化学竟赛晶体结构课件

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1、K2Cr2O7晶体KNO3晶体晶体的类型与性质晶体的类型与性质 化学竟赛晶体结构课件一、一、离子晶体离子晶体 强碱、部分金属氧化物、部分盐类。强碱、部分金属氧化物、部分盐类。属于离子晶体物质属于离子晶体物质 构成粒子：构成粒子：例如例如:Na2O Na2O2 KOH NaOH NaCl CsCl K2SO4 NH4Cl 阴阳离子阴阳离子相互作用：相互作用：离子键离子键离子间通过离子键结合而成的晶体。离子间通过离子键结合而成的晶体。.无单个分子存在。无单个分子存在。熔沸点较高，硬度较大，难挥发难压缩。熔沸点较高，硬度较大，难挥发难压缩。水溶液或者熔融状态下均导电。水溶液或者熔融状态下均导电。强碱

2、、部分金属氧化物、绝大部分盐类。强碱、部分金属氧化物、绝大部分盐类。3.3.离子晶体的特点离子晶体的特点Na+Cl-Cl-Na+Na+Na+Cl-Cl-Na+Cl-Na+Na+Cl-Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Cl-Na+Na+Na+Cl-Cl-Na+食盐食盐(晶体晶体)的形成的形成以离子键结合以离子键结合Na+食盐的晶体结构图食盐的晶体结构图Cl-Na+Cl-123546可见：在可见：在NaCl晶体中，钠离子、氯离子按一定的规律在空间排列成立方体。每个钠离晶体中，钠离子、氯离子按一定的规律在空间排列成立方体。每个钠离子周围同时吸引着子周围同时吸引着6个氯离子，每个氯离子也同时吸

3、引着个氯离子，每个氯离子也同时吸引着6个钠离子。个钠离子。235461CsCl晶体晶体 根据离子晶体的根据离子晶体的晶胞，求阴、阳晶胞，求阴、阳离子个数比的方离子个数比的方法法。在晶体结构中最小重复单位叫晶胞。在晶体结构中最小重复单位叫晶胞。有有1/81/8属于属于该晶胞该晶胞有有1/41/4属于该晶胞属于该晶胞有有1/21/2属于该晶胞属于该晶胞完全属于该晶胞完全属于该晶胞ACB确定化学式确定化学式小结：小结：立方体晶胞中各位置上粒子总数的计算方法分别是：立方体晶胞中各位置上粒子总数的计算方法分别是：顶角上的粒子总数顶角上的粒子总数=1/8=1/8顶角粒子数顶角粒子数棱上的粒子总数棱上的粒子

4、总数面心上的粒子总数面心上的粒子总数=1/4=1/4棱上粒子数棱上粒子数=1/2=1/2面心粒子数面心粒子数体心上的粒子总数体心上的粒子总数=1=1体心粒子数体心粒子数 在高温超导领域中，有一种化合物叫钙钛矿，在高温超导领域中，有一种化合物叫钙钛矿，其晶体结构中有代表性的最小单位结构如图所示其晶体结构中有代表性的最小单位结构如图所示试回答：试回答：(1)(1)在该晶体中每个钛离子周围与它最近且相在该晶体中每个钛离子周围与它最近且相等距离的钛离子有多少个等距离的钛离子有多少个?(2)(2)在该晶体中氧、钙、钛的粒子个数比是多在该晶体中氧、钙、钛的粒子个数比是多少少?化学竟赛晶体结构课件研究离子晶

5、体，常考察以一个离子为中心时，其周围不同研究离子晶体，常考察以一个离子为中心时，其周围不同距离的离子对它的吸引或排斥的静电作用力。设氯化钠晶距离的离子对它的吸引或排斥的静电作用力。设氯化钠晶体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为d，以钠离，以钠离子为中心，则：子为中心，则：(1)第二层离子有第二层离子有 个，离中心离子的距离为个，离中心离子的距离为 d，它们是它们是 离子。离子。(2)已知在晶体中已知在晶体中Na离子的半径为离子的半径为116pm，Cl离子的离子的半径为半径为167pm，它们在晶体中是紧密接触的。求离子占，它们在晶体中是紧密接触的。求离

6、子占据整个晶体空间的百分数。据整个晶体空间的百分数。(3)纳米材料的表面原子占总原子数的比例极大，这是它纳米材料的表面原子占总原子数的比例极大，这是它的许多特殊性质的原因，假设某氯化钠纳米颗粒的大小和的许多特殊性质的原因，假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状，求这种纳米颗粒的形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状，求这种纳米颗粒的表面原子占总原子数的百分比。表面原子占总原子数的百分比。(4)假设某氯化钠颗粒形状为立方体，边长为氯化钠晶胞假设某氯化钠颗粒形状为立方体，边长为氯化钠晶胞边长的边长的10倍，试估算表面原子占总原子数的百分比。倍，试估算表面原子占总原子数的百分比。二、

7、原子晶体二、原子晶体原子间通过共价键结合而成的具有空间网状结构的晶体。原子间通过共价键结合而成的具有空间网状结构的晶体。金刚石、单晶硅、碳化硅、二氧化硅等。金刚石、单晶硅、碳化硅、二氧化硅等。属于原子晶体物质属于原子晶体物质原子晶体的特点原子晶体的特点晶体中无单个分子存在。晶体中无单个分子存在。SiO2是化学式不是分子式，是化学式不是分子式，Si和和O原子个数比原子个数比1 2。熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。熔沸点很高，硬度很大，难溶于一般溶剂。不导电。不导电。金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构金刚石晶体结构模型金刚石晶体结构模型二氧化硅晶体结构二氧化硅晶体结构二氧化硅中二氧化硅中SiO

8、键键夹角为夹角为10928 SiO2平面结构平面结构SiO2最小的环有几个原子组成？最小的环有几个原子组成？白球表示硅原子白球表示硅原子1212个个1.金刚石晶体中的碳金刚石晶体中的碳原子数与原子数与C-C化学键化学键数的比是数的比是 。n mol SiO2中含有的中含有的SiO键为键为 mol 2 2 如图所示，晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组如图所示，晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体的原子晶体，其中含有成的正二十面体的原子晶体，其中含有2020个等边三角形个等边三角形和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个原子，观察和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个原子，观察图形回答：图形

9、回答：这个基本单元由这个基本单元由 个硼原子个硼原子组成，键角是组成，键角是 ，共含有，共含有 个个B BB B键。键。1260o30三、分子晶体三、分子晶体分子间通过分子间作用力结合成的晶体。分子间通过分子间作用力结合成的晶体。分子间作用力：分子间作用力：把分子聚集在一起的作用力。又称范德瓦耳斯力把分子聚集在一起的作用力。又称范德瓦耳斯力。分子间作用力的特点分子间作用力的特点比化学键弱得多，它对物质的熔比化学键弱得多，它对物质的熔点、点、沸点有影响。沸点有影响。键能一般为键能一般为:120kJ/mol800kJ/mol分子间作用力约几个分子间作用力约几个数十个数十个kJ/mol 对于组成与结

10、构相似的物质，相对分子质量越大，分子间对于组成与结构相似的物质，相对分子质量越大，分子间作用力越大，其熔沸点也越高。作用力越大，其熔沸点也越高。一般规律：一般规律：分子晶体的特点分子晶体的特点有单个分子存在；化学式就是分子式。有单个分子存在；化学式就是分子式。熔沸点较低，硬度较小。熔沸点较低，硬度较小。固态和熔融状态下都不导电。固态和熔融状态下都不导电。稀有气体、多数非金属单质、非金属氢化物、多数非金属氧化物、稀有气体、多数非金属单质、非金属氢化物、多数非金属氧化物、含氧酸、含氧酸、部分盐类部分盐类、大、大多数有机物等。多数有机物等。属于分子晶体物质属于分子晶体物质例如例如:He I2 C60

11、 H2O CO2 H2SO4 AlCl3 C12H22O11 HF+-HF-+HF-+氢键氢键 水分子间形成的氢键水分子间形成的氢键氢键的基本特征氢键的基本特征 它比化学键弱而比分子间作用力强，其键能约在它比化学键弱而比分子间作用力强，其键能约在1040kJmol-1。是一种存在于分子之间也存在于分子内的作用力。是一种存在于分子之间也存在于分子内的作用力。氢键的形成条件氢键的形成条件表示方法表示方法：在形成氢键的两原子间用在形成氢键的两原子间用 表示表示分子中有氢原子和得电子能力强的原子。如：分子中有氢原子和得电子能力强的原子。如：N、O、F化学竟赛晶体结构课件 除了分子间氢键外，还有分子内除

12、了分子间氢键外，还有分子内氢键。例如，硝酸的分子内氢键使其氢键。例如，硝酸的分子内氢键使其熔、沸点较低。熔、沸点较低。干冰的晶体结构图干冰的晶体结构图(一一)干冰的晶体结构图干冰的晶体结构图(二二)可见可见:每个二氧化碳分子周围有每个二氧化碳分子周围有 个二氧化碳分子个二氧化碳分子1212石墨的晶体结构图石墨的晶体结构图化学竟赛晶体结构课件层间为分子间力层间为分子间力化学竟赛晶体结构课件 同一层：同一层：CC 键长为键长为142pm，C 原子与周围三个原子与周围三个 C 原子形成共原子形成共价键，键角为价键，键角为 1200。层与层间：距离为层与层间：距离为 340pm，靠分子间力结合起来。，

13、靠分子间力结合起来。石墨晶体既有共价键，又有分子间作用力，是石墨晶体既有共价键，又有分子间作用力，是过渡型或混合型晶过渡型或混合型晶体。体。石墨晶体中每一层为正六边形的平面网状结构石墨晶体中每一层为正六边形的平面网状结构,则每个正则每个正六边形占有多少个碳原子六边形占有多少个碳原子?多少个多少个C-C键键?石墨为什么很软？石墨为什么很软？石墨为层状结构，各层之间是以分子间作用力相结合，容易滑动，石墨为层状结构，各层之间是以分子间作用力相结合，容易滑动，所以硬度很小。所以硬度很小。石墨各层均为平面网状结构，同层碳原子之间以较强的共价键石墨各层均为平面网状结构，同层碳原子之间以较强的共价键结合，所

14、以熔沸点很高。结合，所以熔沸点很高。石墨的熔沸点为什么很高？石墨的熔沸点为什么很高？四、金属晶体四、金属晶体 通过金属离子与自由电子之间的较通过金属离子与自由电子之间的较强作用形成的晶体强作用形成的晶体 。金属离子与自由电子金属离子与自由电子之间的较强作用就是金之间的较强作用就是金属键属键 金属晶体容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等金属晶体容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等 金属导电的原因：金属导电的原因：在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运在金属晶体中，存在着许多自由电子，这些自由电子的运动是没有方向的，但在外加电场的条件下自由电子就会发生定动是没有方向的，但在外加电场

15、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。向运动，因而形成电流，所以金属容易导电。金属晶体的结构与金属性质的内在联系金属晶体的结构与金属性质的内在联系金属的延展性金属的延展性自由电子自由电子+金属离子金属离子金属原子金属原子外力外力+金属金属导导热的原因热的原因 金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属离子发生金属容易导热，是由于自由电子运动时与金属离子发生碰撞，把能量从温度高的部分传到温度低的部分，从而使整碰撞，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。块金属达到相同的温度。化学竟赛晶体结构课件金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种：金属晶体中

16、粒子的排列方式常见的有三种：体心立方堆积体心立方堆积面心立方密堆积面心立方密堆积六方密堆积六方密堆积化学竟赛晶体结构课件体心立方晶胞中金属原子的空间利用率体心立方晶胞中金属原子的空间利用率()(2)(2)原子半径原子半径r 与晶胞边长与晶胞边长a 的关系的关系：勾股定理：勾股定理：2a 2 +a 2 =(4r)2 底面对角线平方底面对角线平方 垂直边长平方垂直边长平方 斜边平方斜边平方 得：得：a43rr16a322(3)(3)=晶胞含有原子的体积晶胞含有原子的体积 /晶胞体积晶胞体积 100%100%=%68%100a)a43(342ar3423333(1)计算每个晶胞含有几个原子计算每个晶

17、胞含有几个原子:1 +8 1/8 =2化学竟赛晶体结构课件面心立方晶胞的空间利用率面心立方晶胞的空间利用率晶胞边长为晶胞边长为a，原子半径为，原子半径为r.据勾股定理：据勾股定理：a 2+a 2 =(4r)2 a=2.83 r每个面心立方晶胞含原子数目：每个面心立方晶胞含原子数目：8 1/8+6 =4 8个顶点各个顶点各1个原子，为个原子，为8个晶胞共享；个晶胞共享；6个面心，各个面心，各1个原子，为个原子，为2个晶胞共享个晶胞共享.%=(4 4/3 r 3)/a 3 =(4 4/3 r 3 r)3 100%=74%晶体类型晶体类型构成的微粒构成的微粒微粒间的作微粒间的作用用含化学键情含化学键

18、情况况熔化需克熔化需克服的作用服的作用固体导电固体导电情况情况熔化时导电情熔化时导电情况况离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体阴、阳离子阴、阳离子原子原子分子分子金属阳离子、自金属阳离子、自由电子由电子离子键离子键共价键共价键分子间作用分子间作用力力 (氢键氢键)金属键金属键一定有离子键，可一定有离子键，可能有共价键能有共价键含有极性键或含有极性键或非极性键非极性键含有共价键或不含含有共价键或不含任何化学键任何化学键金属键金属键离子键离子键共价键共价键分子间作用分子间作用力力金属键金属键不导电不导电除半导体外不除半导体外不导电导电不导电不导电导电导电导电导电导电导电

19、不导电不导电除半导体外不除半导体外不导电导电晶型的判断晶型的判断1 1从组成上判断从组成上判断(仅限于中学范围仅限于中学范围)：化合物有无活泼金属或铵根化合物有无活泼金属或铵根(有，则多为离子晶体有，则多为离子晶体)是否属于四种常见的原子晶体是否属于四种常见的原子晶体是否为金属单质是否为金属单质 以上皆否定，则多数是分子晶体以上皆否定，则多数是分子晶体2 2从性质上判断：从性质上判断：熔沸点和硬度熔沸点和硬度(高：原子晶体；中：离子晶体；高：原子晶体；中：离子晶体；低：分子晶体低：分子晶体)熔融状态的导电性熔融状态的导电性(导电：离子晶体导电：离子晶体)已知下列晶体的熔点：已知下列晶体的熔点：

20、NaCl801 AlF3 1291 AlCl3190 BCl3107 Al2O3 2045 CO2-56.6 SiO21723 据此判断下列说法错误的是据此判断下列说法错误的是 （）A元素和铝组成的晶体中有的是离子晶体元素和铝组成的晶体中有的是离子晶体 B以上给出的物质中只有以上给出的物质中只有BCl3和和CO2是分子晶体是分子晶体 C同族元素的氧化物可以形成不同类型的晶体同族元素的氧化物可以形成不同类型的晶体 D不同族元素的氧化物可以形成相同类型的晶体不同族元素的氧化物可以形成相同类型的晶体B 熔沸点的比较：熔沸点的比较：1 1同种晶体：相互作用越强，熔沸点越高。同种晶体：相互作用越强，熔沸

21、点越高。离子晶体：离子的电荷数越多，离子半径越小，离子晶体：离子的电荷数越多，离子半径越小，离子键越强，熔沸点越高离子键越强，熔沸点越高分子晶体：分子晶体：组成和结构相似的物质，相对分子质组成和结构相似的物质，相对分子质 量越大，分子间作用力越强，熔沸点越量越大，分子间作用力越强，熔沸点越 高高(如分子间形成氢键，则熔沸点更高如分子间形成氢键，则熔沸点更高)原子晶体：原子半径越小，共价键越强，熔沸点越原子晶体：原子半径越小，共价键越强，熔沸点越 高高 金属晶体：主族金属阳离子电荷数越多，离子半径金属晶体：主族金属阳离子电荷数越多，离子半径越小，金属键越强，熔沸点越高越小，金属键越强，熔沸点越高

22、2 2不同种晶体：不同种晶体：原子晶体原子晶体 离子晶体离子晶体 分子晶体分子晶体 金属晶体金属晶体 可高可低可高可低 3 3常温下物质的状态：常温下物质的状态：固态固态 液态液态 气态气态下列各物质中，按熔点由低到高排列正确的下列各物质中，按熔点由低到高排列正确的是是 ()AO2、I2、Hg、MgCl2 BCO2、KCl、NaCl、SiO2 CNa、K、Rb、Cs DH2O、H2S、H2Se、KCl 化学竟赛晶体结构课件三种典型的离子晶体三种典型的离子晶体NaCl型型晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：个：414112 Na个：4216818 Cl面心立方面心立方(红球红球Na+,绿球绿球C

23、l-)有关晶体的计算有关晶体的计算配位比：配位比：6:6化学竟赛晶体结构课件CsCl型型晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：个：1 Cs个：1818 Cl-(红球红球Cs+,绿球绿球Cl-)简单立方简单立方配位比：配位比：8:8化学竟赛晶体结构课件晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：个：4 Zn2个：4818216 S-2ZnS型型(立方型立方型)面心立方面心立方(红球红球Zn2+,绿球绿球S2-)配位比：配位比：4:4化学竟赛晶体结构课件 4.1996年诺贝化学奖授予对发现年诺贝化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。有重大贡献的三位科学家。C60分分子是形如球状的多面体子是形如球状的

24、多面体(如图如图),该结构的建立基于以下考虑该结构的建立基于以下考虑:C60分分子中每个碳原子只跟相邻的子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键个碳原子形成化学键;C60分子只含有分子只含有五边形和六边形五边形和六边形;多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理遵循欧拉定理:顶点数面数棱边数顶点数面数棱边数2 据上所述据上所述,可推知可推知C60分子有分子有 12个五边形和个五边形和20个六边形个六边形,C60分子所含的双键数为分子所含的双键数为30。请回答下列问题请回答下列问题:化学竟赛晶体结构课件 (1)固体固体C60与金刚石相比较与金刚石相比

25、较,熔点较高者应是熔点较高者应是_,理由理由是是:_.(2)试估计试估计C60跟跟F2在一定条件下在一定条件下,能否发生反应生成能否发生反应生成C60F60(填填“可能可能”或或“不可能不可能”)，并简述其理由：，并简述其理由：。(3)通过计算，确定通过计算，确定C60分子所含单键数。分子所含单键数。C60分子所含单键数为分子所含单键数为_.(4)C70分子也已制得分子也已制得,它的分子结构模型可以与它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知同样考虑而推知.通通过计算确定过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目分子中五边形和六边形的数目.C70分子中所含五边形分子中所含五边形数为数为_,六边

26、形数为六边形数为_。化学竟赛晶体结构课件5.NiO晶体为晶体为NaCl型结构型结构,将它在氧气中加热将它在氧气中加热,部分部分Ni2+将氧化为将氧化为Ni3+,成为成为NixO(x1)。今有。今有一批一批NixO,测得密度为测得密度为6.47gcm-3,晶胞参数为晶胞参数为a=416pm,Ni的相对原子质量为。的相对原子质量为。(1)求出求出x的值的值,并写出标明并写出标明Ni价态的化学式价态的化学式;(2)求在求在NixO晶体中晶体中,Ni-Ni间的最短距离是多间的最短距离是多少少?化学竟赛晶体结构课件(1)由于由于NixO晶体属于晶体属于NaCl型型,其密度为其密度为:d=4M/(N0a3

27、),因此可以求出因此可以求出NixO的摩尔质量的摩尔质量M,M=70.1 gmol-1。M=58.7 x+16.0=70.1,得到得到:x=0.92。设设0.92mol Ni中有中有ymol Ni2+,根据电荷平衡有根据电荷平衡有:2yy)=2,y=0.76,所以该所以该NixO的化学式为的化学式为:(2)Ni-Ni间的最短距离是间的最短距离是:ONiNiIII0.16II0.76pm2944162222a化学竟赛晶体结构课件 6.下图是金属钨晶体的密堆结构模型图。从金属钨晶体中划分出的一个晶胞它是一下图是金属钨晶体的密堆结构模型图。从金属钨晶体中划分出的一个晶胞它是一个立方体，立方体中每个角各有个立方体，立方体中每个角各有1个钨原子，中心有个钨原子，中心有1个钨原子。实验测得金属钨的密个钨原子。实验测得金属钨的密度为度为3相对原子质量为，相对原子质量为，NA=6.0231023/mol。假定金属钨为等径的钨原子刚性球，采。假定金属钨为等径的钨原子刚性球，采取上述方式的密堆积。试回答下列各问：取上述方式的密堆积。试回答下列各问：