高中化学竞赛辅导 晶体结构课件.ppt
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1、高中化学竞赛辅导高中化学竞赛辅导-晶体结构晶体结构6.1 晶体结构和类型晶体结构和类型6.4 典型例题典型例题6.3 离子晶体离子晶体6.2 金属晶体金属晶体6.1.1 晶体结构的特征与晶格理论晶体结构的特征与晶格理论6.1 晶体结构和类型晶体结构和类型6.1.3 晶体类型晶体类型6.1.2 球的密堆积球的密堆积 晶胞:晶胞:晶体的最小重复单元晶体的最小重复单元,通过晶,通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成晶体。胞在空间平移无隙地堆砌而成晶体。由晶胞参数由晶胞参数a,b,c,表示,表示,a,b,c 为六面体边长,为六面体边长,分别是分别是bc,ca,ab 所组所组成的夹角。成的夹角。6.1.1 晶
2、体结构的特征与晶格理论晶体结构的特征与晶格理论晶胞的两个要素:晶胞的两个要素:1.晶胞的大小与形状:晶胞的大小与形状:ABCDEFGH2.原子坐标原子坐标ABCDEFGHABCDEFGH(0,0,0)(0,0,0)(0,0,0)(0,0,0)(0,0,0)(0,0,0)(0,0,0)(0,0,0)体心体心(1/2,1/2,1/2)下面心下面心(1/2,1/2,0)(1/2,0,1/2)右面心右面心3.晶胞的内容:晶胞的内容:粒子的种类,数目及它在晶粒子的种类,数目及它在晶胞中的相对位置(胞中的相对位置(原子坐标原子坐标)。按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。
3、晶系边长夹角晶体实例立方晶系a=b=c=900NaCl三方晶系a=b=c=900Al2O3四方晶系a=bc=900SnO2六方晶系a=bc=900,=1200AgI正交晶系abc=900HgCl2单斜晶系abc=900,900KClO3三斜晶系abc 900CuSO45H2O 按带心型式分类,将七大晶系分为按带心型式分类,将七大晶系分为14种种型式。例如,立方晶系分为型式。例如,立方晶系分为简单立方、体心简单立方、体心立方和面心立方立方和面心立方三种型式。三种型式。6.1.2 晶体结构的密堆积原理 所谓密堆积结构是指在由无方向性的金属键力、离子键力及范德华力等结合力的晶体中,原子、离子或分子等
4、微粒总是倾向于采取相互配位数高、能充分利用空间的堆积密度大的那些结构。这样的结构由于充分利用了空间,从而使体系的势能尽可能降低,使体系稳定。这就是密堆积原理。1.面心立方最密堆积(A1)和六方最密堆积(A3)同一层上等径圆球的最密堆积只有一种形式 两层等径圆球的最密堆积也只有一种形式,如右图:A1型最密堆积A3型最密堆积 三层等径圆球的最密堆积有两种形式,如下图:A1和A3堆积的异同 A1是ABCABCABC型式的堆积,从 这 种 堆 积 中 可 以 抽 出 一 个 立 方 面 心 点阵,因 此 这 种 堆 积 型 式 的 最 小 单 位 是 一个立方面心晶胞。A3是ABABABAB型式的堆积
5、,这 种 堆 积 型 式 的 最 小 单 位 是 一 个 六 方 晶胞。A1最密堆积形成晶胞的两要素 A1堆积晶胞是立方面心,因此晶胞的大小可以用等径圆球的半径r表示出来,即晶胞的边长a与r的关系为:该晶胞中有4个圆球,各个圆球的分数坐标分别为:ra,ra22 42)21,21,(0),21,0,21(),0,21,21(),0,0,0(空间利用率的计算:A1堆积用圆球半径r表示的晶胞体积为:%.rrVVArVr)r(V05742312163441344 42162233333晶胞圆球圆球晶胞堆积的空间利用率为:个圆球的体积为:每个晶胞中 A1堆积中堆积中,每个晶每个晶胞中圆球的个数、四面体胞
6、中圆球的个数、四面体空隙、正八空隙、正八面体空隙分别为面体空隙分别为:4,8,4,即它们的比是即它们的比是1:2:1。a rA42 1堆积中,四面体空隙四面体空隙 八面体空隙八面体空隙金属半径与晶胞参数的关系正四面体空隙、正八面体空隙及多少A3最密堆积形成晶胞的两要素 A3堆积晶胞是六方晶胞,因此晶胞的大小可以用等径圆球的半径r表示出来,即晶胞的边长a,c与r的关系为:该晶胞中有2个圆球,各个圆球的分数坐标分别为:r.a.arr,ca26636331382382)21,31,32(),0,0,0(A3堆积的一个六方晶胞r2.36空间利用率的计算:A3堆积用圆球半径r表示的晶胞体积为:%.rrV
7、VArVrr)r(rV0574231283423342 228232383333晶胞圆球圆球晶胞堆积的空间利用率为:个圆球的体积为:每个晶胞中a120ocaa120ocacra rA323,21 3堆积中,A3堆积中堆积中,每个晶胞圆每个晶胞圆球的个数、正四面体球的个数、正四面体空隙、正八面体空隙空隙、正八面体空隙分别为分别为:2,4,2,即它即它们的比也是们的比也是1:2:1。中间层再放一个球中间层再放一个球四面体空隙四面体空隙 八面体空隙八面体空隙金属半径与晶胞参数的关系正四面体空隙、正八面体空隙及多少2.A2堆积形成晶胞的两要素 A2堆积晶胞是立方体心,因此晶胞的大小可以用等径圆球的半径
8、r表示出来,即晶胞的边长a与r的关系为:该晶胞中有2个圆球,各个圆球的分数坐标分别为:ar,ra,ra43 34 43)21,21,21(),0,0,0(A2堆积的空间利用率的计算:A2堆积用圆球半径r表示的晶胞体积为:%.rrVVArVr)r(V02688333643422342 233643433333晶胞圆球圆球晶胞堆积的空间利用率为:个圆球的体积为:每个晶胞中3.A4堆积形成晶胞的两要素 A4堆积晶胞是立方面心点阵结构,因此晶胞的大小可以用等径圆球的半径r表示出来,即晶胞的边长a与r的关系为:该晶胞中有8个圆球,各个圆球的分数坐标分别为:ar,ra,rra83 38 8243)4341
9、43(),434341()414343()414141()2121(0),21021(0)2121()000(,A4堆积的空间利用率的计算:A4堆积用圆球半径r表示的晶胞体积为:%01.34163335123484348 833512)38(33333rrVVArVrrV晶胞圆球圆球晶胞堆积的空间利用率为:个圆球的体积为:每个晶胞中4.常见金属的堆积型式:常见金属的堆积型式:碱金属元素一般都是碱金属元素一般都是A2型堆积;型堆积;碱土金属元素中碱土金属元素中Be,Mg属于属于A3型堆积;型堆积;Ca既有既有A1也也A3型堆积;型堆积;Ba属于属于A2型堆积;型堆积;Cu,Ag,Au属于属于A1
10、型堆积;型堆积;Zn,Cd属于属于A3型堆积;型堆积;Ge,Sn属于属于A4型堆积。型堆积。晶体的分类晶体的分类物理性质组成粒子粒子间作用力熔沸点硬度熔融导电性例金属晶体原子离子金属键高低大小好Cr,K原子晶体原子共价键高大差离子晶体离子离子键高大好NaCl分子晶体分子分子间力低小差干冰2SiO6.1.3 晶体类型晶体类型6.2.1 金属晶体的结构金属晶体的结构6.2 金属晶体金属晶体 金属晶体是金属原子或离子彼此靠金金属晶体是金属原子或离子彼此靠金属键结合而成的。金属键没有方向性,金属键结合而成的。金属键没有方向性,金属晶体内原子以配位数高为特征。属晶体内原子以配位数高为特征。金属晶体的结构
11、:等径球的密堆积。金属晶体的结构:等径球的密堆积。6.2.1 金属晶体的结构金属晶体的结构金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种:金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种:六六方密堆积方密堆积(Hexgonal close Packing);面心立方密堆积面心立方密堆积(Face-centred Cubic clode Packing);体心立方堆积体心立方堆积(Body-centred Cubic Packing)。6.3 离子晶体的特征结构离子晶体的特征结构6.3 离子晶体离子晶体(1)离子晶体:密堆积空隙的填充。离子晶体:密堆积空隙的填充。阴离子:阴离子:大球,密堆积,形成空隙。大球,密堆积,
12、形成空隙。阳离子:阳离子:小球,填充空隙。小球,填充空隙。规则:规则:阴阳离子相互接触稳定;阴阳离子相互接触稳定;配位数大,稳定。配位数大,稳定。6.3.1 离子晶体的特征结构离子晶体的特征结构(2)几种典型的离子晶体几种典型的离子晶体 离子晶体的结构多种多样离子晶体的结构多种多样,而且有的很而且有的很复杂。但复杂离子晶体一般都是几种典型复杂。但复杂离子晶体一般都是几种典型简单结构形式的变形简单结构形式的变形,因此需要了解几种因此需要了解几种离子晶体的几种典型结构离子晶体的几种典型结构,这包括这包括CsCl、NaCl、立方、立方ZnS、CaF2、TiO2等。等。(3)离子晶体结构模型离子晶体结
13、构模型 在离子晶体中,由于各种正、负离子的大小不同,离子半径比在离子晶体中,由于各种正、负离子的大小不同,离子半径比不同,其配位数不同,晶体中正、负离子的空间排布也不同,因不同,其配位数不同,晶体中正、负离子的空间排布也不同,因此得到不同类型的离子晶体。主要介绍五种常见的离子晶型,均此得到不同类型的离子晶体。主要介绍五种常见的离子晶型,均属立方晶系。属立方晶系。1 1CsClCsCl型型,简单立方晶格,配位数,简单立方晶格,配位数8:88:8,r r+=169=1692 2NaClNaCl型型,立方面心晶格,配位数,立方面心晶格,配位数6:66:6,r r+=95pm=95pm,r r-=18
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