晶体结构

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1、第三章晶体结构 赛点归纳：晶体结构是化学竞赛试题的重要组成部分，因为晶体结构可以考查参赛者的空间感知能力，很能考查参赛者的数学功底。因此，仔细分析近年来的化学竞赛试题，晶体结构试题有以下几种形式： 1.单纯考查某晶体的立体结构（主要考查立方晶胞）。建立微观和宏观的桥梁是阿伏加德罗常数。 2.考查原子簇化合物。参赛者要弄清“化学环境”的含义。凸多面体经常用到欧拉公式。 3.考查晶体缺陷的有关知识。组成该晶体的粒子具有非整比数。要搞清楚离子填充四面体、八面体或立方体空穴等知识。 4.简单的晶体结构，但解答时需要建立数学模型，方能快速作答。如根据数学知识

2、对化学问题进行数学归纳，得出通式，再根据其通式解决化学问题。 趋势预测：近年来化学竞赛试题在考查晶体结构时呈现出多元化趋势，从考查简单的晶体结构，到考查需要建立数学模型的结构试题，其间出现了“分之设计、分子积木”等试题形式。因此，笔者以为：今后的晶体结构试题其知识深浅度将呈下降趋势，但对参赛者的能力要求将会越来越高。即考查一些在特殊情况下，打破旧的知识，建立新知识等方面的一些试题。 一.晶体和晶胞 （1）晶体的本质特征是他的“自范性”，即：晶体能够自发地呈现封闭的规则凸多面体的外形。它有单晶和双晶之分，有的饿晶态物质看不到规则外形，是多晶。在自然条

3、件下形成的单晶的形状丰富多样，然而借助几何知识，却可以找到相同的晶面，而且，确定的晶面之间的二面角——“晶面夹角”是不变的。着叫做晶面夹角不变定律。 在晶体的微观空间中，原子呈现周期性的整齐排列。对于理想的完美晶体，这种周期性是单调的，不变的，这是晶体的普遍特征，叫做平移对称性。 （2）晶胞的基本特征及晶胞中原子的坐标与计数 晶胞具有平移性，晶胞具有相同的顶角、相同的平行面和相同的平行棱。不具有平移性就不是晶胞。平行六面体的几何特征可用边长关系和夹角关系确定。布拉维晶胞的边长与夹角叫做晶胞参数。通常用向量xa+yb+zc中的x,y,z组成的三数组来

4、表达晶胞中原子的位置，称为原子坐标。原子坐标绝对值的取值区间为1＞∣x(y,z)∣≥0。若取值为1，相当于平移到另一个晶胞，与取值为零毫无差别。 （3）素晶胞与复晶胞——体心晶胞、面心晶胞和底心晶胞和14种布拉维点阵型式 晶胞是描述晶体微观结构的基本单元，但不一定是最小单元。素晶胞是晶体微观空间中的最小基本单元，不可能再小。素晶胞中的原子相当于晶体微观空间中的原子作周期性平移的最小，叫做结构单元。复晶胞是素晶胞的多倍体；分体心晶胞（2倍体），面心晶胞（4倍体）及底心晶胞（2倍体）三种。 （4）布拉维系7系和晶胞的素、复结合，总共只有14种晶胞，在晶

5、体学中称为布拉维点阵型式二.晶体的类型 1．金属晶体 晶体中晶格结点上的质点是金属原子或金属离子，结合力是金属键(自由电子)，它的特点是具有较大的比重，有金属光泽，能导电、导热，有良好的延展性等。金属晶体中原子之间的化学作用力叫做金属键。金属键是一种遍布整个晶体的离域化学键。金属键理论有改性共价键理论及能带理论。 2．离子晶体 离子化台物的晶体属离子晶体，如NaCl、CsCl等。在离子晶体中，晶格结点上的质点是正、负离子，质点间的作用力是静电引力。晶体的特点是有较高的熔、沸点和硬度，但较脆，延展性差，在熔融状态或在水溶液中能导电。当电负性小的活泼金

6、属原子与电负性大的活泼非金属原子相遇时，由于原子间发生电子转移形成正、负离子，并通过静电作用而形成的化学键叫做离子键。 (1)离子键的本质是静电作用力，没有方向性和饱和性。 (2)离子的特征，即离子的电荷、离子的半径和离子的电子层构型。 (3)离子的电子层构型有以下几种： 2电子构型：如Li+、Be2+等。 8电子构型：如Na+、Ca2+及一些简单阴离子Cl-、O2+等。 18电子构型：如Zn2+、Hg2+、Cu+、Ag+等。 18+2电子构型：即次外层18+最外层2，如P2+，Sn2+等。 9~17不规则构型：如Fe2+，Cr3+，Mn2+等。 

7、(4)离子键的强度，通常用晶格能U的大小来衡量。 U可根据热力学有关数据，利用波恩-哈伯循环进行计算， 3．分子晶体与原子晶体 如CO2，HCl，I2等，在分子晶体中，晶格结点上的质点是分子(包括极性或非极性的)，质点间的作用力是范德华引力。分子内原子间是共价键。因此晶体的熔、沸点较低，硬度较小，固体不导电，熔化时一般也不导电。只有极性很强的分子晶体(如HCl)溶解在水中，由于电离而导电。如金刚石(C)、Si、B、SiO2、SiC、BN等，在晶体的晶格结点上的质点是原子，原子间是通过共价键相联结。因此它的熔、沸点高，硬度大，不导电，不导热，但Si、

8、SiC具有半导体性质。 4．混合晶体 如石墨、石棉、云母等晶体，在它们的晶体中具有多种作用力。 以石墨为例，层内质点问(即