12典型晶体的结构解析
保定高中化学知识点跟踪训练12晶体的常识含解析
课时跟踪训练(十二)[基础巩固]1．普通玻璃和水晶的根本区别在于( )A．外形不一样B．普通玻璃的基本构成微粒无规则排列，水晶的基本构成微粒按一定规律做周期性重复排列C．水晶有固定的熔点，普通玻璃无固定的熔点D．水晶可用于能量转换，普通玻璃不能用于能量转换[解析]普通玻璃为非晶体，水晶为晶体，它们的根本区别在于内部微粒是否按一定规律做周期性重复排列，即晶体具有自范性。
两种物质在性质上的差异正是其内部结构不同的体现。
[答案] B2．下列不属于晶体的特点的是( )A．一定有规则的几何外形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[解析]晶体的特点是有规则的几何外形(由晶体的自范性决定)、固定的熔点及各向异性，但不一定是无色透明的固体，如紫色的碘晶体和蓝色的硫酸铜晶体等。
[答案] D3．下列途径不能得到晶体的是( )A．熔融态SiO2快速冷却B．熔融态SiO2热液缓慢冷却C．FeCl3蒸气冷凝D．CuSO4溶液蒸发浓缩后冷却[解析]晶体呈现自范性是需要一定条件的，即晶体生长的速率要适当。
熔融态物质快速冷却时不能得到晶体，如熔融态SiO2快速冷却得到看不到晶体外形的玛瑙，热液缓慢冷却则形成水晶。
FeCl3、AlCl3等固体均易升华，其蒸气凝华则得到晶体。
D项析出胆矾晶体(CuSO4·5H2O)。
[答案] A4．水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。
它是由液态水急速冷却到165 K时形成的。
玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述中正确的是( )A．水由液态变为玻璃态，体积缩小B ．水由液态变为玻璃，体积膨胀C ．玻璃态是水的一种特殊状态D ．玻璃态水能使X射线产生衍射[解析] 玻璃态水无固定形状，不存在晶体结构，故玻璃态水不是晶体，不能使X射线产生衍射；因密度与普通水相同，故水由液态变为玻璃态时体积不变。
晶体晶胞结构讲解
物质结构要点1、核外电子排布式外围核外电子排布式价电子排布式价电子定义：1、对于主族元素，最外层电子2、第四周期，包括3d与4S 电子电子排布图熟练记忆 Sc Fe Cr Cu2、S能级只有一个原子轨道向空间伸展方向只有1种球形P能级有三个原子轨道向空间伸展方向有3种纺锤形d能级有五个原子轨道向空间伸展方向有5种一个电子在空间就有一种运动状态例1：N 电子云在空间的伸展方向有4种N原子有5个原子轨道电子在空间的运动状态有7种未成对电子有3个 ------------------------结合核外电子排布式分析例23、区的划分按构造原理最后填入电子的能级符号如Cu最后填入3d与4s 故为ds区 Ti 最后填入能级为3d 故为d区4、第一电离能：同周期从左到右电离能逐渐增大趋势（反常情况：S2与P3 半满或全满较稳定，比后面一个元素电离能较大）例3、比较C、N、O、F第一电离能的大小 --------------- F ＞N＞O＞C例4、某元素的全部电离能(电子伏特)如下：回答下列各问：(1)I6到I7间，为什么有一个很大的差值?这能说明什么问题? _________________________(2)I4和I5间，电离能为什么有一个较大的差值_________________________________(3)此元素原子的电子层有 __________________层。
最外层电子构型为 ______________ 5、电负性：同周期从左到右电负性逐渐增大（无反常）------------F＞ O ＞N ＞C6、对角线规则：某些主族元素与右下方的主族元素的性质有些相似，被称为“对角线规则”如：锂和镁在空气中燃烧的产物，铍和铝的氢氧化物的酸碱性以及硼和硅的含氧酸酸性的强弱7、共价键：按原子轨道重叠形式分为：σ键和π键 (具有方向性和饱和性)单键 -------- 1个σ键双键------1个σ键和1个π键三键---------1个σ键和2个π键8、等电子体：原子总数相等，价电子总数相等----------具有相似的化学键特征例5、N2 CO CN-- C22-互为等电子体CO2 CS2 N2O SCN-- CNO-- N3- 互为等电子体从元素上下左右去找等电子体，左右找时及时加减电荷，保证价电子相等。
晶体结构解析
晶体结构解析
晶体结构解析是通过实验测定晶体的结构，并确定晶体中原子或分子的排列方式、空间坐标和键合情况等信息的过程。
晶体结构解析对于研究材料的物理、化学和生物学性质以及设计新材料具有重要意义。
晶体结构解析的步骤包括：
1. 晶体的培养和选取：选择合适的晶体生长条件，培养出高质量的晶体。
2. X 射线衍射实验：使用 X 射线衍射仪对晶体进行衍射实验，得到衍射图谱。
3. 数据处理和结构因子计算：对衍射图谱进行数据处理，计算结构因子。
4. 结构模型建立：根据结构因子和化学知识，建立晶体的结构模型。
5. 结构精修：通过不断调整结构模型的参数，使其与实验数据相符合，得到最终的晶体结构。
晶体结构解析需要结合化学、物理学和数学等多学科知识，需要专业的实验技能和计算能力。
目前，晶体结构解析已经成为材料科学、化学、生物学等领域的重要研究手段。
几种典型晶体结构的特点分析(精)
几种典型晶体结构的特点分析徐寿坤有关晶体结构的知识是高中化学中的一个难点，它能很好地考查同学们的观察能力和三维想像能力，而且又很容易与数学、物理特别是立体几何知识相结合，是近年高考的热点之一。
熟练掌握NaCl 、CsCl 、CO 2、SiO 2、金刚石、石墨、C 60等晶体结构特点，理解和掌握一些重要的分析方法与原则，就能顺利地解答此类问题。
通常采用均摊法来分析这些晶体的结构特点。
均摊法的根本原则是：晶胞任意位置上的原子如果是被n 个晶胞所共有，则每个晶胞只能分得这个原子的1/n 。
1. 氯化钠晶体由下图氯化钠晶体结构模型可得：每个Na +紧邻6个-Cl ，每个-Cl 紧邻6个+Na （上、下、左、右、前、后），这6个离子构成一个正八面体。
设紧邻的Na +-a ，每个Na +与12个Na +等距离紧邻（同层4个、上层4个、下层4个），距离为a 2。
由均摊法可得：该晶胞中所拥有的Na +数为4216818=⨯+⨯，-Cl 数为441121=⨯+，晶体中Na +数与Cl -数之比为1：12. 氯化铯晶体每个Cs +紧邻8个-Cl -紧邻8个Cs +，这8个离子构成一个正立方体。
设紧邻的Cs +与Cs +间的距离为a 23，则每个Cs +与6个Cs +等距离紧邻（上、下、左、右、前、后）。
在如下图的晶胞中Cs +数为812164112818=+⨯+⨯+⨯，-Cl 在晶胞内其数目为8，晶体中的+Cs 数与-Cl 数之比为1：1，则此晶胞中含有8个CsCl 结构单元。
3. 干冰每个CO 2分子紧邻12个CO 2分子（同层4个、上层4个、下层4个），则此晶胞中的CO 2分子数为4216818=⨯+⨯。
4. 金刚石晶体每个C 原子与4个C 原子紧邻成键，由5个C 原子形成正四面体结构单元，C-C 键的夹角为'28109︒。
晶体中的最小环为六元环，每个C 原子被12个六元环共有，每个C-C 键被6个六元环共有，每个环所拥有的C 原子数为211216=⨯，拥有的C-C 键数为1616=⨯，则C 原子数与C-C 键数之比为2:11:21=。
14种晶体结构
14种晶体结构晶体是由原子、分子或福隔离子按照一定的空间规则排列而成的有序固体。
晶体结构是指晶体中原子、离子或分子排列的规则和顺序。
在固体物质中，晶体结构的种类有很多种，其中比较常见的有以下14种：1. 立方晶体结构：最简单的晶体结构之一，具有三个等长的边和六个等角，包括简单立方、体心立方和面心立方三种类型。
2. 六方晶体结构：其晶胞的基本结构是六方密堆，其中最典型的就是六方晶体和螺旋晶体。
3. 正交晶体结构：晶胞具有三个不相互垂直的晶轴，分别被称为a、b 和c 轴，是最常见的晶体结构之一。
4. 单斜晶体结构：晶胞具有两个不相互垂直的晶轴，是晶体结构中的一种。
5. 三方晶体结构：具有三个相等的轴，夹角为60度，最常见的晶体结构之一是石英。
6. 菱晶体结构：晶胞内部有四面体结构，是一种简单的晶体结构。
7. 钙钛矿晶体结构：一种具有钙钛矿结构的晶体，包括钙钛矿结构和螺旋钙钛矿结构。
8. 蜗牛晶体结构：晶胞的形状像一只蜗牛的壳，是晶体结构中的一种。
9. 立方密排晶体结构：晶胞的结构是立方密排，是晶体结构中的一种。
10. 体心立方晶体结构：晶体结构的晶胞中有一个原子位于晶体的中心，是晶体结构中的一种。
11. 面心立方晶体结构：晶体结构的晶胞的各个面的中心有一个原子，是晶体结构中的一种。
12. 钻石晶体结构：晶体结构的晶胞构成了一种钻石结构，是晶体结构中的一种。
13. 银晶体结构：晶体结构的晶胞构成了一种银结构，是晶体结构中的一种。
14. 锶钛矿晶体结构：晶体结构的晶胞构成了一种锶钛矿结构，是晶体结构中的一种。
晶体结构的种类繁多，每种晶体结构都有其独特的结构特点和性质，对晶体的物理和化学性质有着重要的影响。
研究晶体结构不仅可以帮助我们更好地了解晶体的构成和性质，还有助于我们在材料科学、物理化学等领域的应用和研究。
因此，对晶体结构的研究具有重要的科学意义和应用价值。
典型的晶体结构
典型的晶体结构
晶体是由具有规则排列的原子、分子或离子组成的固体。
晶体结构是指晶体中各个原子、分子或离子的排列方式和周期性的空间堆积规律。
钠氯化物晶体是一种典型的离子晶体，其晶体结构由钠离子（Na+）和氯离子（Cl-）组成。
钠氯化物晶体结构属于立方晶系，具体来说是面心立方晶系。
在立方晶系中，晶胞由于具有三个相等的边长和90度的内角，因此钠氯化物晶体结构的晶胞形状是一个立方体。
在钠氯化物晶体结构中，每个钠离子都被六个氯离子包围，而每个氯离子也被六个钠离子包围。
这种排列方式使得钠氯化物晶体呈现出高度的对称性和周期性。
在晶体结构中，钠离子和氯离子的排列方式是相互平衡的，以使得整个晶体结构达到最低能量状态。
钠氯化物晶体中的钠离子和氯离子之间通过离子键相互吸引。
离子键是一种强大的化学键，它是由正负电荷之间的电静力吸引力所形成的。
钠离子和氯离子之间的离子键使得钠氯化物晶体具有高熔点、脆性和良好的导电性。
钠氯化物晶体结构的周期性排列使得其具有许多重要的性质和应用。
由于其高熔点和稳定性，钠氯化物被广泛应用于熔盐堆核能反应堆的燃料。
此外，钠氯化物晶体也广泛用于制备其他化合物和合金，
以及用作化学试剂和催化剂。
钠氯化物晶体结构是一种典型的离子晶体结构，具有高度的对称性和周期性排列。
其晶胞形状为立方体，钠离子和氯离子通过离子键相互吸引并形成稳定的晶体结构。
钠氯化物晶体结构不仅具有重要的化学性质和物理性质，还有广泛的应用领域。
10-典型晶体简介(分子晶体)
1、无氢键型分子晶体：一般采用面心式堆积 、无氢键型分子晶体： 分子配位数通常=12 分子配位数通常 如：C60与C60分子晶体
分子晶体及其堆积方式
1、无氢键型分子晶体：一般采用面心式堆积 、无氢键型分子晶体： 分子配位数通常=12 分子配位数通常 分子晶体（干冰） 如：CO2与CO2分子晶体（干冰）
分子晶体熔点的相对高低规律之四
讨论： 讨论： 实验测得气态氯化铝的相对分子质量等于267，则其分 实验测得气态氯化铝的相对分子质量等于 ， 子式为 ，其结构式可能为 。
分子晶体小结
• 分子晶体的一般情况： 分子晶体的一般情况：
所有非金属氢化物、部分共价化合物 所有非金属氢化物、部分共价化合物 非金属氢化物 物质种类 少数盐类 盐类， 少数盐类，如AlCl3 单核或多核的） 晶体中的微粒 （单核或多核的）分子 微粒间的作用力 范德华力或氢键 微粒内部的 微粒内部的 无化学键 有非极性共价键或 作用力 或有非极性共价键或有极性共价键 干冰、 典型代表 氦、氢、干冰、冰 He 、 H2 、 CO2 、 H2O 化学式 较软易碎、部分可溶于水、 较软易碎、部分可溶于水、 物理共性 熔点沸点较低、晶体导电导热性差 熔点沸点较低、晶体导电导热性差
分子晶体熔点的相对高低规律之四
升华问题： 升华问题： 某些分子晶体受热时 不经过熔化直接变成气态 这种现象叫升华 这种现象叫升华 升华的条件 条件是 升华的条件是： 在一定的压强条件下物质的熔点 熔点>沸点 在一定的压强条件下物质的熔点 沸点 能升华的常见物质有： 能升华的常见物质有： 干冰、 苯甲酸、 干冰、碘、萘、苯甲酸、氯化铝等
分子晶体熔点的相对高低规律之一
参考f=k·m1·m2/r2 （1）组成与结构相似时：—二
晶体结构之三：典型结构分析
当原子失去一个电子时所需要消耗的能量（即电离能），用 I 表示；当获得一个 电子时所释放的能量（即电子亲合能），用 Y 表示。习惯上以 0.18（I+Y）称为元素
X X A X B
17
的电负性，用以比较各种元素吸引电子的能力。Pauling 指出用元素的电负性差值： 来计算化合物中离子键的成分。
第二章 晶体结构
二、具体章节及学时分配（总计 22.0h）：2009-3-2,2009-9-1，2011.03.27
引言——晶体的结构特征与基本性质（1.0h） 2.1 晶体结构的周期性（4.0-6.0h）
2.2.1 点阵与平移群
一、点阵结构与点阵 （1）一维点阵结构与直线点阵；（2）二维点阵结构与平面点阵 （3）三维点阵结构与空间点阵
222点阵单位与点阵参量一点阵单位与点阵常数1直线点阵单位与线段参数2平面点阵单位与网格参数3空间点阵单位与晶胞参数二其他晶体结构参数1原子阵点坐标与原子间距2晶向直线点阵指数3晶面平面点阵指数4晶面间距与晶面夹角5晶带与晶带定律三极射投影223倒易点阵与晶体衍射22晶体结构的对称性40h231对称性的基本概念对称及其对称元素与对称操作232宏观对称性晶体外形有限表现的对称性点对称性一点对称操作与宏观对称元素二点群及其表示方法32个点群晶类三晶系与空间点阵型式7种晶系与14种布拉菲点阵233微观称对性晶格基元无限排列的对称性体对称性一空间对称操作与微观对称元素二空间群及其表示方法三等效点系234点群与空间群的关系234晶体结构符号23典型晶体结构分析80h231金属晶体结构232共价晶体结构233离子晶体结构2234分子晶体结构235高分子晶体结构24合金相结构23典型晶体结构分析教学要求1典型的晶体结构类型2晶胞分析和描述晶系基本格子等同点分析正负离子配位数cn晶胞分子数z质点坐标四面体和八面体空隙数量位臵及被占据情况3同晶型典型物质及特性4熟记几个典型晶体结构图
晶体结构基础知识
a ≠ b ≠ c ， = = = 90° 正交晶系 。 此外还有六方晶系，三方晶系，单斜晶系和三斜晶系。
由晶胞参数a，b， c，α，β，γ表 示， a，b，c 为 六面体边长， α， β，γ 分别是bc ca , ab 所形成的 三个夹角。
晶胞的两个要素：
(1)晶胞的大小与形状：
简单单斜
底心单斜
简单三斜
晶体分类
离子晶体： 原子晶体： 分子晶体： 金属晶体：
阴阳离子间通过离子键构成的晶体
原子间以共价键形成的空间网状结构的晶体
分子间以分子间作用力（范德华力）形成的晶体
金属阳离子和自由电子通过金属键形成的单质晶体
金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的 。下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式。
观察实心圆点 K，除了 立方体顶点的 8 个 K 外，体 心位置有 1 个 K 。所以称为体心立方晶胞。
再看金属钾的晶胞，右图 。必须说明的是，它属于立方晶系，但既不是 AB 型，也不属 于离子晶体。
立方晶系有 3 种类型晶胞 ： 面心立方、简单立方、体心立方 。
晶体结构基础知识
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红宝石 ruby Al2O3-Cr
宏观晶体的形貌
立方 立方晶体的宏观形貌
晶体的宏观对称性分析
石英玻璃
非晶态又称玻璃态
天然石英玻璃矿物照片
晶体的原子呈周期性排列 非晶体的原子不呈周期性排列
1
在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围 6 个球相切，在中心的周围形成 6 个凹位，将其算为第一层。
2
四、金属晶体
1
2
3
4
第十二章 课时4 晶体结构的分析与计算 课件 2021届高三一轮复习化学(共68张PPT)
答案：12 42× 3 9.00×46×.0624×1023≈1.28×10－8
3.砷化硼的晶胞结构如图所示。与砷原子紧邻
的硼原子有________个，与每个硼原子紧邻
SmFeAsO1－xFx。(2)据图可知，锰离子在棱上与体心，数目为 12×14 ＋1＝4，氧在顶点和面心，数目为 8×18＋6×12＝4，所以化学式 为 MnO，故锰离子的化合价为＋2 价。(3)由题图可知，一个晶胞
中白球的个数＝8×18＋1＝2；黑球的个数＝4，因此白球代表的是 O 原子，黑球代表的是 Cu 原子，即 Cu 原子的数目为 4。(4)能量 越低越稳定，从图 2 知，Cu 替代 a 位置 Fe 型晶胞更稳定，其晶
(2)晶胞参数的计算方法
(3)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组计算公 式(设棱长为a) ①面对角线长＝ 2a ②体对角线长＝ 3a ③体心立方堆积4r＝ 3a(r为原子半径) ④面心立方堆积4r＝ 2a(r为原子半径) ⑤刚性原子球体积V(球)＝43πr3(r为原子半径)
2．金属晶体空间利用率的计算方法 (1)空间利用率的定义及计算步骤
(4)(2019·沈阳模拟)磷化硼晶体的晶胞结构如图所示，其 中实心球为磷原子，在一个晶胞中磷原子的空间堆积方式为 ________，磷原子的配位数为________，该结构中有一个配 位键，提供空轨道的原子是________。
[解析] (1)由图可知，O 位于面心，K 位于顶点，与 K 紧 邻的 O 个数为 12 个。(2)由晶胞结构可知，一个晶胞中小球个 数为 8，大球个数为 4，小球代表离子半径较小的 Na＋，大球 代表离子半径较大的 O2－，故 F 的化学式为 Na2O；晶胞中与 每个氧原子距离最近且相等的钠原子有 8 个。(3)由图知，以面 心 Cu＋为研究对象，可看出 Cu＋周围有 4 个与其直接相连的 Cl－，即距离 Cu＋最近的 Cl－有 4 个。(4)由磷化硼晶体的晶胞 结构图可知，该晶胞中磷原子为面心立方最密堆积；P 原子的 配位数为 4，该结构中有一个配位键，提供空轨道的原子是硼 (B)。
几种常见晶体结构分析
几种常见晶体结构分析河北省宣化县第一中学 栾春武 邮编 075131栾春武：中学高级教师，张家口市中级职称评委会委员。
河北省化学学会会员。
市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。
联系电话： E-mail ：一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体由于离子键无饱和性与方向性，所以离子晶体中无单个分子存在。
阴阳离子在晶体中按一定的规则排列，使整个晶体不显电性且能量最低。
离子的配位数分析如下：离子数目的计算：在每一个结构单元（晶胞）中，处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同，一般的规律是：顶点上的微粒属于该单元中所占的份额为18，棱上的微粒属于该单元中所占的份额为14，面上的微粒属于该单元中所占的份额为12，中心位置上（嚷里边）的微粒才完全属于该单元，即所占的份额为1。
1.氯化钠晶体中每个Na +周围有6个Cl －，每个Cl －周围有6个Na +，与一个Na +距离最近且相等的Cl －围成的空间构型为正八面体。
每个Na +周围与其最近且距离相等的Na +有12个。
见图1。
| 晶胞中平均Cl －个数：8×18 + 6×12 ＝ 4；晶胞中平均Na +个数：1 + 12×14 ＝ 4因此NaCl 的一个晶胞中含有4个NaCl （4个Na +和4个Cl －）。
2.氯化铯晶体中每个Cs +周围有8个Cl －，每个Cl －周围有8个Cs +，与一个Cs +距离最近且相等的Cs +有6个。
晶胞中平均Cs +个数：1；晶胞中平均Cl －个数：8×18 ＝ 1。
因此CsCl 的一个晶胞中含有1个CsCl （1个Cs +和1个Cl －）。
二、金刚石、二氧化硅——原子晶体1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。
每个C 原子以共价键与4个C 原子紧邻，因而整个晶体中无单个分子存在。
由共价键构成的最小环结构中有6个碳原子，不在同一个平面上，每个C 原子被12个六元环共用，每C —C 键共6个环，因此六元环中的平均C 原子数为6×112 ＝ 12 ，平均C —C 键数为6×16 ＝ 1。
典型晶体结构与表面
A2
以金属钨为代表的元素晶体，体心立方点阵 BCC, 111 其原子坐标为：000, , 222 点群符号为： Oh 空间群符号为：O
9 h
(I m3m )
最近邻为 8，次近邻为 6
相同结构的元素晶体有：碱金属Li, Na, K, Rb, Cs, 及金属Ba, V, Cr, Nb, Mo, Ta, W, Fe 等
Notes
除去ABAB…排列得到的HCP结构和ABCABC…排 列得到的FCC结构，密堆积还可能有无穷多种排 列方式，比如ABACABAC…等等。 多型性(polytypism): 长重复周期的堆积方式。 例子：SiC,PbI2,CdI2 FCC是布拉维格子 HCP不是布拉维格子 Fcc中的正八面体和正四面体
sicpbi2cdi2?fcc是布拉维格子?hcp不是布拉维格子?fcc中的正八面体和正四面体notes在晶体结构数据库中常按照化合物中各类原子的种类与数目参照晶体的化学性质进行分类并用英文字母命名科学文献中也常使用这种分类介绍如下
第一章 晶体结构
• • • • • §1.1 晶格 §1.2 晶体的对称性 §1.3 典型的晶体结构和表面结构 §1.4 倒易点阵和布里渊区 §1.5 晶体结构的实验研究
钛酸钡(BaTiO3)的相变，有5 种晶型。低温下的三种结构 具有铁电性。
三. 晶体表面结构
Si(111)-7x7 DAS model
Dimer-adatom-stacking fault model
晶体表面结构的标记
Si(100)-2x1
Si(100)-4x2
习题
1. 如果将等体积球分别排成下列结构，求证钢球所占 体积与总体积之比为：简立方：0.52；体心立方： 0.68；面心立方：0.74.(黄昆书1.1) 。
晶体的典型结构类型
内Cd－I为具有离子键的共价键，键力较强。
属于碘化镉型结构的晶体：
Ca（OH）2；Mg（OH）2；CdI2；MgI2
钙钛矿型结构
钙钛矿结构的通式为ABO3 ,以CaTiO3为例讨论 其结构:
Ca2+
O2-
Ti 4+
配位关系的分析:
可以看出:
Ca的CN=12 Ti的CN=6 O的CN=2+4=6
• 从结构可以看出，α—石英到α—方石英的转变要 比α—石英到α—磷石英的转变容易一些。
α ----石英
8700C
α ----鳞石英
14700C
α ----方石英
17230C
熔体
5730C
1600C
2680C
β ----石英
β ----鳞石英
β ----方石英
1170C
γ ----鳞石英
重建型转变
00
1 2
,
11 22
00
,0
1 2
0,
11 11 1 22 22 2
2、球体堆积法
3、配位多面体及其连接方式描述法
球体紧密堆积法
• 对于金属晶体和一些简单的离子晶体有用。
• 如氯化钠的晶体结构： Cl－离子按立方紧密堆积，Na+处于全部
的八面体空隙中。
配位多面体及其连接法
• 对结构比较复杂的晶体，用这种方 法。如对于硅酸盐的晶体结构常用。
• α—磷石英
• 属六方晶系，对称型L66L27PC。ao=0.503nm， co=0.822nm，
• 其晶格是由[SiO4]四面体构成六方环状网 格，结构中六个硅氧四面体成六方环状连 接，其中相间的三个顶端向上，另外三个 向下。然后再与上下环中四面体的顶端相 接，在三维空间组成无限延伸的环状骨架。
12典型的无机化合物晶体结构解析
1、闪锌矿（立方 ZnS）β-ZnS
?立方ZnS 立方晶系（β－ZnS）闪锌矿
?a＝0.540nm，晶胞分子数＝4 ?可看作：Zn和S各对应一套面心立方格
子沿体对角方向相互穿叉，位移a/4
2018/10/5
杨为中 材料物理化学
的四面体空隙， Ca处于小立方体中心； ?⑤一个晶胞中有 4CaF2分子，立方体之间共棱相
连；
? ⑥晶胞中心存在巨大的空隙，这种结构有利于离 子的迁移。
?属于这类结构的化合物有： BaF 2、PbF 2、SrF 2、 ZrF2、UO2、CeO2、 ThO 2等。
?应用：由于萤石型结构的 化合物中存在较大的空隙， 质点易于移动，所以萤石
?1、Na离子，Cl离子顶点位置 图1 ?2、NaCl晶体结构的晶胞 图2 ?3、Na离子处于八面体空隙 图3
三、CsCl型结构 ?r+/r-=1.69/1.81=0.733 ?在0.732~1.00之间立方晶胞
Cl－位于顶角 Cs+位于中心 CN＝8，晶报分子数1 ?看作：由Cs +和Cl －各对应一套立方原 始格子沿体对角线方向相套而成
2、纤锌矿（六方 ZnS）α-ZnS 六方堆积：
ABAB………
?纤锌矿ZnS型α－ZnS
?六方晶系 ?a＝0.382nm，c＝0.625nm ?六方原始格子 ?Zn、S各一套穿插而成 ?晶胞分子数为2 ?S2－构成六方密堆积
Zn2＋填充1/2四面体空隙
15
? 六方ZnS中：R+/R-=0.436，极化造成一定共 价成分，CN不为6，CN＝4
杂。 2 、投影法 —也叫标高法 优点：可了解质点在该结构中的排列特点。 3 、多面体的连接方式
典型晶体结构知识讲解
(3)二氧化碳晶体 干冰晶体是一个立方面心结构，每8个CO2分
子构成立方体且再在6个面的中心又各占1个 CO2。 (见图已)。
(3)二氧化碳晶体 [思考]；在每个CO2周围最近且等距离的CO2有 12 个 该晶胞相当于有 4 个CO2分子。
(4)金刚石晶体 每个C原子与4个C原子紧邻。由5个碳原子
晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的 质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结 构单元重复出现的结果。
我们把晶体中重复出现的最基本的结
构单元叫晶体的基本单位—— 晶胞
晶胞对组成晶胞的各质点（晶格点）的占 有率如何呢（以立方体形晶胞为例）？如果 是六棱柱形晶胞又如何?
晶胞对组成晶胞的各质点的占有率
1:晶体结构的想象;
(1)氯化钠晶体 氯化钠是一种简单立 方体结构，Na+、Cl-交 替占据立方体的顶点而 向空间延伸。(见图甲)。
(2)氯化铯晶体
[思考］： 在每个Cs+周围最近且等距离的Cl-有 ８ 个， 在每个Cl-周围最近且等距离的Cs+有 ８ 个， 在每个Cl-周围最近且等距离的Cl-有 ６ 个， 在每个Cs+周围最近且等距离的Cs+有 ６个， 该晶胞相当于 4 个“CsCl”分子。
体心： 1
立
方 面心： 1/2
晶 胞
棱边： 1/4
顶点： 1/8
如图晶体的一个晶胞 中，有c粒子：12×1/4+1=4个，有d粒子： 8×1/8+6×1/2=4个，c:d=1:1，晶体的化学式 为cd或dc。
[例1] 有下列离子晶体空间结构示意图：(● 阳离子 ○阴离子)
以M代表阳离子，以N表示阴离子，写出各离子
晶体的组成表达式：A
晶体结构的分类与解析
ao=0.384nm；co=0.518nm，Z=6。如图 10-11 所 示，结构中 S2-成六方紧 密堆积， Zn2+充填半数的四面体空隙。四面体共顶相连，阴阳离子的配位数均为 4。若将单 位晶胞分成六个相等的三方柱，硫离子位于三方柱的每一个角顶和相间的三方柱的 中心，锌离子位于中心有硫离子的三方柱的三条棱的 5/8 处及中心线的 1/8 处。等 效点的坐标：S2-为 0，0，0；2/3，1/3，1/2；Zn2+为 0，0，5/8；2/3，1/3，1/8。
164
图 10-3 锇（Os）晶体结构模型
二、惰性气体的晶体结构
惰性气体以单原子存在。惰性气体原子有全充满的电子层，在低温下原子与原
子之间通过微弱的范德华力凝聚成晶体。原子作等大球紧密堆积。He 属 A3 型结 构，其余惰性气体氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、均属于 A1 型。
三、非金属单质的晶体结构
每一个碳原子周围有四个等距分布的碳原子，这四个
碳原子的中心连接起来构成一个正四面体（图 10-4）。
碳原子的配位数为 4,共价键的键角为 109°28′。等轴 晶系，空间群为 Oh7-Fd3m，ao=0.3570nm，Z=8。
具有金刚石型晶体结构的还有单晶锗、单晶硅等。
图 10-4 金刚石的晶体结构
co
图 10-5 石墨层状晶体结构中原子的中心位置
图 10-6 石墨—2H 的晶体结构
B A B A
166
A C B A
图 10-7 2H 和 3R 型石墨的晶体结构对比
晶体晶胞结构讲解
晶体晶胞结构讲解物质结构要点1、核外电⼦排布式外围核外电⼦排布式价电⼦排布式价电⼦定义：1、对于主族元素，最外层电⼦2、第四周期，包括3d与4S 电⼦电⼦排布图熟练记忆 Sc Fe Cr Cu2、S能级只有⼀个原⼦轨道向空间伸展⽅向只有1种球形P能级有三个原⼦轨道向空间伸展⽅向有3种纺锤形d能级有五个原⼦轨道向空间伸展⽅向有5种⼀个电⼦在空间就有⼀种运动状态例1：N 电⼦云在空间的伸展⽅向有4种N原⼦有5个原⼦轨道电⼦在空间的运动状态有7种未成对电⼦有3个 ------------------------结合核外电⼦排布式分析例23、区的划分按构造原理最后填⼊电⼦的能级符号如Cu最后填⼊3d与4s 故为ds区 Ti 最后填⼊能级为3d 故为d区4、第⼀电离能：同周期从左到右电离能逐渐增⼤趋势（反常情况：S2与P3 半满或全满较稳定，⽐后⾯⼀个元素电离能较⼤）例3、⽐较C、N、O、F第⼀电离能的⼤⼩ --------------- F ＞N＞O＞C例4、某元素的全部电离能(电⼦伏特)如下：回答下列各问：(1)I6到I7间，为什么有⼀个很⼤的差值?这能说明什么问题? _________________________(2)I4和I5间，电离能为什么有⼀个较⼤的差值_________________________________(3)此元素原⼦的电⼦层有 __________________层。
最外层电⼦构型为 ______________ 5、电负性：同周期从左到右电负性逐渐增⼤（⽆反常）------------F＞ O ＞N ＞C6、对⾓线规则：某些主族元素与右下⽅的主族元素的性质有些相似，被称为“对⾓线规则”如：锂和镁在空⽓中燃烧的产物，铍和铝的氢氧化物的酸碱性以及硼和硅的含氧酸酸性的强弱7、共价键：按原⼦轨道重叠形式分为：σ键和π键 (具有⽅向性和饱和性)单键 -------- 1个σ键双键------1个σ键和1个π键三键---------1个σ键和2个π键8、等电⼦体：原⼦总数相等，价电⼦总数相等----------具有相似的化学键特征例5、N2 CO CN-- C22-互为等电⼦体CO2 CS2 N2O SCN-- CNO-- N3- 互为等电⼦体从元素上下左右去找等电⼦体，左右找时及时加减电荷，保证价电⼦相等。
专题十二 大题题空逐空突破(十八) 晶胞的结构
1．常见原子晶体结构分析晶体晶体结构结构分析金刚石(1)每个C与相邻4个C以共价键结合，形成正四面体结构(2)键角均为109°28′(3)最小碳环由6个C组成且6个C不在同一平面内(4)每个C参与4个C—C键的形成，C原子数与C—C 键数之比为1∶2(5)密度＝8×12N A×a3(a为晶胞边长，N A为阿伏加德罗常数)SiO2(1)每个Si与4个O以共价键结合，形成正四面体结构(2)每个正四面体占有1个Si,4个“12O”，因此二氧化硅晶体中Si与O的个数之比为1∶2(3)最小环上有12个原子，即6个O,6个Si(4)密度＝8×60N A×a3(a为晶胞边长，N A为阿伏加德罗常数)SiC、BP、AlN (1)每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体结构(2)密度：ρ(SiC)＝4×40N A×a3；ρ(BP)＝4×42N A×a3；ρ(AlN)＝4×41N A×a3(a为晶胞边长，N A为阿伏加德罗常数)2．常见分子晶体结构分析晶体晶体结构结构分析干冰(1)每8个CO2构成1个立方体且在6个面的面心又各有1个CO2(2)每个CO2分子周围紧邻的CO2分子有12个(3)密度＝4×44NA×a3(a为晶胞边长，N A为阿伏加德罗常数)白磷(1)面心立方最密堆积(2)密度＝4×124N A×a3(a为晶胞边长，N A为阿伏加德罗常数)3.常见金属晶体结构分析(1)金属晶体的四种堆积模型分析堆积模型简单立方堆积体心立方堆积六方最密堆积面心立方最密堆积晶胞配位数 6 8 12 12原子半径(r)和晶胞边长(a)的关系2r＝a2r＝3a22r＝2a2一个晶胞内原子数目1 2 2 4原子空间利用率52% 68% 74% 74%(2)金属晶胞中原子空间利用率计算空间利用率＝球体积晶胞体积×100%，球体积为金属原子的总体积。
晶体的结构和性质0
一、晶体
1、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。
2、晶体的特征：
⑴均匀性 ⑵各向异性 ⑶自发地形成多面体外形 F+V=E+2
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
开普勒对固体结构的推测
冰的结构
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。
常见的密堆积类型
常见密堆积型式
三层球堆积情况分析
第二层堆积时形成了两种空隙：四面体空隙和 八面体空隙。那么，在堆积第三层时就会产 生两种方式： • 1.第三层等径圆球的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 层错开，形成ABAB…堆积。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）。
密度计算
• 晶体结构的基本重复单位是晶胞，只要将一个晶 胞的结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。
• 利用晶胞参数可计算晶胞体积(V)，根据相对分子 质量(M)、晶胞中分子数(Z)和Avogadro常数N，可
计算晶体的密度 ：
MZ
NV
三、晶体结构的密堆积原理
• 1619年，开普勒模型（开普勒从雪花的六边形结构 出发提出：固体是由球密堆积成的）
3. 四方晶系(t)：有1个四重对称轴(a=b, α=β=γ=90º) 4. 三方晶系(h)：有1个三重对称轴(a=b, α=β=90º,
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▪ 立方密堆和六方密堆不同之处在于，立方密堆将六方密堆 的第三层垂直提高为第四层，然后插入球心对准第一层中 另三个三角形间隙的第三层，即图中的C层，而构 成…ABCABC…排列，图中各层垂直轴为三次旋转对称 轴，是[111]方向。从立方密堆另一种表示方法，明显地 可以看出，立方密堆结构和六方密堆一样，立方密堆中任 一球也与相邻空间的12个球紧密相切。和某一圆球相切的 柜邻空间圆球数，称为配位数。
典型离子化合物晶体结构
▪ 在离子化合物晶体结构中，参与密堆的是各种正、负离子。 由于外层电子的得或失，而使正、负离子的半径差别较大。 通常负离子半径要比正离子的大得多。如果还是把它看作 刚性球的话，那就必须研究不等径球的密堆问题。常见的 情况是负离子以某种形式堆积，正离子填充于其堆积间隙 之中。显然，负离子与负离子之间的配位数愈大，则其堆 积密度愈大，其堆积间隙愈小，可容纳正离子的半径愈小， 且正离子近邻的配位负离子数也愈少，反之即相反。
典型单质晶体的结构
▪ 硅和锗是典型的元素半导体材料，其中硅是目前最重要、用途最广泛 的半导体材料，硅器件占整个半导体器件的80%以上。
▪ 硅在元素周期表中是第IV族主族元素，它的原子结构最外层有4个价 电子，所以硅在它的化合物中呈现正4价。硅晶体和锗晶体的结构均 为金刚石结构，其中硅晶体的金刚石结构如图所示。每个原子和邻近 的4个原子以共价键相结合，组成一个正四面体，而且每个硅原子都 可以看成位于四面体的中心，每两个相邻原子间的距离是0.256nm.
不等径球的配位关系 （中心为正离子，顶角为负离子
▪ 此处从不等径刚性球的简单几何排列出发，得到了所列的 配位关系，对于实际晶体中的离子一般是符合的，因为只 有按照这种排列，才能获得能量最低，最稳定的结构。但 也有例外，主要原因是在晶体中离子通常都不具球形对称， 也谈不上刚性。在离子晶体中，正、负离子的电子云分布， 将受到键的类型、极化、晶格构型等多种因素的影响。因 而下面我们首先讨论离子晶体中的化学键及离子半径，再 介绍对离子晶体结构有重要作用的鲍林规则，最后对典型 的离子晶体结构进行分析。
1.2 典型晶体的结构
▪ 密堆积与配位数 如果把原子或离子看作具有一定刚度的等径球，其占用空间最小，最 紧密（因而最稳定）的堆积方式有两种，即六方密堆和面心立方密堆。 六方密堆如图所示任一球均与相邻六球紧密相切为第一层；然后具有 同样密排的第二层球位于第一层球之上，使其球心正好落在第一层中 三球相切的三角形间隙之上（另一半三角间隙是空着的），即第二层 每一球均与第一层中相邻三个球紧密相切；最后放上第三层密排的球， 使其球心正好对准第一层，构成…ABAB…型排列，这样六方密堆中 每个球都与相邻空间的12个球紧密相切。
▪ 鲍林企图用电负性的差值来估量化学键中离子键 成分，见下表，表中数字对于理解中间型键的性 质很有参考价值。应注意的是，“离子键成分” 这个概念在量子力学中还找不到确切的含义，故 只能作为参考键型的参考概念。
▪ 工业上制备单晶硅的方法主要有直拉法（CZ 法）、区熔 法（FZ 法）、磁控直拉法（MCZ法）等方法。
▪ 至于半导体工业常用的共价型化合物晶体（如Ⅲ-Ⅴ族化 合物GaAs，InP晶体等）的结构，绝大多数具有闪锌矿 结构，与金刚石结构类似。由Ⅲ族原子和Ⅴ族原子各自组 成面心立方，再沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角 线长度套构而成。其晶胞结构见下节。
立方密堆的另一表示法
▪ 密堆度定义为堆积空间中被球体占用体积的百分数，以表 示其密堆程度。利用简单几何关系可以得知，配位数为12 的等径球六方密堆与立方密堆，均具有最高的密堆度，其 空间占用率为74.05%。此外，等径球如采取体心立方堆 积或简立方堆积，则其配位数分别为8和6，密堆度分别为 68.02%和52.36%。可见，在等径球密堆积的情况下，配 位数愈大则排列愈紧密，而等径球的最大配位数即为12.
一些原子的相对电负性
▪ 由此可见，电负性与化合物的键型有很大的关系。当电负 性相差甚大的元素相化合时，元素间极易产生电子的转移 而形成正、负离子，故容易形成离子型化合物。当电负性 相差较小时，则元素间较难发生电子的转移，靠电子云重 叠产生的力而形成共价键结合。然而，当两类原子的电负 性相差不大时，其实际化学键的情况要复杂得多。其价电 子的密度并不是像典型共价键那样大小相等地分布于两不 同原子周围；也不像典型离子键那样，在负离子周围价电 子的浓度大大地超过正离子周围，往往是受到正离子电场 的所谓极化作用，将似乎应在负离子周围对称分布的价电 子密度更多地集中到正负两离子之间来，形成所谓中间型 键。
化学键型与离子半径
离子晶体中键的特性
▪ 同类或异类原子之间的结合情况可以归结为化学键的特性。化学键的 性质主要取决于其原子间电子云的分布，而电子云的分布则可以通过 有关元素的电负性来反映。所以，有关元素结合成晶体时，其电负性 与其键的特性密切相关。从中性原子中取出一个最外层电子，使之成 为一价正离子时所作的功，称为第一电离能；而使中性原子获得一个 电子成为一价负离子时所放出的能量则称为化学亲和能。两者都表征 原子对电子的束缚能力，而电离能与亲和能之和则称为该元素的电负 性。人们常常通过电负性的数值来比较不同原子束缚电子的能力，即 得失电子的难易程度。下表列出一些原子的相对电负性，它是以锂的 电负性定为1而得出的，由表可见在相对电负性约为2处是金属与非金 属的分界线。非金属的相对电负性一般都等于或大于2电负性，故较 易获得电子而成为负离子。
▪ 为方便起见，把硅的共价键结构由立体形式改画到平面图中，如图所 示。原子间的共价键用平行的两条线表示。硅单晶体中的原子分布在 不同的平面上，可以画出一系列彼此平行的平面，这些平面就是晶面。 晶面方位用不同的晶面指数表示。如图所示，与x,y,z轴截距都为a的 平面定义为(111距为a而与y,z轴平行的晶面定义为(100)面，这些面都 是晶体结构描述中极常用的面。相应的晶面法线方向称作晶向，上述 3个晶面对应的晶向分别为[111],[110],[100].