■河南省信陽(yáng)市羅山高中 徐業(yè)政

跟我學(xué)看圖，教你會(huì)計(jì)算

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根據(jù)晶胞結(jié)構(gòu)圖確定晶體的組成、密度、體積、某種結(jié)構(gòu)微粒(A)周?chē)染嚯x且最近的其他結(jié)構(gòu)微粒(B,A、B可以相同)有多少個(gè)是晶體知識(shí)考查中極其重要的內(nèi)容,也是難度較大的知識(shí)點(diǎn)。要正確地解答此類(lèi)問(wèn)題,首先必須通過(guò)觀察晶胞結(jié)構(gòu)圖,明確結(jié)構(gòu)微粒在晶胞中的位置(頂點(diǎn)、棱、面、體心);其次是發(fā)揮空間想象能力,及利用均攤原理進(jìn)行分析或計(jì)算。

一、非頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)微粒位置的確定

晶胞中,屬于棱上的結(jié)構(gòu)微粒,晶胞圖中顯示的是棱穿過(guò)代表結(jié)構(gòu)微粒的小球(以下簡(jiǎn)稱(chēng)小球)的球心;屬于面上的小球出現(xiàn)在面的中心(一個(gè)面上只有一個(gè)微粒時(shí))或?qū)蔷€上(不止一個(gè)微粒時(shí)),其他的微粒均在晶胞內(nèi)部。如圖1中四個(gè)實(shí)心球代表的原子均在晶胞體內(nèi),觀察圖2、圖3易知,上下、左右面上各有一個(gè)小球,標(biāo)號(hào)為①、②的兩個(gè)小球均分別位于晶胞的背面與正面,圖3中還有四個(gè)小球在晶胞體內(nèi),圖4中空心球①、②代表的原子在體內(nèi)而不是在面上(不在面心上),另外四個(gè)空心球則分別位于晶胞的上面與底面上。

圖1

圖2

圖3

圖4

二、結(jié)構(gòu)微粒A等距離且最近的其他微粒數(shù)目(N)的確定

若A在晶胞內(nèi)部,與A相鄰的B微粒有幾個(gè),N值就是幾,如圖1中①的N值為4,②的N值為2;圖3中③的N值為4;圖4中①、②號(hào)微粒的N值為3,而③號(hào)微粒的N值為6。對(duì)于面心結(jié)構(gòu)的晶胞,位于面心上的微粒,其在對(duì)應(yīng)平面內(nèi)有4個(gè)與它等距離且最近的小球,因在晶體中有三個(gè)相互垂直的平面通過(guò)它,故其N(xiāo)值為3×4=1 2,如圖2中的②號(hào)微粒;若A位于頂點(diǎn)上,則通過(guò)觀察上下、左右、前后三個(gè)方位來(lái)確定它的N值,如與圖1中小球③等距離且最近的空心小球共有6個(gè)(前后、左右、上下頂點(diǎn)上各有一個(gè))。

三、均攤原理

若某一結(jié)構(gòu)粒子為n個(gè)晶胞共用,則一個(gè)晶胞占有該粒子的份額為,對(duì)于立方體型晶胞,晶胞頂點(diǎn)的粒子同時(shí)為8個(gè)晶胞所共有,每個(gè)粒子只有屬于一個(gè)晶胞。處于棱上的粒子,同時(shí)為4個(gè)晶胞所共有,每個(gè)粒子只有屬于晶胞。處于面上的粒子,同時(shí)為兩個(gè)晶胞所共有,每個(gè)粒子只有屬于晶胞。處于晶胞內(nèi)部的粒子,完全屬于該晶胞。

四、實(shí)例分析

例1 若前文中的圖1、圖2中空心球、實(shí)心球分別代表A、B、X、Y四種元素,則圖1、圖2對(duì)應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)式分別為、。

例2 金剛砂(S i C)的硬度為9.5,其晶胞結(jié)構(gòu)如圖5所示。若晶胞的邊長(zhǎng)為ap m,則金剛砂的密度為。

圖5

解析：由均攤原理求得每個(gè)晶胞中含有4個(gè)“S i C”,質(zhì)量為胞的體積為1 0-30a3m L,故晶體的密度為

例3 圖6為某物質(zhì)晶體的二維平面示意圖,所表示的化學(xué)式為A B3型的是。圖7為一個(gè)金屬銅的晶胞,此晶胞立方體的邊長(zhǎng)為ap m,金屬銅的密度為ρg·c m-3,則阿伏加德羅常數(shù)可表示為m o l-1(用含a、ρ的代數(shù)式表示)。

圖6

圖7

解析：圖6 a中一個(gè)“花球”的周?chē)?個(gè)相鄰“白球”,一個(gè)“白球”周?chē)?個(gè)相鄰“花球”,“花球”、“白球”個(gè)數(shù)比為1∶2。圖6 b中“花球”周?chē)?個(gè)白球與其相鄰,一個(gè)“白球”周?chē)挥袃蓚€(gè)“花球”與其相鄰,故“花球”與“白球”個(gè)數(shù)比為1∶3。根據(jù)均攤法知該晶胞含有4個(gè)銅原子,所以1m o l該晶胞含4m o l銅原子,1m o l該晶胞的體積是NA(a×1 0-10)3mL,質(zhì)量是ρNAa3g,則有1 0-30ρNAa3=4×6 4。

例4 圖8是一種無(wú)限長(zhǎng)單鏈結(jié)構(gòu)的多硅酸根,其化學(xué)式為。

解析：以虛線框中結(jié)構(gòu)微粒作為觀察對(duì)象,框內(nèi)含有一個(gè)硅原子,4個(gè)氧原子,但有兩個(gè)氧原子與其他同類(lèi)結(jié)構(gòu)的微粒共用,各只占,故虛線框內(nèi)氧原子數(shù)目為3,硅、氧原子數(shù)目比為1∶3,化學(xué)式為[S i O3]n2n-或S i O23-。

圖8

點(diǎn)評(píng)：利用二維平面圖確定晶體組成方法與利用晶胞確定物質(zhì)的組成有所不同：它應(yīng)分別找出一個(gè)微粒(A)周?chē)袔讉€(gè)(設(shè)為m)其他微粒(B),一個(gè)B周?chē)袔讉€(gè)(設(shè)為n)A,m∶n就是晶體中B微粒與A微粒的數(shù)目比。與密度相關(guān)的晶體計(jì)算基本過(guò)程是：觀察晶胞,確定一個(gè)晶胞含有多少個(gè)組成單元(設(shè)為a個(gè)),用表示出一個(gè)晶胞中組成單元的物質(zhì)的量,再用物質(zhì)的量乘以其摩爾質(zhì)量就可求出一個(gè)晶胞的質(zhì)量,最后用即可得到密度。例4從表面上看與前幾例不同,但本質(zhì)上仍是利用均攤原理進(jìn)行計(jì)算、分析。最后需要說(shuō)明的是,高考試題對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的考查出現(xiàn)了教材中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的概念與單位,如晶胞參數(shù)(立方體晶胞的邊長(zhǎng)),單位“p m”,1p m=1 0-10c m。

(責(zé)任編輯 謝啟剛)