材料化學(xué)晶體結(jié)構(gòu)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料化學(xué)晶體結(jié)構(gòu)材料化學(xué)晶體結(jié)構(gòu)2 2.2 Crystal & non-crystal非晶體非晶體1. 1. 晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)晶體晶體原子或原子團(tuán)、離子或分子在空間原子或原子團(tuán)、離子或分子在空間按按一定規(guī)律呈周期性一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的地排列構(gòu)成的固體固體原子、分子或離子無(wú)原子、分子或離子無(wú)規(guī)則地堆積在一起所規(guī)則地堆積在一起所形成的固體形成的固體第1頁(yè)/共50頁(yè)3 2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英玻璃石英晶體石英晶體第2頁(yè)/共50頁(yè)4 晶體的特征晶體的特征1）均勻性均勻性2）各向異性各向異性3）自發(fā)地形成多面體外

2、形自發(fā)地形成多面體外形4）晶體具有明顯確定的熔點(diǎn)晶體具有明顯確定的熔點(diǎn)周期性周期性5）晶體的對(duì)稱性晶體的對(duì)稱性 6）晶體對(duì)晶體對(duì)X X射線的衍射射線的衍射 第3頁(yè)/共50頁(yè)各向異性各向異性: 晶體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、光的透射、折射晶體的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、光的透射、折射、偏振、壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不、偏振、壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不同而異同而異.石墨在與層平行的方向上具有導(dǎo)電性，而在石墨在與層平行的方向上具有導(dǎo)電性，而在與層垂直的方向上就不具有導(dǎo)電性。與層垂直的方向上就不具有導(dǎo)電性。若在水晶的柱面上涂一層蠟，用紅熱的針接若在水晶的柱面上涂一層蠟，用紅熱的針接觸蠟面中央，蠟熔化呈橢圓形而不呈圓

3、形，這觸蠟面中央，蠟熔化呈橢圓形而不呈圓形，這是由于水晶柱面長(zhǎng)軸方向與短軸方向傳熱速度是由于水晶柱面長(zhǎng)軸方向與短軸方向傳熱速度不同。不同。從不同方向觀察紅寶石或藍(lán)寶石，會(huì)發(fā)現(xiàn)寶從不同方向觀察紅寶石或藍(lán)寶石，會(huì)發(fā)現(xiàn)寶石的顏色不同，這是由于方向不同，晶體對(duì)光石的顏色不同，這是由于方向不同，晶體對(duì)光的吸收性質(zhì)不同。的吸收性質(zhì)不同。第4頁(yè)/共50頁(yè)6 Crystal symmetry石英晶體的石英晶體的 形狀與對(duì)稱元素形狀與對(duì)稱元素第5頁(yè)/共50頁(yè)平移對(duì)稱性示意圖平移對(duì)稱性示意圖第6頁(yè)/共50頁(yè)第7頁(yè)/共50頁(yè)準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)一方面極大地深化了我們對(duì)一方面極大地深化了我們對(duì)晶體學(xué)、衍射物理和凝

4、聚態(tài)物理晶體學(xué)、衍射物理和凝聚態(tài)物理地的認(rèn)識(shí)。另一方面，準(zhǔn)晶體的地的認(rèn)識(shí)。另一方面，準(zhǔn)晶體的各種獨(dú)特性質(zhì)使準(zhǔn)晶體具有潛在各種獨(dú)特性質(zhì)使準(zhǔn)晶體具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。的應(yīng)用價(jià)值。第8頁(yè)/共50頁(yè)2 2、晶胞、晶胞(unit cell) 晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復(fù)單元，形狀為平行六面體晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復(fù)單元，形狀為平行六面體，其三邊長(zhǎng)度，其三邊長(zhǎng)度a,b,ca,b,c不一定相等，也不一定垂直。整個(gè)不一定相等，也不一定垂直。整個(gè)晶體是由晶胞并置堆砌而晶體是由晶胞并置堆砌而成。 劃分晶胞要遵循劃分晶胞要遵循2 2個(gè)原則：個(gè)原則：1)1)是盡可能反映晶體內(nèi)是盡可能反映晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；2)2)是

5、盡可能小。是盡可能小。 第9頁(yè)/共50頁(yè)第10頁(yè)/共50頁(yè)晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單位，稱為晶體結(jié)構(gòu)中具有代表性的最小重復(fù)單位，稱為晶胞晶胞。第11頁(yè)/共50頁(yè)第12頁(yè)/共50頁(yè)14 Unit cella、b、c : 確定晶胞大小確定晶胞大小 、 、 : 確定晶胞形狀確定晶胞形狀晶胞晶胞參數(shù)參數(shù)晶胞晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子離子)的坐標(biāo)第13頁(yè)/共50頁(yè)3 3、晶胞的分類、晶胞的分類 晶系晶系 晶系晶系 晶軸晶軸 軸間夾角軸間夾角 實(shí)例實(shí)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 單斜單斜 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頁(yè)/共50頁(yè)第15頁(yè)/共50頁(yè)AVNnMVW第16頁(yè)/共50頁(yè)第17頁(yè)/共50頁(yè)晶胞的體積和晶胞中所有質(zhì)點(diǎn)的體積空間利用率%第18頁(yè)/共50頁(yè)第19頁(yè)/共50頁(yè)21 鈣鈦礦型鈣鈦礦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產(chǎn)生空位缺

7、陷，正，它是由于氧原子不足而產(chǎn)生空位缺陷，正是這種缺陷，使固體具有超導(dǎo)性能。是這種缺陷，使固體具有超導(dǎo)性能。 第20頁(yè)/共50頁(yè)22 Example Ca TiOBaYCuOab TiOBaYCuOabYBa2Cu3O7-x的缺陷型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的缺陷型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)第21頁(yè)/共50頁(yè)形成簡(jiǎn)單立方晶胞，空間利形成簡(jiǎn)單立方晶胞，空間利用率較低用率較低5252 ，金屬釙（，金屬釙（PoPo）采取這種堆積方式。）采取這種堆積方式。第22頁(yè)/共50頁(yè)堿金屬、堿金屬、-Fe 、 難熔金屬難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 第23頁(yè)/共50頁(yè)25 a ：晶胞單位長(zhǎng)度：晶胞單位長(zhǎng)度 R ：原子半徑：原子

8、半徑R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc第24頁(yè)/共50頁(yè)Al，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬貴金屬 以及以及 奧氏體不銹鋼等奧氏體不銹鋼等 第25頁(yè)/共50頁(yè)第26頁(yè)/共50頁(yè)28 fccR Ra aa aR R2424 n = 474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 第27頁(yè)/共50頁(yè)-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等等 第28頁(yè)/共50頁(yè)22360sinaaaS平行六面體的底是個(gè)平行四邊形，各邊為平

9、行六面體的底是個(gè)平行四邊形，各邊為a=2R,平行四邊形的面積平行四邊形的面積平行六面體的高平行六面體的高aaah3623622的四面體高邊長(zhǎng)為第29頁(yè)/共50頁(yè)31 hcpR Ra aa ac c238 n = 674. 0)2(2338) 3/4(6)23() 3/4(6333hcpRRaacR第30頁(yè)/共50頁(yè)NoImageNoImageaR83第31頁(yè)/共50頁(yè))( 23RRa第32頁(yè)/共50頁(yè))(2RRa第33頁(yè)/共50頁(yè)第34頁(yè)/共50頁(yè)第35頁(yè)/共50頁(yè)第36頁(yè)/共50頁(yè)第37頁(yè)/共50頁(yè)離子晶體中的穩(wěn)定配位多面體的離子晶體中的穩(wěn)定配位多面體的理論理論半徑比半徑比配位多面體配位多面

10、體配位數(shù)配位數(shù)半徑比半徑比(r+/r)范圍范圍平面三角形平面三角形30.155-0.225四面體四面體40.225-0.414八面體八面體60.414-0.732立方體立方體80.732-1.000立方八面體立方八面體121.000第38頁(yè)/共50頁(yè)第39頁(yè)/共50頁(yè)5 5）晶格能）晶格能 晶格能晶格能( (U U) )是指將是指將1 1摩離子晶體里的正負(fù)離子（克服摩離子晶體里的正負(fù)離子（克服晶體中的靜電引力）完全氣化而遠(yuǎn)離所需要吸收的能量晶體中的靜電引力）完全氣化而遠(yuǎn)離所需要吸收的能量（數(shù)符為（數(shù)符為+ +）。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，表明離子晶體中的離子鍵越穩(wěn)定。一般晶格能越大，表明離子晶體中的離子鍵越穩(wěn)定。一般而言，晶格能越高，離子晶體的熔點(diǎn)越高、硬度越大。而言，晶格能越高，離子晶體的熔點(diǎn)越高、硬度越大。晶格能大小還影響著離子晶體在水中的溶解度、溶解熱晶格能大小還影響著離子晶體在水中的溶解度、溶解熱等性質(zhì)。等性質(zhì)。 LiF LiCl LiBr LiI(g/100mLH2O) 0.27 64 145 165第40頁(yè)/共50頁(yè)注：注：無(wú)機(jī)鹽的溶解是水合離子的生成過(guò)程：無(wú)機(jī)鹽的溶解是水合離子的生成過(guò)程： MX(s) MX(s)M M+ +(g)+X(g

12、)+X- -(g) (g) M M+ +(aq)+X(aq)+X- -(aq)(aq) 離子晶體在水中的溶解度與溶解熱不但與晶體離子晶體在水中的溶解度與溶解熱不但與晶體中離子克服晶格能進(jìn)入水中吸收的能量有關(guān)，還與中離子克服晶格能進(jìn)入水中吸收的能量有關(guān)，還與進(jìn)入水中的離子發(fā)生水化放出的能量（水化熱）有進(jìn)入水中的離子發(fā)生水化放出的能量（水化熱）有關(guān)關(guān)。第41頁(yè)/共50頁(yè)RRZZmpmRZZmRNeZZU U )mol(KJ )11 ()(39. 1)11 (41 -00002第42頁(yè)/共50頁(yè)某些離子晶體的晶格能以及晶體中的離子電某些離子晶體的晶格能以及晶體中的離子電荷、核間距、晶體的熔點(diǎn)、硬度荷、核間距、晶體的熔點(diǎn)、硬度AB型型離子晶體離子晶體最短核間最短核間距距ro/pm晶格能晶格能U/kJmol1熔點(diǎn)熔點(diǎn)m.p./oC摩氏摩氏硬度硬度NaF2319239933.2NaCl282786801