3.1晶体和晶胞 课件 2024-2025学年高二化学人教版（2019）选择性必修2

第三章 第一节 第2课时 《物质的聚集状态 晶体与非晶体》 人教版 选择性必修2 物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？ 观察思考 一、物质的聚集状态 观察思考 日光灯 物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？ 霓虹灯 等离子体： 由电子、阳离子和 电中性粒子组成的 整体上呈电中性的 物质聚集体。 极光 雷电 一、物质的聚集状态 观察思考 物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？ 液晶显示器 液晶：介于液态和晶态之间的物质状态 物质的聚集状态除了固态、液态、气态，等离子体、晶态、非晶态等等 一、物质的聚集状态 实验室常见固体 观察思考 白磷 磷 硫磺 胆矾 碳酸钙 二、晶体与非晶体 自然界中矿物固体 观察思考 萤石 方解石 翡翠石 透辉石 二、晶体与非晶体 生活中的固体 观察思考 二、晶体与非晶体 固体有晶体和非晶体之分，天然晶体外观特征？ 观察思考 二、晶体与非晶体 资料卡片 晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面体外形。 晶体的自范性 二、晶体与非晶体 晶体与非晶体有什么本质的差异？ 思考讨论 为什么晶体呈现规则的几何外形？ 微观结构 宏观性质 决定 晶体的自范性是晶体内部微粒在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。 二、晶体与非晶体 资料卡片 晶体自范性的条件之一是生长的速率适当 水晶球 玛瑙 水晶 二、晶体与非晶体 熔融态物质凝固 气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华) 溶质从溶液中析出 除了冷却，还有没有其它途径得到晶体？ 思考讨论 二、晶体与非晶体 资料卡片 晶体在不同的方向上具有不同的物理性质。 晶体的各向异性 如光学性质（折射率等） 力学性质（硬度等）、热学性质（导热性等）、电学性质（导电性）。 二、晶体与非晶体 石墨在平行于层的方向上电导率高; 而在垂直于层的方向上电导率低。 思考讨论 在不同方向，石墨的导电能力不同，导电率有各向异性。 二、晶体与非晶体 资料卡片 晶体有确定的熔点 晶体加热至熔点开始熔化， 熔化过程中温度保持不变， 熔化成液态后温度才继续上升。 非晶体在加热时，由开始软化到完全熔化，整个过程中温度不断的变化，没有温度停顿的时候，很难指出哪一点是熔点 二、晶体与非晶体 思考讨论 为什么晶体有确定的熔点？ 微观结构 宏观性质 决定 晶体有确定的熔点晶体内部微粒在微观空间里呈现周期性有序排列的宏观表象。 二、晶体与非晶体 学以致用 外观 自范性 各向异性 熔、沸点 晶体 具有规则几何外形 有 各向异性 固定 非晶体 不具有规则几何外形 无 各向同性 不固定 本质区别 微观粒子在三维空间是否呈现周期性有序排列 二、晶体与非晶体 一些不法商人用玻璃制造假宝石来牟取暴利，如何鉴别真假宝石？ 常见非晶体： 玻璃、石蜡、松香、沥青、橡胶、炭黑。 许多固体粉末用肉眼看不到晶体外形，但在光学显微镜或电子显微镜 下可观察到规则的晶体外形。 观察思考 晶体结构的周期大小和X-射线的波长相当（1-10000pm)，使它成为天然的三维光栅，能够对X-射线产生衍射: X-射线衍射实验区分晶体和非晶体最可靠的科学方法 二、晶体与非晶体 观察如下晶体的微观结构模型，体会微粒的空间排列特点。 观察·思考 铜晶体 CaF2晶体 金刚石晶体 苯晶体 宏观可见的整块晶体是由大量微粒聚集而成的。 晶体的构成微粒在空间周期性重复排列，呈现高度对称性。 要研究晶体的结构，应当如何入手呢？ 交流·研讨 是否需要研究构成晶体的所有部分？ 只需研究基本重复单元 要研究晶体的结构，应当如何入手呢？ 可否作为一个基本重复单元？ 晶体 非晶体 化学微粒 周期性 有序排列 相对无序排列 基本重复单元 选取 晶胞 具有一定形状和大小，能表征晶体所含的微粒及微粒在空间的周期性有序排列特点。 20 交流·研讨 作为晶体的基本重复单元，晶胞应满足什么要求？ 在空间按一定周期性有序重复，堆积成整块晶体。 一、晶胞 晶胞的形状是单一的还是多样的？ 相邻晶胞之间有空隙吗？ 如何体现周期性有序重复？ 能否选择球体作为晶胞的形状？ 单一形状 无隙堆积 平移复原 晶胞 将任意晶胞沿着晶胞的周期性排列方向移动到相邻或其他晶胞时，能够完全重合，过程中无须转动或改变方向。 不满足无隙堆积 21 生活中常见的地面铺砖问题就是无隙堆积的典型应用。如果用单一形状铺满地面，需要选择什么形状？ 这些形状是否都能作为二维平面的基本重复单元的形状？ 一、晶胞 晶胞的形状 探究活动 1 平移复原 ? 22 相邻晶胞 平移复原 一、晶胞 晶胞的形状 探究活动 1 周期性排列方向 任意晶胞 正三角形无隙堆积，是否满足平移复原？ 重合时 取向改变 取向相同 平行四边形无隙堆积，是否满足平移复原？ 23 一、晶胞 有人说，晶体中的晶胞就好比是蜂巢中的蜂室。那么，正六边形能否作为二维平面的重复单元呢？ 正六边形也不满足平移复原的要求，不能作为二维平面的基本重复单元，请同学尝试课后自己证明这一点。 结论1 晶胞在二维平面的形状只能是平行四边形。 问题解决 联想·质疑 结论2 晶胞在三维空间的形状是平行六面体。 三维形状？ 一、晶胞 也有人常用方砖砌墙来类比晶体中晶胞的堆积情况。请问右图中的长方形砖可否作为重复单元？ 晶胞的排列方式 探究活动 2 晶胞在二维平面如何排列，才能满足平移复原要求？ 共顶角、共棱边 ? 观察下图，你能否小结出其排列特点？ 晶胞的排列方式 探究活动 2 晶胞 实际晶体具有三维周期性结构，你能想象出三维空间中晶胞是如何按照周期性排列规律堆积的吗？ 各个晶胞的组成与结构应当完全等同 共顶角共棱共面 晶体 无隙并置堆积 结论 无数的晶胞无隙并置堆积成整块晶体。研究一个晶胞，就可以获知整块晶体的信息。 一、晶胞 同一晶体中的成千上万个晶胞的组成与结构完全等同。怎样判断一个晶胞的化学组成呢？ 晶胞的组成与结构 探究活动 3 AB 某化合物的晶胞如图所示，其化学式为_______。 A B A原子数 8× 　＝1 8 1 1 B原子数 一、晶胞 问题解决 整理归纳 均摊法计算晶胞的组成 晶胞不是孤立存在的 晶胞表面的原子为相邻晶胞所共用。 晶胞的顶角原子为8个晶胞共用，对每个晶胞的贡献为1/8。 结论 晶胞面上的原子为2个晶胞共用，对每个晶胞的贡献为1/2。 晶胞棱上的原子为4个晶胞共用，对每个晶胞的贡献为1/4。 一、晶胞 学以致用 如图是铁的某种氧化物的晶胞球棍模型，请根据结构判断，该氧化物的化学式是什么？ FeO 有同学选取了更小的结构单元作为该FeO晶体的晶胞，如下图所示，你赞同他的选取方式吗？ O Fe Fe O 8× 　＋ 6× ＝4 8 1 2 1 12× 　＋1 ＝4 4 1 不能平移复原 化学组成相同，几何排列不同 一、晶胞 晶胞的组成与结构 探究活动 3 化学上等同 几何上等同 晶胞之间 对晶胞的结构提出了什么要求？ 同一晶体中的成千上万个晶胞的组成与结构完全等同。 结论1 晶胞的8个顶角必须相同。 所含微粒种类与数目完全相同 所含微粒的几何排列完全相同 怎样调整能使如图的结构单元与相邻结构单元平移重合？ 一、晶胞 若下图是某晶胞的残缺结构，要使其恢复晶胞资格，你认为应该如何改动？ 下图两种结构单元能否视为晶胞？ 晶胞的组成与结构 探究活动 3 结论2 晶胞的平行面必须完全相同。 结论1 晶胞的8个顶角必须完全相同。 结论3 晶胞的平行棱必须完全相同。 一、晶胞 平行六面体 8个顶角相同 3套各2个平行面分别相同 3套各4根平行棱分别相同 晶胞 小结 这些具体物质的晶体结构是如何测定的呢？ 观察如下晶体结构，体会晶胞的结构特点。 微粒取向也相同 晶胞的结构特点 CaTiO3晶胞 ZnS晶胞 I2晶胞 化学组成相同 几何排列相同 一、晶胞 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 化学博览 发现X射线，获1901年物理学奖 发现X射线在晶体中的衍射效应 劳厄 用X射线衍射研究晶体结构 布拉格父子 伦琴 1901 1914物理学奖 1915物理学奖 1936化学奖 1962化学奖 利用X射线等技术研究分子结构 X射线衍射法测定蛋白质晶体结构 1964化学奖 X射线衍射法测定复杂晶体与大分子结构 1980化学奖 X射线衍射确定DNA核苷酸顺序与基因结构 1985化学奖 …… X射线衍射实验给我们提供了哪些关于晶体结构的信息呢？ 发展了X射线衍射确定晶体与分子结构的方法。 Hauptman与Karle 备受垂青的X射线衍射实验 当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，在记录仪上形成衍射图谱。人们对衍射图的数据进行处理，即可获得晶体结构的有关信息。 学科前沿 一种X射线衍射仪 X射线管 铅板 晶体样品 记录仪 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 衍射方向 衍射强度 X射线管 铅板 晶体 晶体能产生分立的斑点 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 1. 衍射方向 ——晶胞的形状、大小与取向 非晶体衍射图谱 数据处理 晶体的周期性结构 15 20 25 30 35 2θ/° 晶体能产生明锐的衍射峰 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 2. 衍射强度 ——原子的种类与位置 晶态SiO2 非晶态SiO2 由X射线衍射实验的结果还可以进一步测定分子结构。 36 原子的种类与位置 衍射强度 综合分析 X射线衍射测定分子结构 衍射方向 甲烷晶体 a 边长为a的立方晶胞 C、H原子间的距离 是否存在 化学键 确定键长、键角 问题解决 思路·方法 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 课堂小结 晶体 X射线衍射实验 周期性结构 晶胞 平行六面体 无隙并置堆积 化学组成 结构特点 顶角相同 平行面相同 平行棱相同 均摊法 分子结构 课堂练习 1. 下列有关说法错误的是 A．测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪 B．石英玻璃和水晶的衍射图谱不同 C．X射线衍射实验能测定晶胞中含有的分子数，但不能确定青蒿素这样复杂分子的空间结构 D．单晶硅在X射线衍射图谱上有明锐的衍射峰 3．右图是某化合物的晶胞，有关说法不正确的是 A．X原子对该晶胞组成的贡献率为1/4 B．Y原子对该晶胞组成的贡献率有1/8和1两种 C．晶胞中含有的Z原子最少 D．该化合物的化学式为XY2Z 2．下列有关晶胞的叙述，正确的是 A．晶胞是从晶体结构中截取出的最小的平行六面体 B．晶胞排列时的取向相同 C．不同晶体中的晶胞大小和形状均相同 D．要推知晶体的结构，需要研究大量的晶胞 课堂练习 4．某小组同学用A、B两种小球搭建了几类晶体的晶胞模型，如图所示，有关说法不正确的是 A．甲不是晶胞 B．乙中每个B球周围有8个A球紧邻 C．丙的夹角不是直角，但仍可无隙堆积成晶体 D．丁是一种复杂晶胞 课堂练习 5．CaTiO3的晶胞如图所示，Ti4＋位于立方体的顶角，晶胞边长为a。下列说法正确的是 A．图中黑球表示Ca2＋ B．CaTiO3晶体中每个Ti4＋与8个O2－相紧邻 C．若以Ca2＋为晶胞顶角，则新的晶胞边长为a D．若以Ca2＋为晶胞顶角，则新的晶胞中O2－、Ti4＋分别处于棱心、体心位置 课堂练习 Ti4＋ 答案 题号 1 2 3 4 5 答案 C B C D D 课堂练习 $$