第七章固体结构与性质PPT讲稿.ppt

第七章固体结构与性质第1页，共21页，编辑于2022年，星期一固体的结构与性质固体的结构与性质 晶晶体体和和非非晶晶体体离离子子晶晶体体混混合合型型晶晶体体和和晶晶体体缺缺陷陷离离子子极极化化基基本本要要求求原原子子晶晶体体和和分分子子晶晶体体金金属属晶晶体体第2页，共21页，编辑于2022年，星期一晶体和非晶体晶体和非晶体 一、晶体和非晶体一、晶体和非晶体 （一）晶体的特征：（一）晶体的特征：1 1、有一定的几何外形，非晶体如玻璃等又称无定形体；、有一定的几何外形，非晶体如玻璃等又称无定形体；2 2、有固定的熔点；、有固定的熔点；3 3、各向异性：、各向异性：一一块块晶晶体体的的某某些些性性质质，如如光光学学性性质质、力力学学性性质质、导导电电导导热热性性质、机械强度等，从晶体的不同方向去测定，常不同。质、机械强度等，从晶体的不同方向去测定，常不同。（二）晶体的内部结构（二）晶体的内部结构 1 1、晶格、晶格 把把晶晶体体中中规规则则排排列列的的微微粒粒抽抽象象成成几几何何学学中中的的点点，并并称称为为结结点点。这些点的结合称为点阵，沿着一定的方向这些点的结合称为点阵，沿着一定的方向第3页，共21页，编辑于2022年，星期一晶体和非晶体晶体和非晶体按按某某种种规规则则把把结结点点连连结结起起来来，则则得得到到描描述述各各种种晶晶体体内内部部结结构的几何图像构的几何图像晶体的空间格子，称为晶体的空间格子，称为晶格晶格。2 2、晶胞、晶胞 在在晶晶格格中中，能能表表现现出出其其结结构构的的一一切切特特征征的的最最小小部部分分称为称为晶胞晶胞。（三）单晶体和多晶体（三）单晶体和多晶体 单单晶晶体体由由一一个个晶晶核核（微微小小的的晶晶体体）各各向向均均匀匀生生成成而而成成，其其内内部部的的粒粒子子基基本本上上按按某某种种规规律律整整齐齐排排列列。如如冰冰糖、单晶硅等。糖、单晶硅等。多多晶晶体体由由很很多多单单晶晶体体杂杂乱乱聚聚结结而而成成，失失去去了了各各向向异性特征。异性特征。第4页，共21页，编辑于2022年，星期一晶体和非晶体晶体和非晶体（四）非晶体物质（四）非晶体物质 非非晶晶体体物物质质指指结结构构无无序序（有有的的可可能能近近程程有有序序）的固体物质。的固体物质。晶晶体体和和非非晶晶体体间间并并不不存存在在鸿鸿沟沟，在在一一定定条条件件下下，可可相互转化。相互转化。（五）液晶（五）液晶 有些有机物质的晶体熔化后，在一定温度范围内有些有机物质的晶体熔化后，在一定温度范围内微粒分布部分地保留着远程有序性，因而部分地微粒分布部分地保留着远程有序性，因而部分地仍具有各向异性。仍具有各向异性。这这种种介介于于液液态态和和晶晶态态间间的的各各向向异异性性的的凝凝聚聚流流体，称为液晶体，称为液晶。第5页，共21页，编辑于2022年，星期一离子晶体离子晶体二、离子晶体及其性质二、离子晶体及其性质（一）离子晶体的特征和性质（一）离子晶体的特征和性质 由离子间静电引力结合成的晶体由离子间静电引力结合成的晶体离子晶体。离子晶体。晶晶体体内内（或或分分子子内内）某某一一粒粒子子周周围围最最接接近近的的粒粒子子数数称称为为该该粒子的粒子的配位数配位数。如。如NaClNaCl晶体中晶体中NaNa+、ClCl-配位数均为配位数均为6 6。性性质质：静静电电作作用用力力较较大大，故故一一般般熔熔点点较较高高，硬硬度度较较大大、难难挥挥发发，但但质质脆脆，一一般般易易溶溶于于水水，其其水水溶溶液液或或熔熔融融态能导电。态能导电。（二）离子晶体中最简单的结构类型（二）离子晶体中最简单的结构类型 离离子子晶晶体体中中三三种种典典型型的的结结构构类类型型：NaClNaCl型型、CsClCsCl型型和和立立方方ZnSZnS型。型。1 1、NaClNaCl型型 晶晶胞胞形形状状是是立立方方体体，配配位位数数均均为为6 6，如如KIKI、LiFLiF、NaBrNaBr、MgOMgO、CaSCaS等均属此类。等均属此类。第6页，共21页，编辑于2022年，星期一0-=2 2、CsClCsCl型型 晶胞也是立方体，配位数均为晶胞也是立方体，配位数均为8 8，如，如TlClTlCl、CsBrCsBr、CsICsI等属此列。等属此列。3 3、立方、立方ZnSZnS型型 晶胞也是正立方体，配位数均为晶胞也是正立方体，配位数均为4 4，如，如BeOBeO、ZnSe ZnSe 等。等。化学组成相同而晶体构型不同称同质多晶现象。化学组成相同而晶体构型不同称同质多晶现象。（三）离子晶体的稳定性（三）离子晶体的稳定性 1、离子晶体的晶格能、离子晶体的晶格能 晶格能晶格能标准态下，使单位物质的量的离子晶体使其变为气态组合标准态下，使单位物质的量的离子晶体使其变为气态组合离子所吸收的能量，称为离子晶体的晶格能离子所吸收的能量，称为离子晶体的晶格能 2、离子晶体的稳定性、离子晶体的稳定性 对晶体构型相同的离子化合物，离子电荷数越多，核间距越强，晶对晶体构型相同的离子化合物，离子电荷数越多，核间距越强，晶格能越大，熔点越高，硬度较大。晶格能大小可以衡量某种离子晶体稳格能越大，熔点越高，硬度较大。晶格能大小可以衡量某种离子晶体稳定性的标志。定性的标志。U越大，离子晶体越稳定。越大，离子晶体越稳定。第7页，共21页，编辑于2022年，星期一原子晶体和分子晶体原子晶体和分子晶体三、原子晶体和分子晶体三、原子晶体和分子晶体（一）原子晶体（一）原子晶体 晶格结点上是原子，原子间共价键相结合，为原子晶体。如晶格结点上是原子，原子间共价键相结合，为原子晶体。如金刚石，由于共价键结合力强，所以原子的晶体熔点高，硬度大，金刚石，由于共价键结合力强，所以原子的晶体熔点高，硬度大，如金刚石、金刚砂，熔融不导电。属原子晶体的物质为数不多，如金刚石、金刚砂，熔融不导电。属原子晶体的物质为数不多，单质单质SiSi、B B、SiC SiC、SiO SiO2 2、B B4 4C C、BN BN、AlNAlN等。等。（二）分子晶体（二）分子晶体 由由分分子子间间力力（有有的的可可能能有有氢氢键键）结结合合，结结点点是是中中性性分分子子，这这类类晶晶体体叫叫分分子子晶晶体体，如如干干冰冰等等。分分子子晶晶体体物物质质一一般般熔熔点点低低、硬硬度度小、易挥发，熔融不导电。小、易挥发，熔融不导电。第8页，共21页，编辑于2022年，星期一金属晶体金属晶体四、金属晶体四、金属晶体（一）金属晶体的内部结构（一）金属晶体的内部结构 金属晶体中，结点上排列的是金属原子，金属阳离子，金属晶体中，结点上排列的是金属原子，金属阳离子，对金属单质，晶体中原子在空间的排布，可近似看成是对金属单质，晶体中原子在空间的排布，可近似看成是等径圆球的堆积。为形成稳定结构采取尽可能紧密的堆等径圆球的堆积。为形成稳定结构采取尽可能紧密的堆积方式，所以金属一般密度较大，配位数较大。积方式，所以金属一般密度较大，配位数较大。（二）金属键（二）金属键 金属晶体中金属原子间的结合力，称为金属键。金属晶体中金属原子间的结合力，称为金属键。特征：无饱和性，方向性。特征：无饱和性，方向性。第9页，共21页，编辑于2022年，星期一金属晶体金属晶体（三）金属键的能带理论（三）金属键的能带理论 应用分子轨道理论研究金属晶体中结合力逐步应用分子轨道理论研究金属晶体中结合力逐步开展成了金属键的能带理论。开展成了金属键的能带理论。1 1、金属晶体块的大分子概念、金属晶体块的大分子概念 该理论把任何一块金属晶体都看作一个大分子。然该理论把任何一块金属晶体都看作一个大分子。然后应用后应用M MO O理论来描述金属晶体内电子的运动状态。理论来描述金属晶体内电子的运动状态。2 2、能带的概念、能带的概念 由由n n条条能能级级相相近近的的原原子子轨轨道道组组成成能能量量几几乎乎连连续续的的n n条条分分子子轨轨道道，总总称称为为能能带带。如如由由2s2s原原子子轨轨道道组组成成的的能能带带，叫叫2s2s能带。能带。第10页，共21页，编辑于2022年，星期一金属晶体金属晶体3、能带的种类、能带的种类 满带满带充满电子的低能量能带，如金属锂的充满电子的低能量能带，如金属锂的1s能能带就是满带。带就是满带。导带导带充满电子的高能量能带，如金属锂的充满电子的高能量能带，如金属锂的2s能能带就是导带。带就是导带。禁带禁带带隙是电子的禁区。带隙是电子的禁区。4、能带的重叠、能带的重叠 当金属原子相邻亚层原子轨道间能级相近时形成的能带会出当金属原子相邻亚层原子轨道间能级相近时形成的能带会出现重叠现象。现重叠现象。能带理论可以用来证明金属的一些物理性质：能带理论可以用来证明金属的一些物理性质：如金属光泽；导热性；延展性；如金属光泽；导热性；延展性；绝缘体的绝缘性；半导体和导绝缘体的绝缘性；半导体和导电性电性等。等。第11页，共21页，编辑于2022年，星期一混合型晶体和晶体缺陷混合型晶体和晶体缺陷五、混合型晶体和晶体缺陷五、混合型晶体和晶体缺陷（一）混合型晶体（一）混合型晶体 有一些晶体，晶体内同时存在若干种不同的作用有一些晶体，晶体内同时存在若干种不同的作用力，具有若干种晶体的结构和性质，这类晶体称为力，具有若干种晶体的结构和性质，这类晶体称为混合型晶体混合型晶体 。石石墨墨为为典典型型例例子子，石石墨墨中中，C C原原子子取取SPSP2 2杂杂化化，呈呈层层状状结结构构，剩剩余余的的电电子子形形成成大大键键由由多多个个原原子子共共同同形形成成的的大大键键。其其中中的的电电子子沿沿层层面面活活动动力力强强，与与金金属中自由电子类似，故石墨沿层面电导率大。属中自由电子类似，故石墨沿层面电导率大。第12页，共21页，编辑于2022年，星期一混合型晶体和晶体缺陷混合型晶体和晶体缺陷（二）实际晶体的缺陷及其影响（二）实际晶体的缺陷及其影响 1 1、空穴缺陷、空穴缺陷 晶体内某些晶格结点上缺少粒子，从而出现空穴。晶体内某些晶格结点上缺少粒子，从而出现空穴。2 2、置换缺陷、置换缺陷 晶体内组成晶体的某些粒子被少量别的粒子取晶体内组成晶体的某些粒子被少量别的粒子取代造成晶体的缺陷代造成晶体的缺陷。3 3、间充（或填隙）缺陷、间充（或填隙）缺陷 晶体内组成晶体粒子堆积的空隙位置被外来粒子所晶体内组成晶体粒子堆积的空隙位置被外来粒子所填充填充。第13页，共21页，编辑于2022年，星期一混合型晶体和晶体缺陷混合型晶体和晶体缺陷（三）实际晶体的键型变异（三）实际晶体的键型变异 多数实际晶体实际是混合键型或过渡键型（又多数实际晶体实际是混合键型或过渡键型（又称杂化键型），键型过渡现象又称为键型变异。称杂化键型），键型过渡现象又称为键型变异。实际晶体中不仅存在着离子键与共价键间的实际晶体中不仅存在着离子键与共价键间的过渡键型，而且存在着各种结合力间的过渡键型，过渡键型，而且存在着各种结合力间的过渡键型，有的甚至很难确定是什么键型，这就是物质结构有的甚至很难确定是什么键型，这就是物质结构的复杂性。的复杂性。第14页，共21页，编辑于2022年，星期一离子极化离子极化六、离子极化对物质性质的影响六、离子极化对物质性质的影响（一）离子的电子构型（一）离子的电子构型 1 1、阴离子（、阴离子（F F-、ClCl-、S S2-2-等）均为等）均为8-8-电子构型电子构型。2 2、阳离子构型有多种：、阳离子构型有多种：离离子子的的电电子子构构型型对对离离子子晶晶体体性性质质的的影影响响，需需要要从离子极化的角度来讨论。从离子极化的角度来讨论。（二）离子极化的概念（二）离子极化的概念1 1、离子极化、离子极化第15页，共21页，编辑于2022年，星期一离子极化离子极化 孤孤立立简简单单离离子子，离离子子的的电电荷荷分分布布是是球球形形对对称称的的，不不存存在在偶偶极极，但但当当把把离离子子置置于于电电场场中中，离离子子的的核核和和电电子子云云就就发发生生相相对对位位移移，离离子子变变形形而而出出现现诱诱导导偶极，这个过程称为偶极，这个过程称为离子的极化离子的极化。离离子子极极化化的的强强弱弱决决定定于于两两个个因因素素：离离子子的的极极化化力力 离子的变形性。离子的变形性。2 2、离子的极化力、离子的极化力 离离子子极极化化力力与与离离子子的的电电荷荷，半半径径及及电电子子构构型型等等因因素有关。素有关。离离子子电电荷荷越越多多、半半径径越越小小，电电场场强强度度越越大大，离子极化能力越强。离子极化能力越强。第16页，共21页，编辑于2022年，星期一离子极化离子极化 3 3、离子的变形性、离子的变形性 这这主主要要决决定定于于离离子子半半径径的的大大小小，离离子子越越大大，变变形形性越大。性越大。4 4、离子极化的规律、离子极化的规律 （1 1）阴离子半径相同时，阳离子电荷越多，阴离子越易被极）阴离子半径相同时，阳离子电荷越多，阴离子越易被极化，产生诱导偶极越大（化，产生诱导偶极越大（a a图）。图）。（2 2）阳离子电荷相同时，阳离子越大，阴离子被极化强度越）阳离子电荷相同时，阳离子越大，阴离子被极化强度越小，产生诱导偶极越小。（小，产生诱导偶极越小。（b b图）。图）。（3 3）阳阳离离子子电电荷荷相相同同，半半径径大大小小相相近近时时，阴阴离离子子越越大大，越越易易被被极化，产生诱导偶极越大（极化，产生诱导偶极越大（c c图）。图）。第17页，共21页，编辑于2022年，星期一离子极化离子极化5 5、离子的附加极化作用、离子的附加极化作用 当阳、阴离子也易变形时，也要考虑阴离子当阳、阴离子也易变形时，也要考虑阴离子对阳离子的极化。对阳离子的极化。阳离子变形后，产生的诱导偶极会加强阳离子对阳离子变形后，产生的诱导偶极会加强阳离子对阴离子的极化能力，使阴离子诱导偶极增大，这种阴离子的极化能力，使阴离子诱导偶极增大，这种效应称附加极化作用。效应称附加极化作用。在离子晶体中，每个离子的总极化能力在离子晶体中，每个离子的总极化能力=固有固有极化力极化力+附加附化力附加附化力第18页，共21页，编辑于2022年，星期一离子极化离子极化（三）离子极化对物质结构的性质的影响（三）离子极化对物质结构的性质的影响1 1、离子极化对化学键型的影响、离子极化对化学键型的影响 当极化力强、变形性大的阳离子与变形性大的当极化力强、变形性大的阳离子与变形性大的阴离子相互作用时，导致阳、阴离子外层轨道发阴离子相互作用时，导致阳、阴离子外层轨道发生重叠，键长缩短，键的极性减弱，化学键从离生重叠，键长缩短，键的极性减弱，化学键从离子键向共价键过渡。子键向共价键过渡。AgF AgF离子键，离子键，AgClAgCl、AgBrAgBr过渡键型，过渡键型，AgIAgI共价键。共价键。第19页，共21页，编辑于2022年，星期一离子极化离子极化 2 2、离子极化对晶体构型的影响、离子极化对晶体构型的影响 当离子离开其正常位置而稍偏向某异电荷离子时，该离子将产当离子离开其正常位置而稍偏向某异电荷离子时，该离子将产生诱导偶极。生诱导偶极。如果极化不强，离子又返回原位，若离子极化作用很强，阴如果极化不强，离子又返回原位，若离子极化作用很强，阴离子变形性又大时，足够大的诱导偶极所产生的附加引力，会离子变形性又大时，足够大的诱导偶极所产生的附加引力，会破坏离子固有的振动规律。缩短了离子间的距离，使晶体向配破坏离子固有的振动规律。缩短了离子间的距离，使晶体向配位数小的晶体构型转化。如位数小的晶体构型转化。如AgIAgI晶体从晶体从NaClNaCl型向型向ZnSZnS型转化，型转化，变为变为ZnSZnS型。型。对物质性质的影响，如溶解度，对物质性质的影响，如溶解度，CuClCuCl（共价键）小于（共价键）小于NaClNaCl（离子键）。（离子键）。第20页，共21页，编辑于2022年，星期一基本要求基本要求基本要求：基本要求：1 1、从从晶晶体体微微粒粒间间作作用用力力的的不不同同理理解解四四种种典典型型晶晶体体内内部结构和性质的关系部结构和性质的关系;2 2、熟熟悉悉晶晶格格能能对对离离子子晶晶体体熔熔点点、硬硬度度的的影影响响，了了解解ABAB型三种典型离子晶体的特性型三种典型离子晶体的特性;3 3、从从M.O.M.O.理理论论了了解解金金属属键键的的形形成成和和特特性性，用用能能带带理理论说明金属及其他晶体的一些物理性质论说明金属及其他晶体的一些物理性质;4 4、了解离子极化对物质结构及性质的影响，了解真实、了解离子极化对物质结构及性质的影响，了解真实晶体的缺陷。晶体的缺陷。第21页，共21页，编辑于2022年，星期一