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文档简介
1,Chapter2Structureandpropertyofmaterials,第二章晶体结构,主讲人:吴称意,2,2.2Crystal&non-crystal,非晶体,1.晶体与非晶体的结构和特点,晶体,原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成的固体,原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成的固体,3,2.5Noncrystalmaterials,石英玻璃,石英晶体,4,2.3.3Structure&physicalperformanceofcrystalmaterials,晶体的特征,1)均匀性,2)各向异性,3)自发地形成多面体外形,4)晶体具有明显确定的熔点,周期性,5)晶体的对称性,6)晶体对X射线的衍射,各向异性: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而异.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。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,这是由于水晶柱面长轴方向与短轴方向传热速度不同。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,晶体对光的吸收性质不同。,6,Crystalsymmetry,石英晶体的形状与对称元素,平移对称性示意图,非晶体的宏观特征:1)只有玻璃转化温度,无熔点。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。3)物理性质各向同性。4)均匀性来源于原子无序分布的统计性规律,无晶界.,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。例如五次对称轴等。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。,2、晶胞(unitcell),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a,b,c不一定相等,也不一定垂直。整个晶体是由晶胞并置堆砌而成。划分晶胞要遵循2个原则:1)是尽可能反映晶体内结构的对称性;2)是尽可能小。,晶体结构中具有代表性的最小重复单位,称为晶胞。,14,Unitcell,a、b、c:确定晶胞大小、:确定晶胞形状,晶胞参数,晶胞UnitCell,晶胞中各原子(分子离子)的坐标,3、晶胞的分类晶系,晶系晶轴轴间夹角实例立方a=b=c=900Cu,NaCl四方a=bc=900Sn,SiO2正交a=bc=900I2,BaCO3三方a=b=c=900As,Al2O3a=bc=900,=1200单斜abc=900,900KClO3三斜abc900K2CrO7六方a=bc=900,=1200Mg,CuS,晶胞中质点个数的计算:晶体密度的计算:,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)该晶胞的体积是多大?(3)利用以上结果计算金属铜的密度。,晶体空间利用率的计算:,4、晶体的缺陷: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陷产生。改变晶体缺陷的形式和数量,就可制得所需性能的晶体。,21,钙钛矿型非整比化合物YBa2Cu3O7-x(x0.1),它是由于氧原子不足而产生空位缺陷,正是这种缺陷,使固体具有超导性能。,22,Example,YBa2Cu3O7-x的缺陷型钙钛矿结构,5、金属晶体的结构等径圆球堆积模型:(1)简单立方堆积,形成简单立方晶胞,空间利用率较低52,金属钋(Po)采取这种堆积方式。,2)体心立方堆积(bcc,A2),碱金属、-Fe、难熔金属(V,Nb,Ta,Cr,Mo,W)等,25,a:晶胞单位长度R:原子半径,单位晶胞原子数n=2,bcc,3)面心立方堆积(fcc,A1),Al,Ni,Pb,Pd,Pt,贵金属以及奥氏体不锈钢等,28,fcc,n=4,4)六方堆积(hcp,A3),-Ti,-Co,-Zr,Zn,Mg等,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六面体的高,31,hcp,n=6,5)金刚石型堆积(A4),6、离子晶体(1)CsCl型:(CsCl,CsBr,CsI,NH4Cl),(2)NaCl型:,(3)立方ZnS,4)CaF2型,一个离子周围异电性离子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。,正负离子半径比和离子配位多面体,离子晶体中的稳定配位多面体的理论半径比,5)晶格能晶格能(U)是指将1摩离子晶体里的正负离子(克服晶体中的静电引力)完全气化而远离所需要吸收的能量(数符为+)。例如:NaCl(s)Na+(g)+Cl(g)U=786kJmol1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。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。LiFLiClLiBrLiI(g/100mLH2O)0.2764145165,注:无机盐的溶解是水合离子的生成过程:MX(s)M+(g)+X-(g)M+(aq)+X-(aq)离子晶体在水中的溶解度与溶解热不但与晶体中离子克服晶格能进入水中吸收的能量有关,还与进入水中的离子发生水化放出的能量(水化热)有关。,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,7、原子晶体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子的晶体.1)金刚石型,2)SiO2,石英晶体,8、分子晶体1)单原子分子形成的晶体(惰性元素晶体)-纯的范德华力2)原子先以共价键结合成分子,分子间再以范德华力或氢键等结合形成的晶体.,9、混合键型晶体内部结构包含有两种以上键型的晶体(Ca(OH)2,Mg(OH)2CaI2,MgI2,MgBr2,CdI2,).,1999年美国科学杂志报道:在40GPa高压下,用激光器加热到1800K,人们成功制得了原子晶体干冰,下列推断正确的是A原子晶体干冰有很高的熔点、沸点,有很大的硬度B原子晶体干冰易气化,可用作制冷材料C原子晶体干冰硬度大,可用作耐磨材料D每摩尔原子晶体干冰中含2molCO键,课后作业,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
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