3.1.2 晶体结构的测定和晶胞 课件 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

第三章 晶体结构与性质 第一节 物质的聚集状态与晶体的常识 课时2 晶体结构的测定和晶胞 2026/3/9 2 吗喽🐒 素养目标 宏观辨识与微观探析：认识晶胞是描述晶体结构的基本单元，能从微观角度理解晶体微粒的排列方式。 证据推理与模型认知：通过晶体结构测定方法获取结构证据，建立晶胞与晶体结构的认知模型。 科学探究与创新意识：了解晶体结构测定的实验手段，体会科学技术对物质结构研究的推动作用。 科学态度与社会责任：感受晶体结构的规律性与严谨性，形成尊重事实、重视实证的科学态度。 金刚石晶胞 干冰晶胞 Zn晶胞 I2晶胞 Cu晶胞 NaCl晶胞 CsCl晶胞 ZnS晶胞 科学家们，如何测定具体物质的晶体结构呢？ 课堂引入 2026/3/9 3 吗喽🐒 2026/3/9 4 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 1. X射线发展历程 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 …… 发展了X射线衍射确定晶体与分子结构的方法 Hauptman与Karle 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？ 2026/3/9 5 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 2. 常用仪器 X射线衍射仪 X射线单晶衍射仪 2026/3/9 6 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 3. 测定过程 当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的______相互作用，会在记录仪上产生 或者 。 电子 分立的斑点 明锐的衍射峰 X射线管 铅板 晶体样品 记录仪 X射线衍射仪 谱图 2026/3/9 7 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 3. 测定过程 当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的______相互作用，会在记录仪上产生 或者 。 电子 分立的斑点 明锐的衍射峰 单晶衍射图 非晶态和晶态SiO2 粉末衍射图谱 (水晶) 晶态SiO2 (石英玻璃) 非晶态SiO2 注意：同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或明锐的衍射峰 2026/3/9 8 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 通过衍射图形获得晶体结构的有关信息，包括晶胞形状和大小、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等 4. 测定结果处理 X射线管 铅板 晶体 晶体能产生分立的斑点 晶体的周期性结构 数据处理 2026/3/9 9 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 4. 测定结果处理 示例1：X射线衍射测定甲烷分子结构 衍射方向 甲烷晶体 a 边长为a的立方晶胞 原子的种类与位置 衍射强度 综合分析 C、H原子间的距离 是否存在 化学键 确定键长、键角 2026/3/9 10 吗喽🐒 一、X射线衍射实验 4. 测定结果处理 乙酸晶体 乙酸分子 的空间结构 示例2：通过晶体X射线衍射实验，对乙酸晶体进行测定，可以得出乙酸晶胞，晶胞中含有4个乙酸分子。并且，测定晶胞中各个原子的位置(坐标)，根据原子坐标，可以计算原子间的距离，判断出晶体中哪些原子之间存在化学键，确定键长和键角，从而，得出分子的空间结构 乙酸 晶胞 例7 下列有关说法正确的是( ) A.通过乙酸晶体的 射线衍射实验，只能测定晶胞中含有的乙酸分子 数，不能推出乙酸分子的空间结构 B.石英玻璃和水晶的衍射图谱相同 C.测定晶体结构最常用的仪器是 射线衍射仪 D.晶体的 射线衍射实验不能判断晶体中存在哪些化学键，也不能确 定键长和键角 √ 课堂练习 2026/3/9 11 吗喽🐒 11 2026/3/9 12 吗喽🐒 思考：什么是晶胞呢？ 二、晶胞 1. 晶胞概念 为了描述晶体在微观空间里原子的排列，无须画出千千万万个原子，只需在晶体微观空间里取出一个基本单元即可。这种描述晶体结构的基本单元叫做晶胞 铜晶体 铜晶胞 2026/3/9 13 吗喽🐒 二、晶胞 2. 晶胞与晶体的关系 晶体结构 晶胞示意图 一般来说，晶胞都是____________体，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。 平行六面 什么是“无隙并置”？ ？ 2026/3/9 14 吗喽🐒 二、晶胞 2. 晶胞与晶体的关系 所有晶胞的_____________及其内部的原子 ___________及几何排列是完全相同的 “无隙”是指相邻晶胞之间___________。 “并置”是指所有晶胞都是_______排列的，取向________。 无任何间隙 平行 相同 形状 种类、个数 对“无隙并置”的理解： 2026/3/9 15 吗喽🐒 二、晶胞 3. 晶胞的特征 (1) 晶胞中8个顶角相同 (2) 三套各两个平行面分别相同 上 下 左 右 前 后 2026/3/9 16 吗喽🐒 二、晶胞 3. 晶胞的特征 (3) 三套各4根平行棱分别相同 x y z x方向的四根平行棱 y方向的四根平行棱 z方向的四根平行棱 分别相同 2026/3/9 17 吗喽🐒 二、晶胞 3. 晶胞的特征 下图中的晶体结构满足晶胞的特点吗？ A图中的晶体结构满足晶胞的特点，是晶胞。 A B C D 2026/3/9 18 吗喽🐒 二、晶胞 3. 晶胞的特征 下图中的晶体结构满足晶胞的特点吗？ B图中的晶体结构，不满足晶胞“8个顶角相同”的要求，不是晶胞。 无隙并置后原本的晶胞和再取出来的晶胞不同 2026/3/9 19 吗喽🐒 二、晶胞 3. 晶胞的特征 下图中的晶体结构满足晶胞的特点吗？ 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，不是晶胞。 无隙并置后原本的晶胞和再取出来的晶胞不同 2026/3/9 20 吗喽🐒 二、晶胞 3. 晶胞的特征 下图中的晶体结构满足晶胞的特点吗？ 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，不是晶胞。 无隙并置后原本的晶胞和再取出来的晶胞不同 八个顶角完全相同、三套平行棱、三套平行面各自相同！！！ 不满足晶胞特征的都不能进行无隙并置！ 2026/3/9 21 吗喽🐒 二、晶胞 下图中的晶胞是指”大立方体”呢？还是”小立方体”？为什么？ 不是晶胞 晶胞具有相同的顶角、相同的平行面和相同的平行棱 3. 晶胞的特征 亚晶胞：完整晶胞分成几等份之后的一部分 2026/3/9 22 吗喽🐒 二、晶胞 (1) 简单立方晶胞 4. 晶胞的类型 晶胞示意图 结构特点 仅在平行六面的8个顶角上有粒子 a＝2r 2026/3/9 23 吗喽🐒 二、晶胞 (2) 体心立方晶胞 4. 晶胞的类型 晶胞示意图 结构特点 除8个顶角上有粒子外，平行六面体的体心有1个粒子 b＝a＝4r 2026/3/9 24 吗喽🐒 二、晶胞 (3) 面心立方晶胞 4. 晶胞的类型 晶胞示意图 结构特点 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 a＝4r 2026/3/9 25 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 NaCl的晶胞如图所示，它含有几个钠离子和氯离子？晶胞中钠离子和氯离子的个数比是多少？ 2026/3/9 26 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 1 2 4 3 7 6 8 5 1 2 2 1 3 4 1 体心：1 面心： 顶点： 棱边： 8 1 4 1 2 1 Na＋位于_______和_______ 2026/3/9 27 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 棱上 体心 氯化钠的一个晶胞的钠离子数＝12×＋1×1＝4 Cl－位于_______和_______ 顶点 面心 氯化钠的一个晶胞的氯离子数＝8×＋6×＝4 所以一个氯化钠晶胞代表的化学式为NaCl 2026/3/9 28 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 思考与讨论 (1)晶胞有几套平行棱？有几套平行面？ (2)图3-11依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(I2)、金刚石(C)晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含几个原子？ 2026/3/9 29 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 Na晶胞 Zn晶胞 I2晶胞 8×＋1＝2 8×＋6×＝4 (I2) 8×＋1＝2 2026/3/9 30 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 前左下 后左上 前右上 后右下 1 2 3 4 x y z 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 A B C D 碳原子个数： 8×＋6×＋4＝8 2026/3/9 31 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 正六棱柱晶胞中粒子数目的计算 示意图 位置 顶角 面上 棱上 内部 侧棱 上下棱 共用该微粒的晶胞数 每个晶胞分摊的微粒数 6 2 3 4 1 1 正六边形度数为120°，每个顶点6个晶胞共用 2026/3/9 32 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 1. 均摊法计算原子数及化学式 正三棱柱晶胞中粒子数目的计算 示意图 位置 顶角 面上 棱上 内部 侧棱 上下棱 共用该微粒的晶胞数 每个晶胞分摊的微粒数 12 2 6 4 1 1 正六边形度数为60°，每个顶点12个晶胞共用 2026/3/9 33 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 【特别提醒】 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。 由Ti和C原子构成的某团簇分子结构如图所示，该分子的化学式为( ) A.TiC B.Ti6C7 C.Ti14C13 D.Ti13C14 C 例5 晶体部分结构中的排列方式如图所示，图中： ， ， 。其中对应的化学式不正确的是( ) A. B. C. D. √ 课堂练习 2026/3/9 34 吗喽🐒 34 例6 报道称某种合金材料有较大的 储氢容量，其晶体部分结构如图所 示。则这种合金的化学式为( ) A. B. C. D. √ 课堂练习 2026/3/9 35 吗喽🐒 35 2026/3/9 36 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 2. 晶体密度的计算 1 pm＝10－10 cm；1 nm＝10－7 cm 2026/3/9 37 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 2. 晶体密度的计算 例1. 已知晶体中Na＋和Cl－间最小核间距为a cm，计算NaCl晶体的密度。 质量： 体积： 密度： 2026/3/9 38 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 2. 晶体密度的计算 例2. 如图是Fe单质的晶胞模型。已知晶体密度为d g·cm−3，求铁原子的半径(nm)。 体心立方堆积 4r＝ 密度： 半径： 2026/3/9 39 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 3. 晶胞中微粒配位数的计算 (1) 晶体学中的配位数是指晶体中一个粒子周围最近且等距的粒子数目。 (2) 离子晶体中的配位数是指一个离子周围最近且等距的异电性离子数目。 (3) 配合物中的配位数是指直接同中心离子(或原子)配位的原子数目。 涉及到的配合物等第四节讲解，先了解即可！ 2026/3/9 40 吗喽🐒 三、晶胞中的相关计算 3. 晶胞中微粒配位数的计算 常见晶胞的配位数如下： 简单立方：配位数为6 面心立方：配位数为12 体心立方：配位数为8       (写出表达式，设为阿伏伽德罗常数的值)。在 中掺杂少量 后形成的催化剂，化学式可表示为，则 ______ (用含 的代数式表达)。 例1 我国科学家发明了高选择性的二氧化碳加氢 合成甲醇的催化剂，其组成为 固溶体。 四方 晶胞如图所示。 在晶胞中的配位数是___，晶胞参数为 、、 ，该晶体密度为___________ 8 课堂练习 2026/3/9 41 吗喽🐒 41 例2 碳化钨是耐高温耐磨材料。如图为碳 化钨晶体的部分结构，碳原子嵌入金属的 晶格间隙，并不破坏原有金属的晶格，形 成填隙化合物。 (1)在该结构中，每个钨原子周围距离最近 且等距离的碳原子有___个。 6 (2)假设该部分晶体的体积为 ，碳化钨的摩尔质量为 ，密度为，则阿伏伽德罗常数 用上述数据可表示为 课堂练习 2026/3/9 42 吗喽🐒 42 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)物质的聚集状态只有固、液、气三种状态( ) × (2)等离子体是一种特殊的气体，含有带电粒子，呈电中性( ) √ (3)晶体有自范性且其微粒排列有序，在化学性质上表现各向异性( ) × (4)晶体一定比非晶体的熔点高( ) × (5)有规则几何外形的固体一定是晶体( ) × 2026/3/9 43 吗喽🐒 课堂评价 43 (8)不同晶体中晶胞的大小和形状都相同( ) × (9)晶胞中的任何一个粒子都只属于该晶胞( ) × (10)钠晶胞如图所示,则每个钠晶胞中含5个钠原子( ) × (6)熔融的硝酸钾冷却可得晶体,故液态玻璃冷却也能得到晶体( ) × (7)晶胞是晶体的最小重复单元( ) √ 2026/3/9 44 吗喽🐒 课堂评价 44 2.下列关于晶体与非晶体的说法正确的是( ) A.晶体与非晶体的本质区别在于是否有固定的熔沸点 B.晶体有自范性的原因是粒子在微观空间呈周期性有序排列 C.固体食盐、水晶、胆矾、玻璃均属于晶体 D.区别晶体与非晶体的最科学可靠的方法是检测其是否具有各向异性 √ 2026/3/9 45 吗喽🐒 课堂评价 45 3.下列有关晶体常识的叙述错误的是( ) A.水晶属于晶体，有固定的熔点，而玻璃无固定的熔点，属于非晶体 B.当单一波长的 射线通过晶体时可以看到明显的分立的斑点或者明 锐的衍射峰 C.晶体都具有自范性，自范性是晶体的本质属性 D.晶体都具有规则的几何外形，而非晶体都不具有规则的几何外形 √ 2026/3/9 46 吗喽🐒 课堂评价 46 4.现有四种晶体，其构成粒子(均为单原子核粒子)排列方式如图所示， 其化学式正确的是( ) A. B. C. D. √ 2026/3/9 47 吗喽🐒 课堂评价 47 5.固体有晶体和非晶体之分(实际上还有介于两者之间的晶体)，下列 对晶体和非晶体 相关叙述中不正确的是( ) 2026/3/9 48 吗喽🐒 课堂评价 48 A.相同质量的晶体转变为非晶体 属于熵增过程 B.晶体具有自范性，非晶体 没有自范性 C. 没有固定熔点 D.图中表示的是晶态 的衍射图谱 √ 2026/3/9 49 吗喽🐒 课堂评价 49 6.晶体内粒子总是按周期性规律重复排列，反映其结构特点的基本重 复单元为晶胞，晶体可视为晶胞经平移无隙并置而成。以下是某些 晶体的局部结构，可作为晶胞的是( ) A.(都在顶角) B.(在顶角和面心) C.(在顶角和面心) D.(在顶角和体心) √ 2026/3/9 50 吗喽🐒 课堂评价 50 7.(1)在下列物质中，____________是晶体，____________是非晶体。 ①塑料 ②明矾 ③松香 ④玻璃 ⑥冰糖 ⑦石蜡 ⑧单晶硅 ⑨铝块 ⑩橡胶 ②⑤⑥⑧⑨ ①③④⑦⑩ 2026/3/9 51 吗喽🐒 课堂评价 (2)晶体和非晶体在外形上有差别，晶体都具有________________， 而非晶体一般____________________；另外非晶体具有物理性质 __________的特点，而晶体具有物理性质__________的特点。 规则的几何外形 没有规则的几何外形 各向同性 各向异性 (3)判断物质是晶体还是非晶体，正确的方法是______(填序号)。 ①从外形上来判断 ②从各向异性或各向同性上来判断 ③从导电性能来判断 ④从有无固定熔点来判断 ②④ 51 a $