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高中化学竞赛


第三章

晶体结构

? ?

3.1 基本概念 3.2 晶体类型

3.1 晶体的基本概念

无机化学

菱锰矿

黄铁矿

水晶
无机化学

萤 石

3.1.1

晶体的定义
“晶体是由原子、离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。
无机化学

3.1.2 晶体性质
? ? ?

⑴均匀性 ⑵各向异性 ⑶自发地形成多面体外形 其中,F-晶面,V-顶点,E-晶棱

? ? ?

⑷有明显确定的熔点 ⑸有特定的对称性

⑹使X射线产生衍射
无机化学

可以发现,相 隔一定的距离, 总有完全相同 的原子排列出 现。

无机化学

这是晶 体的普 遍特征, 叫做平 移对称 性

无机化学

3.1.3 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
无机化学

3.1.4

晶胞的定义与结构

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。 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
无机化学

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
无机化学

七大晶系的几何特征:
c
αβ b γ

c a b a

c b a

立方 Cubic a=b=c, ?=?=?=90°

四方 Tetragonal a=b?c, ?=?=?=90°

正交 Rhombic a?b?c, ?=?=?=90°

c b a b
三方 Rhombohedral a=b=c, ?=?=??90° a=b?c, ?=?=90° ?=120°

c a

c b a

c b a

单斜 Monoclinic 六方 Hexagonal a?b?c a=b?c, ?=?=90°, ??90° ?=?=90°, ?=120° 无机化学

三斜 Triclinic a?b?c ?=?=?=90°

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

无机化学

3.2 晶体的分类 按结构微粒间的作用分为: 原子晶体:金刚石 (共价键)

离子晶体:NaCl
分子晶体:冰 金属晶体: Cu

(离子键)
(分子间作用力) (金属键)

无机化学

3.2.1 定义:

离子晶体

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。

无机化学

氯 化 钠 的 晶 胞
(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? (3)在每个Na+周围与它最近且距离相等的Na+ 有多少个?
无机化学

ClNa+

无机化学

3.2.2 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
无机化学

?

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
?

无机化学

金刚石的晶体结构

109? 28?

金刚石晶胞
无机化学

共价键

二氧化硅的晶体结构

Si O
109? 28?

180?

共价键
无机化学

3.2.3 分子晶体

分子晶体的概念及其结构特点:
?

? ?

(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:分子 分子间作用力 (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。

无机化学

干冰的晶体结构

无机化学

混合晶体

无机化学

3.2.4

金属晶体

金属的通性: 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:

无机化学





金属晶体与性质的关系
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
无机化学

导电性

导热性

延展性

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。

金属堆积方式:

无机化学

金属堆积方式: 一维堆积 二维平面堆积
★ ★

无机化学

三维空间堆积
Ⅰ.

简单立方堆积

边长 = 2r 配位数:6
无机化学

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。

空间利用率= (球体积/晶胞体积)? 100%

简单立方堆积空间利用率: 4лr3/3 (2r)3 = 52.36%
无机化学

体心立方堆积

配位数:8 体对角线 = 4r 边长 = 4 3 r/3
无机化学

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:8×1/8 + 1 = 2 4лr3/3×2
(4

3

r/3)3

= 68%

不是最密堆积
无机化学

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 )
1 6 5 4 2 3 6 5 4 1 2 3 ,

A

B

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。 无机化学

1 6 5

2 3 4

无机化学

Ⅲ.六方密堆积 第一种:将第三层球对准第一层的球
A
1 6 5 4 2 3

B
A B

于是每两层形成一个周 期,即ABAB堆积方式, 形成六方紧密堆积。 无机化学

A

A A B B

A
A
各层均为密置层
无机化学

六方最密堆积分解图

包含6个球

包含2个球

空间利用率:74%
无机化学

1 1 6 2 3 4 6 5

2
3 4

5

A
1
6 5 4 2 3

B C

无机化学

Ⅳ.面心立方密堆积
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。

A C B A

1 6
5

2

3
4

C B A

配位数 12 ( 同层 6, 上下层各 3 )

无机化学

此种立方紧密堆积的前视图

ABC ABC 形式的堆积,为什 么是面心立方堆积?

1 6

2 3

5

4

无机化学

C
B A

无机化学

面心立方最密堆积分解图
面对角线 = 4r

边长 = 2 2 r

无机化学

面心立方堆积方式的空间利用率计算

32 3 解:V晶胞 ? a ? r 2 晶胞中含4个球 : 4 3 V球 ? 4 ? ?r 3 V球 空间利用率 ?
3

V晶胞

? 74.05%

无机化学

常见的密堆积类型
面心立方最密堆积(A1) 最密 六方最密堆积(A3) 非最密 体心立方密堆积(A2)

常见密堆积型式

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%。

无机化学


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