化学人教版（2019）选择性必修2 3.1.2晶胞 晶体结构的测定（共92张ppt）

(共92张PPT)
梦想很轻，却因此拥有飞向蓝天的力量。
——屠呦呦
晶胞
晶体结构的测定
晶胞
A
概念
判断
均推法计算化学式
晶体结构的测定
B
测定仪器
测定原理及数据处理
标
学
习
目
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。
问题解决
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？
在晶体微观空间里取出一个基本重复单元。
晶胞
一维空间排列
最紧密排列
二维平面堆积方式
非紧密排列
最紧密排列
三维平面堆积方式
反映晶体结构特征的基本重复单位
晶胞
晶胞
1
1.1 概念
描述晶体结构的基本单元
铜晶体结构
铜晶胞
铜晶胞
晶胞是晶体中最小的结构重复单元。
晶胞
1
1.2 类型
1
简单立方
四类型
晶胞
1
1.2 类型
1
2
简单立方
体心立方
四类型
面心立方
晶胞
1
1.2 类型
1
2
3
简单立方
体心立方
面心立方
四类型
六方晶胞
六方堆积
晶胞
1
1.2 类型
1
2
3
4
简单立方
体心立方
面心立方
六方堆积
四类型
如何判断一个结构是否是晶胞呢？
问题解决
物质 食盐 干冰 金刚石 石英
晶胞
问题解决
观察下列晶胞，有什么特点？
是几面体
顶点粒子是不相同
几个平行面
几个平行棱
四棱柱
8个顶点，1个柱内
立方体
8个顶点，6个面心
立方体
8个顶点，1个中心，顶点与中心相切
立方体
8个顶点，面上原子相切
常规的晶胞都是平行六面体
八个顶角相同
观察与思考
晶胞中8个顶角相同
晶胞
1
1.3 特点
8个顶角相同
晶胞有几套平行面
问题探究
三套各两个平行面
分别相同的最小平行六面体
x
y
z
x-z坐标轴形成的平面及其平行平面
x-y坐标轴形成的平面及其平行平面
y-z坐标轴形成的平面及其平行平面
面上都有一个原子且都相同
晶胞
1
1.3 特点
8个顶角相同
三套各两个平行面分别相同
三套各两个平行面分别相同
(共6个面)
上
下
左
右
前
后
规律总结
晶胞有几套平行棱
问题探究
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
棱上无任何原子且都相同
观察与思考
晶胞
1
1.3 特点
8个顶角相同
三套各两个平行面分别相同
三套各四根平行棱分别相同
问题探究
三套各4根平行棱分别相同
(共12根棱)
问题探究
晶胞不一定是平行六面体，如有的晶胞呈六棱柱形。
六棱柱（六方）晶胞
三棱柱晶胞
晶胞不一定都取平行六面体
思考﹒ 讨论
晶胞是如何形成晶体的
平行
六面体
无隙并置
晶胞都是平行六面体.
晶胞在晶体中“无隙并置”.
平行六面体
平行六面体
无隙并置
特点：晶胞都是平行六面体.晶胞在晶体中“无隙并置”.
晶胞
1
1.3 排列
晶体可看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成
无隙
相邻的晶胞之间 没有任何间隙
与相邻的晶胞完全共顶点、共棱边、共面
并置
所有晶胞都是
平行排列的，取向相同
一个晶胞到另一个晶胞只需平移，不需转动
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
考考你的智慧
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。
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。
A
B
C
D
考考你自己
简单立方晶胞含有几个原子？
问题解决
8
铜晶胞含有几个铜原子呢？
14
属于8个小立方体
1/8
1
2
4
3
7
6
8
5
顶点：
8
1
问题探究
8个晶胞共用一个粒子.
顶点原子为8个晶胞共享
顶点原子在晶胞中的份额为：
简单立方晶胞含有几个原子？
问题解决
1
8
8×1/8＝1
体心原子完全属于该晶胞
顶点原子在晶胞中的份额为：
立方晶胞含有几个原子？
问题解决
8×1/8＋1＝2
1
2
4
3
7
6
8
5
1
2
2
1
3
4
1
体心：1
面心：
顶点：
棱边：
均摊法
8
1
4
1
2
1
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
晶胞
3
均摊法
3.4 粒子数的计算
晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，则每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x
体心：1
面心：1/2
顶点：1/8
棱边：1/4
一个晶胞中含有粒子总个数：
顶点数× + 棱边数× + 面心数× + 体心数
１
８
１
４
１
２
考考你自己
金刚石晶胞中原子数是多少
8×1/8 ＋ 6×1/2 ＋ 4 ＝ 8
　　　下图是某晶体的晶胞示意图,其中X粒子位于此晶胞的中心，Y粒子位于8个顶点，该晶体中粒子X和Y的个数比是
　　A. 1∶1　　 　 B. 1∶2
　　C. 1∶4 　　　　 D. 1∶8
看谁做得既准又快
解析：X粒子属于晶胞独立拥有，而每个Y粒子则为8个晶胞共用，每个晶胞均摊Y粒子的个数为8×1/8=1，故A项正确。
面心原子份额为：
顶点原子在晶胞中的份额为：
面心晶胞中有几个原子？
问题解决
8×1/8＋6×1/2＝4
晶胞拥有原子数：
含有原子数？
问题解决
柱内原子完全属于该晶胞
顶点原子在晶胞中的份额为1/8
8×1/8＋1＝2
含有原子数？
问题解决
柱内原子完全属于该晶胞
面心原子份额为1/2
顶点原子属于该晶胞几分之一
1/6
微粒数为：12×1/6 ＋ 2×1/2 ＋ 3 ＝ 6
含有原子数？
问题解决
柱内原子完全属于该晶胞
面心原子份额为1/2
顶点原子属于该晶胞1/6
8×
计算二氧化碳晶胞中原子总数是多少
考考你自己
1
8
＋
6×
1
2
＝
4
4
×
3
＝
12
计算氯化钠晶胞中和钠离子个数是多少
考考你的智慧
氯离子
8×
1
8
＋
6×
1
2
＝
4
钠离子
12×
1
4
＝
3
＋
1
4
　　　　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___________。　　　
看我七十二变
X3Y
1 ∶ 3 ∶ 1
石墨晶体的层状结构，层内为平面正六边形结构(如下图)，试回答下列问题：
图中平均每个正六边形占有C原子数为____个、占有的碳碳键数为____个。
碳原子数目与碳碳化学键数目之比为_______。
2
3
问题解决
2∶3
化学家单斯诺在玩水晶时，不小心把水晶打烂了，当他很心痛在弯腰捡起打碎了的水晶时，惊奇地发现，破碎了的水晶碎片都是一样的，具有固定的角度，这就是著名的晶碳面角守恒定理。
在晶体内部，构成晶体的微粒在空间有规则排列，类似于阅兵式队伍。
随着科学技术发展，X射线衍射仪使人类第一次“看见”了晶体的内部结构。
晶体结构的测定
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
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？
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
问题解决
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
化学趣史
石英晶体
(Si、O原子规则排列)
硅石玻璃体
(Si、O原子不规则排列)
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。
X射线管
铅板
晶体样品
记录仪
X射线衍射仪
衍射图
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射线衍射实验给我们提供了哪些关于晶体结构的信息呢？
晶体结构的测定
2
仪器
1
X射线衍射仪
当单一波长的 X 射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或者明锐的衍射峰。
单晶衍射图
晶体结构的测定
2
仪器
1
X射线衍射仪
2
原理
当单一波长的X射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或者明锐的衍射峰
X射线管
铅板
晶体
晶体能产生分立的斑点
1. X射线衍射方向
——晶胞的形状、大小与取向
非晶体衍射图谱
晶体的周期性结构
数据处理
晶体结构的测定
感受﹒ 理解
15 20 25 30 35
2θ/°
2. X射线衍射强度
——原子的种类与位置
晶态SiO2
非晶态SiO2
晶体能产生明锐的衍射峰
晶体结构的测定
感受﹒ 理解
晶体结构的测定
2
仪器
1
X射线衍射仪
2
原理
当单一波长的X射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或者明锐的衍射峰
3
获得信息
衍射图
计算
晶体结构信息
晶胞信息
结合晶体化学组成
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
原子在晶胞中的数目和位置
推出原子之间的相互关系
3. 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
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
晶体结构的测定
感受﹒ 理解
晶体结构的测定
2
仪器
1
X射线衍射仪
2
原理
当单一波长的X射线通过晶体时，会在记录仪上看到分立的斑点或者明锐的衍射峰
3
获得信息
衍射图
计算
晶体结构信息
晶胞信息
结合晶体化学组成
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
原子在晶胞中的数目和位置
推出原子之间的相互关系
分子信息
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
得到晶胞
含 4 个乙酸分子
测定原子坐标，计算原子距离，判断化学键，确定键长和键角
乙酸晶体
乙酸晶胞
乙酸分子的空间结构
区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是
A．测定熔沸点
B．观察外形
C．对固体进行X—射线衍射测定
D． 通过比较硬度确定
小试身手
这节课我学到了什么？
（用一句话表示）
还有什么疑问？
课堂小结
堆积模型 命名 晶胞 每个晶胞所含
原子数
非 密 置 层 简单立 方堆积 — 1
体心立 方堆积 钾型 2
密 置 层 六方 堆积 镁型 2
面心立 方堆积　 铜型 4
常见晶胞
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
晶胞内原子数的计算
位于顶角
8
1
位于棱上
4
1
位于面上
2
1
位于晶胞内
1
晶胞特点及计算
1/6
1/2
1
1/3
非长方体晶胞中的粒子视具体情况而定
下列有关晶胞的叙述中，正确的是
A. 晶胞是晶体结构中最小的重复单元
B. 晶胞中的任何一个粒子都属于这个晶胞
C. 所有晶体都是由平行六面体无隙组合而成
D. 不同晶体中的晶胞的大小和形状均相同
考考你自己
共用
常规
一般不同
现有甲、乙、丙(如图所示)三种晶体的晶胞(甲中X和乙中A均处于晶胞的体心)。
问题思考:
1. 甲晶胞中X与Y的个数比是多少
乙晶胞中A与B的个数比是多少
3. 丙晶体中每个晶胞包含的C离子、D离子各为多少
考考你自己
体心的X为1，顶点的Y为4×1/8＝1/2， 1∶1/2＝2∶1
体心的A为1，顶角的B为8×1/8 ＝1，所以N(A)∶N(B)＝1∶1
C为12×1/4＋1＝4，D为8×1/8＋6×1/2＝4， 4∶4＝2∶1
1. 晶体具有各向同性，非晶体具有各向异性。
2. 熔融态物质快速冷却即可得到晶体。
3. 粉末状的固体也有可能是晶体。
4. 位于顶角上的粒子一定为8个晶胞所共有。
5. 不同晶体中晶胞的大小和形状都相同。
6. X射线通过晶体，导致晶体发生化学变化，形成特征的衍射图。
答案：1.×　2.×　3.√　4.×　5.×　6.×
看谁做得既准又快
计算碘晶胞中原子数
看谁做得既准又快
8×1/8＋6×1/2＝4
4×2＝8
钛酸钡的热稳定性好，介电常数高，在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用。钛酸钡晶体的结构示意图为下图，它的化学式为
A. BaTi8O12
B. BaTi4O6
C. BaTi2O4
D. BaTiO3
成功体验
在该物质的晶体中，每个钛原子周围与它最接近的且等距离的钛离子共有____个。
6
2001年报道的硼和镁形成的化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。如图所示的是该化合物的晶体结构单元：镁原子间形成正六棱柱，且棱柱的上下底面还各有1个镁原子，6个硼原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为
A. MgB
B. MgB2
C. Mg2B
D. Mg3B2
成功体验
Mg原子的数目：12×1/6＋2×1/2＝3
B原子的数目：6
故化学式可表示为MgB2
学会计算晶胞中粒子个数