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第三章 第一節 第2課時
《晶胞 晶體結構測定》
人教版 選擇性必修2
復習回顧
晶體不同于非晶體的特點有哪些？
形成這些特性的微觀原因是什么？
晶體特性
自范性
各向異性
熔點固定
晶體的構成微粒呈周期性的有序排列
晶態二氧化硅
非晶態二氧化硅
構成微粒相同
空間排列不同
觀察如下晶體的微觀結構模型，體會微粒的空間排列特點。
觀察·思考
銅晶體 CaF2晶體 金剛石晶體 苯晶體
宏觀可見的整塊晶體是由大量微粒聚集而成的。
晶體的構成微粒在空間周期性重復排列，呈現高度對稱性。
要研究晶體的結構，應當如何入手呢？
交流·研討
是否需要研究構成晶體的所有部分？
只需研究基本重復單元
要研究晶體的結構，應當如何入手呢？
可否作為一個基本重復單元？
晶體
非晶體
化學微粒
周期性
有序排列
相對無序排列
基本重復單元
選取
晶胞
具有一定形狀和大小，能表征晶體所含的微粒及微粒在空間的周期性有序排列特點。
交流·研討
作為晶體的基本重復單元，晶胞應滿足什么要求？
在空間按一定周期性有序重復，堆積成整塊晶體。
一、晶胞
晶胞的形狀是單一的還是多樣的？
相鄰晶胞之間有空隙嗎？
如何體現周期性有序重復？
能否選擇球體作為晶胞的形狀？
單一形狀
無隙堆積
平移復原
晶胞
將任意晶胞沿著晶胞的周期性排列方向移動到相鄰或其他晶胞時，能夠完全重合，過程中無須轉動或改變方向。
不滿足無隙堆積
生活中常見的地面鋪磚問題就是無隙堆積的典型應用。如果用單一形狀鋪滿地面，需要選擇什么形狀？
這些形狀是否都能作為二維平面的基本重復單元的形狀？
一、晶胞
晶胞的形狀
探究活動 1
平移復原

相鄰晶胞
平移復原
一、晶胞
晶胞的形狀
探究活動 1
周期性排列方向
任意晶胞
正三角形無隙堆積，是否滿足平移復原？
重合時
取向改變
取向相同
平行四邊形無隙堆積，是否滿足平移復原？
一、晶胞
有人說，晶體中的晶胞就好比是蜂巢中的蜂室。那么，正六邊形能否作為二維平面的重復單元呢？
正六邊形也不滿足平移復原的要求，不能作為二維平面的基本重復單元，請同學嘗試課后自己證明這一點。
結論1
晶胞在二維平面的形狀只能是平行四邊形。
問題解決
聯想·質疑
結論2
晶胞在三維空間的形狀是平行六面體。
三維形狀？
一、晶胞
也有人常用方磚砌墻來類比晶體中晶胞的堆積情況。請問右圖中的長方形磚可否作為重復單元？
晶胞的排列方式
探究活動 2
晶胞在二維平面如何排列，才能滿足平移復原要求？
共頂角、共棱邊

觀察下圖，你能否小結出其排列特點？
晶胞的排列方式
探究活動 2
晶胞
實際晶體具有三維周期性結構，你能想象出三維空間中晶胞是如何按照周期性排列規律堆積的嗎？
各個晶胞的組成與結構應當完全等同
共頂角共棱共面
晶體
無隙并置堆積
結論
無數的晶胞無隙并置堆積成整塊晶體。研究一個晶胞，就可以獲知整塊晶體的信息。
一、晶胞
同一晶體中的成千上萬個晶胞的組成與結構完全等同。怎樣判斷一個晶胞的化學組成呢？
晶胞的組成與結構
探究活動 3
AB
某化合物的晶胞如圖所示，其化學式為_______。
A
B
A原子數
8× 　＝1
8
1
1
B原子數
一、晶胞
問題解決
整理歸納
均攤法計算晶胞的組成
晶胞不是孤立存在的
晶胞表面的原子為相鄰晶胞所共用。
晶胞的頂角原子為8個晶胞共用，對每個晶胞的貢獻為1/8。
結論
晶胞面上的原子為2個晶胞共用，對每個晶胞的貢獻為1/2。
晶胞棱上的原子為4個晶胞共用，對每個晶胞的貢獻為1/4。
一、晶胞
學以致用
如圖是鐵的某種氧化物的晶胞球棍模型，請根據結構判斷，該氧化物的化學式是什么？
FeO
有同學選取了更小的結構單元作為該FeO晶體的晶胞，如下圖所示，你贊同他的選取方式嗎？
O
Fe
Fe
O
8× 　＋ 6× ＝4
8
1
2
1
12× 　＋1 ＝4
4
1
不能平移復原
化學組成相同，幾何排列不同
一、晶胞
晶胞的組成與結構
探究活動 3
化學上等同
幾何上等同
晶胞之間
對晶胞的結構提出了什么要求？
同一晶體中的成千上萬個晶胞的組成與結構完全等同。
結論1
晶胞的8個頂角必須相同。
所含微粒種類與數目完全相同
所含微粒的幾何排列完全相同
怎樣調整能使如圖的結構單元與相鄰結構單元平移重合？
一、晶胞
若下圖是某晶胞的殘缺結構，要使其恢復晶胞資格，你認為應該如何改動？
下圖兩種結構單元能否視為晶胞？
晶胞的組成與結構
探究活動 3
結論2
晶胞的平行面必須完全相同。
結論1
晶胞的8個頂角必須完全相同。
結論3
晶胞的平行棱必須完全相同。
一、晶胞
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
小結
這些具體物質的晶體結構是如何測定的呢？
觀察如下晶體結構，體會晶胞的結構特點。
微粒取向也相同
晶胞的結構特點
CaTiO3晶胞
ZnS晶胞
I2晶胞
化學組成相同
幾何排列相同
一、晶胞
二、晶體結構的測定——X射線衍射實驗
化學博覽
發現X射線，獲1901年物理學獎
發現X射線在晶體中的衍射效應
勞厄
用X射線衍射研究晶體結構
布拉格父子
倫琴
1901
1914物理學獎
1915物理學獎
1936化學獎
1962化學獎
利用X射線等技術研究分子結構
X射線衍射法測定蛋白質晶體結構
1964化學獎
X射線衍射法測定復雜晶體與大分子結構
1980化學獎
X射線衍射確定DNA核苷酸順序與基因結構
1985化學獎
……
X射線衍射實驗給我們提供了哪些關于晶體結構的信息呢？
發展了X射線衍射確定晶體與分子結構的方法。
Hauptman與Karle
備受垂青的X射線衍射實驗
當單一波長的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。人們對衍射圖的數據進行處理，即可獲得晶體結構的有關信息。
學科前沿
一種X射線衍射儀
X射線管
鉛板
晶體樣品
記錄儀
二、晶體結構的測定——X射線衍射實驗
衍射方向
衍射強度
X射線管
鉛板
晶體
晶體能產生分立的斑點
二、晶體結構的測定——X射線衍射實驗
1. 衍射方向
——晶胞的形狀、大小與取向
非晶體衍射圖譜
數據處理
晶體的周期性結構
15 20 25 30 35
2θ/°
晶體能產生明銳的衍射峰
二、晶體結構的測定——X射線衍射實驗
2. 衍射強度
——原子的種類與位置
晶態SiO2
非晶態SiO2
由X射線衍射實驗的結果還可以進一步測定分子結構。
原子的種類與位置
衍射強度
綜合分析
X射線衍射測定分子結構
衍射方向
甲烷晶體
a
邊長為a的立方晶胞
C、H原子間的距離
是否存在
化學鍵
確定鍵長、鍵角
問題解決
思路·方法
二、晶體結構的測定——X射線衍射實驗
課堂小結
晶體
X射線衍射實驗
周期性結構
晶胞
平行六面體
無隙并置堆積
化學組成
結構特點
頂角相同
平行面相同
平行棱相同
均攤法
分子結構
課堂練習
1. 下列有關說法錯誤的是
A．測定晶體結構最常用的儀器是X射線衍射儀
B．石英玻璃和水晶的衍射圖譜不同
C．X射線衍射實驗能測定晶胞中含有的分子數，但不能確定青蒿素這樣復雜分子的空間結構
D．單晶硅在X射線衍射圖譜上有明銳的衍射峰
3．右圖是某化合物的晶胞，有關說法不正確的是
A．X原子對該晶胞組成的貢獻率為1/4
B．Y原子對該晶胞組成的貢獻率有1/8和1兩種
C．晶胞中含有的Z原子最少
D．該化合物的化學式為XY2Z
2．下列有關晶胞的敘述，正確的是
A．晶胞是從晶體結構中截取出的最小的平行六面體
B．晶胞排列時的取向相同
C．不同晶體中的晶胞大小和形狀均相同
D．要推知晶體的結構，需要研究大量的晶胞
課堂練習
4．某小組同學用A、B兩種小球搭建了幾類晶體的晶胞模型，如圖所示，有關說法不正確的是
A．甲不是晶胞
B．乙中每個B球周圍有8個A球緊鄰
C．丙的夾角不是直角，但仍可無隙堆積成晶體
D．丁是一種復雜晶胞
課堂練習
5．CaTiO3的晶胞如圖所示，Ti4＋位于立方體的頂角，晶胞邊長為a。下列說法正確的是
A．圖中黑球表示Ca2＋
B．CaTiO3晶體中每個Ti4＋與8個O2－相緊鄰
C．若以Ca2＋為晶胞頂角，則新的晶胞邊長為a
D．若以Ca2＋為晶胞頂角，則新的晶胞中O2－、Ti4＋分別處于棱心、體心位置
課堂練習
Ti4＋
答案
題號 1 2 3 4 5
答案 C B C D D
課堂練習

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