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1、晶 体 结 构,初赛基本要求 10. 晶体结构。晶胞。原子坐标。晶格能。晶胞中原子数或分子数的计算及与化学式的关系。分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。配位数。晶体的堆积与填隙模型。常见的晶体结构类型，如NaCl、CsCl、闪锌矿（ZnS）、萤石（CaF2）、金刚石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。 决赛基本要求 3. 晶体结构。点阵的基本概念。晶系。宏观对称元素确定晶系。晶系与晶胞的形状（点阵系）的关系。十四种空间点阵类型。晶胞（点阵）的带心（体心、面心、底心）结构的判别。正当晶胞的概念。布拉格方程。,大 纲 解 读,知 识 精 讲,晶体与非晶体 晶 胞 晶 系
2、金属晶体及密堆积原理 空间利用率及密度的计算 离子晶体及填隙模型 晶格能及Born-Haber循环 原子晶体 分子晶体,一、晶体与非晶体,一、晶体与非晶体,红宝石 ruby Al2O3-Cr,一、晶体与非晶体,天然石英玻璃矿物照片,非晶态又称玻璃态,一、晶体与非晶体,晶体的原子呈周期性排列 非晶体的原子不呈周期性排列,一、晶体与非晶体,玻璃的微观结构是无序的,一、晶体与非晶体,玻璃结构示意图,B,O,Si,M,晶体的微观空间里原子具有平移性,一、晶体与非晶体,1、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
3、，而非由外观判断； （2）周期性是晶体结构最基本的特征。,一、晶体与非晶体,一、晶体与非晶体,自范性：在一定条件下晶体能自动地呈现具有一定对称性的多面体的外形。 各向异性：晶体的导热、导电、光的透射和折射、硬度和压电性等物理性质，在晶体的不同方向有不同值。,2. 晶体与非晶体的区别,非晶态和晶态石英的X-射线粉末衍射图谱,晶态石英的谱图,非晶态石英的谱图,一、晶体与非晶体,3、晶体的分类,1、点阵,（1）定义：按连接任意两点间向量平移后能复原的一组点，称为“点阵”。,二、晶胞,2、晶格,（1）定义：按平移向量将点阵点互相连接后将点阵划分成的空间格子称为“晶格” 。,二、晶胞,（2）划分点阵的原
4、则： 在照顾对称性的条件下，尽量选取含点阵点较少的单位作点阵单位，这样的单位称作“正当点阵单位”，这样的格子称为“正当格子”,二、晶胞,平面点阵1,a为正当格子,平面点阵2,b为正当点阵单位,二、晶胞,3、晶胞,空间点阵沿3个不相平行单位矢量a，b，c将晶体结构截分成一个个包含等同内容的基本单位，这些基本单位叫做“晶胞” 。,晶格,晶胞,（1）定义：,二、晶胞,二、晶胞,晶胞一定是一个平行六面体，其三边长度a,b,c不一定相等，也不一定垂直。,晶胞在三维空间无隙并置构成宏观晶体。（注意“无隙并置”不是旋转，相邻的晶胞是共顶角、共面、共棱的）,人为划分晶胞的2个原则：一是尽可能反映晶体内结构的对
5、称性；二是尽可能小。（正当晶胞）,二、晶胞,晶胞是“最小”的重复单元。,(2) 特 点,这四种晶体的晶胞都是立方晶胞，这是指晶胞的几何形状，不是指晶胞内部的原子的种类、数量及排列。,二、晶胞,（3）晶胞中的原子计数,二、晶胞,Cu,二、晶胞,Na,Zn,Z = 4,Z = 2,Z = 2,（3）晶胞中的原子计数,I2,金刚石,Z= 8,Z = 4,二、晶胞,（3）晶胞中的原子计数,每个晶胞中只包含一个点阵点,二、晶胞,（4）素晶胞与复晶胞（带心晶胞）,空间点阵可任意选择三个不相平行的单位矢量进行划分，由于选择单位矢量不同，划分的方式也不同。但基本上可归结为两类：,素晶胞,复晶胞,每个晶胞中包含
6、两个或两个以上的点阵点，也即带心晶胞（体心晶胞、面心晶胞和底心晶胞）,有时为了一定的目的将空间点阵按复晶胞划分,二、晶胞,体心晶胞,面心晶胞,素晶胞,（5）正当晶胞与非正当晶胞,4NaCl,2NaCl,1NaCl,二、晶胞,由晶胞参数a，b，c，体现。 （ a，b，c 为六面体边长， ， 分别是bc ， ca , ab 所组成的夹角）。,（6） 晶胞的两个要素,二、晶胞,一个是：晶胞的大小与形状,二、晶胞,（6） 晶胞的两个要素,另一个是：晶胞内各个原子的坐标位置,原子坐标表示方式：（x,y,z） 定义域：0 |x,y.z| 1 即是0 ！,体心,（1/2，1/2，1/2）,下面心,（1/2，
7、1/2，0）,（1/2， 1/2 ，0）,上下面心,二、晶胞,图中各点的原子坐标,（0，0，0）,（1，0，1）,（0，0，1）,（0，1，1）,（1，1，1）,（0，1，0）,（1，0，0）,（1，1，0）,A,B,C,D,E,F,G,H,上面心,（1/2，1/2，1）,左右面心,（1/2，0，1/2）,前后面心,（0， 1/2 ，1/2）,二、晶胞,原子坐标 晶胞的原子个数 (0，0，0) 8 = 1 (，) 1 (，0，) 2 = 1 (，0，0) 4 = 1,化学式：ABCD,原子坐标及化学式,二、晶胞,（0,0,0）,（1/4,1/4,3/4）,（3/4,3/4,3/4）,（3/4,
8、1/4,1/4）,（1/4,3/4,1/4）,赤铜矿,化学式,Cu2O,原子坐标及化学式,（1/2,1/2,1/2）,三、晶系,根据晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系 (布拉维系),三、晶系,7种晶系,该图中是否含有3个晶胞？,六方晶系,三、晶系,晶体中的晶胞是无隙并置的,六方晶胞不是六方柱 六方柱的1/3不能同时为三个晶胞（它们不具有平移关系）,14种空间点阵（布拉维格子）,三、晶系,简单立方,体心立方,面心立方,简单四方,体心四方,六 方,菱 方,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,简单单斜,底心单斜,三 斜,三、晶系,晶胞类型辨析,晶胞有素晶胞和复晶胞（带心晶胞）之分，带心晶胞分体心晶
9、胞、面心晶胞和底心晶胞，它们分别含有2，4，2个结构基元。,体心晶胞,体心晶胞的特点： 晶胞中的任何一个原子均可发生体心平移，也即平移后的原子与原来的原子在是同一种原子，几何上也相同，具有相同的化学环境，配位数相同，配位多面体在空间中的取向也相同。,三、晶系,晶胞类型辨析,体心晶胞,素晶胞,简单立方,三、晶系,晶胞类型辨析,面心晶胞,面心晶胞的特点： 面心晶胞顶点上的原子平移到面心后所得原子与原来是完全相同的（化学上相同，几何上相同）,干冰是不是面心晶胞？,晶胞中处于面心位置的二氧化碳分子与处于顶角位置的二氧化碳分子的取向不同，框架移动后得到的新晶胞中原子的位置不同于原晶胞中原子的位置。,三、
10、晶系,晶胞类型辨析,三、晶系,晶胞类型辨析,干冰的晶胞不是面心晶胞。 金刚石晶胞是不是面心晶胞？,面心晶胞,素晶胞,三、晶系,晶胞类型辨析,三、晶系,晶胞类型辨析,晶体的性质由晶胞的大小、形状和质点的种类（分子、原子、离子）及它们之间的作用力决定,四、晶体类型,（1）晶胞质点：原子或阳离子 （2）质点间作用力：金属键 （3）金属键的本质：（能带理论） a. 是金属中自由电子在整个金属晶体中自由运动，从而与金属阳离子形成的一种强烈的相互作用。 b. 金属键是属于化学键。无方向性，无固定的键能，强弱和自由电子的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关。 c. 金属键的强弱可以用金属原子
11、化热（1mol 金属变成气态原子所需要的热量）等来衡量。金属原子化热数值小时，金属键弱，熔点低，质地软；反之，则熔点高，硬度大。,五、金属晶体及密堆积原理,1、金属晶体的结构和性质,金属原 子化热,（4）金属通性： 金属不透明, 且有光泽（自由电子能够吸收可见光，并重新反射出去）； 导电性（在外电压的作用下，自由电子可以定向移动）。 导热性（受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，传递能量）。 延展性（金属受外力发生变形时，金属键不被破坏）,五、金属晶体及密堆积原理,1、金属晶体的结构和性质,（5）结构特点：紧密堆积,2.密堆积的定义,由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体
12、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。,五、金属晶体及密堆积原理,3.密置层和非密置层,五、金属晶体及密堆积原理,非密置层,密置层,a等径原球密置层只有1种堆积形式; b每个球和周围6个球相邻接，配位数为6，形成6个三 角形空隙; c每个空隙由3个球围成; d球数 : 空隙数=1 : 2。（N个球堆积可有2N个空隙）,4.密置双层堆积方式：,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（若对准2、4、6 位，其情形是一样的）。第二层的密堆积方式也只有一种，但
13、这两层形成的空隙分成两种：,正八面体空隙（被六个球包围）,五、金属晶体及密堆积原理,正四面体空隙（被四个球包围）,5.三维最密堆积方式：,五、金属晶体及密堆积原理,第三层等径圆球排列方式与第一层相同，但与第二层错开，形成ABAB堆积，配位数12（同层 6，上下各 3）。这种堆积方式可以从中划出一个六方单位来，所以称为六方最密堆积（A3）。（例Mg、Zn、Ti采取A3密堆积）,六方最密堆积,5.三维最密堆积方式：,五、金属晶体及密堆积原理,C 层是将球对准第一层的 2、4、6 位，不同于 AB 两层的位置。第四层再排 A，于是形成 ABCABC 三层一个周期。得到面心立方最密堆积（A1），配位数
14、 12。（例Cu、Ag、Au采取A1密堆积）,面心立方最密堆积,6.体心立方密堆积（A2),五、金属晶体及密堆积原理,立方体 8 个顶点上的球互不相切， 但均与体心位置上的球相切，配位数为8。（Na、K、Fe采取A2密堆积）,7.简单立方堆积,简单立方晶胞，边长上的球是相切的，配位数为6，金属钋（Po）采取这种堆积方式。,8、最密堆积中空隙,六方最密堆积的八面体空隙,六方最密堆积的四面体空隙,面心立方最密堆积的晶胞中共有4个八面体空隙,面心立方最密堆积的晶胞中共有8个四面体空隙,五、金属晶体及密堆积原理,空间利用率是指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。,1、 空间利
15、用率的定义,六、 空间利用率及密度的计算,2、简单立方堆积的空间利用率,六、 空间利用率及密度的计算,简单立方晶胞，边长上的球是相切的,3、体心立方密堆积的空间利用率,六、 空间利用率及密度的计算,体心立方晶胞，体对角线上的球是相切的,空间利用率 =,4、面心立方最密堆积的空间利用率,六、 空间利用率及密度的计算,面心立方晶胞，面对角线上的球是相切的,空间利用率 =,=,5、六方最密堆积的空间利用率,六、 空间利用率及密度的计算,晶胞的底是平行四边形，边长a=2r,晶胞的高：c=2h（h是边长为a的正四面体的高）,=,=,六、 空间利用率及密度的计算,6、堆积方式及性质小结,六、 空间利用率及
16、密度的计算,7、密度计算,利用晶胞参数可计算晶胞体积(V)，根据相对分子质量(M)、晶胞中分子数(Z)和Avogadro常数NA，可计算晶体的密度：,例1：金属Pd为立方面心最密堆积， a=389.0 pm，试求Pd 原子核之间的最短距离是多少？金属Pd 的密度是多少 ？,Pd 原子核之间的最短距离为:,=12.00gcm-3,例2：金属Ni属于立方晶系，测得其晶胞参数a和晶体密度分别为352.4 pm和8.906 gcm-3。求金属Ni的一个晶胞中所含的原子数，指出Ni 晶体中原子的堆积形式。（Ni的相对原子质量为58.70）,六、 空间利用率及密度的计算,属面心立方最密堆积，即ccp,七、 离子晶体及填隙模型,1、离子晶体的结构和性质,（1）晶胞质点：阴离子、阳离子 （2）质点间作用力：离子鍵 （3）离子键,形成条件： 形成离子键的元素的电负性差要比较大 离子键的特点： a. 离子键没有方向性。离子都是带电体，它的电荷分布
