晶体结构和结晶化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

晶体结构与结晶化学晶体结构与结晶化学第1页第一部分 晶体结构1、晶体分类、晶体分类 按起源分为：按起源分为：天然晶体（宝石、冰、天然晶体（宝石、冰、砂子等）砂子等）人工晶体（各种人工晶体材料等）人工晶体（各种人工晶体材料等）第2页一、晶体分类一、晶体分类按成键特点分为：按成键特点分为：原子晶体：金刚石原子晶体：金刚石离子晶体：离子晶体：NaCl分子晶体：冰分子晶体：冰金属晶体：金属晶体：Cu第3页晶体定义晶体定义“晶体是由原子或分子在空间按一定规律晶体是由原子或分子在空间按一定规律周周期性期性地重复排列组成固体物质。地重复排列组成固体物质。”注意：注意：（1 1）一个物质是否是晶体是由其内部结）一个物质是否是晶体是由其内部结 构决定，而非由外观判断；构决定，而非由外观判断；（2 2）周期性是晶体结构最基本特征。）周期性是晶体结构最基本特征。第4页晶体不但与我们日常生活密不可分，而晶体不但与我们日常生活密不可分，而且在许多高科技领域也有着主要应用。且在许多高科技领域也有着主要应用。晶体外观和性质都是由其内部结构决定：晶体外观和性质都是由其内部结构决定：决定决定 结构结构 性能性能 反应反应第5页二、晶体性质二、晶体性质 均匀性均匀性各向异性各向异性自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形F+V=E+2其中，其中，F-晶面，晶面，V-顶点，顶点，E-晶棱晶棱有显著确定熔点有显著确定熔点有特定对称性有特定对称性使使X射线产生衍射射线产生衍射第6页三、晶体点阵结构三、晶体点阵结构概念：在晶体内部原子或分子概念：在晶体内部原子或分子周期性周期性地排列地排列每个重复单位相同位置上定一个点，这些点每个重复单位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，这些点组成按一定周期性规律排列在空间，这些点组成一个一个点阵点阵。点阵是一组无限点，连结其中任。点阵是一组无限点，连结其中任意两点可得一矢量，将各个点阵按此矢量平意两点可得一矢量，将各个点阵按此矢量平移能使它复原。点阵中每个点都含有完全相移能使它复原。点阵中每个点都含有完全相同周围环境同周围环境。第7页结构基元：结构基元：在晶体点阵结构中每个点阵所在晶体点阵结构中每个点阵所代表详细内容，包含原子或分子种代表详细内容，包含原子或分子种类和数量及其在空间按一定方式排类和数量及其在空间按一定方式排列结构。列结构。晶体结构晶体结构=点阵点阵+结构基元结构基元第8页（1）直线点阵）直线点阵第9页例例1、第10页（2）平面点阵）平面点阵第11页例2、江苏夏令营选拔赛第12页例3、江苏夏令营选拔赛铌酸锂铌酸锂(LiNbO3)是性能优异非线性光学晶体材是性能优异非线性光学晶体材料，有各种性能，用途广泛，在滤波器、光波导、料，有各种性能，用途广泛，在滤波器、光波导、表面声波、传感器、表面声波、传感器、Q开关以及激光倍频等领开关以及激光倍频等领域都有主要应用价值，因而是一个主要国防、工域都有主要应用价值，因而是一个主要国防、工业、科研和民用晶体材料。铌酸锂优异性能与它业、科研和民用晶体材料。铌酸锂优异性能与它晶体结构是密不可分，单晶晶体结构是密不可分，单晶X射线衍射测试表明，射线衍射测试表明，铌酸锂属三方晶系，晶胞参数铌酸锂属三方晶系，晶胞参数a=b=5.148，c=13.863；密度为；密度为4.64g/cm3沿着沿着c轴方向投影见轴方向投影见下列图，其中下列图，其中Li和和Nb原子投影重合，它们处于氧原子投影重合，它们处于氧原子投影六边形中心。原子投影六边形中心。第13页第14页第15页1965年，年，Juza提出石墨层间化合物组成是提出石墨层间化合物组成是LiC6，锂离子位于石墨层间，其投影位于石，锂离子位于石墨层间，其投影位于石墨层面内碳六圆环中央。试在下列图中用墨层面内碳六圆环中央。试在下列图中用“”画出画出Li位置。并在此二维图形上画出位置。并在此二维图形上画出一个晶胞。一个晶胞。例4、江苏夏令营选拔赛第16页第17页（3 3）晶胞）晶胞空间点阵必可选择空间点阵必可选择3 3个个不相平行不相平行连结相邻两个点连结相邻两个点阵点阵点单位矢量单位矢量a a，b b，c c，它们将点阵划分成并置，它们将点阵划分成并置平行六面体单位，称为点阵单位。对应地，按照平行六面体单位，称为点阵单位。对应地，按照晶体结构周期性划分所得平行六面体单位称为晶晶体结构周期性划分所得平行六面体单位称为晶胞。矢量胞。矢量a a，b b，c c长度长度a a，b b，c c及其相互间夹角及其相互间夹角，称为点阵参数或晶胞参数。称为点阵参数或晶胞参数。第18页晶胞结构图晶胞结构图 第19页晶胞二个要素晶胞二个要素晶胞二个基本要素：晶胞二个基本要素：一是晶胞大小和形状；一是晶胞大小和形状；二是晶胞中各原子坐标位置。二是晶胞中各原子坐标位置。晶胞大小和形状可用晶胞参数表示；晶胞大小和形状可用晶胞参数表示；晶晶 胞中原子位置可用分数坐标表示。胞中原子位置可用分数坐标表示。第20页原子分数坐标原子分数坐标晶体中原子坐标参数是以晶胞晶体中原子坐标参数是以晶胞3 3个轴个轴 作为坐标轴，以作为坐标轴，以3 3个轴轴长作为坐标轴个轴轴长作为坐标轴 单位单位:因为因为x x、y y、z z 1 1，所以我们将，所以我们将x x、y y、z z定定 义为分数坐标。义为分数坐标。第21页第22页第23页晶胞知识关键点晶胞知识关键点晶胞一定是一个平行六面体，其三边长度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。不一定相等，也不一定垂直。划分晶胞要遵照划分晶胞要遵照2个标准：一是尽可能反个标准：一是尽可能反 映映晶体内结构对称性；二是尽可能小。晶体内结构对称性；二是尽可能小。第24页并置堆砌并置堆砌整个晶体就是由晶胞周期性在三维空间并整个晶体就是由晶胞周期性在三维空间并置堆砌而成。置堆砌而成。第25页砖头砌墙砖头砌墙?第26页第27页第28页晶胞中质点个数计算晶胞中质点个数计算第29页结构化学基础（第四版）还增加一个结构化学基础（第四版）还增加一个选取晶胞标准：选取晶胞标准：“尽可能多直角尽可能多直角”。其实，。其实，晶胞有多少直角，是晶体对称性决定，不是晶胞有多少直角，是晶体对称性决定，不是愿意多少问题。愿意多少问题。第30页第二部分、晶体结构对称性第二部分、晶体结构对称性一、晶体对称性一、晶体对称性第31页1 1 晶系晶系 依据晶体对称性，按有没有某种特征依据晶体对称性，按有没有某种特征对称元素为标准，将晶体分成对称元素为标准，将晶体分成7个晶个晶系：系：第32页立方立方Cubica=b=c,=90（1 1）立方晶系）立方晶系(c c)第33页（2 2）六方晶系）六方晶系(h)(h)六方六方Hexagonala=b c,=90,=120第34页（3）四方晶系四方晶系(t)四方四方Tetragonala=b c,=90第35页（4 4）三方晶系）三方晶系(h)(h)三方三方Rhombohedrala=b=c,=90a=b c,=90=120第36页（5 5）正交晶系）正交晶系(o)(o)正交正交Rhombica b c,=90第37页（6）单斜晶系）单斜晶系(m)：单斜单斜Monoclinica b c=90,90第38页（7）三斜晶系）三斜晶系(a)：没有特征对称元素：没有特征对称元素三斜三斜Triclinica b c=90第39页2 2 空间点阵型式空间点阵型式 依据晶体结构对称性，将点阵依据晶体结构对称性，将点阵 空间分布按正当单位空间分布按正当单位形状要求和带心型式进行分类，得到形状要求和带心型式进行分类，得到14种型式：种型式：简单六方简单六方(hP)R心六方心六方(hR)简单四方简单四方(tP)体心四方体心四方(tI)简单立方简单立方(cP)体心立方体心立方(cI)面心立方面心立方(cF)简单三斜简单三斜(ap)简单单斜简单单斜(mP)C心单斜心单斜(mC,mA,mI)简单正交简单正交(oP)C心正交心正交(oC,oA,oB)体心正交体心正交(oI)面心正交面心正交(oF)第40页第41页第42页第43页体心晶胞举例体心晶胞举例Naa=429.06pm体心晶胞体心晶胞 Z=2第44页体心晶胞与简单晶胞辨异体心晶胞与简单晶胞辨异第45页体心晶胞体心晶胞体心晶胞中任何一个原子均可发生体心平移体心晶胞中任何一个原子均可发生体心平移（在它原子坐标（在它原子坐标x,y,z 上上分分别别加加,，,所所得原子坐标为得原子坐标为x+1/2,y+1/2和和z+1/2原子跟它没有任原子跟它没有任何区分（化学上相同，是同一个原子，几何上也相何区分（化学上相同，是同一个原子，几何上也相同，含有相同化学环境，配位数相同，配位多面体同，含有相同化学环境，配位数相同，配位多面体在空间中取向也相同）。在空间中取向也相同）。第46页面心晶胞面心晶胞面心晶胞中任何一个原子原子坐标面心晶胞中任何一个原子原子坐标x，y，z上上分别加分别加1/2，1/2，0；1/2，0，1/20，1/2，1/2得到总共得到总共4个原子是完全相同（化学上相同，个原子是完全相同（化学上相同，几何上相同）几何上相同）面心晶胞含面心晶胞含4个结构基元。个结构基元。第47页第48页干冰是不是面心晶胞？干冰是不是面心晶胞？第49页晶胞划分晶胞划分对称性对称性 晶系晶系 正当晶胞正当晶胞正当晶胞正当晶胞素晶胞：含素晶胞：含1个结构基元个结构基元复晶胞：含复晶胞：含2个以上结构基元个以上结构基元第50页“晶体最小重复单位是晶胞晶体最小重复单位是晶胞”？晶胞取用，首先必须反应晶体微观对称性，然晶胞取用，首先必须反应晶体微观对称性，然后人们才选取尽可能小体积。这两个条件是分先后后人们才选取尽可能小体积。这两个条件是分先后满足，于是，假如选取素晶胞不能充分反应晶体微满足，于是，假如选取素晶胞不能充分反应晶体微观对称性，就不得不选取复晶胞。观对称性，就不得不选取复晶胞。第51页Au、Al、Ag都是立方最密堆积，可划出都是立方最密堆积，可划出立方面心晶胞。立方面心晶胞是复晶胞，其立方面心晶胞。立方面心晶胞是复晶胞，其特征对称要素是个三重对称轴特征对称要素是个三重对称轴43。从。从立方面心晶胞可划出一个更简单三方晶胞，立方面心晶胞可划出一个更简单三方晶胞，其特征对称要素是其特征对称要素是1个三重对称轴个三重对称轴3。第52页点阵与晶体相互关系点阵与晶体相互关系第53页二、晶体结构表示及应用二、晶体结构表示及应用普通晶体结构需给出：普通晶体结构需给出：晶系晶系空间群（不作要求）空间群（不作要求）晶胞参数；晶胞参数；晶胞中所包含原子或分子数晶胞中所包含原子或分子数Z Z（结构基元）；（结构基元）；特征原子坐标特征原子坐标第54页密度计算密度计算晶体结构基本重复单位是晶胞，只要将一个晶胞晶体结构基本重复单位是晶胞，只要将一个晶胞结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。利用晶胞参数可计算晶胞体积利用晶胞参数可计算晶胞体积(V)，依据相对分，依据相对分子质量子质量(M)、晶胞中分子数、晶胞中分子数(Z)和和Avogadro常数常数N，可计算晶体密度可计算晶体密度：第55页例5、省级赛区试题1963年在格陵兰年在格陵兰Ika峡湾发觉一个水合碳酸钙峡湾发觉一个水合碳酸钙矿物矿物ikaite。它形成于冷海水中，温度到达。它形成于冷海水中，温度到达8oC即即分解为方解石和水。分解为方解石和水。1994年文件指出：该矿物晶年文件指出：该矿物晶体中体中Ca2+离子被氧原子包围，其中离子被氧原子包围，其中2个氧原子来个氧原子来自同一个碳酸根离子，其余自同一个碳酸根离子，其余6个氧原子来自个氧原子来自6个水个水分子。它单斜晶胞参数为：分子。它单斜晶胞参数为：a=887pm,b=823pm,c=1102pm,=110.2，密度，密度d=1.83gcm 3，Z=4。第56页第57页例例6 6、19981998年省级赛区试题年省级赛区试题钨酸钠钨酸钠Na2WO4和金属钨在隔绝空气条件下加和金属钨在隔绝空气条件下加热得到一个含有金属光泽、深色、有导电性固体，热得到一个含有金属光泽、深色、有导电性固体，化学式化学式NaxWO3，用，用X射线衍射法测得这种固体立射线衍射法测得这种固体立方晶胞边长方晶胞边长a=3.801010m，用比重瓶法测得它，用比重瓶法测得它密度为密度为d=7.36g/cm3。已知相对原子质量：。已知相对原子质量：W183.85，Na22.99，O16.00，阿伏加德罗常数，阿伏加德罗常数L=6.0221023mol1。求这种固体组成中。求这种固体组成中x值值(2位有效位有效数字数字),给出计算过程。给出计算过程。第58页第59页例例7 7、把等物质量把等物质量NH4Cl和和HgCl2在密封管中一起加热时，生成在密封管中一起加热时，生成NH4HgCl3晶体。用晶体。用X射线衍射法测得该晶体晶胞为长方体：射线衍射法测得该晶体晶胞为长方体：ab419pm；c794pm；用比重瓶法测得它密度；用比重瓶法测得它密度为为3.87g/cm3。已知。已知NH4（视为球形离子）占据晶胞顶角，并（视为球形离子）占据晶胞顶角，并尽可能远离尽可能远离Hg2；每个；每个NH4被被8个个Cl围绕，距离为围绕，距离为335pm（与（与NH4Cl晶体中离子间距离一样）；晶体中离子间距离一样）；Cl与与Cl尽可尽可能远离。试依据以上条件回答以下问题：能远离。试依据以上条件回答以下问题：1计算晶胞中合几个计算晶胞中合几个NH4HgCl3结构单元。结构单元。2绘出晶胞结构图。（以绘出晶胞结构图。（以NH4：、Cl：、Hg2：表表示）示）3晶体中晶体中Cl空间环境是否相同？说明理由。空间环境是否相同？说明理由。4计算晶体中计算晶体中Cl与与Cl之间最短距离是多少？之间最短距离是多少？5晶体中晶体中Hg2配位数为多少？绘出它配位多面体构型。配位数为多少？绘出它配位多面体构型。第60页13.87g/cm3Z325.0g/mol6.0221023(4.19108)2(7.94108)cm3/mol，解之得解之得Z1.00个。个。第61页第62页3Cl空间环境不一样，可分为两类：体内两空间环境不一样，可分为两类：体内两个个Cl为一类；棱边中点为一类；棱边中点4个个Cl为另一类。为另一类。前者距前者距NH4较近（较近（335pm），距），距Hg2也较近也较近（241pm）；后者距离）；后者距离NH4397pm，距，距Hg2296cm。4Cl与邻近晶胞与邻近晶胞Cl距离最短为距离最短为3.13pm，Cl与与Cl距离为距离为382pm；Cl与与Cl距离为距离为419pm。5Hg2配位数为配位数为6，为压扁八面体（如晶胞图，为压扁八面体（如晶胞图所表示）。所表示）。第63页第三部分、晶体结构密堆积原理16，开普勒模型（开普勒从雪花六边形结构出发提出：固体是由球密堆积成）开普勒对固体结构推测 冰结构第64页（一）密堆积定义（一）密堆积定义 密密堆堆积积：由由无无方方向向性性和和饱饱和和性性金金属属键键、离离子子键键和和范范德德华华力力等等结结合合晶晶体体中中，原原子子、离离子子或或分分子子等等微微观观粒粒子子总总是是趋趋向向于于相相互互配配位位数数高高，能能充充分分利利用用空空间间堆堆积积密密度度最最大大那那些些结结构构。密密堆堆积积方方式式因因充充分分利利用用了了空空间间，而而使使体体系系势势能能尽尽可可能能降降低，而结构稳定。低，而结构稳定。第65页（二）常见密堆积类型（二）常见密堆积类型最最密密非最密非最密常见密堆积型式常见密堆积型式面心立方最密堆积（面心立方最密堆积（A1）六方最密堆积（六方最密堆积（A3）体心立方密堆积（体心立方密堆积（A2）第66页1.1.面心立方最密堆积面心立方最密堆积(A1)(A1)和六方最密堆积和六方最密堆积(A3)(A3)第一层球排列第一层球排列第67页从上面等径圆球密堆积图中能够看出：从上面等径圆球密堆积图中能够看出：1.1.只有只有1 1种堆积形式种堆积形式;2.2.每个球和周围每个球和周围6 6个球相邻接个球相邻接,配位数位配位数位6,6,形形成成6 6个三角形空隙个三角形空隙;3.3.每个空隙由每个空隙由3 3个球围成个球围成;4.4.由由NN个球堆积成层中有个球堆积成层中有2N2N个空隙个空隙,即即球数：空隙数球数：空隙数=1=1：2 2。第68页两层球堆积情况图两层球堆积情况图第69页 1.1.在在第第一一层层上上堆堆积积第第二二层层时时，要要形形成成最最密密堆堆积积，必必须须把把球球放放在在第第二二层层空空隙隙上上。这这么么，仅仅有有半半数数三三角角形形空空隙隙放放进进了了球球，而而另另二二分分之之一一空空隙隙上上方方是是第第二层空隙。二层空隙。2.2.第第一一层层上上放放了了球球二二分分之之一一三三角角形形空空隙隙，被被4 4个个球球包包围围，形形成成四四面面体体空空隙隙；另另二二分分之之一一其其上上方方是是第第二二层层球球空空隙隙，被被6 6个个球球包包围围，形形成成八八面面体体空空隙。隙。两层堆积情况分析两层堆积情况分析第70页三层球堆积情况分析三层球堆积情况分析 第第二二层层堆堆积积时时形形成成了了两两种种空空隙隙：四四面面体体空空隙隙和和八八面面体体空空隙隙。那那么么，在在堆堆积积第第三三层层时时就就会会产产生两种方式：生两种方式：1.1.第三层等径圆球突出部分落在正四面体空隙第三层等径圆球突出部分落在正四面体空隙上，其排列方式与第一层相同，但与第二层上，其排列方式与第一层相同，但与第二层错开，形成错开，形成ABABABAB堆积。这种堆积方式能够堆积。这种堆积方式能够从中划出一个从中划出一个六方六方单位来，所以称为单位来，所以称为六方最六方最密堆积（密堆积（A3A3）。第71页第72页六方最密堆积（六方最密堆积（A3）分解图）分解图第73页六方晶胞中圆球位置六方晶胞中圆球位置六六方方晶晶胞胞胞胞第74页2.2.另一个堆积方式是第三层球突出部分落另一个堆积方式是第三层球突出部分落在第二层八面体空隙上。这么，第三层与在第二层八面体空隙上。这么，第三层与第一、第二层都不一样而形成第一、第二层都不一样而形成ABCABCABCABC结构。这种堆积方式能够从中划出一个结构。这种堆积方式能够从中划出一个立立方面心单位方面心单位来，所以称为来，所以称为面心立方最密堆面心立方最密堆积（积（A1A1）。第75页面心立方最密堆积（面心立方最密堆积（A1）分解图）分解图第76页BCA第77页空间利用率计算空间利用率计算空间利用率：指组成晶体原子、离子或分子在整空间利用率：指组成晶体原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有体积百分比。个晶体空间中所占有体积百分比。球体积球体积 空间利用率空间利用率=100%晶胞体积晶胞体积第78页A3型最密堆积空间利用率计算型最密堆积空间利用率计算解：解：第79页第80页在在A3型堆积中取出六方晶胞，平行六面体底是型堆积中取出六方晶胞，平行六面体底是平行四边形，各边长平行四边形，各边长a=2R，则平行四边形面积：，则平行四边形面积：平行六面体高：平行六面体高：第81页第82页第83页A1A1型堆积方式空间利用率计算型堆积方式空间利用率计算设球半径为设球半径为 r,晶胞棱长为晶胞棱长为 a晶胞面对角线长晶胞面对角线长晶胞体积晶胞体积每个球体积每个球体积4个球体积个球体积第84页A1、A3型堆积小结型堆积小结（1）第二层密堆积方式也只有一个，但这）第二层密堆积方式也只有一个，但这两层形成空隙分成两种两层形成空隙分成两种 正四面体空隙（被四个球包围）正四面体空隙（被四个球包围）正八面体空隙（被六个球包围）正八面体空隙（被六个球包围）突出部分落在正四面体空隙突出部分落在正四面体空隙 AB AB堆积堆积 A3 A3（六方）（六方）突出部分落在正八面体空隙突出部分落在正八面体空隙 ABC ABC堆积堆积A1A1（面心立方）（面心立方）第三层第三层 堆积堆积 方式有两种方式有两种第85页A1A1、A3A3型堆积比较型堆积比较（2）以上两种最密堆积方式，每个球配位数为）以上两种最密堆积方式，每个球配位数为12。第86页（3）有相同堆积密度和空间利用率）有相同堆积密度和空间利用率(或堆积系数或堆积系数)，即球体积与整个堆积体积之比。均为，即球体积与整个堆积体积之比。均为74.05%。（4）空隙数目和大小也相同，）空隙数目和大小也相同，N个球（半径个球（半径R）；）；2N个四面体空隙，可容纳半径为个四面体空隙，可容纳半径为0.225R小球；小球；N个八面体空隙，可容纳半径为个八面体空隙，可容纳半径为0.414R小球小球第87页（5）A1、A3密堆积方向不一样：密堆积方向不一样：A1：立方体体对角线方向，共立方体体对角线方向，共4条，故条，故有有4个密堆积方向易向不一样方向滑动，个密堆积方向易向不一样方向滑动，而含有良好延展性。如而含有良好延展性。如Cu.A3：只有一个方向，即六方晶胞只有一个方向，即六方晶胞C轴方轴方向，延展性差，较脆，如向，延展性差，较脆，如Mg.第88页2.2.体心立方密堆积（体心立方密堆积（A2A2）A2不是最密堆积。每个球有八个最近配体（处不是最密堆积。每个球有八个最近配体（处于边长为于边长为a立方体立方体8个顶点）和个顶点）和6个稍远配体，分个稍远配体，分别处于和这个立方体晶胞相邻六个立方体中心。别处于和这个立方体晶胞相邻六个立方体中心。故其配体数可看成是故其配体数可看成是14，空间利用率为，空间利用率为68.02%.每个球与其每个球与其8个相近配体距离个相近配体距离与与6个稍远配体距离个稍远配体距离第89页A2型密堆积图片型密堆积图片第90页3.金刚石型堆积（金刚石型堆积（A4）配位数为配位数为4，空间利用率为，空间利用率为 34.01%，不是密堆积。这，不是密堆积。这 种堆积方式存在因为原种堆积方式存在因为原 子间存在着有方向性共子间存在着有方向性共 价键力。如价键力。如Si、Ge、Sn等。等。边长为边长为a单位晶胞含半径单位晶胞含半径 球球8个。个。第91页8个个C分数坐标为：分数坐标为：(0,0,0),(1/2,1/2,0),(1/2,0,1/2),(0,1/2,1/2)；(1/4,1/4,1/4),(3/4,3/4,1/4),(1/4,3/4,3/4),(3/4,1/4,3/4)空间利用率空间利用率=第92页第93页4.堆积方式及性质小结堆积方式及性质小结堆积方式堆积方式 点阵形式点阵形式 空间利用率空间利用率 配位数配位数 Z 球半径球半径面心立方面心立方最密堆积最密堆积(A1)面心立方面心立方 74.05%12 4 六方最密六方最密堆积堆积(A3)六方六方 74.05%12 2体心立方体心立方密堆积密堆积(A2)体心立方体心立方 68.02%8(或或14)2 金刚石型金刚石型 堆积堆积(A4)面心立方面心立方 34.01%4 8第94页了解：堆积模型了解：堆积模型简单立方堆积简单立方堆积第95页四、晶体类型四、晶体类型依据形成晶体化合物种类不一样能够将依据形成晶体化合物种类不一样能够将晶体分为：离子晶体、分子晶体、原子晶体分为：离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体。晶体和金属晶体。第96页1.1.离子晶体离子晶体离子键无方向性和饱和性，在离子晶体中离子键无方向性和饱和性，在离子晶体中正、负离子尽可能地与异号离子接触，采正、负离子尽可能地与异号离子接触，采取最密堆积。取最密堆积。离子晶体能够看作大离子进行等径球密堆离子晶体能够看作大离子进行等径球密堆积，小离子填充在对应空隙中形成。积，小离子填充在对应空隙中形成。离子晶体各种多样，但主要可归结为离子晶体各种多样，但主要可归结为6 6种种基本结构型式。基本结构型式。第97页NaCl晶胞结构和密堆积层排列晶胞结构和密堆积层排列第98页（1）NaCl（1）立方晶系，面心立方晶胞；）立方晶系，面心立方晶胞；（2）Na+和和Cl-配位数都是配位数都是6；（3）Z=4（4）Na+，C1-，离子键。，离子键。第99页理想理想NaCl型晶体离子堆积型晶体离子堆积 第100页 A B D C1（5）NaCl型离子晶体中阳离子与阴离子半径比型离子晶体中阳离子与阴离子半径比最小值最小值第101页第102页（6）Cl-离子和离子和Na+离子沿（离子沿（111）周）周期为期为|AcBaCb|地堆积，地堆积，ABC表示表示Cl-离子，离子，abc表示表示Na+离子；离子；Na+填充在填充在Cl-正八面正八面体空隙中。体空隙中。第103页ZnSZnS是是S2-最最密密堆堆积积，Zn2+填填充充在在二二分分之之一一四四面面体体空空隙隙中中。分分立立方方ZnS和六方和六方ZnS。第104页立方立方ZnSZnS晶胞图晶胞图ZnS ZnS 型型型型阴、阳离子相对位置第105页立方立方ZnSZnS（1）立方晶系，面心立方晶胞；）立方晶系，面心立方晶胞；Z=4（2）Zn原子位于面心点阵阵点位置上；原子位于面心点阵阵点位置上；S原子也位于原子也位于另一个这么点阵阵点位置上，后一个点阵对于前一另一个这么点阵阵点位置上，后一个点阵对于前一个点阵位移是体对角线底个点阵位移是体对角线底1/4。原子坐标是：。原子坐标是：4S：000，1/21/20，1/201/2，01/21/2；4Zn:1/41/41/4,3/43/41/4,3/41/43/4,1/43/43/4第106页第107页（3）S2-立方最密堆积立方最密堆积|AaBbCc|第108页DCAB1实际ZnS晶体中离子堆积理想ZnS型晶体离子堆积（4）ZnS型离子晶体中阳离子与阴离子半径比型离子晶体中阳离子与阴离子半径比第109页思索：思索：当 逐步变小时，阴、阳离子排列NaCl型 ZnS型 假如NaCl型离子晶体中阳离子半径逐步增大后，结果又会怎样？第110页CsCl型型:（1）立方晶系，简单立方晶胞。）立方晶系，简单立方晶胞。（2）Z=1。（3）Cs+，Cl-，离子键。，离子键。（4）配位数）配位数8：8。（5）Cs+离子位于简单立方点阵阵点上位置上，离子位于简单立方点阵阵点上位置上，Cl-离子也位于另一个这么点阵阵点位置上，它离子也位于另一个这么点阵阵点位置上，它对于前者位移为体对角线对于前者位移为体对角线1/2。原子坐标是：。原子坐标是：Cl-:000；Cs+:1/21/21/2第111页负离子按简单立方堆积排列负离子按简单立方堆积排列负离子按简单立方堆积排列负离子按简单立方堆积排列CsClCsCl型型型型实际实际CsCl晶体中离子堆积晶体中离子堆积理想理想CsCl型晶体离子堆积型晶体离子堆积第112页ABCD1若设，AC=BD=1，则有：AB=CD=阳离子与阴离子半径比为：且AD=BC=第113页 几何原因几何原因 对离子晶体结构影响对离子晶体结构影响NaCl型型 ZnS型型CsCl型型第114页 电荷原因电荷原因 对离子晶体结构影响对离子晶体结构影响CaF2型型Ca2+r+=99pmF-r-=133pm-第115页堆积中空隙问题堆积中空隙问题 组成晶体基本粒子之间会形成空隙，因组成晶体基本粒子之间会形成空隙，因而空隙是晶体结构必不可少组成部分。掌而空隙是晶体结构必不可少组成部分。掌握晶体结构中空隙组成和特点，对深刻了握晶体结构中空隙组成和特点，对深刻了解晶体基本结构规律、分析和处理晶体结解晶体基本结构规律、分析和处理晶体结构问题有着主要现实意义。构问题有着主要现实意义。第116页图图2填充全部四面体空隙填充全部四面体空隙第117页CaF2结构图片结构图片CaF2结构图第118页CaF2型型（萤石）（萤石）（1）立方晶系，面心立方晶胞。）立方晶系，面心立方晶胞。（2）Z=4（3）配位数）配位数8：4。（4）Ca2+，F-，离子键。，离子键。（5）Ca2+立方最密堆积，立方最密堆积，F-填充在填充在全部全部四面体空隙中。四面体空隙中。第119页（6）Ca2+离子配列在面心立方点阵阵点位置上，离子配列在面心立方点阵阵点位置上，F-离离子配列在对子配列在对Ca2+点阵位移各为对角线点阵位移各为对角线1/4与与3/4两个面两个面心立方点阵阵点上。原子坐标是：心立方点阵阵点上。原子坐标是：4Ca2+：000，1/21/20，1/201/2，01/21/2；8F-：1/41/41/4，3/43/41/4，3/41/43/4，1/43/43/4，3/43/43/4，1/41/43/4，1/43/41/4，3/41/41/4。第120页例8、夏令营选拔赛C60发发觉觉开开创创了了国国际际科科学学界界一一个个新新领领域域，除除C60分分子子本本身身含含有有诱诱人人性性质质外外，人人们们发发觉觉它它金金属属掺掺杂杂体体系系也也往往往往展展现现出出各各种种优优良良性性质质，所所以以掺掺杂杂C60成成为为当当今今研研究究热热门门领领域域之之一一。经经测测定定C60晶晶体体为为面面心心立立方方结结构构，晶晶胞胞参参数数a1420pm。在在C60中中掺掺杂杂碱碱金金属属钾钾能能生生成成盐盐，假假设设掺掺杂杂后后K填填充充C60分分子子堆堆积积形形成成全全部部八八面面体体空空隙隙，在在晶晶体体中中以以K和和C60存存在在，且且C60可可近近似似看看作作与与C60半半径径相相同同球球体体。已已知知C范范德德华半径为华半径为170pm，K离子半径离子半径133pm。第121页（1）掺掺杂杂后后晶晶体体化化学学式式为为；晶晶胞胞类类型型为为；假假如如C60为为顶顶点点，那那么么K所所处处位位置置是是；处处于于 八八 面面 体体 空空 隙隙 中中 心心 K到到 最最 邻邻 近近 C60中中 心心 距距 离离 是是 pm。（2）试试验验表表明明C60掺掺杂杂K后后晶晶胞胞参参数数几几乎乎没没有有发发生生改变，试给出理由。改变，试给出理由。（3）计算预测）计算预测C60球内可容纳半径多大掺杂原子。球内可容纳半径多大掺杂原子。第122页解答解答这个题目标关键是掺杂这个题目标关键是掺杂C60晶胞构建。晶胞构建。C60形形成以下列图所表示面心立方晶胞，成以下列图所表示面心立方晶胞，K填充填充全部八面体空隙，依据本文前面分析，这就全部八面体空隙，依据本文前面分析，这就意味着意味着K处于处于C60晶胞体心和棱心，形成类晶胞体心和棱心，形成类似似NaCl晶胞结构。这么，掺杂晶胞结构。这么，掺杂C60晶胞确定晶胞确定后，下面问题也就迎刃而解了。后，下面问题也就迎刃而解了。第123页第124页（1）KC60；面面心心立立方方晶晶胞胞；体体心心和和棱棱心心；710pm（晶晶胞胞体体心心到到面面心心距距离离，边边长长二二分分之之一一。（2）C60分分子子形形成成面面心心立立方方最最密密堆堆积积，由由其其晶晶胞胞参数可得参数可得C60分子半径：分子半径：第125页所以所以C60分子堆积形成八面体空隙可容纳球半径为：分子堆积形成八面体空隙可容纳球半径为：这这个个半半径径远远大大于于K离离子子半半径径133pm，所所以以对对C60分分子子堆堆积积形成面心立方晶胞参数几乎没有影响。形成面心立方晶胞参数几乎没有影响。（3）因因rC60502pm，所所以以空空腔腔半半径径，即即C60球球内内可可容容纳纳原原子子最大半径为：最大半径为：502170 2162pm第126页 磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积，磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积，硼原子填入四面体空隙中。画出磷化硼正当硼原子填入四面体空隙中。画出磷化硼正当晶胞示意图。晶胞示意图。例9、省级赛区第127页 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向投画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向投影（用实线圆圈表示影（用实线圆圈表示P P原子投影，用虚线圆圈原子投影，用虚线圆圈表示表示B B原子投影）。原子投影）。第128页六方六方ZnSZnS晶胞图晶胞图第129页第130页六方六方ZnSZnS（1）六方晶系，简单六方晶胞。）六方晶系，简单六方晶胞。（2）Z=2（3）S2-六方最密堆积六方最密堆积|AaBb|。（4）配位数）配位数4：4。（6）2s：000，2/31/31/2；2Zn：005/8，2/31/31/8。第131页TiO2结构图片结构图片第132页TiO2型型（1）四方晶系，体心四方晶胞。）四方晶系，体心四方晶胞。（2）Z=2（3）O2-近似堆积成六方密堆积结构，近似堆积成六方密堆积结构，Ti4+填入一填入一半八面体空隙，每个半八面体空隙，每个O2-附近有附近有3个个近似于正三角形近似于正三角形Ti4+配位。配位。（4）配位数）配位数6：3。第133页例例10MgH2晶晶体体属属四四方方晶晶系系，金金红红石石（TiO2）型型结结构构，晶晶胞胞参参数数a=450.25pm，c=301.23pm，Z2，Mg2处处于于6个个H形形成成变变形形八八面面体体空空隙隙中中。原原子子坐坐标标为为Mg（0，0，0；0.5，0.5，0.5），H（0.305，0.305，0；0.805，0.195，0.5；-0.305，-0.305，0；-0.805，-0.195，-0.5）。）。第134页(1)列列式式计计算算MgH2晶晶体体中中氢氢密密度度，并并计计算算是是标标准准状状态下氢气密度（态下氢气密度（8.987 10-5gcm-3）多少倍？）多少倍？(2)已已知知H原原子子范范德德华华半半径径为为120pm，Mg2半半径径为为72pm，试试经经过过计计算算说说明明MgH2晶晶体体中中H是是得得电电子子而以而以H形式存在。形式存在。(3)试画出以试画出以Mg为顶点为顶点MgH2晶体晶胞结构图。晶体晶胞结构图。第135页答答 案案（1）MgH2晶体是金红石型结构，晶体是金红石型结构，Z2，所以一个，所以一个晶胞中含有晶胞中含有4个个H原子，密度为：原子，密度为：MgH2晶体中氢密度，是标准状态下氢气密度晶体中氢密度，是标准状态下氢气密度1221倍。倍。第136页（2）依依据据题题目目中中给给出出原原子子坐坐标标能能够够判判断断Mg（0，0，0）和和H（0.305，0.305，0）之之间间成成键键，可可得得出出成键成键Mg-H之间距离为：之间距离为：所以氢离子半径：所以氢离子半径：这这个个半半径径大大于于H原原子子半半径径，所所以以H是是得得电电子子以以H形形式存在。式存在。第137页MgH2晶胞结构图晶胞结构图注：（注：（a）黑点为）黑点为Mg，白球为，白球为H。（b）晶胞中得虚线能够不标出。）晶胞中得虚线能够不标出。第138页2.2.分子晶体分子晶体定义：单原子分子或以共价键结合有限分定义：单原子分子或以共价键结合有限分子，由范德华力凝聚而成晶体。子，由范德华力凝聚而成晶体。范围：全部稀有气体单质、许多非金属单范围：全部稀有气体单质、许多非金属单质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化合物都属于分子晶体。合物都属于分子晶体。特点：以分子间作用力结合，相对较弱。特点：以分子间作用力结合，相对较弱。除范德华力外，氢键是有些分子晶体中主除范德华力外，氢键是有些分子晶体中主要作用力。要作用力。第139页某晶体晶胞参数为：某晶体晶胞参数为：a=250.4pm,c=666.1pm，=120o；原子；原子A原子坐标为原子坐标为0，0，1/2和和1/3，2/3，0，原子，原子B原子坐标为原子坐标为1/3，2/3，1/2和和0，0，0。计算上述晶体中计算上述晶体中A A和和B B两原子间最小核间两原子间最小核间距距d d(AB)(AB)例11、省级赛区第140页 该晶体晶胞透视图（设晶胞底面该晶体晶胞透视图（设晶胞底面即即abab面垂直于纸面，面垂直于纸面，A A原子用原子用“”“”表示，表示，B B原子用原子用“”“”表示）。表示）。第141页d(AB)=250.4pm 0.5 cos30o=144.6pm第142页共价晶体导热是共价键振动传递。试验证实，共价晶体导热是共价键振动传递。试验证实，该晶体垂直于该晶体垂直于c轴导热性比平行于轴导热性比平行于c轴导热性高轴导热性高20倍。用上述计算结果说明该