3.1.2晶胞 课件 2024-2025学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修2

第三章 第1节 物质聚集状态与晶体常识 物质的结构 和性质 第2课时 晶胞 1 物质 食盐 干冰 金刚石 石英 样品 结构 　　晶体是内部微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性排列而构成的具有规则几何外形的固体 自然界中，有很多不同的晶体，如何描述晶体中的微粒在空间的排列规律呢？ 新课导入 任务一 晶体与晶胞 描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。 晶胞是晶体中最小的结构重复单元。 1.晶胞: 铜晶体结构 铜晶胞 铜晶胞 点阵图：能清晰展示粒子在晶胞中的相对位置，有利于分析点、线、面、角的关系。 注意：晶胞是人为划定的。 堆积图：能展示粒子的相对大小，晶胞对粒子的占有率，粒子与粒子的堆积接触和空隙。 LOGO 战 任务一 晶体与晶胞 2.特征 （1）常规的晶胞都是平行六面体 平行六面体：8个顶点、六个面、12条棱 正方体 或 长方体 （其边长不一定相等也不一定垂直） LOGO 4 晶体与晶胞 2.特征 （2）整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。 所谓“无隙”：是指相邻晶胞之间没有任何__________。 所谓“并置”：是指所有晶胞都是 _______ 排列的，取向______。 间隙 平行 相同 且所有晶胞______及其内部的_________、______ 及_________ 是完全相同的。 形状 原子种类 个数 几何排列 晶胞 晶体 不是晶胞 任务一 （共用棱、面和顶点） (通过平移能使两个晶胞完全重叠) LOGO 5 2.特征 晶体与晶胞 任务一 （3） 思考与讨论：常规的晶胞一般是平行六面体。观察下列晶胞，分析平行六面体晶胞 满足哪些条件？ 金刚石晶胞 CO2晶胞 NaCl晶胞 铜晶胞 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 LOGO 6 2.特征 晶体与晶胞 任务一 ②三套各两个平行面分别相同 (共6个面) 上 下 左 右 前 后 面上都有一个原子且都相同 顶点上都有一个原子且都相同 ①晶胞中8个顶点相同 （3）晶胞是平行六面体平行六面体 LOGO 7 2.特征 晶体与晶胞 任务一 ③三套各4根平行棱分别相同 (共12根棱) 棱上无任何原子且都相同 LOGO 8 简单立方 体心立方 面心立方 晶体与晶胞 任务一 3.常见的晶胞类型 类型 简单立方 体心立方 面心立方 结构特点 在平面六面体的8个顶角上有粒子 除8个顶角上有粒子外，平行六面体的体心上还有1个粒子 除8个顶角上有粒子外，平行六面体的6个面的面心上均有1个粒子 LOGO 晶体与晶胞 1.判断下列六面体是否是晶胞？ A图中的晶体结构满足晶胞的特点，是晶胞。 B图中的晶体结构，不满足晶胞“8个顶角相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。 C图中的晶体结构，不满足晶胞“三套各4根平行棱分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。 D图中的晶体结构，不满足“三套各两个平行面分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。 任务一 LOGO 10 战 思考 讨论 任务二 晶胞的相关计算 1、1个铜晶胞含有几个铜原子呢？ 铜晶胞 14个？ LOGO 11 1 内部：1 1 2 面上：1/2 2 1 3 4 棱边：1/4 1 2 4 3 7 6 8 5 顶角：1/8 某个粒子为n个晶胞所共有，则该粒子的 1/n 属于这个晶胞(均摊法) 均摊法 晶胞的相关计算 任务二 LOGO 战 02 晶胞的相关计算 顶角、棱、面上以及晶胞内时，一个晶胞平均占有的原子(切割法) 位置 顶角 棱上 面上 体内 份额 1/8 1/4 1/2 1 （1）平行六面体 任务二 原子数=顶角×1/8+棱上×1/4+面上×1/2+体内×1 LOGO 13 02 晶胞的相关计算 金属铜的一个晶胞中，位于晶胞顶点的铜原子有 个，位于面心的铜原子有 个，金属铜晶胞中所含的铜原子数 为 。 8 6 原子数=顶角×1/8+棱上×1/4+面上×1/2+体内×1 例1：铜晶胞中原子数目计算 任务二 LOGO 战 例2：金属钠、金属锌、碘（I2)、金刚石晶胞中分别平均含几个原子？ 2个 2个 8个 8个 练习 晶胞的相关计算 8×1/8+1=2 8×1/8+6×1/2=4个I2 8×1/8+6×1/2+4=8 LOGO 15 练习 晶胞的相关计算 类型 简单立方 体心立方 面心立方 结构特点 在平面六面体的8个顶角上有粒子 除8个顶角上有粒子外，平行六面体的体心上还有1个粒子 除8个顶角上有粒子外，平行六面体的6个面的面心上均有1个粒子 一个晶胞的原子数 8×1/8+1=2 1 8×1/8+6×1/2=4 均摊法 （1）平行六面体 原子数=顶角×1/8+棱上×1/4+面上×1/2+体内×1 LOGO 16 位置 顶角 水平棱 竖直棱 面上 体内 份额 顶角：1/6 竖直(侧)棱：1/3 水平(上下)棱：1/4 面上：1/2 内部1 1/6 1/4 1/3 1/2 1 夹角120°，顶点处原子被晶胞包围，则同一平面上，该原子被360/120=3 个晶胞共用，若上面还有一层晶胞，则该原子被6个晶胞共用。 晶胞的相关计算 （2）正六棱柱（六方晶胞） 任务二 原子数=顶角×1/6+棱上×1/4或1/3+面上×1/2+体内×1 知识扩展 LOGO 顶点：1/12 内部：1 竖直(侧)棱：1/6 水平(上下)棱：1/4 位置 顶角 水平棱 竖直棱 面上 体内 份额 1/12 1/4 1/6 1/2 1 02 晶胞的相关计算 （3）正三棱柱 任务二 原子数=顶角×1/12+棱上×1/4或1/6+面上×1/2+体内×1 面上：1/2 知识扩展 LOGO 例1 NaCl晶胞如图所示，其中体积较小的为____，体积较大的为____，请计算出NaCl晶胞中所含钠离子和氯离子的个数，其最简整数比是多少？ Na+ Cl－ Na+个数：12×1/4+1=4 Cl－个数：8×1/8+6×1/2=4 晶体的化学式表示的就是晶胞中的粒子个数的 最简整数比（由分子构成的物质除外） 最简整数比为1:1 NaCl晶胞 Cl－位于顶点和面心 Na+位于棱心和体心 19 02 晶胞的相关计算 计算1:根据晶胞的结构确定晶体的化学式。 [方法]　 根据均摊法计算出1个晶胞中，各种原子个数的最简整数比可确定该物质的化学式。 晶体的化学式：表示的是晶体（也可以说是晶胞）中各类原子或离子数目的最简整数比。（由分子构成的物质除外） LOGO 02 晶胞的相关计算 (2)利用“卤化硼法”可合成含B和N两种元素的功能陶瓷，如图为其晶胞结构示意图，则每个晶胞中含有B原子的个数为________，该功能陶瓷的化学式为________。 2 BN CuCl　 练习1．(1)元素铜的一种氯化物晶体的晶胞结构如图所示，该氯化物的化学式是________。 LOGO 02 晶胞的相关计算 练习2.如图为甲、乙两种晶体的晶胞示意图,试写出: (1)甲晶体的化学式(X为阳离子)为　　　　。  (2)乙晶体中A、B、C三种粒子的个数比是　　　　。  X3Y 1∶3∶1 LOGO 02 晶胞的相关计算 A.Ti14C13 B.Ti4C4  C.TiC D.Ti13C14 A 练习3、科学家发现了一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子。如图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是（ ） 注意：团簇分子或纳米颗粒与晶胞不同，这两类物质是独立的分子，所有原子均为该分子所有。与晶体中多个晶胞共用原子不相同。 LOGO 02 晶胞的相关计算 1、计算公式 [方法]：①先确定一个晶胞中微粒个数N（均摊法） ②再确定一个晶胞中微粒的总质量 ③最后求晶胞的密度 𝛒= = = = 计算晶胞棱长时，pm、nm与cm之间的换算： 1 pm＝10－10cm＝10－12 m， 1 nm＝10－7 cm＝10－9 m。 计算2:晶胞密度的计算 单位：g·cm－3 晶胞密度： LOGO 02 晶胞的相关计算 (1)简单立方晶胞 已知金属钋是简单立方堆积，钋原子半径为r cm， 计算：钋晶胞棱长为a；钋的密度为ρ。 ①棱长a = 2r ②密度 r r LOGO 02 晶胞的相关计算 (2)面心立方晶胞 r 已知金属金是面心立方紧密堆积，金原子半径为r cm， 计算：金晶胞棱长为a；金的密度为ρ。 ①面对角线 = 4r ②密度 棱长 r 2r LOGO 02 晶胞的相关计算 (3)体心立方晶胞 已知金属钾是体心立方紧密堆积,钾原子半径为r cm, 计算：钾晶胞棱长为a；金的密度钾的密度为ρ。 棱长 ①立方体对角线=4r ②密度 LOGO 02 晶胞的相关计算 例、金刚石晶胞结构如图所示，回答下列问题。 (1)一个金刚石晶胞中含有__________________个碳原子。 (2)已知晶胞参数为a pm，则金刚石的密度为_____________ g·cm－3。 (3)碳原子的半径为r，则a、r有什么关系？ 𝛒= LOGO 练习1. NaCl晶胞中，若两个距离最近的Na＋核间距为a nm，则晶体的密度ρ = _______ g·cm-3。 Na+ 晶胞的边长: 晶胞的体积: 晶胞的m: 4X58.5 g/mol ρ= 02 晶胞的相关计算 LOGO 02 晶胞的相关计算 计算3:晶胞中原子坐标参数 A B C D E F G H 1、一般以坐标轴所在立体图形的棱长 为1个单位。 2、从原子所在位置分别向x、y、z轴作垂线，所得坐标轴上的截距即为该原子的分数坐标。 x轴 y轴 z轴 A(0,0,0) B(1,0,0) C(1,1,0) D(0,1,0) E(0,1,1) F(0,0,1) G(1,0,1) H(1,1,1) M 体心M( , , ) 1 2 1 2 1 2 F 面心F( , , 0 ) 1 2 1 2 简单立方 LOGO 02 晶胞的相关计算 体心立方 面心立方 x轴 y轴 z轴 M M( , , ) 1 2 1 2 1 2 x轴 y轴 z轴 A B C D E F A( 0 , , ) 1 2 1 2 B( , 0 , ) 1 2 1 2 C( 1 , , ) 1 2 1 2 D( , 1 , ) 1 2 1 2 E( , , 1 ) 1 2 1 2 F( , , 0 ) 1 2 1 2 LOGO 02 晶胞的相关计算 x轴 y轴 z轴 A B C D E G H F I K J L A(0,0,0) B(0,1,0) C(1,1,0) D(1,0,0) I(0,1,1) J(1,1,1) K(1,0,1) L(0,0,1) 1 2 E(0, 1, ) F(1, 1, ) G(1, 0, ) H(0, 0, ) 1 2 1 2 1 2 拉长的晶胞：一般以坐标轴所在立体图形的棱长为1个单位。 原子分数坐标表示晶胞内部各原子的相对位置。 LOGO 02 晶胞的相关计算 练习1. 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子分数坐标，如图中原子1的坐标为 ，则原子2和3的坐标分别为_________、__________。 LOGO 02 晶胞的相关计算 金刚石晶胞 A B C D 金刚石晶胞 A、B、C、D这4个原子在晶胞内什么位置？ x轴 y轴 z轴 LOGO 02 晶胞的相关计算 金刚石晶胞 A B C D 俯视 俯视图 A D x轴 y轴 z轴 y轴 x轴 C B 前左下 前右上 后右下 后左上 LOGO 02 晶胞的相关计算 正面图 A B z轴 x轴 C D B( , , ) 1 4 1 4 3 4 C( , , ) 1 4 3 4 1 4 D( , , ) 3 4 3 4 3 4 金刚石晶胞 A B C D 正视 x轴 y轴 z轴 A( , , ) 3 4 1 4 1 4 前左下 后左上 前右上 后右下 LOGO 02 晶胞的相关计算 练习2.CaF2是工业生产的重要物质，其晶胞结构如图所示： 原子分数坐标可表示晶胞内部各原子的相对位置，已知A、B原子的分 数坐标如图所示，则C原子的分数坐标为(_____，____， )。 LOGO 02 晶胞的相关计算 计算4:晶胞中微粒“配位数”的求算   配位数：在晶体中与某个原子（或离子）距离最近且相等的其他原子（或离子）的个数。 [方法]　晶胞中微粒配位数的确定方法 LOGO 02 晶胞的相关计算   例：NaCl的晶胞模型如图，Na＋配位数为 ___ ，Cl－配位数为____ 6 6 例：在NaCl晶体中，每个Na＋周围最近距离的Cl－有___个； 每个Cl－周围最近距离的Na＋有___个。 在NaCl晶体中，每个Na＋周围最近距离的Na＋有____个。 6 6 12 在NaCl晶体中，每个Cl－周围最近距离的Cl－有____个。 12 LOGO 1 x y z 2 3 4 01 x y z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12个 01 02 晶胞的相关计算 体心立方 简单立方 面心立方 三种常见的立方晶胞 LOGO 02 晶胞的相关计算 ①简单立方堆积： 配位数：6 LOGO 02 晶胞的相关计算 配位数：8 ②体心立方堆积 LOGO 02 晶胞的相关计算 ③面心立方堆积 配位数：12 LOGO 02 晶胞的相关计算 练习1、某晶体结构模型如图所示。该晶体的化学式是____________，在晶体中1个Ti原子、1个Co原子周围距离最近的O原子数目分别为________个、________个。 CoTiO3 6　 12　 LOGO 02 晶胞的相关计算 练习2.CaF2的晶胞为立方晶胞，结构如图所示： (1)CaF2晶胞中, F-的配位数为_____。Ca2＋的配位数为_____。 4 (2)“原子坐标参数”可表示晶胞内部各原子的相对位置，已知A、B两 点的原子坐标参数如图所示，则C点的原子坐标参数为(___，___， )。 8 LOGO 02 晶胞的相关计算 (3)晶胞中两个F－的最近距离为273.1 pm，用NA表示阿伏加德罗常数的值，则晶胞的密度为____________________g·cm－3(列出计算式即可)。 练习2.CaF2的晶胞为立方晶胞，结构如图所示： 𝛒= LOGO 例题：金属铜是面心立方晶体,其晶胞结构如图乙所示。已知铜原子的半径为r cm，铜的密度为ρ g∙cm−3，阿伏加德罗常数为NAmol−1，该晶胞中铜原子的空间利用率为_________________ (用含r、ρ、NA的代数式表示)。 空间利用率（占有率）：是指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占的体积百分比。 计算5:空间利用率的计算 固体 晶体 非晶体 区别晶体和非晶体最可靠的科学方法是什么呢？ 对固体进行 X射线衍射实验 区别 常用仪器：_____________ X射线衍射仪 X射线单晶衍射仪 任务三 晶体结构的测定 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。 X射线衍射仪 X射线管 铅板 晶体样品 记录仪 衍射方向 衍射强度 LOGO 03 晶体结构的测定 X射线管 铅板 晶体 晶体能产生分立的斑点 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 任务三 LOGO 03 晶体结构的测定 15 20 25 30 35 2θ/° 晶体能产生明锐的衍射峰 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的空间结构。 任务三 LOGO 乙酸晶体 乙酸晶胞 乙酸分子的空间结构 →X射线衍射测定乙酸分子结构 (含4个乙酸分子) →从衍射图中经计算可获取晶体的结构信息，如晶胞的形状、大小，微粒空间对称性类型，原子的数目和位置等。 衍射图 计算获得 晶胞形状和大小 分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类型 原子在晶胞里的数目和位置 结合晶体化学组成的信息推出原子之间的相互关系 根据原子坐标，可以计算原子间的距离，判断哪些原子之间存在化学键,确定键长和键角，得出分子的空间结构。 03 晶体结构的测定 任务三 LOGO 1.原子坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置。下图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0，0，0)；B为 则D原子的坐标参数为__________。 课堂演练 2.如图所示的甲、乙、丙三种晶体： 试推断，甲晶体的化学式(X为阳离子)：______； 乙晶体中A、B、C三种微粒的个数比是_________； 丙晶体中每个D周围结合E的个数是____。 X2Y 1∶3∶1 8 课堂演练 3.(2018年全国Ⅲ卷)金属Zn晶体中的原子堆积方式如图，六棱柱底边边长为a cm，高为c cm，阿伏伽德罗常数的值为NA，Zn的密度为_______g·cm－3(列出计算式)。 ρ = N · M abc · NA 6×65 6× ×a2c×NA 3 4 √ = 晶胞的计算 谢 谢 观 看 THANKS Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 8×+6×=4 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 8×＋6×＋4＝8 2r＝a pm，即r＝ a pm。 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 　 $$