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第三章 晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識
教學(xué)目標(biāo)
1、教學(xué)目標(biāo)
1) 能說出包含“固、液、氣”在內(nèi)的更多的物質(zhì)聚集狀態(tài)。
2) 能說出晶體與非晶體的區(qū)別，了解獲得晶體的一般途徑。
3) 了解晶體中粒子的空間排布存在周期性，認(rèn)識簡單的晶胞，能計算簡單晶胞中粒子的數(shù)目。
4) 知道X射線衍射實驗是測定晶體結(jié)構(gòu)的常用方法。
2、教學(xué)重點和難點
1) 重點：晶體與非晶體的差異，晶體的自范性、各向異性，結(jié)晶的方法。
2) 難點：對晶胞的認(rèn)識。
美麗的晶體
一、物質(zhì)的聚集狀態(tài)
物質(zhì)發(fā)生三態(tài)變化的原因是什么？
觀察思考
固態(tài)
液態(tài)
氣態(tài)
液化(放熱)
汽化(吸熱)
融化(吸熱)
凝固(放熱)
升華(吸熱)
凝華(放熱)
20 世紀(jì)前，認(rèn)為分子是所有化學(xué)物質(zhì)能夠保持其性質(zhì)的最小粒子，三態(tài)的轉(zhuǎn)化只是分子間距離發(fā)生變化。
物質(zhì)的三態(tài)變化圖
一、物質(zhì)的聚集狀態(tài)
物質(zhì)發(fā)生三態(tài)變化的原因是什么？
觀察思考
20 世紀(jì)初，通過X射線衍射實驗等手段，發(fā)現(xiàn)許多常見的晶體中并無分子。
氯化鈉、石墨、二氧化硅、金剛石、 金屬
陰陽離子
金屬陽離子和自由電子
原子
一、物質(zhì)的聚集狀態(tài)
物質(zhì)的聚集狀態(tài)只有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種嗎？
觀察思考
等離子體：由電子、陽離子和電中性粒子組成的整體上呈電中性的物質(zhì)聚集體。
日光燈
霓虹燈
極光
雷電
等離子體的用途：
利用等離子體進(jìn)行化學(xué)合成
核聚變在等離子體狀態(tài)下發(fā)生
制造等離子體顯示器
液晶顯示器
一、物質(zhì)的聚集狀態(tài)
物質(zhì)的聚集狀態(tài)只有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種嗎？
觀察思考
液晶：介于液態(tài)和晶態(tài)之間的物質(zhì)狀態(tài)
結(jié)論：物質(zhì)的聚集狀態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子體、晶態(tài)、非晶態(tài)、塑晶態(tài)、液晶態(tài)等等
二、晶體與非晶體
自然界中許多固體為何會有規(guī)則的幾何外形？
觀察思考
氯化鈉
金剛石
石英
結(jié)論：固體有晶體和非晶體之分
晶體→具有規(guī)則幾何外形的固體
二、晶體與非晶體
晶體與非晶體有什么本質(zhì)的差異？
觀察思考
晶體的自范性：
能自發(fā)地呈現(xiàn)多面體外形的性質(zhì)
思考：為什么晶體呈現(xiàn)規(guī)則的幾何外形？
決定
微觀結(jié)構(gòu)
宏觀性質(zhì)
晶體的自范性是晶體內(nèi)部微粒在微觀空間里呈現(xiàn)周期性有序排列的宏觀表象
晶體SiO2和非晶體SiO2
晶體與非晶體的本質(zhì)差異
固體 自范性 微觀結(jié)構(gòu)
晶體
非晶體
有
(能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形)
原子在三維空間里
呈周期性有序排列
原子排列相對無序
沒有
(不能自發(fā)呈現(xiàn)多面體外形)
晶體：把內(nèi)部微粒(原子、離子或分子)在三維空間里呈周期性有序排列的固體物質(zhì)稱為晶體。
非晶體：把內(nèi)部微粒(原子、離子或分子)排列呈相對無序狀態(tài)的固體物質(zhì)稱為非晶體。
二、晶體與非晶體
觀察思考
巖漿中的SiO2侵入地球的空洞冷卻后形成的水晶球，其外層是非晶態(tài)的瑪瑙，內(nèi)部是呈現(xiàn)晶體外形的水晶。原因是什么？
天然水晶球
瑪瑙
水晶
外層是熔融態(tài)SiO2快速冷卻而形成的瑪瑙
內(nèi)層是熔融態(tài)SiO2緩慢冷卻形成具有規(guī)則多面體的水晶。
結(jié)論：晶體保持自范性的條件之一是晶體的生長速率適當(dāng)
思考：除了冷卻，還有沒有其它途徑得到晶體？
實驗3 1：獲得晶體的途徑
(1)用研缽將硫黃粉末研細(xì)，放入蒸發(fā)皿中，放在三腳架的鐵圈上，用酒精燈加熱至熔融態(tài)，自然冷卻結(jié)晶后，觀察實驗現(xiàn)象。
(2)在一個小燒杯里加入少量碘，用一個表面皿蓋在小燒杯上，并在表面皿上加少量冷水。把小燒杯放在石棉網(wǎng)上小火加熱，觀察實驗現(xiàn)象。
(3)在 250mL燒杯中(改用試管)加入半杯飽和氯化鈉溶液，用滴管滴入濃鹽酸，觀察實驗現(xiàn)象。
硫晶體
S(l) S(s)
凝固
獲得晶體的途徑之：熔融態(tài)物質(zhì)凝固
實驗3 1：獲得晶體的途徑
(1)用研缽將硫黃粉末研細(xì)，放入蒸發(fā)皿中，放在三腳架的鐵圈上，用酒精燈加熱至熔融態(tài)，自然冷卻結(jié)晶后，觀察實驗現(xiàn)象。
(2)在一個小燒杯里加入少量碘，用一個表面皿蓋在小燒杯上，并在表面皿上加少量冷水。把小燒杯放在石棉網(wǎng)上小火加熱，觀察實驗現(xiàn)象。
(3)在 250mL燒杯中(改用試管)加入半杯飽和氯化鈉溶液，用滴管滴入濃鹽酸，觀察實驗現(xiàn)象。
碘晶體
I2(g) I2(s)
凝華
獲得晶體的途徑之：氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)過液態(tài)直接凝固
實驗3 1：獲得晶體的途徑
(3)在 250mL燒杯中(改用試管)加入半杯飽和氯化鈉溶液，用滴管滴入濃鹽酸，觀察實驗現(xiàn)象。
實驗3 1：獲得晶體的途徑
(3)在 250mL燒杯中(改用試管)加入半杯飽和氯化鈉溶液，用滴管滴入濃鹽酸，觀察實驗現(xiàn)象。
滴加濃鹽酸
NaCl(s) Na+ (aq)+Cl (aq)
c(Cl )增大，平衡逆移
獲得晶體的途徑之：溶質(zhì)從溶液中析出
二、晶體與非晶體
晶體的各向異性：
晶體在不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)
如：力學(xué)(強度等)、光學(xué)(折射率等)、熱學(xué)(導(dǎo)熱性等)、電學(xué)(導(dǎo)電性)等性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。
方解石CaCO3
(晶體)
玻璃片
(非晶體)
強度：沿垂直方向在玻璃片和方解石表面刻劃
方解石：發(fā)現(xiàn)刻痕的深淺不一樣，說明不同方向上的強度不同。
二、晶體與非晶體
如：力學(xué)(強度等)、光學(xué)(折射率等)、熱學(xué)(導(dǎo)熱性等)、電學(xué)(導(dǎo)電性)等性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。
現(xiàn)象：不同方向觀察紅寶石，發(fā)現(xiàn)寶石的顏色不同
原因：在不同方向，晶體對光線的吸收與反射是不同的，折射率有各向異性。
二、晶體與非晶體
如：力學(xué)(強度等)、光學(xué)(折射率等)、熱學(xué)(導(dǎo)熱性等)、電學(xué)(導(dǎo)電性)等性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。
蠟滴
玻璃片
云母片
蠟滴
現(xiàn)象：云母片的蠟熔化成橢圓形，玻璃片的蠟熔化成圓形
原因：在不同方向，晶體的傳熱速度不同，導(dǎo)熱性有各向異性。
二、晶體與非晶體
如：力學(xué)(強度等)、光學(xué)(折射率等)、熱學(xué)(導(dǎo)熱性等)、電學(xué)(導(dǎo)電性)等性質(zhì)表現(xiàn)出各向異性。
現(xiàn)象：石墨在平行于層的方向上電導(dǎo)率高；而在垂直于層的方向上電導(dǎo)率低
原因：在不同方向，石墨的導(dǎo)電能力不同，導(dǎo)電率有各向異性
二、晶體與非晶體
學(xué)以致用
根據(jù)晶體物理性質(zhì)的各向異性的特點，如何鑒別玻璃仿造的假寶石？
外觀 自范性 各向異性 熔、沸點
晶體 具有規(guī)則幾何外形 有 各向異性 固定
非晶體 不具有規(guī)則幾何外形 無 各向同性 不固定
本質(zhì)區(qū)別 微觀粒子在三維空間是否呈現(xiàn)周期性有序排列
最可靠的科學(xué)方法：對固體進(jìn)行X射線衍射實驗
三、晶胞
1、晶胞：描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元
銅晶體
晶體與晶胞的關(guān)系可用蜂巢與峰室的關(guān)系比喻，然而蜂巢是有形的，晶胞是無形的，是人為劃定的。
蜂巢與蜂室
銅晶胞
上
前
后
左
右
下
三、晶胞
觀察思考
觀察下列晶胞結(jié)構(gòu)，體會晶胞的結(jié)構(gòu)特點。
CaTiO3
ZnS
I2
小結(jié)
晶胞的結(jié)構(gòu)特點
平行
六面體
8個頂角相同
3套各2個平行面分別相同
3套各4根平行棱分別相同
晶胞
三、晶胞
1、晶胞：描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元
2、特征：一般來說，晶胞通常是一個平行六面體
決定了一個晶胞的上、下、左、右、前、后都有與之完全相同的晶胞與其無隙并置。
無隙：指相鄰的晶胞之間共用頂角、共用棱、共用面，沒有任何間隙。
并置：指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。因此一個晶胞到另一個晶胞只需平移晶胞框架，無需任何轉(zhuǎn)動。
三、晶胞——無隙并置
三、晶胞
例、銅晶體的一個晶胞中含有_____個銅原子
4
三、晶胞
練、某晶胞的結(jié)構(gòu)如圖所示，這種晶體中A、B、C三種粒子數(shù)之比是( )
A. 3 : 9 : 4 B. 1 : 4 : 2 C. 2 : 9 : 4 D. 3 : 8 : 4
B
解析：
A = 6 × 1/12 = 1/2
B = 3 × 1/6 ＋ 6 × 1/4 = 2
C = 1 × 1 = 1
三、晶胞
整理歸納
均攤法計算晶胞的組成
方法：某個粒子為n個晶胞所共有，則該粒子有1/n屬于該晶胞
頂點
面心
棱邊
體心
三、晶胞
整理歸納
均攤法計算晶胞的組成
頂點 棱邊 面心 體心
立方體 1/8 1/4 1/2 1
三棱柱
六棱柱
1/12
水平1/4 豎1/6
1/6
水平1/4 豎1/3
1/2
1
1/2
1
三、晶胞
練、石墨晶體的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)為平面正六邊形結(jié)構(gòu)(如圖)，圖中平均每個正六邊形占有C原子數(shù)為____個、占有的碳碳鍵數(shù)為____個。碳原子數(shù)目與碳碳化學(xué)鍵數(shù)目之比為______。
2 : 3
2
3
三、晶胞
Na+
Cl
例、(1)每個晶胞中平均有____個Na＋，____個個Cl ；
(2)在NaCl晶體中，每個Na＋周圍最近距離的Cl 有___個；每個Cl 周圍最近距離的Na＋有___個。
(3)在NaCl晶體中，每個Na＋周圍最近距離的Na＋有____個；每個Cl 周圍最近距離的Cl 有____個。
(4)該晶胞中，若兩個距離最近的Na＋核間距為a cm，
則晶體的密度ρ＝ _______ g·cm 3。
4
4
6
6
12
12
拓展：晶體的密度計算
ρ＝ ＝
Z · M
abc · NA
Z · M
V · NA
晶體的密度
ρ：晶體的密度(一般是g·cm 3)
Z：1個晶胞中化學(xué)式數(shù)目
M：化學(xué)式的摩爾質(zhì)量(g·mol 1)
V： 1個晶胞的體積(一般是cm3)
NA：阿伏伽德羅常數(shù)(mol 1)
abc：晶胞參數(shù)(一般是pm或nm)
單位換算：1cm＝107nm＝108 ＝1010pm
注意晶胞體積計算時的單位換算
拓展：晶體的密度計算
Na+
Cl－
(4)該晶胞中，若兩個距離最近的Na＋核間距為a cm, 則晶體的密度ρ= ___g·cm 3
acm
晶胞的邊長:
晶胞的體積:
ρ = =
Z · M
abc · NA
4×58·5
2√2 a3 ×NA
√2 a cm
2√2 a3 cm3
=
58·5√2
a3 · NA
g·cm 3
2acm
ρ＝ ＝
Z · M
abc · NA
Z · M
V · NA
高考真題中的晶胞問題
(18 國Ⅲ)金屬Zn晶體中的原子堆積方式如圖，六棱柱底邊邊長為a cm，高為c cm，阿伏伽德羅常數(shù)的值為NA，Zn的密度為_______g·cm 3(列出計算式)。
ρ =
Z · M
abc · NA
6×65
6× ×a2c×NA
3
4
√
=
高考真題中的晶胞問題
[2021湖南卷] 下圖是Mg、Ge、O三種元素形成的某化合物的晶胞示意圖。
己知化合物中Ge和O的原子個數(shù)比為1:4，圖中Z表示_____原子(填元素符號)，該化合物的化學(xué)式為____________。
O
Mg2GeO4
8
4
16
頂點： 8 × 1/8 = 1
棱上： 4 × 1/4 = 1
面心： 6 × 1/2 = 3
體內(nèi)： 3 × 1 = 3
高考真題中的晶胞問題
[2021湖南卷] 下圖是Mg、Ge、O三種元素形成的某化合物的晶胞示意圖。
Mg2GeO4
8
4
16
已知該晶胞的晶胞參數(shù)分別為a nm、b nm、c nm，α=β=γ=90 ，則該晶體的密度ρ=______________g·cm 3。(NA為阿伏加德羅常數(shù)的，值相對原子質(zhì)量：O 16 Mg 24 Ge 73)
740
abcNA
×1021
高考真題中的晶胞問題
[2021全國乙卷] AlCr2具有體心四方結(jié)構(gòu)，如圖所示。處于頂角位置的是_______原子。設(shè)Cr和Al原子半徑分別為rCr和rAl，則金屬原子空間占有率為_______% (列出計算表達(dá)式)。
Al
8πrAl＋16πrAl
3a2c
×100
3 3
四、晶體結(jié)構(gòu)的測定
化學(xué)博覽
備受垂青的X射線衍射實驗
1901
1914物理學(xué)獎
1915物理學(xué)獎
1936化學(xué)獎
1962化學(xué)獎
1964化學(xué)獎
1980化學(xué)獎
1985化學(xué)獎
……
發(fā)現(xiàn)X射線，獲物理學(xué)獎
倫琴
發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中的衍射效應(yīng)
勞厄
用X射線衍射研究晶體結(jié)構(gòu)
布拉格父子
利用X射線等技術(shù)研究分子結(jié)構(gòu)
德拜
佩魯茨
X射線衍射法測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)
X射線衍射法測定復(fù)雜晶體與大分子結(jié)構(gòu)
X射線衍射確定DNA核苷酸順序與基因結(jié)構(gòu)
發(fā)展了X射線衍射確定晶體與分子結(jié)構(gòu)的方法
Hauptman與Karle
X射線衍射實驗給我們提供了哪些關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息呢？
四、晶體結(jié)構(gòu)的測定
當(dāng)單一波長的X射線通過晶體時，X射線和晶體中的電子相互作用，在記錄儀上形成衍射圖譜。人們對衍射圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可獲得晶體結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息。
學(xué)科前沿
X射線管
鉛板
晶體樣品
記錄儀
衍射方向
衍射強度
一種X射線衍射儀
四、晶體結(jié)構(gòu)的測定
X射線管
鉛板
晶體
1、衍射方向
——晶胞的形狀、大小與取向
數(shù)據(jù)處理
晶體的周期性結(jié)構(gòu)
晶體能產(chǎn)生
分立的斑點
非晶體衍射圖譜
四、晶體結(jié)構(gòu)的測定
15 20 25 30 35
2θ/°
晶體能產(chǎn)生明銳的衍射峰
2、衍射強度
——原子的種類與位置
晶態(tài)SiO2
非晶態(tài)SiO2
由X射線衍射實驗的結(jié)果還可以進(jìn)一步測定分子結(jié)構(gòu)。

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