第三章晶體結(jié)構(gòu)

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章晶體結(jié)構(gòu)CrystalStructure晶體非晶體原子核電子分子物質(zhì)原子化學鍵分子間作用力氣態(tài)液態(tài)固態(tài)化學鍵粒子排列的有序程度

本章教學要求3．了解晶體結(jié)構(gòu)對物質(zhì)性質(zhì)的影響1．了解晶體和非晶體的宏觀特征2．了解晶體的微觀特征及基本類型3.1.1晶體的宏觀特性3.1.2晶體的微觀結(jié)構(gòu)3.1.3單晶體和多晶體3.1晶體的基本知識3.1.1晶體的宏觀特性晶體：一定的幾何外形固定的熔點各向異性非晶體：無一定的幾何外形無固定的熔點各向同性晶體具有規(guī)則的幾何構(gòu)形，這是晶體最明顯的特征，同一種晶體由于生成條件的不同，外形上可能差別，但晶體的晶面角（interfacialanglt）卻不會改變。鉆石—晶體玻璃—非晶體晶體都有固定的熔點，非晶體在加熱時卻是先軟化，后粘度逐漸小，最后變成液體。3.晶體表現(xiàn)各向異性，例如熱、光、電、硬度等常因晶體取向不同而異；而非晶體則為各向同性。例：云母沿層狀結(jié)構(gòu)方向易被剝離石墨層內(nèi)導電率比層間高一萬倍宏觀上判斷晶體與非晶體，應綜合以上三方面的特點來考察，單從一方面進行判斷是不充分的。為什么晶體與非晶體上存在如此大的差異？內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同（結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)）如何探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)？衍射實驗（X-ray衍射）從熱力學的角度看 晶體一般都具有最低能量，因而較為穩(wěn)定；非晶體一般能量較高都處于介穩(wěn)或亞穩(wěn)態(tài)。晶體和非晶體之間無絕對界線 同一物質(zhì)在不同條件下既可形成晶體，又可形成非晶體，彼此之間在一定條件下可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。關于晶體與非晶體3.1.2晶體的微觀結(jié)構(gòu)1.晶格(lattice)

組成晶體的粒子有規(guī)則地排列在空間的一定的點上，這些點的總和——晶格（或點陣）

晶格在空間的排列呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性。排有粒子的點稱為晶格的結(jié)點。直線點陣平面點陣平面格子空間點陣空間格子（晶格）2.晶胞(unitcell)

在晶格中，能表現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)一切特征的最小部分稱為晶胞。晶胞是充分反映晶體對稱性的基本結(jié)構(gòu)單位，其在三維空間有規(guī)則地重復排列便組成了晶格（晶體）。晶格晶胞（平行六面體）質(zhì)點晶胞的大小和形狀由六個參數(shù)決定，稱為晶胞參數(shù)或點陣參數(shù)。a、b、c不一定相等也不一定垂直3.晶胞參數(shù)(unitcellparameter)

按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種晶系晶系邊長角度實例立方晶系a=b=cα=β=γ=90°巖鹽(NaCl)四方晶系a=b≠cα=β=γ=90°白錫六方晶系a=b≠cα=β=90°γ=120°石墨三方晶系a=b=cα=β=γ≠90°(<120°)方解石(CaCO3)正交晶系a≠b≠cα=β=γ=90°斜方硫單斜晶系a≠b≠cα=β=90°γ>90°單斜硫三斜晶系a≠b≠cα≠β≠γ重鉻酸鉀注：對稱性從上到下逐漸降低αβγbac立方abc四方bac正交cba三方六方bacabc單斜bac三斜與晶系對應的晶胞簡單格子（P）：僅在單位平行六面體的8個頂角上有結(jié)點；底心格子（C）：除8個頂角上有結(jié)點外，平行六面體上、下兩個平行面的中心各有一個結(jié)點；體心格子（I）：除8個頂角上有結(jié)點外，平行六面體的體心還有一個結(jié)點；面心格子（F）：除8個頂角有結(jié)點外，平行六面體的6個面的面心上都有一個結(jié)點。質(zhì)點在晶胞上的分布類型七個晶系中又包含十四種晶格單晶體：由一個晶核（微小的晶體）各向均勻生長而成的晶體。其內(nèi)部的粒子基本上是按照某種規(guī)律整齊排列的。多晶體：由多個單晶體顆粒雜亂地聚結(jié)而成的晶體。由于單晶體的雜亂排列，使晶體的各向異性消失。3.1.3單晶體和多晶體金屬晶體離子晶體原子晶體3.2晶體的基本類型分子晶體混合晶體根據(jù)晶體中質(zhì)點以及質(zhì)點之間的作用力，可以把晶體分為：金屬晶體中金屬原子是通過金屬鍵結(jié)合在一起的。金屬正離子進行堆積排列，而所有的自由電子則通過靜電力把正離子“膠合”起來，這種”膠合“作用就是金屬鍵。3.2.1金屬晶體金屬晶體中，晶格結(jié)點上排列著金屬原子，晶格結(jié)點間以金屬鍵相結(jié)合；金屬鍵沒有方向性、飽和性，金屬晶體的結(jié)構(gòu)可以看作等徑圓球的密堆積；金屬晶體中金屬原子的配位數(shù)高；不同的金屬單質(zhì)，可能有不同的晶格類型，同種金屬在不同的溫度下，也可能發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變。金屬的結(jié)構(gòu)特點如果將等徑園球在一平面上排列，有兩種排布方式，如圖：按（a）圖方式排列，園球周圍剩余空隙最小，稱為密置層；按（b）圖方式排列，剩余的空隙較大，稱為非密置層。由密置層按一定方式堆積起來的結(jié)構(gòu)稱為密堆積結(jié)構(gòu)。密置層與非密置層金屬晶體中粒子的排列方式常見的有三種

金屬晶體的性質(zhì)1.有金屬光澤,對光不透明2.具有較高的熔點、沸點3.較大的硬度,較好的延展性4.具有良好的導電和導熱能力

離子晶體中，晶格結(jié)點上交替排列著正負離子，正負離子間以離子鍵相結(jié)合。離子晶體的堆積方式也采取緊密堆積方式各離子周圍排列的是帶異號電荷的離子3.2.2離子晶體陰離子：大球，密堆積，形成空隙。陽離子：小球，填充空隙。規(guī)則：陰陽離子相互接觸；配位數(shù)大，穩(wěn)定。（1）離子晶體的熔點較高，硬度較大，難揮發(fā)（2）離子晶體在溶于水或熔融時，可以導電（3）離子晶體一般較脆（4）離子晶體物質(zhì)一般較易溶于水離子晶體的性質(zhì)三種典型的離子晶體NaCl型晶胞中離子的個數(shù)：晶格：面心立方配位比：6:6(紅球：Na+,綠球：Cl-)CsCl型晶胞中離子的個數(shù)：(紅球：Cs+,綠球：Cl-)晶格：簡單立方配位比：8:8晶胞中離子的個數(shù)：ZnS型(立方型)晶格：面心立方(紅球：Zn2+,綠球：S2-)配位比：4:4

原子晶體中晶格結(jié)點上排列著原子，晶格結(jié)點間以共價鍵結(jié)合。原子晶體具有熔點高、硬度大的特點。3.2.3原子晶體原子晶體的結(jié)構(gòu)：原子晶體的性質(zhì)：金剛石的晶體結(jié)構(gòu)金剛石的晶胞石英的晶體結(jié)構(gòu)與晶胞

在分子晶體中，晶格結(jié)點上排列著分子，晶格結(jié)點以微弱的分子間力結(jié)合。分子晶體物質(zhì)一般熔點低，硬度小，易揮發(fā)。3.2.4分子晶體分子晶體的結(jié)構(gòu)：分子晶體的性質(zhì)：干冰及其晶胞離子晶體原子晶體分子晶體金屬晶體粒子正、負離子原子分子金屬原子、正離子結(jié)合力離子鍵共價鍵分子間力金屬鍵熔、沸點高很高低高硬度硬很硬軟硬機械性能脆很脆弱有延展性導電、導熱性良好（熔融及水溶液）非導體非導體良好實例NaCl，KCl金剛石、SiCCO2，

I2W，Ag，Cu晶體類型小結(jié)

晶體內(nèi)晶格結(jié)點之間存在兩種或兩種以上的作用力，這種晶體就稱為混合晶體。3.2.5混合晶體層狀晶體（石墨、云母、黑磷）鏈狀晶體（石棉）層狀晶體石墨C為sp2雜化，同一平面的C形成離域大鍵沿層面導電、導熱能力好熔點高，性質(zhì)穩(wěn)定兼具原子晶體、金屬晶體和分子 晶體特征鏈狀晶體石棉是鎂、鐵、鈣硅酸鹽礦物的總稱。鏈內(nèi)硅氧原子間為帶共價性的離子鍵，鏈狀陰離子之間通過相隔較遠的金屬陽離子以離子鍵相結(jié)，因此鏈間結(jié)合力比鏈內(nèi)結(jié)合力弱，故解離時易形成纖維。

非晶體、準晶體、液晶、納米材料、等離子體等3.2.6物質(zhì)的其它聚集形態(tài)非晶體非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性特點，而是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明膠等等。非晶體不具有晶體物質(zhì)的共性，某些非晶態(tài)物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì)。準晶體準晶體是1984年科學家發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間的固體。準晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。液晶“液晶”被發(fā)現(xiàn)至今約一百多年，但近二十多年來才獲得了迅速的發(fā)展，這是因為液晶材料的光電效應被發(fā)現(xiàn)，因而被廣泛地應用在需低電壓和輕薄短小的顯示組件上，因此它一躍成為一熱門的科學研究及應用的主題。目前己被廣泛使用于電子表，計算器和計算機顯示屏幕上，液晶逐漸成為顯示工業(yè)上不可或缺的重要材料。它的力學性質(zhì)像液體，可以自由流動，但它的光學性質(zhì)卻像晶體，顯各向異性。有的液晶的透明性會隨電壓而變化，加電壓時不透明，去電壓后透明，數(shù)碼顯示器就是利用了這種性質(zhì)。液晶的特點：納米材料納米材料是以維數(shù)尺寸定義的材料，要求顆?；虺叽缰辽僭谝痪S尺度上小于100nm。它介于宏觀與微觀之間的介觀物質(zhì)。20世紀80年代發(fā)現(xiàn)。納米材