固体结构(6)-离子与共价晶体结构.ppt

第二章 固体结构,第一节 晶体学基础 第二节 金属的晶体结构 第三节 合金相结构 第四节 离子晶体结构 第五节 共价晶体结构 第六节 聚合物的晶态结构 第七节 非晶态结构,第四节 离子晶体结构,4.1 离子晶体的主要特点 4.2 离子晶体的结构规则-Pauling规则 4.3 几种简单的离子晶体结构 4.4 硅酸盐的晶体结构,第五节 共价晶体结构,5.1 共价晶体的特点 5.2 共价晶体的结构,4.1 离子晶体的主要特点,一、概念： 离子晶体：正负离子通过离子键结合起来的晶体。 二、离子晶体的主要特点：(无机非金属材料) 硬度高、强度大 熔点、沸点高 热膨胀系数小、脆性大 导电、导热差 无色透明,三、离子晶体中质点的堆积特点,晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。 半径大的负离子作最密堆积，半径小的正离子充填空隙。 正离子与周围的负离子形成负离子配位多面体，配位多面体相连形成一个三维的晶体结构。,四、离子晶体的配位多面体和配位数,(1)配位多面体 配位多面体：指物质结构中，与某个质点构成配位关系而相邻结合的各个质点中心连线所构成的多面体。该质点处于配位多面体的中心位置，而配位质点的中心处于配位多面体的顶角上。 负离子配位多面体：离子晶体结构中，与某一个正离子成配位关系而连接的各个负离子中心线所构成的多面体。,(2) 配位数 金属晶体材料：一个原子周围与它直接相邻结合的原子个数，常称为原子配位数。12、8。 离子晶体材料：一个离子周围与它直接相邻结合的所有异号离子个数，常称为离子配位数。8、6、4。 共价键晶体：由于方向性和饱和性，因此其配位数不符合紧密堆积原则，CN较低（4 、3）。,4.2 离子晶体的结构规则-Pauling规则,Pauling第一规则多面体规则 Pauling第二规则电价规则 Pauling第三规则 Pauling第四规则 Pauling第五规则节约规则,Pauling第一规则-负离子配位多面体规则 在离子晶体中，正离子周围形成一个负离子配位多面体，正负离子之间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比，也称多面体规则。,如果阴离子作紧密堆积，当阳离子处于八面体空隙，考虑所有离子都正好两两相切的临界情况，6配位的临界半径比：,立方体8配位的临界半径比,图(a)、(b)为稳定的图形，中心的正离子与周围的四个负离子都相切；(c)为不稳定的图形，中心的正离子与周围的负离子均不相切。 当负离子半径大于某一临界值后，中心的正离子就不能与其周围的负离子相切。只有当R+R- 等于或大于某一(最小)临界值后，某一结定配位数的结构才是稳定的。,为了降低晶体的总能量，正、负离子趋于形成尽可能紧密的堆积，即一个正离子趋于有尽可能多的负离子为邻。 因此，一个最稳定的结构应当有尽可能大的配位数，而这个配位数又取决于正、负离子半径的比值。,正、负离子半径比与阳离子配位数及配位多面体形状,Pauling第二规则-电价规则 在稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价Z-等于或接近等于与之邻接的各正离子静电强度S的总和。,中心阳离子分配给每个配位阴离子的静电键强度,设阴离子电荷数Z-，则有,Pauling第三规则-负离子多面体共用顶、棱和面得规则 在晶体结构中，每个配位多面体以共顶方式连接；共棱连接特别是共面连接方式存在时，会使结构的稳定性降低。,四面体或八面体相互连接情况,Pauling第四规则-不同种类正离子配位多面体间连接规则 在含有多种阳离子的晶体中，电价高而配位数小的那些阳离子所形成的配位多面体，有尽量互不结合的趋势。 Pauling第五规则-节约规则 在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地倾于一致，也称节约规则。 鲍林规则虽然是一个经验性的规则，但在描述、理解离子晶体的结构，特别是复杂离子晶体的结构时，提供了许多方便。,4.3 几种简单的离子晶体结构,4.4 硅酸盐的晶体结构,1、硅酸盐的结构特点 （a）基本结构单元：SiO4 。 （b） 结合键与结构： 主要是离子键结合， 含一定比例的共价键， 硅位于氧四面体的间隙。 （c）SiO4四面体可弧立存在，或两个SiO4四面体间共顶相连。 （d）Si4+间不存在直接的键，通过O2-联接，每个氧最多被两个多面体共有。 （e）Si-O-Si的结合键不形成一直线，而是折线，键角接近145度。,硅酸盐晶体中的氧 （1）桥氧：连接2个Si4+的氧，Si-O-Si （2）非桥氧：连接一个Si4+的氧，Si-O-R （3）非桥氧可与K+、Na+、Al3+、Mg2+、Ca2+连接,2、硅酸盐晶体的结构分类,（1）岛状硅酸盐，SiO4四面体弧立存在，无桥氧，Si：O=1：4 （2）组群状硅酸盐 双四面体 一个桥氧 Si：O=1：7 三节环 三个桥氧 四节环 四个桥氧 Si：O=1：3 六节环 六个桥氧 （3）链状硅酸盐 单链：SiO4在一维方向通过桥氧相连，Si：O=1：3 双链：两个SiO4单链在一维方向通过桥氧相连4：11 （4）层状硅酸盐 SiO4在二维方向通过桥氧相连，Si-：O=4：10 （5）架状硅酸盐 SiO4在三维方向通过桥氧相连，Si：O=1：2，可见，Si：O由1：41：2，结构越来越复杂。,3、硅酸盐的表示法,（1）化学组成表示法 以氧化物形式表示，按由低价到高价最后是H2O顺序，如高岭土：Al2O32SiO22H2O， 绿柱石：3BeOAl2O36SiO2， 这种写法特点：能反映出组成化学成分克分子比，但不能反映结构特点。 （2）结构表示法 按电价高低写出各金属元素，再写Si-O结合情况，最后写羟基，如高岭土：Al2Si2O5(OH)4, 绿柱石：Be3Al2Si6O18 ， 反映了硅酸盐晶体的结构特征，硅氧四面体的组合形式。,5.1 共价晶体的特点 元素周期表中A，A，A族元素、许多无机非金属材料和聚合物都是共价键结合。 具有强度高、硬度高、脆性大、熔沸点高和挥发性低等，结构也比较稳定。导电、导热差。 共价晶体的共同特点是配位数等于8-N，N是族数或原子的价电子数。原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。 共价键类型有