材料化学晶体结构PPT学习教案

1、会计学1材料化学晶体结构材料化学晶体结构2 2.2 Crystal & non-crystal非晶体非晶体1. 1. 晶体与非晶体的结构和特点晶体与非晶体的结构和特点晶体晶体原子或原子团、离子或分子在空间原子或原子团、离子或分子在空间按按一定规律呈周期性一定规律呈周期性地排列构成的地排列构成的固体固体原子、分子或离子无原子、分子或离子无规则地堆积在一起所规则地堆积在一起所形成的固体形成的固体第1页/共50页3 2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英玻璃石英晶体石英晶体第2页/共50页4 晶体的特征晶体的特征1）均匀性均匀性2）各向异性各向异性3）自发地形成多面体外

2、形自发地形成多面体外形4）晶体具有明显确定的熔点晶体具有明显确定的熔点周期性周期性5）晶体的对称性晶体的对称性 6）晶体对晶体对X X射线的衍射射线的衍射 第3页/共50页各向异性各向异性: 晶体的导热、导电、光的透射、折射晶体的导热、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、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异同而异.石墨在与层平行的方向上具有导电性，而在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。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

3、形，这触蜡面中央，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是由于水晶柱面长轴方向与短轴方向传热速度不同。不同。从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝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。的吸收性质不同。第4页/共50页6 Crystal symmetry石英晶体的石英晶体的 形状与对称元素形状与对称元素第5页/共50页平移对称性示意图平移对称性示意图第6页/共50页第7页/共50页准晶体的发现准晶体的发现一方面极大地深化了我们对一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝

4、聚态物理晶体学、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各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。的应用价值。第8页/共50页2 2、晶胞、晶胞(unit cell) 晶体中最小的结构重复单元，形状为平行六面体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，其三边长度a,b,ca,b,c不一定相等，也不一定垂直。整个不一定相等，也不一定垂直。整个晶体是由晶胞并置堆砌而晶体是由晶胞并置堆砌而成。 划分晶胞要遵循划分晶胞要遵循2 2个原则：个原则：1)1)是尽可能反映晶体内是尽可能反映晶体内结构的对称性；结构的对称性；2)2)是

5、尽可能小。是尽可能小。 第9页/共50页第10页/共50页晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶胞晶胞。第11页/共50页第12页/共50页14 Unit cella、b、c : 确定晶胞大小确定晶胞大小 、 、 : 确定晶胞形状确定晶胞形状晶胞晶胞参数参数晶胞晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子离子)的坐标第13页/共50页3 3、晶胞的分类、晶胞的分类 晶系晶系 晶系晶系 晶轴晶轴 轴间夹角轴间夹角 实例实例 立方立方 a = b = c = 900 Cu, NaCl 四方四方 a = b c = 900 Sn, SiO2 正交正交 a

6、= b c = 900 I2, BaCO3 三方三方 a = b = c = 900 As, Al2O3 a = b c = 900 ， = 1200 单斜单斜 a b c = = 900 ， 900 KClO3 三斜三斜 a b c 900 K2CrO7 六方六方 a = b c = 900， =1200 Mg,CuS第14页/共50页第15页/共50页AVNnMVW第16页/共50页第17页/共50页晶胞的体积和晶胞中所有质点的体积空间利用率%第18页/共50页第19页/共50页21 钙钛矿型钙钛矿型非整比化合物非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺

7、陷，正，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。是这种缺陷，使固体具有超导性能。 第20页/共50页22 Example Ca TiOBaYCuOab TiOBaYCuOabYBa2Cu3O7-x的缺陷型钙钛矿结构的缺陷型钙钛矿结构第21页/共50页形成简单立方晶胞，空间利形成简单立方晶胞，空间利用率较低用率较低5252 ，金属钋（，金属钋（PoPo）采取这种堆积方式。）采取这种堆积方式。第22页/共50页碱金属、碱金属、-Fe 、 难熔金属难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 第23页/共50页25 a ：晶胞单位长度：晶胞单位长度 R ：原子半径：原子

8、半径R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 单位晶胞原子数单位晶胞原子数 n = 2bcc第24页/共50页Al，Ni， Pb，Pd， Pt，贵金属贵金属 以及以及 奥氏体不锈钢等奥氏体不锈钢等 第25页/共50页第26页/共50页28 fccR Ra aa aR R2424 n = 474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 第27页/共50页-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等等 第28页/共50页22360sinaaaS平行六面体的底是个平行四边形，各边为平

9、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四边形的面积平行六面体的高平行六面体的高aaah3623622的四面体高边长为第29页/共50页31 hcpR Ra aa ac c238 n = 674. 0)2(2338) 3/4(6)23() 3/4(6333hcpRRaacR第30页/共50页NoImageNoImageaR83第31页/共50页)( 23RRa第32页/共50页)(2RRa第33页/共50页第34页/共50页第35页/共50页第36页/共50页第37页/共50页离子晶体中的稳定配位多面体的离子晶体中的稳定配位多面体的理论理论半径比半径比配位多面体配位多面

10、体配位数配位数半径比半径比(r+/r)范围范围平面三角形平面三角形30.155-0.225四面体四面体40.225-0.414八面体八面体60.414-0.732立方体立方体80.732-1.000立方八面体立方八面体121.000第38页/共50页第39页/共50页5 5）晶格能）晶格能 晶格能晶格能( (U U) )是指将是指将1 1摩离子晶体里的正负离子（克服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（数符为+ +）。例如：）。例如：NaCl(s)NaNaCl(s)Na+ +(g)+Cl(g)+Cl

11、(g) (g) U U=786kJmol=786kJmol11 晶格能越大，表明离子晶体中的离子键越稳定。一般晶格能越大，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。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。等性质。 LiF LiCl LiBr LiI(g/100mLH2O) 0.27 64 145 165第40页/共50页注：注：无机盐的溶解是水合离子的生成过程：无机盐的溶解是水合离子的生成过程： MX(s) MX(s)M M+ +(g)+X(g

12、)+X- -(g) (g) M M+ +(aq)+X(aq)+X- -(aq)(aq) 离子晶体在水中的溶解度与溶解热不但与晶体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）有进入水中的离子发生水化放出的能量（水化热）有关关。第41页/共50页RRZZmpmRZZmRNeZZU U )mol(KJ )11 ()(39. 1)11 (41 -00002第42页/共50页某些离子晶体的晶格能以及晶体中的离子电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、硬度荷、核间距、晶体的熔点、硬度AB型型离子晶体离子晶体最短核间最短核间距距ro/pm晶格能晶格能U/kJmol1熔点熔点m.p./oC摩氏摩氏硬度硬度NaF2319239933.2NaCl282786801