共價鍵 每個氧原子形成個共價鍵 硅原子個數(shù)與Si O共價鍵個數(shù)之比是 氧原子個數(shù)與Si O共價鍵個數(shù)之比是 3 在SiO2晶體中 最小環(huán)為元環(huán) 問題 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式幾乎都是分子式 1 分子晶體的概念及其結(jié)構(gòu)特點 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