3.1.2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常识 第2课时 晶胞 学习目标 1、认识简单的晶胞。 2、通过典型晶胞的学习，类推其他晶胞的分析方法。 3、学会晶胞中微粒数的计算方法(均摊法)，能根据晶胞的结构确定晶体的化学式。 核心素养 1.认识物质的聚集状态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料，培养变化观念与平衡思想的核心素养。 2.了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞,培养证据推理与模型认知的核心素养。 3.知道晶体X射线衍射实验是测定物质结构的基本方法和实验手段，培养科学探究与创新意识的核心素养。 旧知回顾 晶体与非晶体的本质区别？ 构成晶体的粒子在三维空间里呈现周期性的有序排列 描述晶体在微观世界里的情形，我们只需要取出一个基本单元即可 晶胞 氯化钠晶体结构 氯化钠晶胞 一、晶胞 1、定义：描述晶体结构的基本单元。 晶胞是晶体中最小的结构重复单元。 铜晶胞 铜晶体结构 点阵图 堆积图 2、 晶体和晶胞的关系 常规的晶胞都是平行六面体(其边长不一定相等也不一定垂直)，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。通过上、下、左、右、前、后的平移能与下一个晶胞完全重合。 (1)“无隙”是指相邻晶胞之间无任何间隙。 “并置”是指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。 所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列(包括取向)是完全相同的。 无隙并置 (2)晶胞的特征： ①8个顶角相同 x z y ②三套各两个平行面分别相同 x z y x z y (共6个面) 两个xy平行面(前后) 两个xz平行面(上下) 两个yz平行面(左右) x z y ③三套各4根平行棱分别相同 x z y x z y (共12根棱) 4根x轴平行棱 4根z轴平行棱 4根y轴平行棱 晶胞 晶体 不是晶胞 下图中的晶胞是指实线小立方体呢？还是虚线大立方体？为什么？ 小立方体不具有平移性，因为它与相邻的小立方体并非等同。 相反，大立方体具有平移性， 在它的上下左右前后都有无隙并置的完全等同的立方体。 晶胞具有相同的顶角、相同的平行面和相同的平行棱 晶胞是晶体结构中最小的重复单元。 拓展提升 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。 判断下列六面体是否是晶胞？ 对点训练 1 2 4 3 7 6 8 5 1 2 2 1 3 4 1 体心：1 面心：1/2 顶点：1/8 棱边：1/4 二、晶胞中粒子个数的计算 均摊法：晶胞任意位置上的一个原子如果是被n个晶胞所共有，那么， 每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/n 11 金属铜的一个晶胞的原子数 1/8 =8× ＋ 6× ＝4 1/2 “均摊法”是计算每个晶胞平均拥有的粒子数目的常用方法。其基本理念是每个粒子被n个晶胞所共用，则该粒子有 属于这个晶胞。 【归纳小结】 1.金属钠的一个晶胞的原子数= 2.金属锌的一个晶胞的原子数= 3.I2的一个晶胞的分子数= 4.氯化钠的化学式：Cl- Na+ 1.下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(I2)、氯化钠晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含几个原子，氯化钠化学式？ 8× ＋6× ＝4 2 1 8 1 面心立方 体心立方 →原子数为8 思考与讨论 Cl- Na+ 8× ＋6× ＝4 2 1 8 1 12× ＋ 1 ＝4 4 1 化学式为NaCl →离子晶体化学式只表示每个晶胞或晶体中各类粒子的最简整数比 根据离子晶体的晶胞结构，判断下列离子晶体的化学式：(A表示阳离子) A B 化学式： AB 化学式： AB2 C 化学式： ABC3 对点训练 提升训练 8个顶点 个体心 个面心 4 6 8× +6× +4=8 2 1 8 1 一个晶胞碳原子数 C 8× ＋6× ＝4 8 1 2 1 Si 4 SiC 8× ＋6× ＝4 8 1 F 2 1 8 Ca CaF2 提升训练 A B C A： B： C： 8× ＋4× +1＝4 8 1 2 1 6× ＋4× ＝4 2 1 4 1 8 化学式： ABC2 拔高训练 写具体坐标 （0,0,0） （ ,0, ） y x z 2 1 2 1 （ , , 0） 2 1 2 1 （ , , ） 4 1 4 1 4 1 4 3 4 3 （ , , ） 4 1 （ , , ） 4 3 4 1 4 3 4 1 4 3 4 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（ ） A.Ti14C13 B.Ti4C4  C.TiC D.Ti13C14 A 特别注意：气态团簇分子和纳米小颗粒不采用无隙并置方式排列， 故不能采用均摊法来确定化学式！ 一个气态团簇分子，其化学式就是其分子式，应直接数出原子数。 拓展训练 三、配位数 概念：在晶体中某一个原子（离子）周围距离相等且最近的同种原子（异性离子）的数目。 1、简单立方堆积： 配位数： （距离最近且相等的原子数目） 6 2、体心立方堆积： 配位数： （距离最近且相等的原子数目） 8 A B 化学式： A配位数： （距离A最近且相等的B原子数目） B配位数： （距离B最近且相等的A原子数目） 8 8 AB 3、面心立方堆积： 配位数： （距离最近且相等的原子数目） 12 A B 化学式： A配位数： （距离A最近且相等的B原子数目） B配位数： （距离B最近且相等的A原子数目） 12 4 AB3 A下角标×A配位数=B下角标×B配位数 例1：某种氮化钛晶体的晶胞如图所示，该晶体中与N原子距离相等且最近的N原子有 个，Ti原子的配位数为 ，N原子的配位数为 。 12 6 6 例2：O和Na两元素能够形成化合物F，其晶胞结构如图所示，F的化学式为 ，晶胞中钠原子的配位数为 ，氧原子的配位数为 。 8× ＋6× ＝4 8 1 2 1 8 O Na Na2O 4 Na下角标×Na配位数=O下角标×O配位数 8 体心立方 简单立方 面心立方 三种典型立方晶胞 【思考】晶胞都是平行六面体吗？ 六棱柱（六方）晶胞 三棱柱晶胞 思考与讨论 四、六棱柱（六方）晶胞中粒子的计算方法 位置 顶角 竖直棱 水平棱 面上 体心 份额 顶角： 竖直(侧)棱： 水平(上下)棱： 面上： 体心 1/6 1/4 1/3 1/2 1 1/6 1/3 1/4 1/2 1 顶点： 体心： 竖直(侧)棱： 水平(上下)棱： 五、正三棱柱晶胞中粒子的计算方法 位置 顶角 竖直棱 水平棱 面上 体心 份额 1/12 1/4 1/6 1/2 1 1/12 1 1/6 1/4 晶胞1 晶胞2 X：6/12=1/2 Y：6/4+3/6=2 Z：1 Mg：12/6+2/2=3 B:（在体内） 6 计算下列晶胞中原子数目，确定化学式。 化学式：Z2XY4 化学式：MgB2 规律总结： 晶体化学式的确定流程:观察确认粒子种类→确定各粒子在晶胞中的 位置→用均摊法求晶胞均摊各粒子的数目→求各粒子数目的最简比→确定化学式。 对点训练 解：晶胞的边长为a pm 例1、已知CsCl的摩尔质量为168.5gmol，其晶胞如图所示。 晶胞边长为a pm。阿伏伽德罗常数为NA， 则CsCl晶体的密度为 g/cm3 =a×10-10 cm 体积V=(a×10-10 )3 cm3 晶胞中含CsCl个数：1个 1×168.5 NA (a×10-10 )3 顶点-Cs＋ 中心-Cl﹣ 六、晶胞密度的计算 注意：单位换算: 1m=102cm=109nm=1012pm = • g/cm3 例2：NaCl晶胞中，若两个距离最近的Na＋核间距为a cm，则晶体的密度ρ = _______ g·cm-3。 Na+ Cl－ 晶胞的边长: b=√2 a cm 晶胞分摊4个NaCl = = N · M b3 · NA 4×58·5 (√2 a)3 ×NA = 58·5√2 a3 · NA g·cm－3 Cl-： Na+： 8× ＋6× ＝4 12× ＋ 1 ＝4 2 1 8 1 4 1 注意：单位换算: 1m=102cm=109nm=1012pm 立方体晶胞中常用关系: 面对角线与边长关系： 边长a l d 体对角线与边长关系： d = l= 勾股定理： l a a l2 = a 2 + a 2 =2a 2 d2 = a 2 + l 2 =3a 2 (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 V · NA 6×65 ×a2c×NA 3 2 √ = 高考真题 晶胞分摊6个Zn a a h V= ×c V=s·c h= 2 a 3 七、晶胞空间利用率 微粒数×1个微粒体积 1、空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。 空间利用率= ×100％ 原子体积 晶胞体积 （1）计算晶胞中的微粒数 2、空间利用率的计算步骤： （2）计算晶胞的体积 ①简单立方堆积 立方体的棱长为2r 2r 1个晶胞中平均含有1个原子 V球= V晶胞=（2r）3=8r3 空间利用率= ≈52% 球的半径为r ②体心立方堆积 a b 空间利用率 a a：晶胞单位长度，r：原子半径 68% ③面心立方堆积 4r a ≈74% 空间利用率= a：晶胞单位长度，r：原子半径 ④六方最密堆积 a：晶胞单位长度，r：原子半径 a=2r h’ a a S= h’= v晶胞=s×2h’ =3 a3 空间利用率= ≈74% ⑤金刚石晶胞 a：晶胞单位长度，r：原子半径 v晶胞= a3 1个晶胞中平均含有8个原子 空间利用率= ≈34% 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。是一种特殊的聚集状态。 准晶具有完全有序的结构,然而又不具有晶体所应有的平移对称性,因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。 探究——准晶： 银铝准晶体的原子模型 准晶具有独特的属性,坚硬又有弹性、非常平滑,而且与大多数金属不同的是其导电性、导热性很差,因此在日常生活中大有用武之地。 晶体的平面点阵只能有二、三、四、六重轴（重轴n=360/α，α为旋转角度）而准晶可以有五、八、十、十二重轴。 1、2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼，以表彰他发现了准晶体。准晶体材料具有硬度高，不易损伤，使用寿命长等特点.下列叙述错误的是( ) A.自然界中的固体可分为晶体、准晶体和非晶态物质 B.准晶体是一种介于晶体和非晶态物质之间的固体 C.准晶体材料的应用具有较大的发展空间 D.化学式为Al63Cu24Fe13的准晶体不可与稀硝酸发生反应 D 八、晶体结构的测定 X射线衍射原理：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，会在记录仪上产生分立的斑点或明锐的衍射峰。 测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪 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 X射线衍射图谱的应用——获得晶胞信息 晶体的周期性结构 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。 乙酸晶体 乙酸晶胞 乙酸分子的空间结构 晶体结构的测定 43 2、下列有关说法正确的是（ ） 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相同 C.通过乙酸晶体的X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 D.晶体的X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 A 巩固练习： 3.1.2晶胞 使用分摊法的关键是要清楚晶胞中的每个粒子与几个相邻的晶胞共用。掌握了这个关键，我们不仅可以迅速计算平行六面体晶胞中所含的各种粒子的数目，也可以计算其他形状的三维晶胞或者二维平面晶胞中所含的各种粒子的数目。再如图是直六棱柱无隙并置的局部示意图，据此我们可以确定六棱柱晶胞中各个位置上的粒子的分摊情况。 $