材料化学晶体结构.pptx

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1、1 2.2 Crystal&non-crystal非晶体非晶体1.1.晶体与非晶体的结构和特点晶体与非晶体的结构和特点晶体晶体原子或原子团、离子或分子在空间原子或原子团、离子或分子在空间按按一定规律呈周期性一定规律呈周期性地排列构成的地排列构成的固体固体原子、分子或离子无原子、分子或离子无规则地堆积在一起所规则地堆积在一起所形成的固体形成的固体第1页/共50页2 2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英玻璃石英晶体石英晶体第2页/共50页3 晶体的特征晶体的特征1）均匀性均匀性2）各向异性各向异性3）自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形4）晶体具有明显确定的熔点晶体具有

2、明显确定的熔点周期性周期性5）晶体的对称性晶体的对称性 6）晶体对晶体对X X射线的衍射射线的衍射 第3页/共50页各向异性各向异性:晶体的导热、导电、光的透射、折射、晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异而异.石墨在与层平行的方向上具有导电性，而在与石墨在与层平行的方向上具有导电性，而在与层垂直的方向上就不具有导电性。层垂直的方向上就不具有导电性。若在水晶的柱面上涂一层蜡，用红热的针接触若在水晶的柱面上涂一层蜡，用红热的针接触蜡面中央，蜡熔化呈椭圆形而不呈圆形，这是蜡面中央，蜡熔化呈椭圆形而不呈圆形，这是由于水晶

3、柱面长轴方向与短轴方向传热速度不由于水晶柱面长轴方向与短轴方向传热速度不同。同。从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性质不同。吸收性质不同。第4页/共50页5 Crystal symmetry石英晶体的 形状与对称元素第5页/共50页平移对称性示意图第6页/共50页非晶体的宏观特征非晶体的宏观特征:1 1）只有玻璃转化温度，无熔点。）只有玻璃转化温度，无熔点。2 2）没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体，丝，薄膜等特殊形态。）没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃

4、体，丝，薄膜等特殊形态。3 3）物理性质各向同性。）物理性质各向同性。4 4）均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，无晶界）均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，无晶界.第7页/共50页 准晶体准晶体是是19841984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对晶体之间的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。准晶体的

5、发现准晶体的发现 一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理地的认识。另一一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理地的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。方面，准晶体的各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。第8页/共50页2 2、晶胞、晶胞(unit cell)晶体中最小的结构重复单元，形状为平行六面体，晶体中最小的结构重复单元，形状为平行六面体，其三边长度其三边长度a,b,ca,b,c不一定相等，也不一定垂直。整个晶不一定相等，也不一定垂直。整个晶体是由晶胞并置堆砌而体是由晶胞并置堆砌而成。划分晶胞要遵循划分晶胞要遵循2 2个原则：个原则：

6、1)1)是尽可能反映晶体内是尽可能反映晶体内结构的对称性；结构的对称性；2)2)是尽可能小。是尽可能小。第9页/共50页第10页/共50页晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶胞晶胞。第11页/共50页第12页/共50页13 Unit cella、b、c:确定晶胞大小确定晶胞大小 、:确定晶胞形状确定晶胞形状晶胞晶胞参数参数晶胞晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子离子)的坐标第13页/共50页3 3、晶胞的分类、晶胞的分类 晶系晶系 晶系晶系 晶轴晶轴 轴间夹角轴间夹角 实例实例 立方 a=b=c =900 Cu,NaCl 四方 a=b c

7、=900 Sn,SiO2 正交 a=b c =900 I2,BaCO3 三方 a=b=c =900 As,Al2O3 a=b c =900，=1200 单斜 a b c =900，900 KClO3 三斜 a b c 900 K2CrO7 六方 a=b c =900，=1200 Mg,CuS第14页/共50页第15页/共50页晶胞中质点个数的计算：晶胞中质点个数的计算：晶体密度的计算：晶体密度的计算：第16页/共50页3、已知一个金属铜的晶胞切割，该晶胞的边长为3.6210-10m，每一个铜原子的质量为1.05510-25kg，试回答下列问题：（1）一个晶胞中“实际”拥有的铜原子数是多少？（2

8、）该晶胞的体积是多大？（3）利用以上结果计算金属铜的密度。第17页/共50页晶体空间利用率的计算晶体空间利用率的计算：第18页/共50页4 4、晶体的缺陷：、晶体的缺陷：晶体的缺陷影响晶体的性质，可使晶体的某些晶体的缺陷影响晶体的性质，可使晶体的某些优良性能降低，但是从缺陷可以改变晶体的性质角优良性能降低，但是从缺陷可以改变晶体的性质角度看，在晶体中造成种种缺陷，就可以使晶体的性度看，在晶体中造成种种缺陷，就可以使晶体的性质有着各种各样的变化，晶体的许多重要性能由缺质有着各种各样的变化，晶体的许多重要性能由缺陷产生。改变晶体缺陷的形式和数量，就可制得所陷产生。改变晶体缺陷的形式和数量，就可制得

9、所需性能的晶体。需性能的晶体。第19页/共50页20 钙钛矿型钙钛矿型非整比化合物非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这种缺陷，使固体具有超导性能。种缺陷，使固体具有超导性能。第20页/共50页21 ExampleYBa2Cu3O7-x的缺陷型钙钛矿结构的缺陷型钙钛矿结构第21页/共50页 5、金属晶体的结构金属晶体的结构 等径圆球堆积模型等径圆球堆积模型:（1 1）简单立方堆积）简单立方堆积形成简单立方晶胞，空间利形成简单立方晶胞，空间利用率较低用率较低5252 ，金属钋，金属钋（PoPo）采取这种堆积

10、方式。）采取这种堆积方式。第22页/共50页2 2）体心立方堆积）体心立方堆积(bccbcc，A2)碱金属、碱金属、-Fe 、难熔金属难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 第23页/共50页24 a：晶胞单位长度：晶胞单位长度 R：原子半径：原子半径单位晶胞原子数单位晶胞原子数 n=2bcc第24页/共50页3 3）面心立方堆积）面心立方堆积(fccfcc，A1)Al，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属贵金属 以及以及 奥氏体不锈钢等奥氏体不锈钢等 第25页/共50页第26页/共50页27 fccn=4第27页/共50页4 4）六六方方堆堆积积(h hc cp p，A3)-Ti，-Co，

11、-Zr，Zn，Mg 等等 第28页/共50页平行六面体的底是个平行四边形，各边为平行六面体的底是个平行四边形，各边为a=2R,平行四边形的面积平行四边形的面积平行六面体的高平行六面体的高第29页/共50页30 hcpn=6第30页/共50页5)5)金刚石型堆积金刚石型堆积(A4)第31页/共50页6 6、离子晶体、离子晶体（1 1）CsClCsCl型型:(CsCl,CsBr,CsI,NH(CsCl,CsBr,CsI,NH4 4Cl)Cl)第32页/共50页（2 2）NaClNaCl型型:第33页/共50页（3）立方ZnS第34页/共50页4）CaF2型第35页/共50页 一个离子周围异电性离子

12、的个数受离子半径比等因素制约，离子半径越大，周围可容纳的异电性离子就越多。在理论上，只有当正负离子半径比处在一定范围内，才能在离子晶体中呈现某种稳定的配位多面体。第36页/共50页正负离子半径比和离子配位多面体第37页/共50页离子晶体中的稳定配位多面体的离子晶体中的稳定配位多面体的理论理论半径比半径比配位多面体配位数半径比(r+/r)范围平面三角形30.155-0.225四面体40.225-0.414八面体60.414-0.732立方体80.732-1.000立方八面体121.000第38页/共50页第39页/共50页5 5）晶格能）晶格能 晶晶格格能能(U U)是是指指将将1 1摩摩离离子

13、子晶晶体体里里的的正正负负离离子子（克克服服晶晶体体中中的的静静电电引引力力）完完全全气气化化而而远远离离所所需需要要吸吸收收的的能能量量（数符为（数符为+）。例如：）。例如：NaCl(s)NaNaCl(s)Na+(g)+Cl(g)+Cl(g)(g)U U=786kJmol=786kJmol11 晶格能越大，表明离子晶体中的离子键越稳定。一般晶格能越大，表明离子晶体中的离子键越稳定。一般而言，晶格能越高，离子晶体的熔点越高、硬度越大。而言，晶格能越高，离子晶体的熔点越高、硬度越大。晶格能大小还影响着离子晶体在水中的溶解度、溶解热晶格能大小还影响着离子晶体在水中的溶解度、溶解热等性质。等性质。L

14、iF LiCl LiBr LiI(g/100mLH2O)0.27 64 145 165第40页/共50页注：注：无机盐的溶解是水合离子的生成过程：无机盐的溶解是水合离子的生成过程：MX(s)MX(s)M M+(g)+X(g)+X-(g)(g)M M+(aq)+X(aq)+X-(aq)(aq)离离子子晶晶体体在在水水中中的的溶溶解解度度与与溶溶解解热热不不但但与与晶晶体体中中离离子子克克服服晶晶格格能能进进入入水水中中吸吸收收的的能能量量有有关关，还还与与进进入入水水中中的的离离子子发发生生水水化化放放出出的的能能量量（水水化化热热）有有关关。第41页/共50页第42页/共50页某些离子晶体的晶

15、格能以及晶体中的离子电某些离子晶体的晶格能以及晶体中的离子电荷、核间距、晶体的熔点、硬度荷、核间距、晶体的熔点、硬度AB型离子晶体最短核间距ro/pm晶格能U/kJmol1熔点m.p./oC摩氏硬度NaF2319239933.2NaCl2827868012.5NaBr2987477472.5NaI323704661 2.5MgO210379128526.5CaO240340126144.5SrO257322324303.5BaO256305419183.3第43页/共50页 7、原子晶体原子晶体 同种非金属元素或异种非金属元素的原子以共同种非金属元素或异种非金属元素的原子以共价键结合而成无限分

16、子的晶体价键结合而成无限分子的晶体.1)1)金刚石型金刚石型第44页/共50页2）SiO2石英晶体第45页/共50页8、分子晶体分子晶体 1 1）单原子分子形成的晶体（惰性元素晶体）单原子分子形成的晶体（惰性元素晶体）-纯的范德华力纯的范德华力 2 2）原子先以共价键结合成分子）原子先以共价键结合成分子,分子间再以范德分子间再以范德华力或氢键等结合形成的晶体华力或氢键等结合形成的晶体.第46页/共50页 9、混混合合键键型型晶晶体体 内内部部结结构构包包含含有有两两种种以以上上键键型型的的晶晶体体（C Ca a(O OH H)2 2,M Mg g(O OH H)2 2C Ca aI I2 2,

17、M Mg gI I2 2,M Mg gB Br r2 2,C Cd dI I2 2,).第47页/共50页19991999年美国年美国科学科学杂志报道：在杂志报道：在40GPa40GPa高压下，用激光器加热到高压下，用激光器加热到1800K1800K，人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是，人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是 A A 原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度B B 原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料C C 原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料D D

18、每摩尔原子晶体干冰中含每摩尔原子晶体干冰中含2mol CO2mol CO键键课后作业课后作业第48页/共50页某离子晶体晶胞结构如图所示，x位于立方体的顶点，y位于立方体的中心，试分析：（1）晶体中每个y同时吸引着多少个x？（4个）每个x同时吸引着多少个y？（8个）该晶体的化学式为？（xy2）（2）晶体中在每个x周围与它最接近且距离相等的x共有多少个？（12个）（3）晶体中距离最近的2个x与1个y形成的夹角xyx角度为多少？（10928）（4）该晶体的摩尔质量为Mgmol-1，晶体密度为gcm-3，阿佛加德罗常数为NA，则晶体中两个距离最近的x中心间的距离为多少？（）第49页/共50页感谢您的观看。第50页/共50页