固体物质的分类和宏观特征.ppt

4.5 固体物质的分类和宏观特征,1、固体的分类,固体,晶体(crystal),单晶体 多晶体,无定型固体( amorphous solid ),2、晶体的特征,(1) 具有规则的几何外形,晶面角守恒定律,(2) 有固定的熔点,(3) 各向异性,(4) 晶体内部粒子的周期性排列及其理想的外 形都具有特定的对称性,4.6 晶体的微观点阵结构,1、晶体与空间点阵,NaCl的晶体结构,晶体内部的结构单元 （分子、原子、原子 团或离子等）在空间 作有规则的周期性排 列，构成空间点阵 （晶格） (crystal lattice),2、晶胞(unit cell),构成晶体的平行六面体的最小的基本单 元称为晶胞。,整个晶体是由晶胞无间隙地堆砌而成。,晶胞参数( unit cell parameters),构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c（称 为晶轴）及三个夹角、称为晶胞参数。 它们决定了晶胞的大小和形状。,晶胞的分类 晶系,晶系 晶轴 轴间夹角 实例 立方 a = b = c = 900 Cu, NaCl 四方 a = b c = 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,立方晶系 (a = b = c ,=900 ),简单立方型 体心立方型 面心立方型,4.7 金属晶体,1、金属键( Metallic bond ),(1) 自由电子气模型,在金属晶体中，金属元素的价电子为所 有原子（或离子）所共有，可以在整个金属 晶格的范围内自由运动，称为自由电子(free Electrons )。 金属借助这些自由电子与金属离子之间 的作用力而结合成晶体，此作用力则称为金 属键。,（2）能带理论（Energy band theory ),（1）由于晶体中原子之间的相互作用，而使 原子某个轨道的能级分裂成一组能量非 常相近的能级，称为能带。 一个能级中所含能级的数量与晶体中原 子的个数相同。,(2) 电子在能带中的排布仍然遵守能量最低原 理、泡利原理和洪特规则。,(3) 能级分为满带、导带和空带： 全部被电子充满的能带称为满带。 部分被电子充满的能带称为导带。在电 场的作用下，导带中的电子可以从较低能 级跃迁到较高能级，形成电流。 没有电子的能带称为空带。,(4) 能带之间的区域称为禁带。 禁带宽度：金属：01eV 半导体：5 eV,空 带,金属,半导体,绝缘体,2、晶体类型及结构,（1）简单立方堆积,（2）体心立方堆积,（3）面心立方堆积,（4）六方密堆积,4.8 离子晶体 ( ionic crystal ),1、离子晶体的性质,具有较高的熔点和沸点； 大多数固体不导电； 一般易溶于极性溶剂,决定晶格类型的因素： 离子所带电荷的数量； 正、负离子的半径； 离子的极化。,2、离子半径与晶体结构的关系,离子在空间排布时，在满足电中性和能量 最低原理的前提下，每个离子周围将尽可能多 地排列异电荷离子,配位数： 每个离子周围邻接的异电荷离子的数目。,+,+,+,半径比 r+/r-, 0.414 (0.2250.414) (0.414 0.732) ( 0.732 1 ),配位数 4 6 8,晶体构型 ZnS型 NaCl型 CsCl型,3、几种简单的离子晶体类型,(1) CsCl 型（简单立方晶型）：,(2) NaCl型（面心立方晶型）,(3) ZnS型（面心立方晶型）:,4、离子极化对晶体结构的影响,离子的极化 (polarization of ions) 在外电场的作用下，离子最外层的电子 云发生变形，称为离子的极化。,当带相反电荷的离子相互接近时，会互相 引起极化作用，但一般正离子的极化能力大于 负离子，而负离子由于极化而产生的电子云的 变形大于正离子。,影响离子极化能力的因素,离子半径越小，所带电荷数越多，极化能 力越强；,(2) 与最外层电子构性有关 极化能力： 18，18+2，2 9 17 8,影响离子变形性的因素,(1) 离子半径越大，变形性越大,(2) 负离子价数越高，变形性越大； 正离子价数越高，变形性越小。,离子极化对晶体结构和性质的影响,离子的极化使离子键向共价键转化，使 晶体的结构和性质向共价化合物转变（如熔 点和沸点降低，在水中的溶解度减小，颜色 发生变化等）,4.9 原子晶体和分子晶体,在晶体中，原子以共价键相互连接而组成 晶格点阵，晶体构型取决于共价键的性质（方 向性和饱和型），一般比离子型晶体配位数低， 硬度和熔点比离子晶体高，溶解度和延展性差。,1、原子晶体（共价晶体 covalent crystals),2、分子晶体（molecular crystals ),在晶体中，分子通过分子间作用力而构成 晶格点阵，形成晶体。 分子性晶体一般也采取紧密堆积方式，配 位数较大，熔点和沸点都较低，固态及液态均 不导电。,3、混合键型晶体,石墨：,同层碳原子： 3个键（sp2杂 化轨道）- 共价键 1个大键（p自 由电子）- 金属键 不同层碳原子： 分子间力,4.10 晶体缺陷( crystal defect),具有完整空间点阵结构的晶体称为理想 晶体。,晶体结构偏离理想点阵结构的现象称为 晶体缺陷。,缺 陷 种 类,点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷,4.11 现代材料,1、液晶( liquid crystal ),1881年，奥地利植物学家 F.Reinitzer发现:胆甾醇苯 甲酸酯C6H5CO2C27H45加 热时，在419 452K之间 熔化成为混浊的，光学、 电学性质各向异性液体， 称为液晶。,液晶的相变,固体 液晶 液体,熔点,清亮点,液晶分子的特点： 大多为含有极性基团的棒状有机化合物活 或聚合物分子。,应用： 显示材料，检测,2、富勒烯,1、相和相变,系统内物理性质及化学性质完全均匀 的一部分称为一相。,H2O(l),糖水,糖水,糖,均相系统 （homogeneous system),多（复、非均）相系统 heterogeneous system,4.11 相变及相图 ( Phase transition and phase diagrams),相平衡,若在一个多相系统中，各相的组成及 数量均不随时间而变化，则称该系统处于 相平衡,相变： 体系从一种相向另一种相的转变，或指 物质从一相向另一相的转移（通常也就是物 质的聚集态的变化）。,对纯物质而言，相平衡的温度与压力互为 依赖关系。,相图： 描述体系的相态随温度、压力及组成变化 的图称为相图。,相图可以从理论计算得到，但更多的是 从实验获得。相图是研究多相体系性质的重 要工具。,1. Phase diagrams of one-component systems,O,A,B,C,G,L,S,p,T,OA,OB,OC: -两相线,OA: L-G 平衡线 OB: L - S 平衡线 OC: S - G 平衡线,O: 三相点(273.16 K, 610 Pa),C: 临界点(647 K, 22.06 Mpa),水的冰点: 在101.325kPa下,被 空气所饱和了的水的凝 固点(273.15K)。,水的三相点: 纯水三相平衡的温度。,H2O(l),H2O(g),H2O(s),H2O(l),H2O(s),空气,P = 101.325 kPa,临界现象,2000,4000,6000,P/atm,T,冰的相图,S (正交硫),S (单斜硫),L,G,p,T,硫的相图,4.11 现代材料,1、液晶( liquid crystal ),1881年，奥地利植物学家 F.Reinitzer发现:胆甾醇苯 甲酸酯C6H5CO2C27H45加 热时，在419 452K之间 熔化成为混浊的，光学、 电学性质各向异性液体， 称为液晶。,液晶物质的相变,固体 液晶 液体,熔点,清亮点,液体 向列相 近晶相A 近晶相B,胆甾相,热致型液晶分子的结构特点： 大多为含有极性基团的刚性棒状有机化合 物或聚合物分子。,应用： 显示材料（LCD)，,溶致型液晶 由符合一定结构要求的化合物（如双亲 分子）与溶剂（如水）组成的有序体系。,双亲分子：由憎水基团（非极性基团）和亲 水基团（极性基团）构成的分子,如： C12H25SO3Na,2、C60的发现和Fullerene化学,1996年，Robert.F.Curl, Harold.W.Kroto, Richard E Smalley 因发现C60而获诺贝尔化学奖,发现C60的装置(1985,828-9,11),C60的结构,由60个碳原子构成 的球形32面体，由 12个五边形和20个 六边形组成；每个 碳原子以sp2杂化轨 道与相邻的三个碳 原子连结，剩余的 P轨道在C60的外围 和内腔形成球面 键。,包括在内的所有含有偶数个碳原子所形 成的分子称为Fullerene,C60OsO4 (C2H5)3P2Pt6C60,C60的化合物,3、纳米材料和纳米结构,尺度范围在1 100nm（10-7 10 -9 m）之 间的材料，称为纳米材料。,氮化硅纳米丝,-Al2O3 TiO2,纳米结构的特殊性质：,（1）量子尺寸效应： 当体系尺寸下降到某一数值时，金属费 米能级附近的电子能级由准连续能级（能带） 变为离散能级，能级间隙变宽的现象，称为 量子尺寸效应。,（2）表面效应 由于纳米材料具有巨大的表面积，因此 体系具有巨大的表面能和表面活性。,纳米材料的应用：,纳米陶瓷： 具有良好的韧性，在180 0C下弯曲而不断裂， “纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”。,纳米半导体材料： 光电化学电池的电极（纳米晶电极） 纳米传感器 纳米稀土材料（发光材料，永磁材料） 分子电子器件和纳米