3.1金属晶体.晶胞
晶体结构、晶胞教案
晶体结构、晶胞教案第一章：晶体结构概述1.1 晶体与非晶体的区别定义晶体与非晶体晶体的有序排列与非晶体的无序排列1.2 晶体结构的类型离子晶体分子晶体金属晶体原子晶体1.3 晶体结构的基本特征晶体的周期性排列晶体的对称性晶体的空间点阵第二章：晶胞的概念与计算2.1 晶胞的定义晶胞的概念晶胞的构成2.2 晶胞的计算晶胞的体积计算晶胞中粒子的数量计算2.3 晶胞的类型简单晶胞体心立方晶胞六方最密堆积晶胞面心立方晶胞第三章：离子晶体结构3.1 离子晶体的定义与特点离子晶体的定义离子晶体的电荷平衡3.2 离子晶体的结构类型简单离子晶体复杂离子晶体3.3 离子晶体的空间结构晶体的晶胞参数晶体的晶胞中原子的位置第四章：分子晶体结构4.1 分子晶体的定义与特点分子晶体的定义分子晶体的分子间作用力4.2 分子晶体的结构类型线性分子晶体非线性分子晶体4.3 分子晶体的空间结构晶体的分子间作用力第五章：金属晶体结构5.1 金属晶体的定义与特点金属晶体的定义金属晶体的自由电子5.2 金属晶体的结构类型体心立方金属晶体面心立方金属晶体5.3 金属晶体的空间结构晶体的原子排列晶体的金属键第六章：原子晶体结构6.1 原子晶体的定义与特点原子晶体的定义原子晶体的共价键6.2 原子晶体的结构类型简单立方原子晶体面心立方原子晶体体心立方原子晶体6.3 原子晶体的空间结构晶体的原子排列第七章：六方最密堆积晶胞7.1 六方最密堆积晶胞的定义与特点六方最密堆积晶胞的定义六方最密堆积晶胞的空间利用率7.2 六方最密堆积晶胞的结构类型简单六方最密堆积晶胞体心六方最密堆积晶胞7.3 六方最密堆积晶胞的空间结构晶胞的原子排列晶胞的堆积方式第八章：晶体的生长与形态8.1 晶体生长的基本过程成核过程生长过程8.2 影响晶体生长的因素温度压力溶液的浓度8.3 晶体的形态晶体的表面形状晶体的内部结构第九章：晶体的物理性质9.1 晶体物理性质的定义与特点晶体物理性质的定义晶体物理性质的分类9.2 晶体物理性质的测量方法热分析光谱分析电学测量9.3 晶体物理性质的应用光学器件电子器件传感器第十章：晶体的化学性质10.1 晶体化学性质的定义与特点晶体化学性质的定义晶体化学性质的分类10.2 晶体化学性质的表征方法化学反应电化学测量光谱分析10.3 晶体化学性质的应用催化剂材料腐蚀与保护药物设计第十一章：晶体的应用领域11.1 晶体在电子学中的应用半导体晶体集成电路11.2 晶体在光学中的应用激光晶体光纤11.3 晶体在材料科学中的应用超导材料耐高温材料第十二章：晶体结构的研究方法12.1 X射线晶体学X射线衍射原理晶体学方程12.2 核磁共振（NMR）NMR原理晶体结构分析12.3 电子显微镜透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）第十三章：现代晶体学技术13.1 自动化晶体学自动化晶体生长自动化晶体测试13.2 计算晶体学分子动力学模拟量子化学计算13.3 纳米晶体技术纳米晶体合成纳米晶体应用第十四章：晶体生长的实验技术14.1 晶体生长的实验室设备炉子培养皿温度控制器14.2 实验操作步骤晶体生长的准备晶体生长的监控晶体的提取与清洗14.3 实验中常见问题与解决方法晶体生长速率控制晶体质量评估实验失败分析第十五章：晶体学的未来发展趋势15.1 新型晶体材料的探索高温超导体拓扑绝缘体15.2 晶体学与其他学科的交叉生物学与晶体学的结合化学与晶体学的结合15.3 晶体学技术的创新新型衍射技术高通量晶体生长技术重点和难点解析重点：理解晶体与非晶体的区别，掌握不同类型晶体结构的特点，了解晶胞的概念和计算方法，以及晶体结构对晶体性质的影响。
1-3-1 金属的晶体结构
2
一、典型金属的晶体结构
最常见的金属晶体结构有三种：面心立方结 构、体心立方结构和密排六方结构。 本节主要讨论原子的排列方式、晶胞内原子 数、点阵常数、原子半径、原子配位数、致密度 和原子间隙大小。 下面分别加以讨论：
3
1、原子排列方式
1） 球体的紧密堆积
① 单一质点的等大球体最紧密堆积，如纯金属晶体。 ② 几种质点的不等大球体的紧密堆积，如离子晶体。
16
2) 密排六方结构
属于六方紧密堆积，以ABABAB…的方式堆积， 从结构中可分析出六方晶胞。 具有这种结构的金属：Be、Mg、Zn、Cd、 -Ti和-Co。
3) 体心立方结构
属于体心立方紧密堆积，原子是以体心立方空间 点阵的形式排列，可分析出体心立方晶胞。
具有这种结构的金属：V、-Fe、Nb、Mo、 Cr和W。
3、晶胞中的原子数
1) 简单立方结构 (SC / Simple cubic)
1 8 1 8
20
2) 体心立方结构
(bcc / Body-centered cubic)
3) 面心立方结构
(fcc / Face-centered cubic)
1 8 1 2 8
1 1 8 6 4 8 2
第三层堆积的特征： 有两种完全不同的堆积方式。 a. 堆积在单层空隙位置 从垂直图面的方向观察，第三层球的位置正好与 第一层相重复。如果继续堆第四层，其又与第二 层重复，第五层与第三层重复，如此继续下去， 这种紧密堆积方式用ABABAB……的记号表示。
六方紧密堆积hcp (ABAB…)
对应ABAB……紧密堆积方式，其球体
r(Ag)=0.288nm， r(Al)=0.286nm，但都不能形成连续 （无限）固溶体，为什么？ 3、(1)叙述形成固溶体的影响因素; (2)形成连续固溶体的充分必要条件是什么?
晶格结构
重难点
晶胞的概念；原子坐标以及体心 平移、面心平移、底心平移；晶 体结构模型；
教学方法
3-1 晶 体
1、 晶体的宏观特征 远古时期,人类从宝石开始认识晶体。红宝石、 蓝宝石、祖母绿等晶体以其晶莹剔透的外观， 棱角分明的形状和艳丽的色彩，震憾人们的感 官。名贵的宝石镶嵌在帝王的王冠上，成为权 力与财富的象征，而现代人类合成出来晶体， 如超导晶体YBaCuO、光学晶体BaB2O4、 LiNbO3、磁学晶体NdFeB等高科技产品，则推 动着人类的现代化进程。
Na原子的电子组态为1S22S22P63S1，1S,2S,2P电 子正好填满，形成满带，3s轨道形成的能带只填 一半，形成导带。Mg原子的3s 轨道虽已填满， 但它与3p轨道的能带重叠。从3s3p 总体来看， 也是导带。能带的范围是允许电子存在的区域， 而能带间的间隔，是电子不能存在的区域，叫禁 带。金属在外电场作用下能导电。导带中的电子， 受外电场作用，能量分布和运动状态发生变化， 因而导电。满带中电子已填满，能量分布固定， 没有改变的可能，不能导电，空带中没有电子， 也不能导电。若空带与满带重叠，也可形成导带。
离子半径的变化规律
1.同主族, 从上到下, 电子层增加, 具有相同电荷数的离子 半径增加. 2.同周期: 主族元素, 从左至右 离子电荷数升高, 最高价离 子, 半径减小. 3.同一元素, 不同价态的离子, 正电荷高的半径小。 4.一般负离子半径较大; 正离子半径较小 5.周期表对角线上, 左上元素和右下元素的离子半径相似. 如: Li+ 和 Mg2+, Sc3+ 和 Zr4+ 的半径相似. 6. 镧系元素离子半径，随原子序数增加，缓慢减小
3.1金属原子的堆积方式
镁 型
… ABAB
2
Mg、Zn、 Ti
12
74%
铜 型
…AB CABC …
4
Cu、Ag、 Au、Pb
12
74%
合金是指由两种或两种以上的金属或 金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组 合而成并具有金属特性的物质 。
合金一般是将各组分熔合成均匀的 液体，再经冷凝而制得的。
合金的特性：
1)具有超导性质的合金，如Nb3Ge，Nb3Al， Nh3Sn，V3Si，NbN等
非密置层
配位数：4
密置层
配位数：6
二.金属原子在三维空间的堆积方式（4种）
简单立方：Po
体心立方：钠、钾、铬、钼、钨
面心立方（最密堆积）：金、银、铜、铅
六方堆积（最密堆积）：锌、钛、镁
简单立方堆积
体心立方堆积
面心立方最密堆积
六方最密堆积
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)
A
ABC ABC 形式的堆积，
为什么是面心立方堆积？
我们来加以说明。
C B A
堆积 模型
命 名
表示 符号
晶胞
每个晶 采纳这种堆积 胞所含 的典型金属 原子数
配 位 数
空间 利用 率
非 密 置 层
简单立 方堆积
—
Байду номын сангаас
—
1
Po
6
52%
体心立 方堆积
钾 型
—
2
Na、K、 Cr、Mo、W
8
68%
六方 堆积 密 置 层 面心立 方堆积
2)具有特殊电学性质的金属间化合物，如 InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半导体材料用 3)具有强磁性的合金物，如稀土元素（Ce， La，Sm，Pr，Y等）和Co的化合物，具有 特别优异的永磁性能
晶胞晶体晶格晶界晶粒的关系
晶胞晶体晶格晶界晶粒的关系1. 认识基础概念让我们先来聊聊这些科学名词——晶胞、晶体、晶格、晶界、晶粒。
别担心，听起来复杂，其实很简单。
想象你在拼乐高，每一个小块儿代表的就是这些概念中的一个部分。
1.1 晶胞：小小的基础单位晶胞，顾名思义，就是晶体的基本单位。
它是一个小小的立方体或其它几何形状的结构，像乐高的一个小块儿一样。
它包含了构成整个晶体的基本元素或分子。
这些晶胞像砖块一样一个个堆砌起来，组成了更大的晶体结构。
简单点说，晶胞就像你搭建乐高时的一个基础单元。
1.2 晶体：结构的整体当你把许多个晶胞按照一定的规律排列起来，就形成了一个晶体。
晶体就像是一个完整的乐高模型，它的每一部分都是由这些晶胞拼接而成的。
晶体的美妙之处在于它们的排列是有规律的，这种规律叫做晶格。
2. 晶格与晶体结构2.1 晶格：有序的排列晶格其实就是一种规则的排列方式，像棋盘上的格子一样。
每个晶胞都在一个特定的位置上，按照一定的规律排列，这样就形成了晶格。
不同的晶体有不同的晶格结构，比如立方体、六角形等。
就像不同的乐高模型可能有不同的形状和结构。
2.2 晶体的多样性由于晶格的不同，晶体有很多种类。
例如，钻石和石墨都是由碳元素构成的，但它们的晶格结构不同，所以它们的性质也大相径庭。
钻石的晶格非常紧密，所以它非常坚硬，而石墨的晶格则比较松散，导致它滑腻且易于剥离。
3. 晶界与晶粒：结构的细节3.1 晶界：界限的存在晶界就是不同晶粒之间的“隔阂”。
就像两个不同的乐高模型接触的地方一样，晶界是晶体中不同区域之间的界限。
晶界的存在可能会影响晶体的性质，比如它们可能会影响晶体的强度和韧性。
想象一下，如果你在搭建乐高时，接缝处拼接得不太好，那么整个模型的稳定性也会受到影响。
3.2 晶粒：大块的集合体晶粒是指晶体中的一个个小区域，每个区域都是由无数个晶胞组成的。
不同的晶粒有不同的晶体取向，就像不同的乐高模型部件可能朝向不同的方向。
晶粒的大小和分布会影响材料的整体性质，比如金属的强度和韧性。
第三章晶体结构
子晶体所释放的能量，用 U 表示。
晶格能 U 越大，则形成离子键得到离子晶体时放出的能量越多，离 子键越强。 一般而言，晶格能越高，离子晶体的熔点越高、硬度越大。晶格 能大小还影响着离子晶体在水中的溶解度、溶解热等性质。但离
子晶体在水中的溶解度与溶解热不但与晶体中离子克服晶格能进入水中 吸收的能量有关，还与进入水中的离子发生水化放出的能量（水化热） 有关。
子作周期性平移的最小集合。
复晶胞：素晶胞的多倍体；
体心晶胞（2倍体），符号I；
面心晶胞（4倍体），符号F； 底心晶胞（2倍体），符号A(B﹑C)。
二． 三种复晶胞的特征
1. 体心晶胞的特征：晶胞内的任一原子作体心平移[原子坐
标 +（1/2，1/2，1/2）]必得到与它完全相同的原子。
2. 面心晶胞的特征：可作面心平移，即所有原子均可作在其
P区的第三周期第三主族的Al3+ 也是8e-构型 ；d区第三至七副族原
素在表现族价时，恰相当于电中性原子丢失所有最外层s电子和次
外层d电子，也具有8e-构型 ；稀土元素的+3价原子也具有8e-构型 ， 锕系元素情况类似。 （3）18e-构型 ds区的第一、二副族元素表现族价时，具有18e-构 型 ；p区过渡后元素表现族价时，也具有18e-构型。 （4）（9—17）e-构型 d区元素表现非族价时最外层有9—17个电
图3-6 晶体微观对称性与它的宏观外形的联系
图3-7 晶态与非晶态微观结构的对比
3-2 晶胞
3-2-1 晶胞的基本特征
1.晶体的解理性：用锤子轻敲具有整齐外形的晶体（如方解 石），会发现晶体劈裂出现的新晶面与某一原晶面是平行 的，这种现象叫晶体的解理性。 2.布拉维晶胞：多面体无隙并置地充满整个微观空间，即
第三章金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
晶体类型及判断
晶体类型及判断晶体是由原子、分子或离子按照一定的规则排列而形成的固体物质。
晶体的类型可以根据晶格结构和晶体基元的特征来划分。
本文将介绍几种常见的晶体类型及其判断方法。
一、金属晶体金属晶体是由金属原子按照一定的规则排列而形成的晶体。
金属晶体的判断方法主要有以下几种：1. X射线衍射：通过测量晶体的X射线衍射图样，可以确定晶体的晶胞参数和晶格结构。
2. 金属晶胞填色法：将金属晶胞中的原子按照一定的规则填充，观察填充的结果是否满足金属晶体的特征。
3. 散射实验：通过散射实验观察金属晶体的散射图样，推测其晶格结构。
二、离子晶体离子晶体是由正离子和负离子按照一定的规则排列而形成的晶体。
离子晶体的判断方法主要有以下几种：1. 离子半径比：通过计算正离子和负离子的离子半径比，可以确定晶体结构类型。
当离子半径比小于0.414时，为离子型晶体；当离子半径比大于0.732时，为金属型晶体；当离子半径比在0.414和0.732之间时，为复式离子晶体。
2. 离子交换实验：通过交换晶体中的正离子和负离子，观察晶体性质的变化，推测离子晶体的结构类型。
3. 电导率测定：通过测量晶体的电导率，可以判断晶体中是否存在离子。
三、共价晶体共价晶体是由共价键连接的原子按照一定的规则排列而形成的晶体。
共价晶体的判断方法主要有以下几种：1. 元素分析法：通过对晶体中元素的分析，确定晶体中的原子种类和个数，进而推测晶体的共价键连接情况。
2. 光谱分析法：通过对晶体的光谱进行分析，可以了解晶体中的化学键类型，从而判断晶体类型。
3. 化学反应法：通过将晶体与其他物质进行化学反应，观察反应产物的性质和结构，推测晶体的类型。
四、分子晶体分子晶体是由分子按照一定的规则排列而形成的晶体。
分子晶体的判断方法主要有以下几种：1. 晶胞填色法：将分子晶胞中的分子按照一定的规则填充，观察填充的结果是否满足分子晶体的特征。
2. 分子间作用力分析法：通过对分子晶体中分子间作用力的分析，可以推测晶体的结构类型，如氢键、范德华力等。
3.1四种晶体
2、常见离子晶体
强碱、金属氧化物、部分盐类 ①NaCl 晶体
阴离子配位数 6
阳离子配位数 6
NaCl 晶体
每个晶胞中 Cl—有 4 个 Na +有 4 个 每个Cl— 周围最近且等距离的Cl—有 12 个 每个Na+周围最近且等距离的Na+有 12 个
__2_:_3___.
小结1：分子晶体与原子晶体的比较
相邻原子间以共价键相结 分子间以分子间 合而形成空间网状结构 作用力结合
原子 共价键 很大 很大 不溶于任何溶剂
不导电，个别为半导体
分子 分子间作用力
较小
较小 部分溶于水 固体和熔化状态 都不导电，部分 溶于水导电
第三章 晶体的结构与性质
第三节 金属晶体
简单立方堆积的空间占有率 =52%
球半径为r 正方体边长为a =2r
②体心立方堆积（钾型）K、Na、Fe
体心立方堆积的配位数 =8
体心立方堆积的空间占有率 =68%
体对角线长为c 面对角线长为b 棱线长为a 球半径为r
c2=b2+a2 b2=a2+a2 c=4r (4r)2=3a2
③六方最密堆积（镁型）Mg、Zn、Ti
12
6
3
A
54
B
A
B A
六方最密堆积的配位数 =12
六方最密堆积的晶胞
六方最密 堆积的晶胞
六方最密堆积的空间占有率 =74% 上下面为菱形 边长为半径的2倍 2r
高为2倍 正四面体的高
2 6 2r 3
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九年级晶体的知识点
九年级晶体的知识点晶体是固体物质的一种特殊形式，具有有序的排列结构和规则的几何形状。
在九年级的学习中，我们将学习有关晶体的知识点，包括晶体的特征、晶体的结构、晶体的分类和晶体的应用等。
以下是对这些知识点进行详细探讨。
1. 晶体的特征晶体具有以下主要特征：1.1 有序性：晶体中的原子、分子或离子按照一定的方式有序排列。
这种有序性使得晶体在空间上具有规则的几何形状。
1.2 重复性：晶体中的基本结构单位称为晶胞，晶胞可以按照一定的方式进行重复堆积，使得整个晶体结构呈现出周期性。
1.3 固定比例：晶体中不同类型的原子、分子或离子按照确定的比例组合成晶胞，这种比例称为化学式。
2. 晶体的结构晶体的结构是由基本结构单位和重复堆积方式决定的。
根据晶体的结构特点，可以分为离子晶体、共价晶体和金属晶体。
2.1 离子晶体：由阳离子和阴离子通过电荷相互吸引而形成的晶体。
离子晶体的结构由离子的空间排列和阴阳离子的比例确定。
例子包括氯化钠晶体和硫酸铜晶体。
2.2 共价晶体：由共价键连接的原子通过共用电子形成的晶体。
共价晶体的结构由原子间的共价键和空间排列方式决定。
例子包括钻石和石英晶体。
2.3 金属晶体：由金属离子通过金属键相互吸引而形成的晶体。
金属晶体的结构由金属离子的空间排列和金属键的存在确定。
例子包括铁和铜晶体。
3. 晶体的分类根据晶体的不同性质和结构，晶体可以分为多种不同类型。
3.1 共面晶体：晶体中的原子、分子或离子排列在一个平面上。
这种类型的晶体具有平面间隔、长宽比等特征。
例子包括石墨和石蜡晶体。
3.2 线状晶体：晶体中的原子、分子或离子排列在一条线上。
这种类型的晶体具有线间隔、长度等特征。
例子包括纤维和铁丝晶体。
3.3 体积晶体：晶体中的原子、分子或离子排列不限于平面或线上，具有三维空间布局。
这种类型的晶体具有体积、表面积等特征。
例子包括盐和钻石晶体。
4. 晶体的应用晶体在日常生活和科学研究中有广泛的应用。
02第二章 金属的晶体结构与结晶
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
晶体结构
3.3 原子晶体和分子晶体
3.3.1原子晶体 3.3.2分子晶体
3.3.1 原子晶体
原子晶体中晶格结点上排列着原子， 晶格结点间以共价键结合。
原子晶体具有熔点高、硬度大的特点。
金刚石晶体 C：2s22p2
2s 2p
C
基态
激发态
sp3杂化
C
C
C
C
CC CC
CC C
最简单的离子晶体的结构类型
空间构型 晶胞类型
CsCl型 NaCl型
简单立方 面心立方
正、负 离子的 配位数
8
6
ZnS型 由Zn2+和S2-各
4
组成的面心立
方在轴向1/4
处穿插形成
每个晶 胞中的 分子数
1
4
4
示例
TlCl、CsBr、CsI NaF、MgO、 NaBr、KI BeO、ZnSe
3.2.3半径比规则
硬度 机械性能
导电、 导热性
实例
离子键 高 硬 脆
良好（熔融 及水溶液）
NaCl MgO
共价键 很高 很硬 很脆
非导体
金刚石、 SiC BN
分子晶体 分子
分子间力 低 软 弱
非导体
金属晶体 金属原子、
正离子 金属键
高 硬 有延展性 良好
CO2 I2 Ne
W Ag Ca Cu
3.2 离子晶体
3.2.1离子键和离子晶体的性质 3.2.2离子晶体中最简单的结构类型 3.2.3半径比规则
Z
Y
（a）平面格子
O
X
(b)空间格子
晶格结点在空间的排列方式不同，晶格就有不同的 形状。最简单的是立方晶格，它有三种类型：
《结晶学与矿物学》复习要点
《结晶学与矿物学》复习要点结晶学一、基本概念：1.晶体（crystal）的概念：内部质点在三维空间周期性重复排列构成的固体物质。
这种质点在三维空间周期性地重复排列称为格子构造，所以晶体是具有格子构造的固体。
2对称型（class of symmetry）晶体宏观对称要素之组合。
（点群，point group）3.空间群：一个晶体结构中，其全部对称要素的总和。
也称费德洛夫群或圣佛利斯群。
4.单形（Simple form）：一个晶体中，彼此间能对称重复的一组晶面的组合。
即能借助于对称型之全部对称要素的作用而相互联系起来的一组晶面的组合。
5.双晶：两个以上的同种晶体，彼此间按一定的对称关系相互取向而组成的规则连生晶体。
6.平行六面体：空间格子中按一定的原则划分出来的最小重复单位称为平行六面体。
是晶体内部空间格子的最小重复单位，是由六个两两平行且相等的面网组成。
7.晶胞：能充分反映整个晶体结构特征的最小结构单元，其形状大小与对应的单位平行六面体完全一致。
8．类质同像：晶体结构中某种质点为性质相似的他种质点所替代，共同结晶成均匀的单一相的混合晶体，而能保持其键性和结构型式不变，仅晶格常数和性质略有改变。
9.同质多像：化学成分相同的物质，在不同的物理化学条件下，形成结构不同的若干种晶体的现象。
10.多型：一种元素或化合物以两种或两种以上层状结构存在的现象。
这些晶体结构的结构单元层基本上是相同的，只是它们的叠置次序有所不同。
二、晶体的6个基本性质1、均一性（homogeneity）：同一晶体的任一部位的物理和化学性质性质都是相同的。
2、自限性（property of self-confinement）：晶体在自由空间中生长时，能自发地形成封闭的凸几何多面体外形。
3. 异向性（各向异性）异向性(anisotropy)：晶体的性质随方向的不同而有所差异。
4. 对称性（property of symmetry）：晶体的相同部分（如外形上的相同晶面、晶棱或角顶，内部结构中的相同面网、行列或质点等）或性质，能够在不同的方向或位置上有规律地重复出现。
金属晶体四类晶胞空间利用率的计算
金属晶体四类晶胞空间利用率的计算高二化学·唐金圣在新课标人教版化学选修3《金属晶体》一节中，给出了金属晶体四种堆积方式的晶胞空间利用率。
空间利用率就是晶胞上占有的金属原子的体积与晶胞体积之比。
下面就金属晶体的四种堆积方式计算晶胞的空间利用率。
一、简单立方堆积：在简单立方堆积的晶胞中，晶胞边长a等于金属原子半径r的2倍，晶胞的体积V晶胞=(2r)3。
晶胞上占有1个金属原子，金属原子的体积V原子=4πr3/3 ，所以空间利用率V原3/ （3×(2r)3）=52.33﹪。
子/V晶胞 = 4πr二、体心立方堆积：在体心立方堆积的晶胞中，体对角线上的三个原子相切，体对角线长度等于原子半径的4倍。
假定晶胞边长为a ，则a2 + 2a2 = (4r)2， a=4 r/√3 ，晶胞体积V晶胞 =64r3/ 3√3 。
体心堆积的晶胞上占有的原子个数为2，原子占有的体积为V原子=2×（4πr3/3）。
晶胞的空间利用率等于V原子/V晶胞 =（2×4πr3×3√3）/（3×64r3）= 67.98﹪。
三、面心立方最密堆积在面心立方最密堆积的晶胞中，面对角线长度是原子半径的4倍。
假定晶胞边长为a,则a2 + a2 = (4r)2 ,a = 2√2r ,晶胞体积V晶胞=16√2r3。
面心立方堆积的晶胞上占有的原子数为4，原子占有的体积为V原子 = 4×（4πr3/3）。
晶胞的空间利用率等于V原子/V晶胞 =（4×4πr3）/(3×16√2r3)= 74.02﹪.四、六方最密堆积六方最密堆积的晶胞不再是立方结构。
晶胞上、下两个底面为紧密堆积的四个原子中心连成的菱形，边长a = 2r ,夹角分别为60°、120°，底面积s = 2r×2r×sin(60°) 。
晶胞的高h的计算是关键，也是晶胞结构中最难理解的。
第三章晶体结构
三．其它晶体结构 1.金刚石结构
金刚石结构为面心立方格 子，碳原子位于面心立方的所 有结点位置和交替分布在立方 体内的四个小立方体的中心， 每个碳原子周围都有四个碳， 碳原子之间形成共价键。
一．面心立方紧密堆积结构
4. CaTiO3(钙钛矿)型结构 钙钛矿结构的通式为ABO3，其中，A2+ 、B4+或A1+ 、B5+金
属离子。CaTiO3在高温时为立方晶系，O2-和较大的Ca2+作面心 立方密堆，Ti4+填充于1/4的八面体空隙。Ca2+占据面心立方的 角顶位置。O2-居立方体六个面中心，Ti4+位于立方体中心。Z=1， CNCa2+=12 CNTi4+=6 ,O2-的配位数为6 （2个Ti4+和 4个Ca2+）。
一．面心立方紧密堆积结构 1. NaCl型结构
Cl-呈面心立方最紧密堆积，Na+则填充于全部的八面体空隙
中，（即阴离子位于立方体顶点和六个面的中心，阳离位于立
方 体 的 中 心 和 各 棱 的 中 央 ） 。 两 者 CN 均 为 6 ， 单 位 晶 胞 中 含 NaCl的个数Z=4 ，四面体空隙未填充。
一．面心立方紧密堆积结构 2. β-ZnS（闪锌矿）型结构
S2-位于面心立方的结点位置，Zn2+交错地分布于立方体内 的1/8小立方体的中心，即S2-作面心立方密堆，Zn2+填充于1/2的 四面体空隙之中，CN均为4，Z=4。β -ZnS是由[ZnS4]四面体以 共顶的方式相连而成。
金属晶体、离子晶体..
b a
a
氯化铯型晶胞
CsCl的晶体结构示意图
---Cs+
---Cl返回原处
决定离子晶体结构的因素
几何因素
晶体中正负离子的半径比 晶体中正负离子的电荷比 离子键的纯粹因素
电荷因素
键性因素
二、晶格能
仔细阅读表3—8，分析 晶格能的大小与阴、阳离子所带电荷的乘积 晶格能的大小与离子晶 成正比，与阴、阳离子间的距离成反比。 体的熔点有什么关系？ q q 1 2 简言之,晶格能的大小与离子带电量成正比 , 与离子半径成 离子晶体的晶格能与哪 晶格能 r 反比. 晶格能越大： 些因素有关？
金刚石
硬度小，水 溶液能够导 电，溶沸点 低
氨、氯化氢
实例
食盐晶体
镁、铝
规律总结 题型二:物质的熔沸点与晶体类型的关系
1、常温下的状态： 熔点：固体＞液体 沸点：液体＞气体 2、若晶体类型不同，一般情况下： 原子晶体＞离子晶体＞分子晶体
2018/10/7 12
金属键
知识回顾：三种晶体类型与性质的比较
晶体类型 原子晶体 分子晶体 金属晶体 概念
相邻原子之间以共价 键相结合而成具有空 间网状结构的晶体
分子间以范德 华力相结合而 成的晶体
通过金属键 形成的晶体
作用力
共价键 原子 很高
范德华力
分子 很低 很小
金属键
金属阳离子 和自由电子
2.晶胞：能够反映晶体结构特征的基本重复单元 3.原子的密堆积方式
密堆积的定义:
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
金属的分子结构名词解释
金属的分子结构名词解释金属是一类具有特殊特性和广泛应用的物质，其结构与其他材料有着明显的区别。
金属的分子结构是指金属中原子的排列方式以及原子之间的相互作用。
下面将对金属分子结构涉及到的一些重要名词进行解释。
1. 金属晶体结构金属晶体结构是金属内部原子有序排列的方式。
最常见的金属晶体结构是面心立方(FCC) 和体心立方(BCC)。
在FCC结构中，金属原子以正六面体的形式排列，每个面心立方晶胞中有4个原子；而在BCC结构中，金属原子也以正六面体的形式排列，但每个体心立方晶胞中只有2个原子。
2. 点阵常数点阵常数是指晶格中相邻原子之间的距离。
对于FCC结构，点阵常数a是指相邻面心立方晶胞的边长；对于BCC结构，点阵常数a是指相邻体心立方晶胞的对角线长度。
3. 电子云金属中的原子通常会失去部分或全部的外层电子，形成正离子。
这些失去电子的原子核周围会形成电子云，是金属的重要特征。
电子云具有自由移动的特性，使得金属具有导电和热导的性质。
4. 金属键金属中的原子之间通过共享电子形成金属键。
金属键是一种强电子共享的键，使得金属原子能紧密地结合在一起。
5. 金属的堆积序金属的堆积序是指金属晶体中原子间的排列方式。
常见的堆积序包括紧密堆积、六方最密堆积和立方密堆积。
紧密堆积是一种原子以八面体或正十二面体堆积的方式，相邻两层原子的排列方式相互平行；六方最密堆积是一种原子以六边形堆积的方式，具有六方对称性；立方密堆积是一种原子以面心立方的方式堆积，具有四方对称性。
6. 晶胞晶胞是指晶体中最小的重复单元。
金属晶体的晶胞通常由多个原子组成，可以是立方形、正六面体形或其他几何形状。
7. 缺陷金属晶体中存在缺陷，主要包括点缺陷和线缺陷。
点缺陷指的是由于原子的缺失或替代等原因造成晶体结构中的局部不完整；线缺陷指的是晶格中某一部分原子排列出现错误，例如位错或脆性断裂。
8. 金属的相变金属在不同的温度和压力下可能会发生相变，即从一种晶体结构转变为另一种晶体结构。
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一晶胞1．由于晶体的微粒在微观空间中是呈现有规律的周期性排列，因此，在描述晶体在微观空间里原子的排列时，常从晶体中“截取”一个具有代表性的基本单元。
(1)描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。
(2)一般来说，晶胞都是平行六面体。
(3)晶胞只是晶体微粒空间里的一个基本单元，在它的上下左右前后无隙并置地排列着无数晶胞，而且所有晶胞的形状及其内部含有的原子种类、个数及几何排列都是完全相同的。
3．晶胞中微粒个数的计算(均摊法)计算一个晶胞中实际拥有的微粒数，常用均摊法。
即某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子的1n属于这个晶胞。
(1)长方体(正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算①处于顶点上的粒子，同时为8个晶胞所共有，每个粒子有1/8属于该晶胞。
②处于棱边上的粒子，同时为4个晶胞所共有，每个粒子有1/4属于该晶胞。
③处于晶面上的粒子，同时为2个晶胞所共有，每个粒子有1/2属于该晶胞。
④处于晶胞内部的粒子，则完全属于该晶胞。
(2)非长方体(正方体)晶胞中粒子视具体情况而定，如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点(1个碳原子)被三个六边形共有，每个六边形占1/3。
[归纳总结]1．晶体是由无数个晶胞堆积得到的。
知道晶胞的大小和形状以及晶胞中粒子的种类、数目和粒子所处的空间位置，就可以认识整个晶体的结构。
2．晶胞中微粒个数的计算，其关键是正确分析晶胞中任意位置上的一个微粒被几个晶胞所共用。
不同形状的晶胞，情况不同。
1．现有甲、乙、丙(如下图)三种晶体的晶胞(甲中x处于晶胞的中心，乙中a处于晶胞的中心)，可推知：甲晶胞中x与y的个数比是______，乙晶胞中a与b的个数比是_______，丙晶胞中有____个c离子，有______个d离子。
答案 4∶3 1∶1 4 4 解析 处于晶胞中心的x 或a 为该晶胞单独占有，位于立方体顶点的微粒为8个立方体共有，位于立方体棱边上的微粒为4个立方体共有，位于立方体面上的微粒为2个立方体共有，所以x ∶y ＝1∶6×18＝4∶3；a ∶b ＝1∶8×18＝1∶1；丙晶胞中c 离子为12×14＋1＝4(个)，d 离子为8×18＋6×12＝4(个)。
2．如图所示是晶体结构中具有代表性的最小重复单元(晶胞)的排列方式，图中○—X 、●—Y 、⊗—Z 。
其对应的化学式不正确的是( )答案 B 解析 A 图中X 、Y 原(离)子的位置、数目完全等同，化学式XY 正确；B 图化学式应为XY ，错误；C 图中X 的数目：4×18＋1＝32，Y 的数目：4×18＝12，化学式X 3Y 正确；D 图中X 的数目：8×18＝1，Y 的数目：6×12＝3，Z 位于内部，数目为1，化学式XY 3Z 正确。
二 金属晶体中金属原子的堆积方式 1．金属原子在二维平面中放置的两种方式金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。
把它们放置在平面上(即二维空间里)，可有两种方式——非密置层和密置层(如下图所示)。
(1)晶体中一个原子周围距离相等且最近的原子的数目叫配位数。
分析上图非密置层的配位数是4，密置层的配位数是6。
(2)密置层放置时，平面的利用率比非密置层的要高。
2．金属晶体的原子在三维空间里的4种堆积模型(1)简单立方堆积：将非密置层球心对球心地垂直向上排列，这样一层一层地在三维空间里堆积，就得到简单立方堆积(如下图所示)。
金属晶体的堆积方式——简单立方堆积 这种堆积方式形成的晶胞是一个立方体，每个晶胞含一个原子，这种堆积方式的空间利用率为52%，配位数为6，这种堆积方式的空间利用率太低，只有金属钋(Po)采取这种堆积方式。
(2)体心立方堆积：非密置层的另一种堆积方式是将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴中，并使非密置层的原子稍稍分离，每层均照此堆积，如下图所示。
碱金属和铁原子等都属于此类堆积方式。
金属晶体的堆积方式——体心立方堆积 这种堆积方式可以划出立方晶胞，空间利用率比简单立方堆积高得多，达到68%，每个球与上、下两层的各4个球相邻接，故配位数为8。
(3)六方堆积和面心立方堆积：密置层的原子按体心立方堆积的方式堆积，会得到两种基本堆积方式——六方堆积和面心立方堆积。
这两种堆积方式都是金属晶体的最密堆积，配位数均为12，空间利用率均为74%，但所得晶胞的形式不同(如下图所示)。
六方堆积 面心立方堆积金属晶体的两种最密堆积方式——六方堆积和面心六方堆积如下图所示，重复周期为两层，按ABABABAB……的方式堆积。
由于在这种排列方式中可划出密排六方晶胞，故称此排列为六方堆积。
由此堆积可知，同一层上每个球与同层中周围6个球相接触，同时又与上下两层中各3个球相接触，故每个球与周围12个球相接触，所以其配位数是12。
原子的空间利用率最大。
Mg、Zn、Ti都是采用这种堆积方式。
面心立方堆积如上图所示，按ABCABCABC……的方式堆积。
将第一密置层记作A，第二层记作B，B层的球对准A层中的三角形空隙位置，第三层记作C，C层的球对准B层的空隙，同时应对准A层中的三角形空隙(即C层球不对准A层球)。
以后各层分别重复A、B、C层排列，这种排列方式三层为一周期，记为ABCABCABC……由于在这种排列中可以划出面心立方晶胞，故称这种堆积方式为面心立方堆积。
Cu、Ag、Au等均采用此类堆积方式。
1．堆积原理组成晶体的金属原子在没有其他因素影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理。
这是因为在金属晶体中，金属键没有方向性和饱和性，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。
2．常见的堆积模型堆积模型采纳这种堆积的典型代表晶胞配位数空间利用率每个晶胞所含原子数非密置层简单立方堆积Po(钋) 6 52% 1体心立方堆积Na、K、Fe 8 68% 2密置层六方堆积Mg、Zn、Ti 12 74% 6面心立方堆积Cu、Ag、Au 12 74% 43．金属晶体堆积密度大，原子配位数高，能充分利用空间的原因是()A．金属原子的价电子数少B．金属晶体中有“自由电子”C．金属原子的原子半径大D．金属键没有饱和性和方向性答案 D 解析这是因为分别借助于没有方向性的金属键形成的金属晶体的结构中，都趋向于使原子吸引尽可能多的其他原子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。
4.关于钾型晶体(如右图所示)的结构的叙述中正确的是( )A ．是密置层的一种堆积方式B ．晶胞是六棱柱C ．每个晶胞内含2个原子D ．每个晶胞内含6个原子答案 C 解析 钾型晶体的晶胞为立方体，是非密置层的一种堆积方式，其中有8个顶点原子和1个体心原子，晶胞内含有8×18＋1＝2个原子，选项C 正确。
1．下列不属于晶体的特点的是( )A ．一定有固定的几何外形B ．一定有各向异性C ．一定有固定的熔点D ．一定是无色透明的固体答案 D 解析 本题主要考查晶体的特征：①规则的几何外形，②具有各向异性，③有固定的熔点，④X-射线衍射实验，故A 、B 、C 三项均正确；有些晶体带有颜色，如常见的硫酸铜晶体，呈蓝色，故D 项错误。
2．下列性质中可证明某单质属于金属晶体的是( )A ．有金属光泽B ．具有较高熔点C ．熔融态不导电D ．固态导电且延展性好答案 D 解析 硅晶体具有金属光泽和较高熔点，但不属于金属晶体；金属晶体熔融态导电，固态也导电，并具有良好的延展性。
3．下列有关金属晶体的说法中正确的是( )A ．常温下都是晶体B ．最外层电子数少于3个的都是金属C ．任何状态下都有延展性D ．都能导电、传热答案 D 解析 Hg 常温下是液态，不是晶体，A 项错误；H 、He 最外层电子数都少于3个，但它们不是金属，B 项错误；金属的延展性指的是能抽成细丝、轧成薄片的性质，在液态时，由于金属具有流动性，不具备延展性，所以C 项也是错误的；金属晶体中存在自由电子，能够导电、传热，因此D 项是正确的。
4．下列金属的晶体结构类型都属于面心立方堆积的是( )A ．Li 、Na 、Mg 、CaB ．Li 、Na 、K 、RbC ．Pb 、Ag 、Cu 、AuD ．Be 、Mg 、Cu 、Zn 答案 C5．下图是金属钨晶体中的一个晶胞的结构示意图，它是一种体心立方结构。
实验测得金属钨的密度为19.30g·cm －3，钨的相对原子质量是183.9。
假设金属钨原子为等径刚性球，试完成下列问题：(1)每一个晶胞中均摊到________个钨原子。
(2)计算晶胞的边长a 。
(3)计算钨的原子半径r (提示：只有体对角线上的各个球才是彼此接触的)。
答案 (1)2 (2)3.16×10－8cm (3)1.37×10－8cm 解析 (1)正确应用均摊法确定一个晶胞中包含的各粒子的数目。
(2)应用基本关系式：M ρ＝V N A2，先求出晶胞的体积，然后根据V ＝a 3计算晶胞的边长。
40分钟课时作业一、晶胞及其微粒数目的确定1．下列有关晶胞的叙述，正确的是( )A ．晶胞的结构是晶体的结构B ．不同的晶体中晶胞的大小和形状都相同C ．晶胞中的任何一个粒子都属于该晶胞D ．已知晶胞的组成就可推知晶体的组成答案 D 解析 由晶胞的定义可知A 选项错误；相同晶体中晶胞的大小和形状完全相同，不同晶体中晶胞的大小和形状不一定相同，B 选项错误；晶体中的大部分粒子被若干个晶胞所共有，不专属于某个晶胞，C 选项错误；知道晶胞的组成，利用“均摊法”，即可推知晶体的组成，D 选项正确。
2．如图，石墨晶体结构的每一层里平均每个最小的正六边形占有碳原子数目为( )A ．2B ．3C ．4D ．6答案 A 解析 据均摊法，从图中可知，每个顶点上的碳原子为三个正六边形共有，因而每个正六边形占有的碳原子数目为6×13＝2。
3．MCl 晶体具有立方体结构，其晶胞结构如图所示，在该晶体中，每个M ＋周围与它最接近的且距离相等的M ＋的个数共有( ) A ．6个 B ．8个 C ．12个 D ．16个答案 A 解析 根据MCl 的晶胞结构可以看出每个M ＋的正上、正下、左、右、前、后各有一个M ＋与之距离相等且最近，故每个M ＋周围与它最接近的且距离相等的M ＋共有6个。
二、晶体化学式的确定方法4．已知X 、Y 、Z 三种元素组成的化合物是离子晶体，其晶胞如图所示，则下面表示该化合物的化学式正确的是( ) A ．ZXY 3 B ．ZX 2Y 6 C ．ZX 4Y 8 D ．ZX 8Y 12答案 A 解析 由晶胞可知X 占据8个顶点，属于该晶胞的X ＝8×18＝1；Y 占据12条棱的中间，属于该晶胞的Y ＝12×14＝3；Z 占据该晶胞的体心，属于该晶胞的Z ＝1。