浅谈有关晶体结构的分析和计算.doc
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1、 浅谈有关晶体结构的分析和计算 摘 要:晶体结构的分析和计算是历年全国高考化学试卷中三个选做题之一,本文从晶体结构的粒子数和化学式的确定,晶体中化学键数的确定和晶体的空间结构的计算等方面,探讨有关晶体结构的分析和计算的必要性。关键词:晶体、结构、计算、晶胞 在全国统一高考化学试卷中,有三个题目是现行中学化学教材中选学内容,它们分别化学与生活、有机化学基础和物质结构与性质。虽然三个题目在高考时只需选做一题,由于是选学内容,学生对选学内容往往重视不够,所以在高考时学生对这部分题目得分不够理想.笔者对有关晶体结构的分析和计算进行简单的归纳总结,或许对学生学习有关晶体结构分析和计算有所帮助,若有不妥这
2、处,敬请同仁批评指正。一、有关晶体结构的粒子数和化学式确定(一)、常见晶体结构的类型1、原子晶体(1)金刚石晶体中微粒分布:、每个碳原子与4个碳原子以共价键结合,形成正四面体结构.、键角均为10928。、最小碳环由6个碳组成并且六个碳原子不在同一平面内。、每个碳原子参与4条C-C键的形成,碳原子与CC键之比为1:2。(2)二氧化硅晶体中微粒分布、每个硅原子与4个氧原子以共价键结合,形成正四面体结构。、每个正四面体占有1个Si,4个“氧”,n(Si):n(O)=1:2。、最小环上有12个原子,即:6个氧原子和6个硅原子。2、分子晶体:干冰(CO2)晶体中微粒分布、8个CO2分子构成立方体并且在6
3、个面心又各占据1个CO2分子.、每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子有12个。3、离子晶体(1)、NaCl型晶体中微粒分布、每个Na+(Cl)周围等距离且紧邻的Cl(Na+)有6个。每个Na+周围等距离紧邻的Na+有12个。、每个晶胞中含4个Na+和 4个Cl-.(2)、CsCl型晶体中微粒分布、每个Cs+周围等距离且紧邻的Cl-有 8个,每个Cs+(Cl-)周围等距离且紧邻的Cs+(Cl)有6个。、如图为8个晶胞,每个晶胞中含有1个Cs+和1个Cl-.3、金属晶体(1)、简单立方晶胞:典型代表Po,空间利用率52%,配位数为6(2)、体心立方晶胞(钾型):典型代表Na、K、Fe,空间利用
4、率60,配位数为8.(3)、六方最密堆积(镁型):典型代表Mg、Zn、Ti,空间利用率74,配位数为12. (4)、面心立方晶胞(铜型):典型代表Cu、Ag、Au,空间利用率74,配位数为12。(二)、晶胞中微粒的计算方法均摊法 1、概念:均摊法是指每个图形平均拥有的粒子数目,如某个粒子为n个晶胞所共有,则该粒子有属于一个晶胞。 2、解题思路:首先应分析晶胞的结构(该晶胞属于那种类型),然后利用“均摊法解题。 3、中学化学常见晶胞类型:长方体形(正方体形)晶胞、正六棱柱形晶胞、非长方体形(正方体形)晶胞。(1)、长方体形(正方体形)晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献、处于顶点的粒子,同时为8个晶
5、胞共有,每个粒子对晶胞的贡献为。、处于棱上的粒子,同时为4个晶胞共有,每个粒子对晶胞的贡献为。、处于面上的粒子,同时为2个晶胞共有,每个粒子对晶胞的贡献为。、处于体内的粒子,则完全属于该晶胞,对晶胞的贡献为1。(2)、正六棱柱形晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献、处于顶点的粒子,同时为6个晶胞共有,每个粒子对晶胞的贡献为。、处于棱上的粒子,同时为3个晶胞共有,每个粒子对晶胞的贡献为。、处于面上的粒子,同时为2个晶胞共有,每个粒子对晶胞的贡献为。、处于体内的粒子,则完全属于该晶胞,对晶胞的贡献为1。(3)、非长方体形(正方体形)晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定。常见如石墨晶胞每一层内碳原子排成
6、六边形,其顶点(1个碳原子)对六边形的贡献为。(三)、例题解析: 某离子晶体晶胞结构如图11所示:X位于立方体的顶点,Y位于立方体中心.试分析: (1)晶体中每个Y同时吸引着_个X,每个X同时吸引着_个Y,该晶体的化学式为_。(2)晶体中每个X周围与它最接近且距离相等的X共有_个。图1-1(3)晶体中距离最近的2个X与1个Y形成的夹角XYX的度数为_。(4)设该晶体的摩尔质量为Mgmol1,晶体的密度为gcm3,阿伏加德罗常数为NA,则晶体中两个距离最近的X中心间的距离为_ cm.解析:本题目考查了学生的空间想象力和对晶胞粒子的确定方法.(1)、如图12所示:由于X粒子位于晶胞的顶点,只有1/
7、8X属于该晶胞,而Y粒子位于晶胞内部,完全属于该晶胞,故该晶体中XY=(4)1,即化学式为XY2或Y2X。每个Y同时吸引着4个X,每个X同时吸引着8个Y(1个X被8个晶胞所共有,每个晶胞体心有1个Y)。(2)、每个X周围与X最接近且距离相等的X应为83=12个.图1-2(3)、如图12所示,由Y粒子和X粒子间虚线可推知,可构成正四面体形结构,故XYX为10928(与甲烷分子中HCH之间的夹角相似).(4)、设该晶胞的边长为a,两个X中心间距离为r,、求选定立方体中的粒子数:由于每个晶胞中相当于含有(4)个X和一个Y,即个XY2。 即 X:4 = Y: 1(在晶胞体内) 化学式为XY或 XY2或
8、Y2X 故:N = 、求晶胞质量:m = = 、计算立方体的体积: = = 由: = =可知: =解得:a cm 又因为 r a 所以r = cm答案:(1)4 8 XY2或Y2X (2)12 (3)10928 (4) 二、晶体中化学键数的确定 在中学化学中计算化学键数目的物质常见的是金刚石、二氧化硅、C60、C20和石墨。1、金刚石晶体:C原子最外层有4个电子,可以形成4对共价键,但每对共价键都与另一个C原子共用,所以要乘以,就得到共价键数目了;故1mol金刚石有2mol共价键。2、二氧化硅晶体:SiO2晶体中的基本结构单元是硅氧四面体SiO4。在硅氧四面体中,Si原子位于四面体的中心,4个
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