3.1.2晶胞及晶体结构测定 课件 2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修2

第2课时 晶胞 晶体结构测定 前课回顾 晶体特性 自范性 各向异性 熔点固定 晶体和非晶体的差异 晶体内部微粒一定是周期性重复排列 在不同方向排列的规律不同 铜晶体 CaF2晶体 整块晶体是由大量微粒在空间周期性重复排列聚集而成的。 一、晶胞 问1：要研究晶体的结构，应当如何入手呢？ 思路：“以小见大” 铜晶体 铜晶胞 晶胞：晶体结构中最小的重复单元 球棍模型 比例填充模型 注意，教参注明，鲁科版 晶胞是晶体结构中最小的重复单元,不一定是最小单元。注：高中的晶胞指的素晶胞 晶胞堆积方式展示 晶胞 晶体 无隙并置 平移复原 一、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。 各晶胞之间无缝隙 平行排列，取向相同 各个晶胞完全等同（组成和几何空间）， 且晶胞间共顶角、共棱、共面 另一种表述 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。 CaTiO3晶胞 ZnS晶胞 一、晶胞 问2：晶胞有哪些特点呢？ 铜晶胞 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 共6个面 共8个顶点 共12根棱 常规晶胞都是平行六面体 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMDA1MDUyMQ==&mid=2247489536&idx=2&sn=42b2e8364bb926f098feca7d180e1d4e&chksm=fa56e4b6cd216da05908233bb05fb26bb8ffe8297a5e1054e4c06559a030e2d8a3153a287a9b&scene=27 学思用2 下列平面六面体中不属于晶胞的有哪些？说明理由。 答案： 。A图中的六面体结构满足晶胞的特点，是晶胞。B图中的六 面体结构不满足晶胞“8个顶角相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是 晶胞。C图中的六面体结构不满足晶胞“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图中的六面体结构不满足“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。 返回导航 6 问3：下列晶胞中分子的取向有几种？ 一、晶胞 干冰晶胞 8个顶点的取向相同 3套各2个平行面的取向相同 I2晶胞 8个顶点和左右面心分子取向相同， 上下，前后面面心分子取向相同。 共有2种不同的取向. 练习1、判断下列4个图中结构，属于晶胞的是 一、晶胞 √ 8个顶角不相同 3套各4根平行棱 不相同 3套各2个平行面 不相同 判断是否是晶胞的方法一：顶点/平行面/平行棱是否完全相同 练习2、下面是从NaCl晶体最小平行六面体，是否可以作为晶胞？ 8个顶角不相同 不能平移复原 判断是否是晶胞的方法二：能否平移复原 一、晶胞 晶胞的化学组成 铜晶体 铜晶胞 一个铜晶胞中平均含有的铜原子是8+6=14吗？如果不是，该如何计算？ 一、晶胞 讨论：我们能计算出这个铜晶胞平均含有的铜原子数目吗？ 每个顶点:1/8 每个面心:1/2 金属铜一个晶胞的铜原子数： 8×1/8+6×1/2=4 铜晶胞中含有8个顶点、6个面心 一、晶胞 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 晶胞中原子个数的计算（重点） 均摊法 晶胞中原子个数的计算（小结） 均摊法 AB A B A原子数 8× 　＝1 8 1 1 B原子数 一、晶胞 问4：下列晶胞中A和B原子各有多少个?你能写出化学式吗？ 球棍模型 比例填充模型 A原子数 B原子数 顶角 体心 学思用1 由晶胞构成的晶体，其化学式是否表示构成该晶体实际的粒子数目？ 答案：否，化学式只表示每个晶胞或晶体中各类粒子的最简整数比。 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 练习3：如图是NaCl 晶胞，数数Na+ 和 Cl-个数？ Cl- Na+ 8× 　＋ 6× ＝4 8 1 2 1 12× 　＋1 ＝4 4 1 一、晶胞 Cl- 位于_______和_________ Na+位于_______和________ 面心 顶角 体心 棱上 该晶胞中包含4个Na+和4个Cl- 步骤一：先明确微粒在晶胞中的位置关系 步骤二：采用均摊法计算 化学式相同，但并不是晶胞，不能重复。 “均摊法”确定晶胞中粒子的个数若晶胞中某个粒子为 个晶胞所共用， 则该粒子有 属于这个晶胞。长方体（包括立方体）晶胞中不同位置的粒 子数的计算方法如下： 返回导航 18 ［特别提醒］ 并不是所有的晶胞都是长方体，非长方体晶胞中粒子数视 具体情况而定，如六棱柱晶胞中不同位置的粒子数的计算方法如下： 返回导航 练习4：下图依次是金属锌(Zn)、碘(I2)、金刚石(C)晶胞的示意图，数一数它们分别平均含有几个原子? I2 金刚石 Zn 2个 4*2=8个 8× 　＋ 1 8 1 8× 　＋ 6× ＝4 8 1 2 1 一、晶胞 Na 8× 　＋ 1 8 1 2个 金刚石 8个 8× 　＋ 6× +4 8 1 2 1 一、晶胞 左 上 下 右 前 后 金刚石 一、晶胞 长度为体对角线的1/4 体内四个球位于 交错的小正方体中心 一、晶胞 晶胞小结 ①明确微粒在晶胞中的位置关系。 ②基于位置采用均摊法进行计算。 计算晶胞中含有微粒数目--均摊法： 判断是否是晶胞的方法： ①顶点/平行面/平行棱是否完全相同 ②能否平移复原 顶角1/8 面1/2 棱1/4 内1 问题导入 新的问题： ①科学家是如何证实晶体是周期重复排列的结构呢？ ②怎么知道晶胞的大小、形状、取向和各个原子的位置呢？ O Fe I2 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 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 2θ/° 非晶态SiO2 晶态SiO2 明锐的衍射峰 分立的斑点 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ为X射线的波长 了解：X射线-测定晶胞 不同晶体对应不同的d，计算出晶胞参数，进而得到晶胞的形状、大小与取向 数据处理 晶胞结构 布拉格方程 晶胞的3组棱长：a b c 3种夹角:α、β、γ 每一种晶体都有它自己的晶面间距d，而且其中原子按照一定的方式排布着，这反映到衍射图上各种晶体的谱线有它自己特定的位置。数目和强度I。因此，只需将未知物中的衍射图中各谱线测定的角度和强度和已知样品的谱线进行比较就可以达到分析目的。 衍射方向 乙酸晶体 乙酸晶胞 测定原子种类和位置（原子分数坐标） 辨识出 化学键 确定键长、键角 二、晶体结构的测定——X射线衍射实验 了解：X射线-测定乙酸分子结构 计算原子间的距离 衍射强度 乙酸分子结构 引导学生体会，如何明确乙酸的结构的，毕竟我们看到的原子间没有那根化学键.。课本的图不是很好，看不出差异。 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 大小形状原子位置 原子分数坐标 课堂总结 晶胞参数 晶体中的配位数 Coordination Number 晶体学中的配位数是指晶体中一个原子周围与其等距离的最近邻的原子数目。 离子晶体中的配位数：是指一个离子周围最近的异电性离子数目。 配位数：是指晶胞中某原子与其周围等距离且最近的原子数目 6 ● 8 12 4 金刚石 Na+ Cl－ (1)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。 (2)在NaCl晶体中，每个Na＋周围最近距离的Na＋有____个。 6 6 12 离子晶体中的配位数是指一个离子周围最近的异电性离子数目 ①先确定观察中心原子，观察一个晶胞，再向空间延伸 ②考虑是否重复计算 ③可用替代法 Ca2+的配位数_______ F-的配位数_______ 萤石型(CaF2) 8 4 闪锌矿型(ZnS) Zn2+的配位数_______ S2-的配位数_______ Zn2+ S2- 4 4 在该物质的晶体结构中，每个钛离子周围与它最近且距离相等的氧离子、钙离子各有____个、___个。 6 8 钙钛矿型(CaTiO3) F Ni K 该化合物的化学式_________ Ni的配位数_______ 晶胞参数及晶胞密度的计算 晶胞参数 晶胞结构 晶胞的3组棱长：a b c 3种夹角:α、β、γ 已知晶胞参数，如何计算晶胞的体积？ 晶胞的体积及密度 下图为NaCl晶胞结构示意图，已知晶胞参数为a nm 该晶胞的体积为__________cm3 该晶胞的质量为_________g 该晶胞的密度为_____________g/cm3 a3×10-21 234×1021 NA×a3 234 NA 三、宏观晶体密度与微观晶胞参数的关系 ［特别提醒］、与 之间的换算： ， 。 44 四、立方晶胞中的几组公式（设棱长为 ） 1.面对角线长 。 2.体对角线长 。 3.如图甲所示晶胞中为原子半径 。 4.如图乙所示晶胞中为原子半径 。 5.空间利用率 。 45 晶体的摩尔质量为，晶胞的密度为，阿伏加德罗常数的值为， 两个最近的间的距离为_________ 晶胞的体积及密度 下图为金刚石晶胞结构示意图，已知碳原子半径为r nm 该晶胞的体积为_______cm3 该晶胞的质量为_______g 该晶胞的密度为_______g/cm3 原子坐标(分数坐标) A B C D E F G H 原子坐标 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) 注意：晶胞中有几个原子就有几个坐标 A(0,0,0) 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(0,0,1) K(1,0,1) L(1,1,1) 1 2 E(0, 1, ) F(1, 1, ) G(1, 0, ) H(0, 0, ) 1 2 1 2 1 2 一般以坐标轴所在立体图形的棱长为1个单位。 A(0,0,0) H(0, 0, ) 注意：晶胞中有几个原子就有几个坐标 原子坐标 晶胞中有几个原子就有几个坐标 Cl- 1个 顶点 Cs+ 1个 体心 x y z 顶点 体心 面心 棱心 Cl- Na+ x y z ZnS x y z 1、钴的一种化合物的晶胞结构如图所示，已知A点的原子坐标参数为(0,0,0)，B点为( ，0， )，则C点的原子坐标参数为________。 ( ， ， ) 原子坐标 2、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_________、__________。 确定坐标原点是关键 原子坐标 若A点原子的分数坐标为(,,)，则B点原子的分数坐标为　　 　;晶胞中A、B间距离d=　　 　　pm。 （0,0,） 意义: 通过原子分数坐标既能确定晶胞中原子的相对位置，又可以计算各原子间 的距离，进而可以计算晶胞的体积及晶体的密度 原子坐标 晶胞投影图 投影图 大本p58 1. 的投影分析 2. 的投影分析 俯视图：沿着Z轴投影 侧视图：沿着x轴投影 正视图：沿着y轴投影 面心立方 体心立方 58 晶胞沿x、y、z轴的投影图 CsCl 晶胞沿x、y、z轴的投影图 NaCl 金刚石 晶胞沿x、y、z轴的投影图 ZnS 晶胞沿x、y、z轴的投影图 晶胞沿x、y、z轴的投影图 CaF2 NiAs 晶胞沿x、y轴的投影图 晶胞沿z轴的投影图 2、某硅化镁(，相对分子质量为)立方晶胞沿x轴、y轴、z轴的投影均如图所示。 (1)的配位数为_______ (2)相邻之间的距离和相邻之间的距离之比为________ 3、一种化合物由、、按一定比例构成，其晶胞结构如图，晶胞俯视图如图（未画出）。 ①在图中画出的位置； ②该化合物的化学式是__________________； ③与距离最近且相等的有______个。 晶胞结构 晶胞沿x、y、z轴的投影图 该晶体的化学式______________ 若该晶体的相对分子质量为，晶体密度为，则该晶胞中相邻K之间的最短距离为________ 2022广东卷 例2 朱砂（硫化汞）在众多先秦考古 遗址中均有发现，其立方晶系 型 晶胞如下图所示，晶胞参数为 ， A.每个原子周围与其距离最近且相等的 原子有6个 B.晶胞中B原子的分数坐标为 C.该晶体的密度 D.相邻两个的最短距离为 A原子的分数坐标为，阿伏加德罗常数的值为 。下列说法正确 的是( ) √ 68 解析：由晶胞结构图可知，每个原子周围与其距离最近且相等的 原子 有4个，A错误；由A原子的分数坐标为 ，结合投影图可知，晶胞中 B原子的分数坐标为，B错误；由晶胞结构图可知， 原子个数为 4，原子个数为 ，故该晶体的密度 ，C正确；相邻两个 的最短 距离是面对角线的一半，为 ，D错误。 69 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $