第三章 晶体结构

1、第第 3 章章 晶体晶体结构结构Crystal Structure晶晶 体体非晶体非晶体原子核原子核电电 子子分分 子子物物 质质原原 子子化学键化学键分子分子间作间作用力用力气气 态态液液 态态固固 态态化学键化学键粒子排列的有序程度粒子排列的有序程度 本章教学要求本章教学要求3了解晶体结构对物质性质的影响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了解晶体的微观特征及基本类型3.1.1 3.1.1 晶体的宏观特性晶体的宏观特性3.1.2 3.1.2 晶体的微观结构晶体的微观结构3.1.3 3.1.3 单晶体和多晶体单晶体和

2、多晶体3.1 晶体的基本知识晶体的基本知识3.1.13.1.1晶体的宏观特性晶体的宏观特性晶体：晶体： 一定的几何外形一定的几何外形 固定的熔点固定的熔点 各向异性各向异性非晶体：非晶体： 无一定的几何外形无一定的几何外形 无固定的熔点无固定的熔点 各向同性各向同性 424POHNH2SiO金刚石金刚石季季戊戊四四醇醇晶体具有晶体具有规则的几何构形规则的几何构形，这是晶体最明，这是晶体最明显的特征，同一种晶体由于生成条件的不显的特征，同一种晶体由于生成条件的不同，外形上可能差别，但晶体的晶面角同，外形上可能差别，但晶体的晶面角（interfacial anglt）却不会改变。）却不会改变。钻石

3、钻石晶体晶体玻璃玻璃非晶体非晶体晶体都有晶体都有固定的熔点固定的熔点，非晶体在加热时却，非晶体在加热时却是先软化，后粘度逐渐小，最后变成液体。是先软化，后粘度逐渐小，最后变成液体。min/tCTO/.p .m3. 晶体表现晶体表现各向异性各向异性，例如热、光、电、，例如热、光、电、硬度等常因晶体取向不同而异；而非晶体硬度等常因晶体取向不同而异；而非晶体则为各向同性。则为各向同性。例：云母沿层状结构方向易被剥离例：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

4、方面进行判断是不充分的特点来考察，单从一方面进行判断是不充分的。的。为什么晶体与非晶体上存在如此大的差异？为什么晶体与非晶体上存在如此大的差异？内部结构不同内部结构不同（结构决定性质，性质反映结构）（结构决定性质，性质反映结构）如何探测内部结构？如何探测内部结构？衍射实验衍射实验（X-ray衍射）衍射）从热力学的角度看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。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，又可形成同一物质在不同条件

5、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。非晶体，彼此之间在一定条件下可以实现转化。关于晶体与非晶体关于晶体与非晶体3.1.2 3.1.2 晶体的微观结构晶体的微观结构1. 晶格晶格(lattice) 组成晶体的粒子有规则地排列在空间的一定组成晶体的粒子有规则地排列在空间的一定的点上，这些点的总和的点上，这些点的总和晶格晶格（或点阵）（或点阵） 晶格在空间的排列呈现出有晶格在空间的排列呈现出有规律的周期性规律的周期性。排有粒子的点称为晶格的结点。排有粒子的点称为晶格的结点。直线点阵直线点阵平面点阵平面点阵平面格子平面格子空间点阵空间点阵空间格子空间格子（晶格）（晶格）2

6、. 晶胞晶胞(unit cell) 在晶格中，能表现出其结构一切特征的最小在晶格中，能表现出其结构一切特征的最小部分称为部分称为晶胞晶胞。晶胞是充分反映晶体对称性的基晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位，其在三维空间本结构单位，其在三维空间有规则地重复排列有规则地重复排列便便组成了晶格（晶体）。组成了晶格（晶体）。晶格晶格 晶胞晶胞（平行六面体）（平行六面体）质点质点 晶胞的大小和形状由六个参数决定，称为晶胞的大小和形状由六个参数决定，称为晶胞参晶胞参数数或点阵参数。或点阵参数。a、b、c不一定相等也不一定垂直不一定相等也不一定垂直3. 晶胞参数晶胞参数(unit cell paramete

7、r) 按晶胞参数的差异将晶体分成七种按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系晶系晶系晶系边长边长角度角度实例实例立方晶系立方晶系a=b=c=90岩盐岩盐(NaCl)四方晶系四方晶系a=bc=90白锡白锡六方晶系六方晶系a=bc=90=120石墨石墨三方晶系三方晶系a=b=c=90(90单斜硫单斜硫三斜晶系三斜晶系a b c重铬酸钾重铬酸钾注：对称性从上到下逐渐降低注：对称性从上到下逐渐降低bac立方立方abc四方四方bac正交正交cba三方三方六方六方bacabc单斜单斜bac三斜三斜与晶系对应的晶胞与晶系对应的晶胞 简单格子（简单格子（P）：仅在单位平行六面体的：仅在单位平行六面体的8个顶角个顶角

8、上有结点；上有结点； 底心格子（底心格子（C）：除：除8个顶角上有结点外，平行六个顶角上有结点外，平行六面体上、下两个平行面的中心各有一个结点；面体上、下两个平行面的中心各有一个结点； 体心格子（体心格子（I）：除：除8个顶角上有结点外，平行六个顶角上有结点外，平行六面体的体心还有一个结点；面体的体心还有一个结点； 面心格子（面心格子（F）：除：除8个顶角有结点外，平行六面个顶角有结点外，平行六面体的体的6个面的面心上都有一个结点。个面的面心上都有一个结点。质点在晶胞上的分布类型质点在晶胞上的分布类型六方H三方R四方P四方I立方P立方I立方F三斜Pb单斜P单斜C正交P正交C正交F正交I七个晶系

9、中又包含十四种晶七个晶系中又包含十四种晶格格单晶体单晶体：由一个晶核（微小的晶体）各向均匀生长而成由一个晶核（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的晶体。其内部的粒子基本上是按照某种规律整齐排列的。整齐排列的。多晶体多晶体：由多个单晶体颗粒杂乱地聚结而成的晶体。由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。于单晶体的杂乱排列，使晶体的各向异性消失。3.1.3 3.1.3 单晶体和多晶体单晶体和多晶体金属晶体金属晶体离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体3.2 晶体的基本类型晶体的基本类型分子晶体分子晶体混合晶体混合晶体 根据晶体中

10、质点以及质点之间的作用力，根据晶体中质点以及质点之间的作用力，可以把晶体分为：可以把晶体分为： 金属晶体中金属原子是通过金属键结合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有的自由电子则通过静电力把正离子“胶合胶合”起来，这种起来，这种”胶合胶合“作用就是作用就是金属键金属键。3.2.1 金属晶体金属晶体 金属晶体中，晶格结点上排列着金属晶体中，晶格结点上排列着金属原子金属原子，晶格，晶格结点间以结点间以金属键金属键相结合；相结合； 金属键金属键没有方向性、饱和性没有方向性、饱和性，金属晶体的结

11、构可，金属晶体的结构可以看作等径圆球的密堆积；以看作等径圆球的密堆积； 金属晶体中金属原子的金属晶体中金属原子的配位数高配位数高； 不同的金属单质，可能有不同的晶格类型，同种不同的金属单质，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金属在不同的温度下，也可能发生晶格类型的转变。变。金属的结构特点金属的结构特点 如果将等径园球在一平面上排列，有两种排布方如果将等径园球在一平面上排列，有两种排布方式，如图：按（式，如图：按（a）图方式排列，园球周围剩余）图方式排列，园球周围剩余空隙最小，空隙最小，称为称为密置层密置层；按（；按（b）图方式排列，）图方式排列，剩余的空隙较大

12、，称为剩余的空隙较大，称为非密置层非密置层。由密置层按一。由密置层按一定方式堆积起来的结构称为定方式堆积起来的结构称为密堆积结构密堆积结构。ab密置层与非密置层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中粒子的排列方式常见的有三种 体心立方密堆积体心立方密堆积面心立方最密堆积面心立方最密堆积六方最密堆积六方最密堆积( (a a) )( (b b) )( (c c) ) 三三种种类类型型密密堆堆积积的的晶晶胞胞金属晶体的性质金属晶体的性质1. 有金属光泽有金属光泽, ,对光不透明对光不透明2. 具有较高的熔点、沸点具有较高的熔点、沸点3. 较大的硬度较大的硬度, ,较好的延展性

13、较好的延展性4. 具有良好的导电和导热能力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，正负离子间以子，正负离子间以离子键离子键相结合。相结合。离子晶体的堆积方式也采取紧密堆积方式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各离子周围排列的是带异号电荷的离子3.2.2 离子晶体离子晶体阴离子：大球，密堆积，形成空隙。阴离子：大球，密堆积，形成空隙。阳离子：小球，填充空隙。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。规则：阴阳离子相互接触；配位数大，稳定。（1 1）离子晶体的熔点较高，硬度较

14、大，难挥发）离子晶体的熔点较高，硬度较大，难挥发（2 2）离子晶体在溶于水或熔融时，可以导电）离子晶体在溶于水或熔融时，可以导电（3 3）离子晶体一般较脆）离子晶体一般较脆（4 4）离子晶体物质一般较易溶于水）离子晶体物质一般较易溶于水离子晶体的性质离子晶体的性质三种典型的离子晶体三种典型的离子晶体NaCl型型晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：个：414112 Na个：4216818 Cl晶格：面心立方晶格：面心立方配位比：配位比：6:66:6(红球红球：Na+ , 绿球绿球：Cl-)CsCl型型晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：个： 1 Cs个：1818 Cl-(红球红球：Cs+ , 绿

15、球绿球：Cl-)晶格：简单立方晶格：简单立方配位比：配位比： 8:8晶胞中离子的个数：晶胞中离子的个数：个： 4 Zn2个：4818216 S-2ZnS型型(立方型立方型)晶格：面心立方晶格：面心立方(红球红球：Zn2+ , 绿球绿球：S2-)配位比：配位比：4:4 原子晶体中晶格结点上排列着原子，晶格结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。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 原子晶体原子晶体原子晶体的结构：原子晶体的结构：原子晶体的性质：原子晶体的性质：金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构金刚石的晶胞金刚石的晶胞石英的晶体结构与晶胞石英的晶体结构与

16、晶胞SiO 在分子晶体中，晶格结点上排列着分子，晶在分子晶体中，晶格结点上排列着分子，晶格结点以微弱的分子间力结合。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。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：分子晶体的结构：分子晶体的性质：分子晶体的性质：干冰及其晶胞干冰及其晶胞离子晶体离子晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体粒子粒子正、负离子正、负离子原子原子分子分子金属原子、金属原子、正离子正离子结合力结合力离子键离子键共价键共价键分子间力分子间力金属键金属键熔、沸点熔、沸点 高高很高很高低低高高硬度硬度硬硬很硬很硬软软硬

17、硬机械性能机械性能脆脆很脆很脆弱弱有延展性有延展性导电、导电、导热性导热性 良好（熔良好（熔融及水溶液）融及水溶液）非导体非导体非导体非导体良好良好实例实例NaCl， KCl金刚石、金刚石、SiCCO2， I2 W， Ag， Cu晶体类型小结晶体类型小结 晶体内晶格结点之间存在两种或两种以晶体内晶格结点之间存在两种或两种以上的作用力，这种晶体就称为上的作用力，这种晶体就称为混合晶体混合晶体。3.2.5 混合晶体混合晶体层状晶体（石墨、云母、黑磷）层状晶体（石墨、云母、黑磷）链状晶体（石棉）链状晶体（石棉）层状晶体层状晶体 石墨石墨C为为sp2杂化，同一平面的杂化，同一平面的C形成离域大形成离域

18、大 键键沿层面导电、导热能力好沿层面导电、导热能力好熔点高，性质稳定熔点高，性质稳定兼具原子晶体、金属晶体和分子兼具原子晶体、金属晶体和分子晶体特征晶体特征pm142pm340链状晶体链状晶体 石棉石棉是镁、铁、钙硅酸盐矿是镁、铁、钙硅酸盐矿物的总称。链内硅氧原子间物的总称。链内硅氧原子间为带共价性的离子键，链状为带共价性的离子键，链状阴离子之间通过相隔较远的阴离子之间通过相隔较远的金属阳离子以离子键相结，金属阳离子以离子键相结，因此链间结合力比链内结合因此链间结合力比链内结合力弱，故解离时易形成纤维。力弱，故解离时易形成纤维。非晶体、准晶体、液晶、纳米材料、非晶体、准晶体、液晶、纳米材料、等

19、离子体等等离子体等3.2.6 物质的其它聚集形态物质的其它聚集形态非晶体非晶体 非晶态物质内部结构没有周期性特点，而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，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。某些非晶态物质具有优良的性质。准晶体准晶体 准晶体是准晶体是1984年科学家发现的一种新的物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，然的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体

20、所应有的平移对称性，因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。而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。液液 晶晶 “液晶液晶”被发现至今约一百多年，但近二十多年来才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获得了迅速的发展，这是因为液晶材料的光电效应光电效应被被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显发现，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，液晶逐渐成为机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺的显示工业上不可或缺的重要材料重要材料。 它的力学性质像液体，可以自由