第七章固体结构与性质.ppt

第七章固体的结构与性质 1 固体的结构与性质 晶体和非晶体 离子晶体 混合型晶体和晶体缺陷 离子极化 基本要求 原子晶体和分子晶体 金属晶体 2 晶体和非晶体 一 晶体和非晶体 一 晶体的特征 1 有一定的几何外形 非晶体如玻璃等又称无定形体 2 有固定的熔点 3 各向异性 一块晶体的某些性质 如光学性质 力学性质 导电导热性质 机械强度等 从晶体的不同方向去测定 常不同 二 晶体的内部结构1 晶格把晶体中规则排列的微粒抽象成几何学中的点 并称为结点 这些点的结合称为点阵 沿着一定的方向 3 晶体和非晶体 按某种规则把结点连结起来 则得到描述各种晶体内部结构的几何图像 晶体的空间格子 称为晶格 2 晶胞在晶格中 能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞 三 单晶体和多晶体单晶体 由一个晶核 微小的晶体 各向均匀生成而成 其内部的粒子基本上按某种规律整齐排列 如冰糖 单晶硅等 多晶体 由很多单晶体杂乱聚结而成 失去了各向异性特征 4 晶体和非晶体 四 非晶体物质非晶体物质指结构无序 有的可能近程有序 的固体物质 晶体和非晶体间并不存在鸿沟 在一定条件下 可相互转化 五 液晶有些有机物质的晶体熔化后 在一定温度范围内微粒分布部分地保留着远程有序性 因而部分地仍具有各向异性 这种介于液态和晶态间的各向异性的凝聚流体 称为液晶 5 离子晶体 二 离子晶体及其性质 一 离子晶体的特征和性质由离子间静电引力结合成的晶体 离子晶体 晶体内 或分子内 某一粒子周围最接近的粒子数称为该粒子的配位数 如NaCl晶体中Na Cl 配位数均为6 性质 静电作用力较大 故一般熔点较高 硬度较大 难挥发 但质脆 一般易溶于水 其水溶液或熔融态能导电 二 离子晶体中最简单的结构类型离子晶体中三种典型的结构类型 NaCl型 CsCl型和立方ZnS型 1 NaCl型晶胞形状是立方体 配位数均为6 如KI LiF NaBr MgO CaS等均属此类 6 0 2 CsCl型晶胞也是立方体 配位数均为8 如TlCl CsBr CsI等属此列 3 立方ZnS型晶胞也是正立方体 配位数均为4 如BeO ZnSe等 化学组成相同而晶体构型不同称同质多晶现象 三 离子晶体的稳定性1 离子晶体的晶格能晶格能 标准态下 使单位物质的量的离子晶体使其变为气态组合离子所吸收的能量 称为离子晶体的晶格能2 离子晶体的稳定性对晶体构型相同的离子化合物 离子电荷数越多 核间距越强 晶格能越大 熔点越高 硬度较大 晶格能大小可以衡量某种离子晶体稳定性的标志 U越大 离子晶体越稳定 7 原子晶体和分子晶体 三 原子晶体和分子晶体 一 原子晶体晶格结点上是原子 原子间共价键相结合 为原子晶体 如金刚石 由于共价键结合力强 所以原子的晶体熔点高 硬度大 如金刚石 金刚砂 熔融不导电 属原子晶体的物质为数不多 单质Si B SiC SiO2 B4C BN AlN等 二 分子晶体由分子间力 有的可能有氢键 结合 结点是中性分子 这类晶体叫分子晶体 如干冰等 分子晶体物质一般熔点低 硬度小 易挥发 熔融不导电 8 金属晶体 四 金属晶体 一 金属晶体的内部结构金属晶体中 结点上排列的是金属原子 金属阳离子 对金属单质 晶体中原子在空间的排布 可近似看成是等径圆球的堆积 为形成稳定结构采取尽可能紧密的堆积方式 所以金属一般密度较大 配位数较大 二 金属键金属晶体中金属原子间的结合力 称为金属键 特征 无饱和性 方向性 9 金属晶体 三 金属键的能带理论应用分子轨道理论研究金属晶体中结合力逐步开展成了金属键的能带理论 1 金属晶体块的大分子概念该理论把任何一块金属晶体都看作一个大分子 然后应用M O理论来描述金属晶体内电子的运动状态 2 能带的概念由n条能级相近的原子轨道组成能量几乎连续的n条分子轨道 总称为能带 如由2s原子轨道组成的能带 叫2s能带 10 金属晶体 3 能带的种类满带 充满电子的低能量能带 如金属锂的1s能带就是满带 导带 充满电子的高能量能带 如金属锂的2s能带就是导带 禁带 带隙是电子的禁区 4 能带的重叠当金属原子相邻亚层原子轨道间能级相近时形成的能带会出现重叠现象 能带理论可以用来证明金属的一些物理性质 如金属光泽 导热性 延展性 绝缘体的绝缘性 半导体和导电性等 11 2019 12 29 12 混合型晶体和晶体缺陷 五 混合型晶体和晶体缺陷 一 混合型晶体有一些晶体 晶体内同时存在若干种不同的作用力 具有若干种晶体的结构和性质 这类晶体称为混合型晶体 石墨为典型例子 石墨中 C原子取SP2杂化 呈层状结构 剩余的电子形成大 键 由多个原子共同形成的大 键 其中的电子沿层面活动力强 与金属中自由电子类似 故石墨沿层面电导率大 13 混合型晶体和晶体缺陷 二 实际晶体的缺陷及其影响1 空穴缺陷晶体内某些晶格结点上缺少粒子 从而出现空穴 2 置换缺陷晶体内组成晶体的某些粒子被少量别的粒子取代造成晶体的缺陷 3 间充 或填隙 缺陷晶体内组成晶体粒子堆积的空隙位置被外来粒子所填充 14 混合型晶体和晶体缺陷 三 实际晶体的键型变异多数实际晶体实际是混合键型或过渡键型 又称杂化键型 键型过渡现象又称为键型变异 实际晶体中不仅存在着离子键与共价键间的过渡键型 而且存在着各种结合力间的过渡键型 有的甚至很难确定是什么键型 这就是物质结构的复杂性 15 离子极化 六 离子极化对物质性质的影响 一 离子的电子构型1 阴离子 F Cl S2 等 均为8 电子构型 2 阳离子构型有多种 离子的电子构型对离子晶体性质的影响 需要从离子极化的角度来讨论 二 离子极化的概念1 离子极化 16 离子极化 孤立简单离子 离子的电荷分布是球形对称的 不存在偶极 但当把离子置于电场中 离子的核和电子云就发生相对位移 离子变形而出现诱导偶极 这个过程称为离子的极化 离子极化的强弱决定于两个因素 离子的极化力 离子的变形性 2 离子的极化力离子极化力与离子的电荷 半径及电子构型等因素有关 离子电荷越多 半径越小 电场强度越大 离子极化能力越强 17 离子极化 3 离子的变形性这主要决定于离子半径的大小 离子越大 变形性越大 4 离子极化的规律 1 阴离子半径相同时 阳离子电荷越多 阴离子越易被极化 产生诱导偶极越大 a图 2 阳离子电荷相同时 阳离子越大 阴离子被极化强度越小 产生诱导偶极越小 b图 3 阳离子电荷相同 半径大小相近时 阴离子越大 越易被极化 产生诱导偶极越大 c图 18 离子极化 5 离子的附加极化作用当阳 阴离子也易变形时 也要考虑阴离子对阳离子的极化 阳离子变形后 产生的诱导偶极会加强阳离子对阴离子的极化能力 使阴离子诱导偶极增大 这种效应称附加极化作用 在离子晶体中 每个离子的总极化能力 固有极化力 附加附化力 19 离子极化 三 离子极化对物质结构的性质的影响1 离子极化对化学键型的影响当极化力强 变形性大的阳离子与变形性大的阴离子相互作用时 导致阳 阴离子外层轨道发生重叠 键长缩短 键的极性减弱 化学键从离子键向共价键过渡 AgF离子键 AgCl AgBr过渡键型 AgI共价键 20 离子极化 2 离子极化对晶体构型的影响当离子离开其正常位置而稍偏向某异电荷离子时 该离子将产生诱导偶极 如果极化不强 离子又返回原位 若离子极化作用很强 阴离子变形性又大时 足够大的诱导偶极所产生的附加引力 会破坏离子固有的振动规律 缩短了离子间的距离 使晶体向配位数小的晶体构型转化 如AgI晶体从NaCl型向ZnS型转化 变为ZnS型 对物质性质的影响 如溶解度 CuCl 共价键 小于NaCl 离子键 21 基本要