晶体化学基本原理.ppt
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1、晶体化学基本原理晶体化学基本原理现在学习的是第1页,共46页重点:重点:1.球体紧密堆积的方式球体紧密堆积的方式 2.配位数及配位数及配位多面体配位多面体 3.鲍林规则内容及应用鲍林规则内容及应用难点:难点:鲍林规则的应用鲍林规则的应用现在学习的是第2页,共46页第一节第一节晶体中的键合晶体中的键合现在学习的是第3页,共46页类型类型离子键离子键共价键共价键金属键金属键范德华键范德华键结构结构特征特征无方向性无方向性有方向性、有方向性、饱和性饱和性无方向性无方向性无方向性无方向性键强键强中强至强中强至强中强至强中强至强各种强度各种强度弱弱晶体晶体性质性质强度高、硬强度高、硬度大、无延度大、无延
2、展性;绝缘展性;绝缘体,熔体中体,熔体中离子导电离子导电强度高、硬度强度高、硬度大、无延展性;大、无延展性;绝缘体(半导绝缘体(半导体),熔体不体),熔体不导电导电具有各种强具有各种强度和硬度、度和硬度、延展性好;延展性好;导电性能好导电性能好 熔体导电熔体导电强度低、强度低、硬度小;硬度小;绝缘体,绝缘体,熔体不导熔体不导电电现在学习的是第4页,共46页v硅酸盐晶体硅酸盐晶体中,中,R+_O键键为典型的离子键为典型的离子键 Si_O键键中离子键共价键成分各占中离子键共价键成分各占50%v根据元素根据元素电负性电负性,可估计原子之间化学键的性质。电负性相可估计原子之间化学键的性质。电负性相差较
3、大的元素的原子结合时,即成离子键。而电负性相差较小差较大的元素的原子结合时,即成离子键。而电负性相差较小的则形成共价键。的则形成共价键。v一种晶体,不只存在一种性质的键,而经常是几种型式的键一种晶体,不只存在一种性质的键,而经常是几种型式的键组合起来构成晶体,如粘土矿物中就存在着分子键和带有共价组合起来构成晶体,如粘土矿物中就存在着分子键和带有共价性的离子键。性的离子键。现在学习的是第5页,共46页第二节第二节 晶体化学基本原理晶体化学基本原理现在学习的是第6页,共46页一、原子半径和离子半径一、原子半径和离子半径 有效半径有效半径:在晶体结构中原子和离子的有效半径是指离在晶体结构中原子和离子
4、的有效半径是指离子或原子在晶体结构中处于相接触时的半径。子或原子在晶体结构中处于相接触时的半径。在在离子晶体离子晶体中,一对相邻接触阴阳离子的中心距,即为该中,一对相邻接触阴阳离子的中心距,即为该阴阳离子的离子半径之和阴阳离子的离子半径之和,r0=r+r-在在共价晶体共价晶体中,两个相邻键合原子的中心距,即为这中,两个相邻键合原子的中心距,即为这两个原子的共价半径之和。两个原子的共价半径之和。在在金属单质金属单质晶体中,两个相邻原子中心距的一半,就是金晶体中,两个相邻原子中心距的一半,就是金属原子半径。属原子半径。现在学习的是第7页,共46页二、球体紧密堆积原理二、球体紧密堆积原理1、等大球体
5、的最紧密堆积及其空隙等大球体的最紧密堆积及其空隙(1)堆积方式堆积方式六方最紧密堆积:六方最紧密堆积:见演示图见演示图 ABAB立方最紧密堆积:见演示图立方最紧密堆积:见演示图 ABCABC现在学习的是第8页,共46页 面心立方结构的原子堆积方式 密排六方的原子堆垛方式 A层B层C层返回返回8现在学习的是第9页,共46页A层B层C层 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式现在学习的是第10页,共46页(B)立方最紧密堆积立方最紧密堆积ABCABC(A)六方最紧密堆积六方最紧密堆积ABABA现在学习的是第11页,共46页 (3)球体数(球体数(n)与空隙数量的关系:)与空隙数量的关系
6、:若有若有n个球体作最紧密堆积则必有个球体作最紧密堆积则必有n个八面体空隙和个八面体空隙和2n个四个四面体空隙。面体空隙。(2)空隙空隙 四面体空隙:由四个球包围,四个球体中心的连线构成一个四四面体空隙:由四个球包围,四个球体中心的连线构成一个四面体形状。面体形状。见图见图(未穿透两层的空隙未穿透两层的空隙)八面体空隙:由六个球包围,六个球体中心的连线构八面体空隙:由六个球包围,六个球体中心的连线构成一个八面体形状。见图成一个八面体形状。见图(连续穿透两层的空隙连续穿透两层的空隙)现在学习的是第12页,共46页2、不等径球体的紧密堆积不等径球体的紧密堆积 较大的球体成等大球体紧密堆积方式,较小
7、的球体则充填在四较大的球体成等大球体紧密堆积方式,较小的球体则充填在四面体或八面体空隙中,形成不等径球体的紧密堆积。面体或八面体空隙中,形成不等径球体的紧密堆积。离子晶体结构离子晶体结构中中,相当于半径较大的阴离子作最紧密堆积相当于半径较大的阴离子作最紧密堆积,半半径较小的阳离子则填充于空隙中。径较小的阳离子则填充于空隙中。.现在学习的是第13页,共46页三、配位数和配位多面体三、配位数和配位多面体1、配位数(、配位数(CN)定义:定义:一个原子(或离子)的配位数是指在晶体结构中,与一个原子(或离子)的配位数是指在晶体结构中,与它直接相邻结合的原子个数或所有异号离子的个数。它直接相邻结合的原子
8、个数或所有异号离子的个数。一般地:一般地:金属单质晶体金属单质晶体:配位数较高,多为配位数较高,多为12或或8;共价晶体共价晶体:配位数较低,配位数较低,4;离子晶体离子晶体:比共价晶体高,比金属晶体低,一般为比共价晶体高,比金属晶体低,一般为4 4或或6 6。若阴离。若阴离子不作紧密堆积,阳离子还可能出现其它配位数,离子晶体的配位子不作紧密堆积,阳离子还可能出现其它配位数,离子晶体的配位数取决于正、负离子的半径比。数取决于正、负离子的半径比。现在学习的是第14页,共46页正负离子半径比正负离子半径比(r(r+/r/r-)的临界值与配位数的关系的临界值与配位数的关系 下图为配位数等于下图为配位
9、数等于3 3时,晶体中阴阳离子紧密接触的一种极限状态时,晶体中阴阳离子紧密接触的一种极限状态.由图由图可知:可知:b=2rb=2r-a=r a=r+r+r-r r-/a=r/a=r-/(r/(r+r+r-)=sina=sin60)=sina=sin60o or r+/r/r-=1/sin60=1/sin60o o-1=0.155-1=0.155现在学习的是第15页,共46页讨论:讨论:1 1、r r+/r/r-0.1550.155时,时,正负离子不会相互接触,而负离子相接正负离子不会相互接触,而负离子相接触,静电引力小而斥力大,体系处于不稳定状态。触,静电引力小而斥力大,体系处于不稳定状态。2
10、 2、r r+/r/r-0.1550.155时,时,正负离子相互接触,而负离子脱离接触,正负离子相互接触,而负离子脱离接触,引力大而斥力小,能量低,体系稳定。由此看来,正负离子半引力大而斥力小,能量低,体系稳定。由此看来,正负离子半径比直接影响着体系的稳定性,对于配位数为径比直接影响着体系的稳定性,对于配位数为3 3的必要条件应的必要条件应是:是:r r+/r/r-0.1550.155。3 3、r r+/r/r-增大到增大到0.2250.225时,时,正离子周围即可能配置正离子周围即可能配置4 4个负离子,依个负离子,依据同样的方法类似推理,可得出配位数为据同样的方法类似推理,可得出配位数为6
11、 6和和8 8时正负离子半时正负离子半径比的临界值,于是可得出正负离子半径比和配位数的关径比的临界值,于是可得出正负离子半径比和配位数的关系。见表系。见表2-92-9现在学习的是第16页,共46页r+/r-配位数配位数离子结构形状离子结构形状00.1550.2250.4140.7321.0 2 3 4 6 812直线直线三角形三角形四面体四面体八面体八面体立方体立方体密堆积密堆积注:注:当当r r+/r/r-处于边界值附近时,同一阳离子的配位数可以不止一个,如处于边界值附近时,同一阳离子的配位数可以不止一个,如AlAl3+3+与与OO2-2-离子配位时,离子配位时,CNCN可以是可以是4 4,
12、即,即 AlOAlO4 4;也可以形成八面体配位,即;也可以形成八面体配位,即AlOAlO6 6。现在学习的是第17页,共46页r+/r-=0.414 此图为配位数等于此图为配位数等于6 6时,阴离子成最紧密堆积,阳离子处于时,阴离子成最紧密堆积,阳离子处于八面体空隙中,正负离子刚好接触的情况:八面体空隙中,正负离子刚好接触的情况:现在学习的是第18页,共46页 晶体结构中阳离子和阴离子的位置关系有以下三种情况:晶体结构中阳离子和阴离子的位置关系有以下三种情况:阴阳离子相互接触,但阴离子被撑开,稳定。阴阳离子相互接触,但阴离子被撑开,稳定。阴阳离子相互接触,阴离子也正好接触,稳定。阴阳离子相互
13、接触,阴离子也正好接触,稳定。阴阳离子不接触,只有阴离子接触,不稳定。阴阳离子不接触,只有阴离子接触,不稳定。现在学习的是第19页,共46页负离子配位数负离子配位数 化学式中正离子数化学式中正离子数正离子配位数正离子配位数 化学式中负离子数化学式中负离子数附附:负离子配位数的计算:负离子配位数的计算:如如:CaF2 其中其中 Ca2+的的CN=8 则则 F-的的CN=4现在学习的是第20页,共46页(3)影响配位数的因素影响配位数的因素 除正负离子半径比外,还有温度、压力除正负离子半径比外,还有温度、压力、正离子类型以及极化性质等。、正离子类型以及极化性质等。对于典型的离子晶体,在常温常压下,
14、对于典型的离子晶体,在常温常压下,如果正离子不变形或变形很小,其配位情况如果正离子不变形或变形很小,其配位情况主要取决于正、负离子半径比,否则应考虑主要取决于正、负离子半径比,否则应考虑离子极化对晶体结构的影响离子极化对晶体结构的影响。现在学习的是第21页,共46页2 2、配位多面体、配位多面体定义:定义:配位多面体是指在晶体结构中,与某一个阳离子(或原配位多面体是指在晶体结构中,与某一个阳离子(或原子)成配位关系而相邻结合的各个阴离子(或原子),它们的子)成配位关系而相邻结合的各个阴离子(或原子),它们的中心连线所构成的多面体。多面体的形状取决于阴离子数量的中心连线所构成的多面体。多面体的形
15、状取决于阴离子数量的多少。多少。现在学习的是第22页,共46页附附 硅酸盐晶体结构中正负离子的配位关系硅酸盐晶体结构中正负离子的配位关系:vSi4+:SiO4四面体中心四面体中心vAI3+:AIO6八面体中心八面体中心vMg2+、Fe2+、Fe3+:一般位于一般位于6O2-形成的形成的 MO6八面体中心八面体中心现在学习的是第23页,共46页作业作业:2-8补充补充:1、据半径比的关系、据半径比的关系,说明下列离子与说明下列离子与O2-配位时的配位时的配位数各是多少配位数各是多少?ro2-=0.132nm r si4+=0.039nm r k+=0.131nm rAI3+=0.057nm r
16、Mg2+=0.078nm2、Mg2+的半径为的半径为0.072nm,O2-的半径为的半径为0.140 nm,计算,计算MgO晶体的堆积系数与密度。晶体的堆积系数与密度。现在学习的是第24页,共46页四、离子的极化四、离子的极化 配位数取决于阴阳离子的半径比,有时会发生意外配位数取决于阴阳离子的半径比,有时会发生意外.例如银的卤化物例如银的卤化物AgCl,AgBr和和AgI,按正负离子半径比预测,按正负离子半径比预测,Ag+离子的配位数都是离子的配位数都是6,属于,属于NaCl型结构,但实际上型结构,但实际上AgI晶体属于配晶体属于配位数为位数为4的立方的立方ZnS型结构,见表型结构,见表2-7
17、。Zn0Zn0:r+/r-=0.63r+/r-=0.63,配位数应为,配位数应为6 6,但实际上,但实际上ZnOZnO的配位数为的配位数为4 4(不(不属属NaC1NaC1型,而属于型,而属于ZnSZnS型)。型)。Ca0Ca0:r+/r-=0r+/r-=08080,不属,不属CsClCsCl而属而属NaClNaCl型型 这是由于这是由于离子间很强的极化作用,使离子间强烈靠近,配位数降低离子间很强的极化作用,使离子间强烈靠近,配位数降低,结构类型发生变化。,结构类型发生变化。由于极化使离子的电子云变形失去球形对称,相互由于极化使离子的电子云变形失去球形对称,相互重叠,导致键性由离子键过渡为共价
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- 晶体化学 基本原理
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