大学化学第三章晶体结构.ppt

第 3 章 晶体结构,Crystal Structure,晶 体,非晶体,原子核,电 子,分 子,物 质,原 子,化学键,分子间作用力,化学键,粒子排列的有序程度,本章教学要求,3了解晶体结构对物质性质的影响,1了解晶体和非晶体的宏观特征,2了解晶体的微观特征及基本类型,3.1.1 晶体的宏观特性,3.1.2 晶体的微观结构,3.1.3 单晶体和多晶体,3.1 晶体的基本知识,3.1.1晶体的宏观特性,晶体： 一定的几何外形 固定的熔点 各向异性,非晶体： 无一定的几何外形 无固定的熔点 各向同性,晶体具有规则的几何构形，这是晶体最明显的特征，同一种晶体由于生成条件的不同，外形上可能差别，但晶体的晶面角（interfacial anglt）却不会改变。,钻石晶体,玻璃非晶体,晶体都有固定的熔点，非晶体在加热时却是先软化，后粘度逐渐小，最后变成液体。,3. 晶体表现各向异性，例如热、光、电、硬度等常因晶体取向不同而异；而非晶体则为各向同性。 例：云母沿层状结构方向易被剥离 石墨层内导电率比层间高一万倍,宏观上判断晶体与非晶体，应综合以上三方面的特点来考察，单从一方面进行判断是不充分的。 为什么晶体与非晶体上存在如此大的差异？ 内部结构不同（结构决定性质，性质反映结构） 如何探测内部结构？ 衍射实验（X衍射和电子衍射）,从热力学的角度看 晶体一般都具有最低能量，因而较为稳定；非晶体一般能量较高都处于介稳或亚稳态。 晶体和非晶体之间无绝对界线 同一物质在不同条件下既可形成晶体，又可形成非晶体，彼此之间在一定条件下可以实现转化。,关于晶体与非晶体,3.1.2 晶体的微观结构,1. 晶格(lattice) 组成晶体的粒子有规则地排列在空间的一定的点上，这些点的总和晶格（或点阵）,晶格在空间的排列呈现出有规律的周期性。,排有粒子的点称为晶格的结点。,2. 晶胞(unit cell) 在晶格中，能表现出其结构一切特征的最小部分称为晶胞。晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位，其在三维空间有规则地重复排列便组成了晶格（晶体）。,晶格,晶胞 （平行六面体）,质点,晶胞的大小和形状由六个参数决定，称为晶胞参数或点阵参数。a、b、c不一定相等也不一定垂直,3. 晶胞参数(unit cell parameter),按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系,注：对称性从上到下逐渐降低,与晶系对应的晶胞,简单格子（P）：仅在单位平行六面体的8个顶角上有结点； 底心格子（C）：除8个顶角上有结点外，平行六面体上、下两个平行面的中心各有一个结点； 体心格子（I）：除8个顶角上有结点外，平行六面体的体心还有一个结点； 面心格子（F）：除8个顶角有结点外，平行六面体的6个面的面心上都有一个结点。,质点在晶胞上的分布类型,七个晶系中又包含十四种晶格,单晶体： 由一个晶核（微小的晶体）各向均匀生长而成的晶体。其内部的粒子基本上是按照某种规律整齐排列的。,多晶体： 由多个单晶体颗粒杂乱地聚结而成的晶体。由于单晶体的杂乱排列，使晶体的各向异性消失。,3.1.3 单晶体和多晶体,金属晶体,离子晶体,原子晶体,3.2 晶体的基本类型,分子晶体,混合晶体,根据晶体中质点以及质点之间的作用力， 可以把晶体分为：,金属晶体中金属原子是通过金属键结合在一起的。金属正离子进行堆积排列，而所有的自由电子则通过静电力把正离子“胶合”起来，这种”胶合“作用就是金属键。,3.2.1 金属晶体,金属晶体中，晶格结点上排列着金属原子，晶格结点间以金属键相结合； 金属键没有方向性、饱和性，金属晶体的结构可以看作等径圆球的密堆积； 金属晶体中金属原子的配位数高； 不同的金属单质，可能有不同的晶格类型，同种金属在不同的温度下，也可能发生晶格类型的转变。,金属的结构特点,如果将等径园球在一平面上排列，有两种排布方式，如图：按（a）图方式排列，园球周围剩余空隙最小，称为密置层；按（b）图方式排列，剩余的空隙较大，称为非密置层。由密置层按一定方式堆积起来的结构称为密堆积结构。,密置层与非密置层,金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种,金属晶体的性质,1. 有金属光泽,对光不透明,2. 具有较高的熔点、沸点,3. 较大的硬度,较好的延展性,4. 具有良好的导电和导热能力,离子晶体中，晶格结点上交替排列着正负离子，正负离子间以离子键相结合。,离子晶体的堆积方式也采取紧密堆积方式 各离子周围排列的是带异号电荷的离子,3.2.2 离子晶体,阴离子：大球，密堆积，形成空隙。 阳离子：小球，填充空隙。 规则：阴阳离子相互接触；配位数大，稳定。,（1）离子晶体的熔点较高，硬度较大，难挥发,（2）离子晶体在溶于水或熔融时，可以导电,（3）离子晶体一般较脆,（4）离子晶体物质一般较易溶于水,离子晶体的性质,三种典型的离子晶体,NaCl型,晶胞中离子的个数：,晶格：面心立方,配位比：6:6,(红球：Na+ , 绿球：Cl-),CsCl型,晶胞中离子的个数：,(红球：Cs+ , 绿球：Cl-),晶格：简单立方,配位比： 8:8,晶胞中离子的个数：,ZnS型(立方型),晶格：面心立方,(红球：Zn2+ , 绿球：S2-),配位比：4:4,原子晶体中晶格结点上排列着原子，晶格结点间以共价键结合。,原子晶体具有熔点高、硬度大的特点。,3.2.3 原子晶体,原子晶体的结构：,原子晶体的性质：,金刚石的晶体结构,金刚石的晶胞,石英的晶体结构与晶胞,在分子晶体中，晶格结点上排列着分子，晶格结点以微弱的分子间力结合。,分子晶体物质一般熔点低，硬度小，易挥发。,3.2.4 分子晶体,分子晶体的结构：,分子晶体的性质：,干冰及其晶胞,晶体类型小结,晶体内晶格结点之间存在两种或两种以上的作用力，这种晶体就称为混合晶体。,3.2.5 混合晶体,层状晶体（石墨、云母、黑磷） 链状晶体（石棉）,层状晶体,石墨 C为sp2杂化，同一平面的C形成离域大键 沿层面导电、导热能力好 熔点高，性质稳定 兼具原子晶体、金属晶体和分子 晶体特征,链状晶体,石棉是镁、铁、钙硅酸盐矿物的总称。链内硅氧原子间为带共价性的离子键，链状阴离子之间通过相隔较远的金属阳离子以离子键相结，因此链间结合力比链内结合力弱，故解离时易形成纤维。,非晶体、准晶体、液晶、纳米材料、等离子体等,3.2.6 物质的其它聚集形态,非晶体,非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等等。非晶体不具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质。,准晶体,准晶体是1984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称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。,液 晶,“液晶”被发现至今约一百多年，但近二十多年来才获得了迅速的发展，这是因为液晶材料的光电效应被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显示组件上，因此它一跃成为一热门的科学研究及应用的主题。目前己被广泛使用于电子表，计算器和计算机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺的重要材料。,它的力学性质像液体，可以自由流动，但它的光学性质却像晶体，显各向异性。 有的液晶的透明性会随电压而变化，加电压时不透明，去电压后透明，数码显示器就是利用了这种性质。,液晶的特点：,纳米材料,纳米材料是以维数尺寸定义的材料，要求颗粒或尺寸至少在一维尺度上小于100 nm。它介于宏观与微观之间的介观物质。 20世纪80年代发现。 纳米材料由于尺寸效应、表面效应和量子效应等而产生许多新奇特性，由此引起的材料光、电、磁等