晶体结构

《金属晶体》
一、金属共同的物理性质
容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。
金属为什么具有这些共同性质呢?
二、金属的结构
问题：构成金属晶体的粒子有哪些？
组成粒子：金属阳离子和自由电子
1.“电子气理论”(自由电子理论) 金属原子脱落来的价电子形成遍布整
个晶体的“电子气”,被所有原子所共用， 从而把所有的原子维系在一起。
1、什么是晶体？什么是非晶体？
定义：晶体——具有规则几何外形的固体
非晶体——没有规则几何外形的固体
2、晶体有什么特点和性质？
特点和性质： （1） 晶体有自范性（几何外形和内部质点排
列的高度有序性，非晶体没有） （2）晶体具有各向异性（非晶体不具有各向异
性） （3）晶体具有固定的熔点（非晶体不具有固定
《分子晶体与原子晶体》
交流·讨论
雪花、冰糖、食盐、水晶 和电木（酚醛树脂）这些固体 是否属于晶体？若不是晶体， 请说明理由。
观察与思考： 下列两种晶体有什么共同点？
干冰晶体结构
碘晶体结构
一、分子晶体
1、概念
构成晶体的粒子是分子，粒子 间以分子间作用力（范德华力， 氢键）相互作用的晶体叫分子晶 体。
故其熔点金刚石高。
金刚石 3550
沸点 （℃）
4827 4827
（3）石墨属于哪类晶体？为什么？
石墨为混合键型晶体。
4. 只认识到冰中含有共价键（即氢元素和 氧元素之间的共价键），而没有认识冰晶 体中水分子与其他水分子之间的作用力是 范德华力和氢键，不是化学键，所以误认 为冰是原子晶体。
5.属于分子晶体的有：干冰、冰、硫磺、 C60、碘、白磷、苯甲酸、稀有气体的晶体 、氧的晶体、氮的晶体； 属于原子晶体的有：金刚石、石英、金刚砂
Hale Waihona Puke A．AB C．AB3B．A2B D．A2B3
◆
4、右面图形是石墨晶体的层面结构图， 试分析图形推测层面上每个正六边型拥有的 共价键数和碳原子数是分别： A、6，6 B、2，4 C、2，3 D、3，2
◆
5、某离子晶体晶胞结构如右图所示，X位于立方体 的顶点， Y位于立方体的中心，晶体中距离最近的 两个X与一个Y形成的夹角∠XYX的角度为： A. 90° B. 60° C. 120° D. 109°28′
钠、锌晶胞都是：8×1/8+1=2； 碘：（8×1/8+6×1/2）×2=8； 金刚石：8×1/8+6×1/2+4=8。
◆
典例分析 例:2001年报道的硼和镁形成的化合物刷新了 金属化合物超导温度的最高记录。如图所示的是 该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱 柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子，6个硼 原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为
109º28´
共价键
金刚石的晶体结构示意图
109º28´
共价键
二．原子晶体（共价晶体）
1、概念：
金 刚
石
构成晶体的粒子是原子，所有的相 邻原子间都以共价键相结合而形成空 间立体网状结构的晶体。
观察·思考
• 对比分子晶体和原子晶体的数据，原子 晶体有何物理特性？
2、原子晶体的物理特性
（1）熔点和沸点高； （2）硬度大； （3）一般不导电； （4）且难溶于一些常见的溶剂。
晶体结构与性质
晶体结构知识初步
一、晶体与非晶体
你知道固体有晶体和 非晶体之分吗？能否 举例说明？
胆
冰
矾
糖
晶
体
明
矾
晶
水
体
晶
水晶石
祖母绿
绿宝石
猫眼石
紫水晶
黄黄水水晶晶
NaCl晶体结构示意图：
ClNa+
金刚石晶体 结构示意图
干 冰 晶 体 结 构
玻璃结构示意图
B M
O
Si
晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图
◆
6、图是超导化合物一钙钛矿晶体中最小重复单元(晶 胞)的结构.请回答： (1)该化合物的化学式为_C_a_T_i_O_3_. (2)在该化合物晶体中，与某个钛离 子距离最近且相等的其他钛离子共
有____6______个.
(3)设该化合物的相对分子质量为M， 密度为 ag / cm3 阿伏加德罗常数为
石墨
金刚石
思考：
（1）石墨为什么很软？
石墨为层状结构，各层之间是范德华力结合，
容易滑动，所以石墨很软。
（2）石墨的熔沸点为什么很高？
石墨的熔点为什么高于金刚石？
它们都有很强的C-C共价键。在石墨 中各层均为平面网状结构，碳原子
熔点 （℃）
之间存在很强的共价键（大π键）， C-C键长比金刚石的短，键的强度大， 石墨 3652
– 二氧化硅（ SiO２）晶体、α-Al2O3
学与问
1、怎样从原子结构角度理解金刚石、硅 和锗的熔点和硬度依次下降？
解释：结构相似的原子晶体，原子半径越 小，键长越短，键能越大。碳、硅、锗原 子半径依次增大，键长依次增大，键的强 度依次减弱。故它们熔点和硬度依次下降。 即金刚石＞硅＞锗 2、“具有共价键的晶体叫做原子晶体”。 这种说法对吗？为什么？
在金属晶体中，存在着许多自由电子， 这些自由电子的运动是没有一定方向的， 但在外加电场的条件下自由电子就会发 生定向运动，因而形成电流，所以金属 容易导电。
【讨论2】金属为什么易导热？
金属容易导热，是由于自由电子运 动时与金属离子碰撞把能量从温度 高的部分传到温度低的部分，从而 使整块金属达到相同的温度。
2.在上述晶体中，晶胞是如何排列的？晶胞 之间是否存在空隙？
晶体结构 晶胞示意图
铜晶体
铜晶胞
金刚石的多面体外形、晶体结构和晶胞示意图
NaCl晶体结构和晶胞
思考与交流:
上述铜晶体、金刚石、NaCl晶体的晶胞空间构形是怎 样的？
无隙并置
平行六 面体
思考： 铜晶胞含有4个铜原子，为什么不
是14个？
科学视野 天然气水合物——一种潜在的能源
笼状化合物
思考与交流
• CO2和SiO2的一些物理性质如下表所示，通过 比较试判断SiO2晶体是否属于分子晶体。
• 碳元素和硅元素处于元素周期表中同一主族， 为什么CO2晶体的熔、沸点很低，而SiO2晶体 的熔沸点很高？
二氧化硅晶体结构示意图
Si
O
180º
A、MgB B、 MgB2 C、Mg2B D、Mg3B2
典例分析
Mg原子的数目： 12×1/6+2×1/2=3 B原子的数目：6 故化学式可表示为
Mg2B
二﹑晶胞 1、概念：描述晶体结构的基本单元
叫做晶胞
2、晶胞中原子个数的计算
立方晶胞
顶点：1/8 棱边： 1/4 面心：1/2
体心： 1
3、如图所示晶体中每个阳离子A或阴离子B，均可被 另一种离子以四面体形式包围着，则该晶体对应的化 学式为
[课堂练习]
1、下列关于晶体与非晶体的说法正确的是
A、晶体一定比非晶体的熔点高
B、晶体有自范性但排列无序
C
C、非晶体无自范性而且排列无序
D、固体SiO2一定是晶体 2、区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是
A、熔沸点 B、硬度
C、颜色
D、x-射线衍射实验 D
二﹑晶胞
1.描述晶体结构的基本单元叫做晶胞
分子的非密堆积
氢键具有方向性
冰中１个水分子周围有４个水分子
冰的结构
4、晶体结构特征
（1）密堆积 只有范德华力，无分子间氢键——分子
密堆积。这类晶体每个分子周围一般有12 个紧邻的分子，如：C60、干冰 、I2、O2。 （2）非密堆积
有分子间氢键——氢键具有方向性,使晶体中 的空间利率不高,留有相当大的空隙.这种晶体不 具有分子密堆积特征。如：HF 、NH3、冰（每 个水分子周围只有4个紧邻的水分子）。
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，所以原子晶体有特殊的物理性质。
3、常见的原子晶体
（1）某些非金属单质：
– 金刚石（C）、晶体硅(Si)、晶体硼（B）、晶体 锗(Ge)等
（2）某些非金属化合物：
– 碳化硅（SiC）晶体、氮化硼（BN）晶体
（3）某些氧化物：
金属的延展性
++ + +++ + + ++ +
+++ ++ + + + ++
位错
+++ + ++ + + ++ ++++ +++ + +++ +
自由电子
+ 金属离子
金属原子
资
金属之最
料
熔点最低的金属是-------- 汞
熔点最高的金属是-------- 钨
2.金属键: 这种金属原子间由于电子气产 生的作用.(在金属晶体中，金属阳离子和 自由电子之间的较强的相互作用)在金属 晶体中。
3、金属晶体：通过金属键作用形成的单 质晶体
金属键强弱判断:阳离子所带电荷多、 半径小－金属键强，熔沸点高。
三、金属晶体的结构与金属性质的内在 联系
【讨论1】 金属为什么易导电 ？
蜂巢与蜂室
铜晶体
铜晶胞
晶体与晶胞的关系可用蜂巢与峰室的关系比喻， 然而蜂巢是有形的，晶胞是无形的，是人为划定的。
晶胞一般是平行六面体，整块晶体 可看作数量巨大的晶胞“无隙并置” 而成（晶胞间无间隙，平行排列）
CO2晶胞
NaCl晶体结构和晶胞
思考与交流:
1.上述铜晶体、金刚石、CO2晶体、NaCl晶 体的晶胞的空间构形呈什么形状？
分子晶体、原子晶体结构与性质关系的比较
晶体类型
结构、性质
结 构成晶体粒子 构 粒子间的作用力
硬度
溶、沸点
性
质
导电
分子晶体
分子 分子间作用力
较小 较低 固态和熔融状 态都不导电
原子晶体
原子 共价键 较大 很高 不导电
溶解性
相似相溶
难溶于常见溶剂
知识拓展－比较石墨和金刚石晶体结构
1.55×1010m
思考与交流:
1.如何鉴别晶体和非晶体?
（1）性质差异——如外形、硬度、熔点、折 光率
（2）区分晶体和非晶体最科学的方法是对固
体进行X-射线衍射实验。
[分组探讨]
2、某同学在网站找到一张玻璃的结构示意图如 图所示，这张图说明玻璃是不是晶体?为什么?
3、根据晶体物理性质的各向异性的特点，人们 很容易识别用玻璃仿造的假宝石。你能列举出一 些可能有效的方法鉴别假宝石吗?
分子晶体有哪些物理特性，为什么？
3、物理特性：
(1)较低的熔点和沸点，易升华； (2)较小的硬度； (3)一般都是绝缘体，熔融状态也不导电。
➢原因：分子间作用力较弱
分子的密堆积
氧（O2）的晶体结构
碳60的晶胞
（与每个分子距离最近的相同分子共有12个 ）
干冰的晶体结构图
分子的密堆积
（与CO2分子距离最近的 CO2分子共有12个 ）
2、典型的分子晶体：
（1）所有非金属氢化物：H2O，H2S，NH3， CH4，HX
（2）部分非金属单质:X2，O2，H2， S8，P4， C60 （3）部分非金属氧化物: CO2， SO2， NO2，
P4O6， P4O10 （4）几乎所有的酸：H2SO4，HNO3，H3PO4 （5）绝大多数有机物的晶体：乙醇，冰醋酸，蔗糖
的熔点）
3、晶体和非晶体的本质区别是什么？
★晶体的自范性即晶体能自发地呈现多面 体外形的性质。
3、晶体与非晶体的本质区别在于——
构成固体的粒子在三维空间里是 否呈现周期性的有序排列
思考:根据已有知识,举例说明如何
制得晶体?
4、晶体形成的途径： ①熔融态物质凝固. ②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华). ③溶质从溶液中析出.
【讨论3】金属为什么具有较好的延展性？ 金属晶体中由于金属离子与自由电子间
的相互作用没有方向性，各原子层之间发生 相对滑动以后，仍可保持这种相互作用，因 而即使在外力作用下，发生形变也不易断裂。
不同的金属在某些性质方面，如密度、硬度、 熔点等又表现出很大差别。这与金属原子本 身、晶体中原子的排列方式等因素有关。
2、晶胞中原子个数的计算
晶胞中原子个数的计算
体心：1
面心:1/2
顶点:1/8
棱边:1/4
晶体空间结构
ClNa+
3
4
8
7
1
2
5
6
小结:晶胞对质点的占有率
立方晶胞
顶点： 1/8 棱边： 1/4
面心： 1/2
体心： 1
探究: 下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(12)、金刚石
(C)晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含几个原子?
NA，则晶体中钙离子与钛离子之间 的最短距离为_______.
7、如图是CsCl晶体的晶胞（晶体中最小的重复单元） 已知晶体中2个最近的Cs+核间距离为acm，氯化铯 的相对分子质量为M，NA为阿佛加德
罗常数，则CsCl晶体的密度为
（单位：克/cm3）
A、8M/a3NA C、M/a3NA
B、a3M/8NA D、a3M/NA
◆
本节小结：
一、晶体与非晶体
1、定义：晶体——具有规则几何外形的固体 非晶体——没有规则几何外形的固体
2、特点和性质： （1） 晶体有自范性 （2）晶体具有各向异性 （3）晶体具有固定的熔点
3、晶体与非晶体的本质区别在于——构成固体的粒子 在三维空间里是否呈现周期性的有序排列
4、晶体形成的途径：
5、晶体和非晶体的鉴别