高中化学竞赛培训晶体结构

第五章晶体结构§5-1晶体的点阵理论1. 晶体的结构特征人们对晶体的印象往往和晶莹剔透联系在一起。

公元一世纪的古罗马作家普林尼在《博物志》中，将石英定义为“冰的化石”，并用希腊语中“冰”这个词来称呼晶体。

我国至迟在公元十世纪，就发现了天然的透明晶体经日光照射以后也会出现五色光，因而把这种天然透明晶体叫做"五光石"。

其实，并非所有的晶体都是晶莹剔透的，例如，石墨就是一种不透明的晶体。

日常生活中接触到的食盐、糖、洗涤用碱、金属、岩石、砂子、水泥等都主要由晶体组成，这些物质中的的晶粒大小不一，如，食盐中的晶粒大小以毫米计，金属中的晶粒大小以微米计。

晶体有着广泛的应用。

从日常电器到科学仪器，很多部件都是由各种天然或人工晶体而成，如，石英钟、晶体管，电视机屏幕上的荧光粉，激光器中的宝石，计算机中的磁芯等等。

晶体具有按一定几何规律排列的内部结构，即，晶体由原子(离子、原子团或离子团)近似无限地、在三维空间周期性地呈重复排列而成。

这种结构上的长程有序，是晶体与气体、液体以及非晶态固体的本质区别。

晶体的内部结构称为晶体结构。

晶体的周期性结构，使得晶体具有一些共同的性质：(1) 均匀性晶体中原子周期排布的周期很小，宏观观察分辨不出微观的不连续性，因而，晶体内部各部分的宏观性质(如化学组成、密度)是相同的。

(2) 各向异性在晶体的周期性结构中，不同方向上原子的排列情况不同，使得不同方向上的物理性质呈现差异。

如，电导率、热膨胀系数、折光率、机械强度等。

(3) 自发形成多面体外形无论是天然矿物晶体还是人工合成晶体，在一定的生长条件下，可以形成多面体外形，这是晶体结构的宏观表现之一。

晶体也可以不具有多面体外形，大多数天然和合成固体是多晶体，它们是由许多取向混乱、尺寸不一、形状不规则的小晶体或晶粒的集合。

(4) 具有确定的熔点各个周期内部的原子的排列方式和结合力相同，到达熔点时，各个周期都处于吸热溶化过程，从而使得温度不变。

晶体结构答案第1题（6分）所有原子都是Mg （得3分）所有原子都是O （得3分）画更多原子者仍应有正确几何关系。

第2题（5分）2-1MgB 2（2分）（注：给出最简式才得分）2-2或a =b ≠c ，c 轴向上（3分）（注：任何能准确表达出Mg :B =1:2的晶胞都得满分，但所取晶胞应满足晶胞是晶体微观空间基本平移单位的定义，例如晶胞的顶角应完全相同等。

）第3题（10分）3-1①12②2③钠（各1分，共3分）3-2晶胞体积V =[2×(116pm +167pm)]3=181×106pm 3离子体积v =4×43π(116pm)3+4×43π(167pm)3=104×106pm 3v /V =57.5%（1分）（有效数字错误扣1分，V 和v 的计算结果可取4位，其中最后1位为保留数字，不扣分。

）3-3表面原子为8(顶角)+6(面心)+12(棱中心)=26总原子数为8(顶角)+6(面心)+12(棱中心)+1(体心)=27表面原子占总原子数26/27×100%=96%（1分）注：26和27均为整数值，比值26/27是循环小数0.962，取多少位小数需根据实际应用而定，本题未明确应用场合，无论应试者给出多少位数字都应按正确结果论。

3-4计算分两个步骤：步骤一：计算表面原子数。

可用n =2、3的晶胞聚合体建立模型，得出计算公式，用以计算n =10。

例如，计算公式为：[8]+[(n -1)×12]+[n ×12]+[(n -1)2×6]+[n 2×6]+[(n -1)×n ×2×6]顶角棱上棱交点棱上棱心面上棱交点面上面心面上棱心n =10，表面原子总数为2402（2分）步骤二：计算晶胞聚合体总原子数n 3×8+[8]×7/8+[(n -1)×12]×3/4+[n ×12]×3/4+[(n -1)2×6]/2+[n 2×6]/2+[(n -1)×n ×2×6]/2=8000+7+81+90+243+300+540=9261（2分）表面原子占总原子数的百分数：(2402/9261)×100%=26%（1分）（注：本题计算较复杂(还有更简单的计算方法)，若应试者用其他方法估算得出的数值在26%左右2个百分点以内可得3分，3个百分点以内可得2分，其估算公式可不同于标准答案，但其运算应无误。

全国化学竞赛初赛讲义——晶体结构晶体结构是化学竞赛中的重要内容之一、晶体是指由具有有序排列的原子，分子或离子组成的固态物质，具有规则的几何形状。

晶体结构的了解对于理解物质的性质和反应机理非常重要。

下面是晶体结构的讲义。

一、晶体结构的基本概念晶体的结构由最小的重复单元所组成，这个最小重复单元称为晶胞。

晶体结构中的重复单元之间的关系是平移关系，即晶胞通过平移操作得到整个晶体。

晶体结构可以分为离子晶体结构、共价晶体结构和金属晶体结构三种。

离子晶体由阳离子和阴离子组成，通常具有高熔点和硬度，如NaCl、CaF2等。

共价晶体由原子通过共价键相连形成，通常具有高熔点和硬度，如钻石、石墨等。

金属晶体由金属离子通过金属键相连形成，通常具有良好的导电性和延展性，如Cu、Al等。

二、晶体结构的表示方法1.点阵表示法：用数学点阵表示晶体中原子的相对位置关系。

有三种常见的点阵表示方法：简单立方点阵、面心立方点阵和体心立方点阵。

（1）简单立方点阵：晶胞内只含一个原子，每个原子都在晶体的角落上。

（2）面心立方点阵：晶胞内含有4个原子，每个原子都在晶体的角落和晶胞的中心。

（3）体心立方点阵：晶胞内含有2个原子，其中一个原子在晶体的角落上，另一个原子在晶胞的中心。

2.坐标表示法：用坐标系表示晶体中原子的位置。

在二维平面上，可以使用直角坐标系或斜坐标系表示晶体中原子的位置。

直角坐标系中，原子的位置可以用x和y两个坐标表示；斜坐标系中，原子的位置可以用a和b两个坐标表示。

在三维空间中，晶体中原子的位置通常用直角坐标系表示，即通过x、y和z三个坐标来确定原子的位置。

三、晶体的常见缺陷与晶体的生长晶体中常见的缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。

1.点缺陷：晶体中原子在其位置上发生的缺失、置换、插入或附加等现象。

（1）缺失缺陷：晶体中缺少一个原子。

（2）置换缺陷：晶体中一个原子被其他原子所替代。

（3）插入缺陷：晶体中多了一个原子。

（4）附加缺陷：晶体中多了一个原子，同时缺少一个原子。

高中化学竞赛经典讲义——晶体结构晶体结构是高中化学竞赛中一个非常重要的知识点。

晶体是由一定数量的离子、分子或原子按照一定的几何排列方式所组成的固体，其最具有代表性的性质就是具有规则的几何形状。

晶体结构的了解对于理解晶体的性质、结构与合成具有重要意义。

晶体结构的揭示是通过实验技术以及理论研究来实现的。

其中最重要的实验手段是X射线衍射。

当X射线穿过晶体时，会产生衍射现象，出现一系列亮斑，这些亮斑的位置和强度依赖于晶体结构。

通过对衍射图像的解析，可以确定晶胞参数，揭示出晶体内部的几何排列。

理论上，可以使用动力学理论计算晶体的结构，得出一系列理论結构参数。

实验与理论的比较可以验证理论的正确性，并进一步完善理论模型。

晶体结构是有一定规律的，可以分为离子晶体和共价晶体两种类型。

离子晶体是由正离子和负离子通过离子键结合而成的晶体。

离子晶体的结构稳定，离子之间的排列有一定的规则。

若正离子与负离子的离子半径比较接近，离子晶体的结构会较紧密，例如氯化钠、氟化钙等。

若离子半径比差异较大，离子晶体的结构则会较为散松，例如氧化银、氧化铅等。

共价晶体是由原子通过共价键结合而成的晶体。

共价晶体的原子之间的键长和键角与几何排列有密切关系。

晶体结构可以通过晶胞参数来描述。

晶胞是晶体的最小重复单元，其正六面体的两边长度为a，与该边垂直的四棱面间的夹角为90°，而与该边相邻的两棱面间的夹角为120°。

晶胞参数a、b、c分别代表了晶体沿三个坐标轴方向的长度，而α、β、γ代表了晶体坐标轴之间的夹角。

晶体结构的描述还需要引入晶体结构中的间隙。

间隙是晶胞中没有原子、离子或分子占据的空隙，可以是正交的，也可以是六角形的。

晶胞中间隙的存在对于许多晶体性质有着重要影响，例如导电性、光学性质等。

为了更好的理解晶体结构，可以引入晶体结构分类的一些基本概念。

首先是晶格点的概念，晶格点是描述晶体排列的重要参考点。

晶格参数是晶体中两个晶格点之间的最短距离，而晶格的基元则是指两个相邻晶格点之间的最短距离。

化学竞赛——晶体结构化学竞赛，晶体结构晶体结构是化学竞赛中的一个重要知识点，它涉及到晶体的组成、结构、性质等方面。

下面我将详细介绍晶体结构的相关知识。

晶体是由原子、离子或分子按照一定的几何规律排列而形成的具有固定形状和结构的物质。

晶体的结构可以分为晶格和晶胞两个层面。

晶格是指晶体中的原子、离子或分子的排列方式。

晶格可以分为三种类型：点阵、空间点阵和布拉维格子。

点阵是指晶体中原子、离子或分子的周期性排列形式，可以分为平面点阵、体心点阵、面心点阵等。

空间点阵是三维空间中具有平移对称性的点的集合，它可以由平面点阵通过添加一个垂直于平面的平移矢量得到。

布拉维格子是指空间中按照一定的几何规律分布的点，它由空间点阵通过移动原点所得到。

晶胞是晶体中一个最小的、具有完整晶体结构的单位。

晶胞可以分为简单晶胞、面心立方晶胞、体心立方晶胞等。

简单晶胞是指由一个或多个原子组成，没有原子在晶体内的重合部分的晶胞。

面心立方晶胞是指在体心立方晶胞的基础上，在每个体心加入了一个原子的晶胞。

体心立方晶胞是指在每个面心和一个体心分别加入一个原子的晶胞。

晶体结构可以通过X射线衍射、电子衍射等实验手段进行研究。

通过这些实验可以确定晶体中原子、离子或分子的位置和排列方式，从而揭示晶体的结构和性质。

晶体结构还可以用来解释化学反应的发生过程。

例如，固态反应与气态反应相比，通常速度较慢。

原因是固态反应需要克服晶体结构的稳定性，使反应物分子能够进入晶体内部，而气态反应则不受晶体结构的限制。

除了晶体结构，晶体中还存在一些缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷是晶体中原子或离子位置的缺陷，如空位、空隙等。

线缺陷是晶体中原子或离子位置的缺陷，如缺陷线、螺旋线等。

面缺陷是晶体中晶面的缺陷，如晶界、孪晶等。

总之，晶体结构是化学竞赛中的一个重要知识点。

它涉及到晶体的组成、结构、性质等方面，对于理解物质的性质和变化过程具有重要意义。

同时，晶体结构的研究也为合成新材料、开发新技术提供了重要的理论基础。

高中化学奥林匹克竞赛辅导晶体结构【学习要求】晶胞中原子数或分子数的计算及化学式的关系（均摊法）。

分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。

配位数。

晶体的堆积与填隙模型。

常见的晶体结构类型，如NaCl 、CsCl 、闪锌矿(ZnS)、萤石(CaF 2)、金刚石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。

点阵的基本概念。

一、晶胞中粒子数目的计算——均摊法基本思路：晶胞任意位置上的一个微粒如果被n 个晶胞所共有，则每个晶胞对这个微粒分得的份额就是1n。

（1）立方体晶胞中不同位置的粒子数的计算：a.微粒位于立方体顶点，该微粒为8个晶胞所共有，则1/8微粒属于该晶胞；b.微粒位于立方体棱上，该微粒为4个晶胞所共有，则1/4微粒属于该晶胞；c.微粒位于立方体面上，该微粒为2个晶胞所共有，则1/2微粒属于该晶胞；d.微粒位于立方体内部，该微粒为1个晶胞所共有，则整个微粒属于该晶胞； 如NaCl 的晶胞结构如下：则由均摊法计算，一个NaCl 晶胞中含4个Na ＋，4个Cl －。

（2）非立方体晶胞中不同位置的粒子数的计算，如三棱柱：晶体结构离子的电子组态在一定程度上也会影响它的晶体结构，这三个性质综合起来还会决定离子键的共价性成分，后者过分强烈时，将使离子晶体转变为原子晶体，其间存在离子晶体到原子晶体的过渡型。

+－堆积方式简单立方堆积体心立方堆积面心立方最密堆积六方最密堆积四、原子晶体1.金刚石、晶体硅的结构：金刚石的晶体结构如下图所示，每个碳原子以sp3杂化与相邻的4个碳原子形成4个共价键，把晶体内所有的C原子连结成一个整体，形成空间网状结构，这种结构使金刚石具有很大的硬度和熔沸点。

由金刚石晶胞得，在一个金刚石晶胞中，含有8个C原子。

晶体硅具有金刚石型的结构。

只需将金刚石中的C原子换成Si原子即得到硅的结构。

常见的原子晶体有：金刚石(C)、晶体硅(Si)、SiO2、SiC、Si3N4、晶体硼(B)、晶体锗(Ge)、氮化硼(BN)等。