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晶体的结构与性质,第一部分 基本概念和基本结构,刘朝兴,化学第一次课,重晶石 BaSO4,莹石 CaF2,胆矾 CuSO45H2O,食盐 NaCl,黄铁矿,萤 石,水晶,绿色鱼眼石,菱锰矿,图片2,晶体是真正意义的固体，在宏观上，晶体有别于橡胶、玻璃、琥珀、树脂等非晶态的最普遍的本质特征是它的“自范性”：,即：晶体能够自发地呈现封闭的规则凸多面体的外形。,配制明矾饱和溶液，在容器中央挂一条线，浸入溶液的线段悬一小块明矾晶体(晶种)，尽量保持恒温令溶液慢慢挥发，数天后，会发现线端的晶种长大了，呈现八面体外形。,一、晶体的定义,“晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。”注意：（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；（2）周期性是晶体结构最基本的特征。,二、晶体性质,均匀性各向异性自发地形成多面体外形 其中，F-晶面，V-顶点，E-晶棱有明显确定的熔点有特定的对称性使X射线产生衍射,F+V=E+2,直线点阵,可以发现，相隔一定的距离，总有完全相同的原子排列出现。,平面点阵,这是晶体的普遍特征，叫做平移对称性,三、晶体的微观特征,概念：在晶体内部原子或分子周期性地排列的每个重复单位的相同位置上定一个点，这些点按一定周期性规律排列在空间，这些点构成一个点阵。,在晶体的点阵结构中每个点阵所代表的具体内容-结构基元，包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构。,晶体结构=点阵+结构基元,四、晶胞,晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。晶胞并置起来，则得到晶体。,晶胞的代表性体现在以下两个方面：一是代表晶体的化学组成；二是代表晶体的对称性,晶胞是描述晶体微观结构的基本单元，但不一定是最小单元。晶胞有素晶胞和复晶胞之分。素晶胞，符号P，是晶体微观空间中的最小单位，不可能再小。素晶胞中的原子集合相当于晶体微观空间中的原子作周期性平移的最小集合，叫做结构基元。复晶胞是素晶胞的多倍体,一般说来，三维晶胞都是平行六面体(二维平面上的晶胞则是平行四边形)-叫做布拉维晶胞。整块晶体可以看成是无数晶胞无隙并置而成。,晶胞结构图,平行六面体的几何特征可用边长关系和夹角关系确定。,布拉维晶胞的边长与夹角叫做晶胞参数。,注意不要弄错夹角与边的相互关系,立方 Cubica=b=c,=90,四方 Tetragonala=bc,=90,正交 Rhombicabc,=90,三方 Rhombohedrala=b=c,=90a=bc,=90=120,六方 Hexagonal a=bc,=90,=120,单斜 Monoclinic abc=90,90,三斜 Triclinicabc=90,共有七种不同几何特征的三维晶胞，称为布拉维系。,晶胞中原子数目的计算(均摊法),顶点占1/8,棱占1/4,面心占1/2,体心占1,第二部分 晶体的分类,按成键特点分为：原子晶体：金刚石 离子晶体：NaCl 分子晶体：冰 金属晶体：Cu,一、金属晶体,金属的通性金属具有一定的通性：有金属光泽，导电性，导热性，延展性,金属键对金属通性的解释,通常情况下金属晶体内部电子的运动是自由流动的，但在外加电场的作用下会定向移动形成电流,在金属晶体中，存在许多自由电子，自由电子在外加电场的作用下，自由电子定向运动，因而形成电流,由于金属晶体中自由电子运动时与金属离子碰撞并把能量从温度高的部分传导温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度,由于金属晶体中金属键是没有方向性的，各原子层之间发生相对滑动以后，仍保持金属键的作用，因而在一定外力作用下，只发生形变而不断裂,一维堆积,金属堆积方式,密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。,二维平面堆积方式,I 型,II 型,行列对齐四球一空 非最紧密排列,行列相错三球一空最紧密排列,配位数:6,配位数:4,非密置层,密置层,三维空间堆积方式,.简单立方堆积,边长=2r,配位数：6,空间利用率的计算,空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。球体积 空间利用率=100%晶胞体积,简单立方堆积：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共享，,空间利用率：,(2r)3,4r3/3,=52.36%,微粒数为：81/8=1,.体心立方堆积,配位数：8,体对角线=4r,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,不是最密堆积,密置层堆积,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。,上图是此种六方紧密堆积的前视图,A,第一种：将第三层球对准第一层的球,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 12(同层 6，上下层各 3),.六方密堆积,A,A,A,A,B,B,各层均为密置层,六方最密堆积分解图,空间利用率：74%,包含6个球,包含2个球,ABC,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。这种堆积方式可划分出面心立方晶胞。,配位数 12(同层 6，上下层各 3),.面心立方密堆积,ABC ABC 形式的堆积，为什么是面心立方堆积？,面心立方最密堆积分解图,面对角线=4r,面心立方堆积方式的空间利用率计算,常见的密堆积类型,常见密堆积型式,面心立方最密堆积（A1）六方最密堆积(A3)体心立方密堆积(A2),最密,非最密,面心立方最密堆积和六方最密堆积这两种最密堆积方式，每个球的配位数为12。有相同的空间利用率，均为74.05%。,定义：离子间通过离子键结合而成的晶体性质：熔沸点较高，硬度较大，难挥发、难压缩，水溶液或熔融状态下均导电。,二、离子晶体,（1）每个晶胞中含几个Na+和几个Cl-?,（2）Na+和Cl-的配位数是多少？,氯化钠的晶胞,（3）在每个Na+周围与它最近且距离相等 的Na+有多少个？,NaCl的晶体结构示意图,在NaCl晶体中每个Na+同时吸引着个Cl-。,【NaCl 型】,它们所围成的空间几何构型是。,正八面体,CsCl的晶体结构示意图,【CsCl 型】,、每个Cs+同时吸引 个 Cl-，每个Cl-同时吸引 个Cs+，而Cs+数目与Cl-数目之比为,8,8,1：1,【CsCl 型】,、根据氯化铯的结构模型确定晶胞，并分析其构成。每个晶胞中有 Cs+，有 个Cl-,1,1,【CsCl 型】,、在每个Cs+周围与它最近的且距离相等的Cs+有 个,三、原子晶体,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。构成原子晶体的粒子是原子，原子间以较强的共价键相结合。,金刚石,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很高硬度很大一般不导电且难溶于一般的溶剂,10928,共价键,金刚石的晶体结构,金刚石晶胞,1：在金刚石晶体中每个碳原子周围紧邻的碳原子有多少个？2：在金刚石晶体中每个碳原子形成几个共价键？3：在金刚石晶体中碳原子个数与CC共价键个数之比是多少？4:在金刚石晶体中最小碳环由几个碳原子来组成?5.在金刚石晶胞中占有的碳原子数？,问题：,4个,1：2,6个,4个,8个,180,10928,Si,O,共价键,二氧化硅的晶体结构,1.在SiO2晶体中，每个硅原子与 个氧原子结合；每个氧原子与 个硅原子结合；在SiO2晶体中硅原子与氧原子个数之比是。2.在SiO2 晶体中，每个硅原子形成 个共价键；每个氧原子形成 个共价键；硅原子个数与SiO 共价键个数之比是；氧原子个数与SiO 共价键个数之比是。3.在SiO2 晶体中，最小环为 元环。,问题：,2,1：2,4,4,2,1：4,1：2,12,干 冰,四、分子晶体,（1）分子间以分子间作用力相结合的晶体叫分子晶体。（2）构成分子晶体的粒子是：（3）微粒间的相互作用是：,由于分子晶体的构成微粒是分子，所以分子晶体的化学式几乎都是分子式。,1.分子晶体的概念及其结构特点：,分子,分子间作用力,(1)所有非金属氢化物的固态：H2O、H2S、NH3、CH4、HX(2)大多数非金属单质的固态:X2、N2、O2、H2、S8、P4、C60(3)大多数非金属氧化物的固态:CO2、SO2、N2O4、P4O6、P4O10(4)几乎所有的酸的固态：H2SO4、HNO3、H3PO4(5)大多数有机物的固态：乙醇，冰醋酸，蔗糖,2、典型的分子晶体,干冰的晶体结构,（1）二氧化碳分子的位置：（2）每个晶胞含二氧化碳分子的个数,混合晶体,