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第三章 晶体结构与性质
第一节 物质的聚集状态与晶体的常识
教学目标
1、教学目标
1) 能说出包含“固、液、气”在内的更多的物质聚集状态。
2) 能说出晶体与非晶体的区别，了解获得晶体的一般途径。
3) 了解晶体中粒子的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞，能计算简单晶胞中粒子的数目。
4) 知道X射线衍射实验是测定晶体结构的常用方法。
2、教学重点和难点
1) 重点：晶体与非晶体的差异，晶体的自范性、各向异性，结晶的方法。
2) 难点：对晶胞的认识。
美丽的晶体
一、物质的聚集状态
物质发生三态变化的原因是什么？
观察思考
固态
液态
气态
液化(放热)
汽化(吸热)
融化(吸热)
凝固(放热)
升华(吸热)
凝华(放热)
20 世纪前，认为分子是所有化学物质能够保持其性质的最小粒子，三态的转化只是分子间距离发生变化。
物质的三态变化图
一、物质的聚集状态
物质发生三态变化的原因是什么？
观察思考
20 世纪初，通过X射线衍射实验等手段，发现许多常见的晶体中并无分子。
氯化钠、石墨、二氧化硅、金刚石、 金属
阴阳离子
金属阳离子和自由电子
原子
一、物质的聚集状态
物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？
观察思考
等离子体：由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的物质聚集体。
日光灯
霓虹灯
极光
雷电
等离子体的用途：
利用等离子体进行化学合成
核聚变在等离子体状态下发生
制造等离子体显示器
液晶显示器
一、物质的聚集状态
物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？
观察思考
液晶：介于液态和晶态之间的物质状态
结论：物质的聚集状态固态、液态、气态、等离子体、晶态、非晶态、塑晶态、液晶态等等
二、晶体与非晶体
自然界中许多固体为何会有规则的几何外形？
观察思考
氯化钠
金刚石
石英
结论：固体有晶体和非晶体之分
晶体→具有规则几何外形的固体
二、晶体与非晶体
晶体与非晶体有什么本质的差异？
观察思考
晶体的自范性：
能自发地呈现多面体外形的性质
思考：为什么晶体呈现规则的几何外形？
决定
微观结构
宏观性质
晶体的自范性是晶体内部微粒在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象
晶体SiO2和非晶体SiO2
晶体与非晶体的本质差异
固体 自范性 微观结构
晶体
非晶体
有
(能自发呈现多面体外形)
原子在三维空间里
呈周期性有序排列
原子排列相对无序
没有
(不能自发呈现多面体外形)
晶体：把内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性有序排列的固体物质称为晶体。
非晶体：把内部微粒(原子、离子或分子)排列呈相对无序状态的固体物质称为非晶体。
二、晶体与非晶体
观察思考
岩浆中的SiO2侵入地球的空洞冷却后形成的水晶球，其外层是非晶态的玛瑙，内部是呈现晶体外形的水晶。原因是什么？
天然水晶球
玛瑙
水晶
外层是熔融态SiO2快速冷却而形成的玛瑙
内层是熔融态SiO2缓慢冷却形成具有规则多面体的水晶。
结论：晶体保持自范性的条件之一是晶体的生长速率适当
思考：除了冷却，还有没有其它途径得到晶体？
实验3 1：获得晶体的途径
(1)用研钵将硫黄粉末研细，放入蒸发皿中，放在三脚架的铁圈上，用酒精灯加热至熔融态，自然冷却结晶后，观察实验现象。
(2)在一个小烧杯里加入少量碘，用一个表面皿盖在小烧杯上，并在表面皿上加少量冷水。把小烧杯放在石棉网上小火加热，观察实验现象。
(3)在 250mL烧杯中(改用试管)加入半杯饱和氯化钠溶液，用滴管滴入浓盐酸，观察实验现象。
硫晶体
S(l) S(s)
凝固
获得晶体的途径之：熔融态物质凝固
实验3 1：获得晶体的途径
(1)用研钵将硫黄粉末研细，放入蒸发皿中，放在三脚架的铁圈上，用酒精灯加热至熔融态，自然冷却结晶后，观察实验现象。
(2)在一个小烧杯里加入少量碘，用一个表面皿盖在小烧杯上，并在表面皿上加少量冷水。把小烧杯放在石棉网上小火加热，观察实验现象。
(3)在 250mL烧杯中(改用试管)加入半杯饱和氯化钠溶液，用滴管滴入浓盐酸，观察实验现象。
碘晶体
I2(g) I2(s)
凝华
获得晶体的途径之：气态物质冷却不经过液态直接凝固
实验3 1：获得晶体的途径
(3)在 250mL烧杯中(改用试管)加入半杯饱和氯化钠溶液，用滴管滴入浓盐酸，观察实验现象。
实验3 1：获得晶体的途径
(3)在 250mL烧杯中(改用试管)加入半杯饱和氯化钠溶液，用滴管滴入浓盐酸，观察实验现象。
滴加浓盐酸
NaCl(s) Na+ (aq)+Cl (aq)
c(Cl )增大，平衡逆移
获得晶体的途径之：溶质从溶液中析出
二、晶体与非晶体
晶体的各向异性：
晶体在不同的方向上具有不同的物理性质
如：力学(强度等)、光学(折射率等)、热学(导热性等)、电学(导电性)等性质表现出各向异性。
方解石CaCO3
(晶体)
玻璃片
(非晶体)
强度：沿垂直方向在玻璃片和方解石表面刻划
方解石：发现刻痕的深浅不一样，说明不同方向上的强度不同。
二、晶体与非晶体
如：力学(强度等)、光学(折射率等)、热学(导热性等)、电学(导电性)等性质表现出各向异性。
现象：不同方向观察红宝石，发现宝石的颜色不同
原因：在不同方向，晶体对光线的吸收与反射是不同的，折射率有各向异性。
二、晶体与非晶体
如：力学(强度等)、光学(折射率等)、热学(导热性等)、电学(导电性)等性质表现出各向异性。
蜡滴
玻璃片
云母片
蜡滴
现象：云母片的蜡熔化成椭圆形，玻璃片的蜡熔化成圆形
原因：在不同方向，晶体的传热速度不同，导热性有各向异性。
二、晶体与非晶体
如：力学(强度等)、光学(折射率等)、热学(导热性等)、电学(导电性)等性质表现出各向异性。
现象：石墨在平行于层的方向上电导率高；而在垂直于层的方向上电导率低
原因：在不同方向，石墨的导电能力不同，导电率有各向异性
二、晶体与非晶体
学以致用
根据晶体物理性质的各向异性的特点，如何鉴别玻璃仿造的假宝石？
外观 自范性 各向异性 熔、沸点
晶体 具有规则几何外形 有 各向异性 固定
非晶体 不具有规则几何外形 无 各向同性 不固定
本质区别 微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序排列
最可靠的科学方法：对固体进行X射线衍射实验
三、晶胞
1、晶胞：描述晶体结构的基本单元
铜晶体
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。
蜂巢与蜂室
铜晶胞
上
前
后
左
右
下
三、晶胞
观察思考
观察下列晶胞结构，体会晶胞的结构特点。
CaTiO3
ZnS
I2
小结
晶胞的结构特点
平行
六面体
8个顶角相同
3套各2个平行面分别相同
3套各4根平行棱分别相同
晶胞
三、晶胞
1、晶胞：描述晶体结构的基本单元
2、特征：一般来说，晶胞通常是一个平行六面体
决定了一个晶胞的上、下、左、右、前、后都有与之完全相同的晶胞与其无隙并置。
无隙：指相邻的晶胞之间共用顶角、共用棱、共用面，没有任何间隙。
并置：指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。因此一个晶胞到另一个晶胞只需平移晶胞框架，无需任何转动。
三、晶胞——无隙并置
三、晶胞
例、铜晶体的一个晶胞中含有_____个铜原子
4
三、晶胞
练、某晶胞的结构如图所示，这种晶体中A、B、C三种粒子数之比是( )
A. 3 : 9 : 4 B. 1 : 4 : 2 C. 2 : 9 : 4 D. 3 : 8 : 4
B
解析：
A = 6 × 1/12 = 1/2
B = 3 × 1/6 ＋ 6 × 1/4 = 2
C = 1 × 1 = 1
三、晶胞
整理归纳
均摊法计算晶胞的组成
方法：某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子有1/n属于该晶胞
顶点
面心
棱边
体心
三、晶胞
整理归纳
均摊法计算晶胞的组成
顶点 棱边 面心 体心
立方体 1/8 1/4 1/2 1
三棱柱
六棱柱
1/12
水平1/4 竖1/6
1/6
水平1/4 竖1/3
1/2
1
1/2
1
三、晶胞
练、石墨晶体的层状结构，层内为平面正六边形结构(如图)，图中平均每个正六边形占有C原子数为____个、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 : 3
2
3
三、晶胞
Na+
Cl
例、(1)每个晶胞中平均有____个Na＋，____个个Cl ；
(2)在NaCl晶体中，每个Na＋周围最近距离的Cl 有___个；每个Cl 周围最近距离的Na＋有___个。
(3)在NaCl晶体中，每个Na＋周围最近距离的Na＋有____个；每个Cl 周围最近距离的Cl 有____个。
(4)该晶胞中，若两个距离最近的Na＋核间距为a cm，
则晶体的密度ρ＝ _______ g·cm 3。
4
4
6
6
12
12
拓展：晶体的密度计算
ρ＝ ＝
Z · M
abc · NA
Z · M
V · NA
晶体的密度
ρ：晶体的密度(一般是g·cm 3)
Z：1个晶胞中化学式数目
M：化学式的摩尔质量(g·mol 1)
V： 1个晶胞的体积(一般是cm3)
NA：阿伏伽德罗常数(mol 1)
abc：晶胞参数(一般是pm或nm)
单位换算：1cm＝107nm＝108 ＝1010pm
注意晶胞体积计算时的单位换算
拓展：晶体的密度计算
Na+
Cl－
(4)该晶胞中，若两个距离最近的Na＋核间距为a cm, 则晶体的密度ρ= ___g·cm 3
acm
晶胞的边长:
晶胞的体积:
ρ = =
Z · M
abc · NA
4×58·5
2√2 a3 ×NA
√2 a cm
2√2 a3 cm3
=
58·5√2
a3 · NA
g·cm 3
2acm
ρ＝ ＝
Z · M
abc · NA
Z · M
V · NA
高考真题中的晶胞问题
(18 国Ⅲ)金属Zn晶体中的原子堆积方式如图，六棱柱底边边长为a cm，高为c cm，阿伏伽德罗常数的值为NA，Zn的密度为_______g·cm 3(列出计算式)。
ρ =
Z · M
abc · NA
6×65
6× ×a2c×NA
3
4
√
=
高考真题中的晶胞问题
[2021湖南卷] 下图是Mg、Ge、O三种元素形成的某化合物的晶胞示意图。
己知化合物中Ge和O的原子个数比为1:4，图中Z表示_____原子(填元素符号)，该化合物的化学式为____________。
O
Mg2GeO4
8
4
16
顶点： 8 × 1/8 = 1
棱上： 4 × 1/4 = 1
面心： 6 × 1/2 = 3
体内： 3 × 1 = 3
高考真题中的晶胞问题
[2021湖南卷] 下图是Mg、Ge、O三种元素形成的某化合物的晶胞示意图。
Mg2GeO4
8
4
16
已知该晶胞的晶胞参数分别为a nm、b nm、c nm，α=β=γ=90 ，则该晶体的密度ρ=______________g·cm 3。(NA为阿伏加德罗常数的，值相对原子质量：O 16 Mg 24 Ge 73)
740
abcNA
×1021
高考真题中的晶胞问题
[2021全国乙卷] AlCr2具有体心四方结构，如图所示。处于顶角位置的是_______原子。设Cr和Al原子半径分别为rCr和rAl，则金属原子空间占有率为_______% (列出计算表达式)。
Al
8πrAl＋16πrAl
3a2c
×100
3 3
四、晶体结构的测定
化学博览
备受垂青的X射线衍射实验
1901
1914物理学奖
1915物理学奖
1936化学奖
1962化学奖
1964化学奖
1980化学奖
1985化学奖
……
发现X射线，获物理学奖
伦琴
发现X射线在晶体中的衍射效应
劳厄
用X射线衍射研究晶体结构
布拉格父子
利用X射线等技术研究分子结构
德拜
佩鲁茨
X射线衍射法测定蛋白质晶体结构
X射线衍射法测定复杂晶体与大分子结构
X射线衍射确定DNA核苷酸顺序与基因结构
发展了X射线衍射确定晶体与分子结构的方法
Hauptman与Karle
X射线衍射实验给我们提供了哪些关于晶体结构的信息呢？
四、晶体结构的测定
当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，在记录仪上形成衍射图谱。人们对衍射图的数据进行处理，即可获得晶体结构的有关信息。
学科前沿
X射线管
铅板
晶体样品
记录仪
衍射方向
衍射强度
一种X射线衍射仪
四、晶体结构的测定
X射线管
铅板
晶体
1、衍射方向
——晶胞的形状、大小与取向
数据处理
晶体的周期性结构
晶体能产生
分立的斑点
非晶体衍射图谱
四、晶体结构的测定
15 20 25 30 35
2θ/°
晶体能产生明锐的衍射峰
2、衍射强度
——原子的种类与位置
晶态SiO2
非晶态SiO2
由X射线衍射实验的结果还可以进一步测定分子结构。

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