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fan的化學(xué)工作室
第三章
晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
Part 1
3.1物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識
知識點1　物質(zhì)的聚集狀態(tài)
知識點2　晶體與非晶體
知識點3　晶胞
知識點4　晶胞中粒子數(shù)目的計算及晶體化學(xué)式的確定
知識點5　晶體結(jié)構(gòu)的測定
本節(jié)知識一覽
Part 2
part1 物質(zhì)的聚集狀態(tài)
20世紀(jì)前，人們以為分子是所有化學(xué)物質(zhì)能夠保持其性質(zhì)的最小粒子，物質(zhì)固、液、氣三態(tài)的相互轉(zhuǎn)化只是分子間距離發(fā)生了變化。
20世紀(jì)初，通過X射線衍射等實驗手段，發(fā)現(xiàn)許多常見的晶體中并無分子，如
氯化鈉
石墨
水晶(SiO2)
金剛石
金
1.物質(zhì)的三態(tài)轉(zhuǎn)化
(1)物質(zhì)的常見聚集狀態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，固、液、氣三態(tài)的相互轉(zhuǎn)化只是分子間距離發(fā)生了變化。
(2)分子在固態(tài)時只能振動，在氣態(tài)時能自由移動，在液態(tài)時則介于兩者之間。
(3)物質(zhì)的聚集狀態(tài)除了固、液、氣外，還有其他形式，如等離子體、離子液體、晶態(tài)、非晶態(tài)，以及介乎晶態(tài)和非晶態(tài)之間的塑晶態(tài)、液晶態(tài)等。
極光
(等離子體)
水晶(晶態(tài)）
玻璃
(非晶態(tài))
液晶顯示屏
1.離子液體:在室溫和接近室溫時呈液態(tài)的鹽類物質(zhì)，一般由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成。
2.塑晶態(tài):一類具有塑性的固態(tài)晶體,介乎晶態(tài)與非晶態(tài)之間。
溫馨提示
2.等離子體
(1)概念:由電子和陽離子和電中性粒子(分子或原子)組成的整體上早電中性的氣態(tài)物質(zhì)
(2)性質(zhì):等離子體具有良好的導(dǎo)電性和流動性
(3)用途:制造等離子體顯示器、化學(xué)合成、核聚變等
3.液晶
(1)概念:介于液態(tài)和晶態(tài)之間的物質(zhì)狀態(tài)。
(2)性質(zhì):既具有液體的流動性、黏度、形變性等，又具有晶體的某些物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等，表現(xiàn)出類似晶體的各向異性。
(3)用途:制造液晶顯示器、合成高強(qiáng)度液晶纖維。
(1)物質(zhì)的聚集狀態(tài)只有固、液、氣三種狀態(tài)(　　)
(2)氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)均是由分子構(gòu)成的(　　)
(3)等離子體是一種特殊的氣體，含有帶電粒子，呈電中
性(　　)
(4)液晶分為熱致液晶和溶致液晶，膠束是一種溶致液晶
(　　)
小試牛刀
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×
√
√
part2 晶體與非晶體
1.概念
(1)晶體:內(nèi)部微粒(原子、離子或分子在三維空間里早周期性排列而構(gòu)成的具有規(guī)則幾何外形的固體
(2)非晶體:內(nèi)部微粒(原子、離子或分子)在三維空間里呈相對無序排列而構(gòu)成的不具有規(guī)則幾何外形的固體。
固體 自范性 微觀結(jié)構(gòu)
晶體 有 原子在三維空間里呈周期性有序排列
非晶體 無 原子在三維空間里排列相對無序
2.本質(zhì)差異
何謂“速率適當(dāng)” 如何得到晶體
3.晶體的特點
(1)自范性
概念:晶體能自發(fā)地呈現(xiàn)多面體的性質(zhì)。
形成條件:晶體生長的速率適當(dāng)。
(2)各向異性
概念:晶體的某些物理性質(zhì)(如強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性能)在不同方向上的差異
原因:晶體內(nèi)部質(zhì)點排列的高度有序性
示例:
a在水晶柱面上滴一滴熔化的石蠟，用紅熱的鐵針刺中凝固的石蠟，石蠟在不方向熔化的快慢不同
b藍(lán)晶石 (Al2O3·SiO2)在不同方向上的硬度是不同的
(3)晶體有固定的熔點，非晶體沒有固定的熔點
不是晶體。
玻璃中粒子質(zhì)點排列無序，沒有晶體的自范性
__________
深度思考
1.某同學(xué)在網(wǎng)站上找到一張玻璃的結(jié)構(gòu)示意圖這張圖說明玻璃是不是晶體 為什么
不一定，如玻璃、塑料等制品，在人力作用下可形成規(guī)則幾何外形
__________
深度思考
2.具有規(guī)則幾何外形的固體一定是晶體嗎
晶體的其他基本性質(zhì)
1.均一性:晶體中各部分的化學(xué)組成、密度等都是相同的
2.對稱性:晶體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特有的對稱性。
3.最小內(nèi)能:在相同的熱力學(xué)條件下,等質(zhì)量同種物質(zhì)的晶體與非晶體、液體、氣體相比較,晶體的內(nèi)能最小。
4.穩(wěn)定性:由于晶體具有最小內(nèi)能,所以結(jié)晶狀態(tài)是一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
4.得到晶體的途徑
(1)熔融態(tài)物質(zhì)凝固
(2)氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固(凝華)
(3)溶質(zhì)從溶液中析出(結(jié)晶)
5.區(qū)別晶體與非晶體的方法
(1)間接方法:測定固體的熔點
(2)科學(xué)方法:對固體進(jìn)行X射線衍射實驗
易錯易混
1.同一物質(zhì)可以是晶體,也可以是非晶體,如 SiO2有晶體和非晶體兩種。
2.具有固定組成的物質(zhì)不一定是晶體,某些無定形體也有固定的組成,如硅單質(zhì)分為晶體硅和無定形硅。
3.晶體不一定都有規(guī)則的幾何外形,如瑪瑙。
4.許多固體粉末由于晶粒太小,用肉眼看不到規(guī)則的幾何外形。但在光學(xué)或電子顯微鏡下,可觀察到規(guī)則的幾何外岔,仰巴匆泊被層而是晶體,因此不要認(rèn)為粉末狀固體就是非晶體。
總結(jié)歸納一一晶體與非晶體
晶體 非晶體
結(jié)構(gòu)特性 粒子周期性有序排列 粒子無序排列
自范性(本質(zhì)區(qū)別) 有 沒有
固定的熔點 有 沒有
各向異性 有 沒有
區(qū)別方法 間接方法 看是否有固定的熔點 科學(xué)方法 對固體進(jìn)行X射線衍射實驗 (1)晶體有自范性且其微粒排列有序，在化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)
各向異性(　　)
(2)熔融態(tài)物質(zhì)快速冷卻即得到晶體(　　)
(3)熔融的硝酸鉀冷卻可得晶體，故液態(tài)玻璃冷卻也能得到
晶體(　　)
(4)粉末狀的固體也有可能是晶體(　　)
(5)晶體一定比非晶體的熔點高(　　)
小試牛刀
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×
×
√
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Part 1
part3 晶胞
1.概念:描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞
2.晶胞的結(jié)構(gòu)
常規(guī)的晶胞都是平行六面體。
8個頂角相同
三套各4根平行棱分別相同
三套各兩個平行面分別相同
part3 晶胞
3.晶胞與晶體的關(guān)系
常規(guī)晶胞為平行六面體，晶體可看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成。
1.無隙:相鄰晶胞之間無任何間隙
2并置:所有晶胞都是平行排列的，取向相同
3.所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個數(shù)及幾何排列(包括取向)是完全相同的
某個粒子若被n個晶胞所共用，則該粒子有1/n屬于這個晶胞
1/8
1/4
1/2
1
4.晶胞中粒子數(shù)目的計算一一均攤法
晶胞中粒子數(shù)目的計算
晶胞頂角原子為8個晶胞共用，每個晶胞占1/8
晶胞棱上原子為4個晶胞共用，每個晶胞占1/4
晶胞面上原子為2個晶胞共用，每個晶胞占1/2
晶胞內(nèi)部的原子為1個晶胞獨(dú)自占有，即為1
no:晶胞包含的物質(zhì)組成個數(shù)M: 該物質(zhì)組成的摩爾質(zhì)量
a:晶胞邊長，
NA:阿伏加德羅常數(shù)
5.晶體密度計算
特別注意cm 跟 nm 和pm 的換算
1、首先進(jìn)行單位換算
注意：
1、只要位于晶胞內(nèi)，都按一個算，不一定非位于正體心。
2、如果出現(xiàn)其它類型晶胞，該原子被幾個所共用，就乘以幾分之一。（通俗講，有幾個能夠蓋嚴(yán)該原子，就乘以幾分之一）
1/8
1/4
1/2
1
2、均攤法計算晶胞中原子個數(shù)
3、利用下面公式進(jìn)行計算
Part 2
__________
歸納總結(jié)
1.晶胞是最小的平行六面體，它有8個頂角，三套各4根平行棱，三套各兩個平行面。
2.均攤法確定晶胞中粒子的個數(shù)
若晶胞中某個粒子為n個晶胞所共用，則該粒子有 屬于這個晶胞。
長方體形(正方體形)晶胞中不同位置的粒子對晶胞的貢獻(xiàn)
(1)晶胞是晶體的最小的結(jié)構(gòu)重復(fù)單元(　　)
(2)不同的晶體中，晶胞的大小和形狀都相同(　　)
(3)晶胞中任何一個粒子都屬于該晶胞(　　)
(4)一般地，晶體的化學(xué)式表示晶體中各類原子或離子的最簡整數(shù)比(　　)
牛刀小試
√
×
×
√
1.下圖依次是金屬鈉(Na)、金屬鋅(Zn)、碘(I2)、金剛石(C)晶胞的示意圖，數(shù)一數(shù)，它們分別平均含幾個原子？
(1)鈉____個；(2)鋅____個；(3)碘____個；(4)金剛石____個。
2
2
8
8
2.(2019·南通高二調(diào)研)下列各項是晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單元(晶胞)的排列方式，圖中：○—X，●—Y，?—Z。其中對應(yīng)的化學(xué)式不正確的是
√
3.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種由鈦原子和碳原子構(gòu)成的氣態(tài)團(tuán)簇分子，如圖所示。頂角和面心的原子是鈦原子，棱的中心和體心的原子是碳原子，則它的化學(xué)式是
A.TiC B.Ti6C7
C.Ti14C13 D.Ti13C14
√
特別提醒
團(tuán)簇分子或納米顆粒中，所含微粒為其本身所有，不與其他分子或顆粒共用。故不需要均攤?。?br/>1.測定晶體結(jié)構(gòu)最常用的儀器是x射線衍射儀。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，會在記錄儀上產(chǎn)生分立的斑點或者明銳的衍射峰。
四、晶體結(jié)構(gòu)的測定
2.晶體的X射線衍射實驗圖經(jīng)過計算，可以獲得包括晶胞形狀和大小、分子或原子在微觀空間有序排列呈現(xiàn)的對稱類型、原子在晶胞里的數(shù)目和位置等，以及結(jié)合晶體化學(xué)組成的信息推出原子之間的相互關(guān)系。
物質(zhì)的構(gòu)成由其原子排列特點而定。原子呈周期性排列的固體叫晶體原子，呈無序排列的固體叫非晶體。個于這兩者之間的固體叫準(zhǔn)晶體。準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)80年代晶體學(xué)研究中的一次突破
知識擴(kuò)展——認(rèn)識準(zhǔn)晶體
1982年4月8日謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀察到一種“反常理”現(xiàn)象:鋁錳合金中的原子采用一種不重復(fù)、非周期性但對稱有序的方式排列。而當(dāng)時人們普遍認(rèn)為,晶體內(nèi)的原子都以周期性不斷重復(fù)的對稱模式排列,這種重復(fù)結(jié)構(gòu)是形成晶體所必需的,自然界中不可能存在具有謝赫特曼發(fā)現(xiàn)的那種原子排列方式的晶體。隨后,科學(xué)家們在實驗室中制造出了越來越多的各種準(zhǔn)晶體,并于 2009年首次發(fā)現(xiàn)了純天然準(zhǔn)晶體。
準(zhǔn)晶體具有獨(dú)特的性質(zhì),堅硬又有彈性非常平滑,而且,與大多數(shù)金屬不同的是,其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性很差,因此在日常生活中大有用武之地。科學(xué)家正嘗試將其應(yīng)用于日常用品中比如不粘鍋和發(fā)光二極管等。另外,盡管其導(dǎo)熱性很差,但因為其能將熱能轉(zhuǎn)化為電能,因此可以用作理想的熱電材料,將熱量回收利用,一些科學(xué)家正在嘗試用其捕捉汽車廢棄的熱量。
1.原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo):以晶胞參數(shù)為單位長度(不論晶胞邊長大小都是1建立的坐標(biāo)系
2.確定某原子坐標(biāo)的方法:通過該原子可以作出三個平行于坐標(biāo)軸的平面,三個平面在三條坐標(biāo)軸上的截距占晶胞邊長的分?jǐn)?shù),即該原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)。如下圖,通過 b 點原子的三個面分別是 befc(在 x 軸上沒有截距)bega(在y軸上沒有截距)bcda(在z軸上的截距是 1),故 b 點的原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)是(0,,1);通過右面心m點的三個面在x軸上截距是 1/2,在 y 軸上截距是 1,在z軸上的截距是 1/2,故 m 點的原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)是
知識拓展——截距法判斷原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)
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