金屬晶體結(jié)構(gòu)研究備課講稿

1、金屬晶體結(jié)構(gòu)研究2.常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu) 典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。由于金屬鍵的典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。由于金屬鍵的性質(zhì)，使典型金屬的晶體具有高對(duì)稱性，高密度的特點(diǎn)。常見(jiàn)性質(zhì)，使典型金屬的晶體具有高對(duì)稱性，高密度的特點(diǎn)。常見(jiàn)的典型金屬晶體是的典型金屬晶體是面心立方、體心立方和密排六方面心立方、體心立方和密排六方三種三種晶體，其晶胞結(jié)構(gòu)如晶體，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖圖所示。另外，有些金屬由于其鍵的性質(zhì)所示。另外，有些金屬由于其鍵的性質(zhì)發(fā)生變化，常含有一定成分的共價(jià)鍵，會(huì)呈現(xiàn)一些不常見(jiàn)的結(jié)發(fā)生變化，常含有一定成分的共價(jià)鍵，會(huì)呈現(xiàn)一些不常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。錫是構(gòu)。錫是A4型結(jié)構(gòu)

2、（與金剛石相似），銻是型結(jié)構(gòu)（與金剛石相似），銻是A7型結(jié)構(gòu)等。型結(jié)構(gòu)等。 常見(jiàn)金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)常見(jiàn)金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)（a）面心立方）面心立方（A1型）型）（b）體心立方）體心立方（A2型）型）（c）密排六方）密排六方（A3型）型）(A)(A)面心立方晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶體結(jié)構(gòu)n結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :質(zhì)點(diǎn)位于角頂及面心質(zhì)點(diǎn)位于角頂及面心n典型物質(zhì)典型物質(zhì):Al:Al、CuCu、AgAg、AuAu等等面心立方晶體結(jié)構(gòu)幾何特征面心立方晶體結(jié)構(gòu)幾何特征n晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)n=n=n原子半徑原子半徑r=r=n配位數(shù)配位數(shù)CN=12CN=12n八面體空隙和四八面體空隙和四面體空隙面體空隙4216188

3、a42面心立方空隙面心立方空隙面心立方點(diǎn)陣四面體間隙面心立方點(diǎn)陣八面體間隙致密度致密度740423443443333.)(aaarVnv 體心立方晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶體結(jié)構(gòu)n結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :質(zhì)點(diǎn)位于角頂及體心質(zhì)點(diǎn)位于角頂及體心n典型物質(zhì)典型物質(zhì):Cr:Cr、V V、MoMo等等體心立方晶體結(jié)構(gòu)幾何特征體心立方晶體結(jié)構(gòu)幾何特征n晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)n=n=n原子半徑原子半徑r=r=n配位數(shù)配位數(shù)CN=8CN=8n八面體空隙和四面體八面體空隙和四面體空隙空隙21188a43體心立方空隙體心立方空隙體心立方點(diǎn)陣四面體間隙體心立方點(diǎn)陣八面體間隙致密度致密度680433423423333.)(aaa

4、rVnv 密排六方晶體結(jié)構(gòu)密排六方晶體結(jié)構(gòu)n結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :質(zhì)點(diǎn)位于角頂、上下底面面心及質(zhì)點(diǎn)位于角頂、上下底面面心及體內(nèi)體內(nèi)n典型物質(zhì)典型物質(zhì):Mg:Mg、ZnZn、CdCd等等密排六方晶體結(jié)構(gòu)幾何特征密排六方晶體結(jié)構(gòu)幾何特征n晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)n=n=n原子半徑原子半徑r=r=n配位數(shù)配位數(shù)CN=12CN=12n八面體空隙和四八面體空隙和四面體空隙面體空隙632126112a21密排六方空隙密排六方空隙密排六方點(diǎn)陣四面體間隙密排六方點(diǎn)陣八面體間隙致密度致密度74032332134638232163346.)(aaaaarVnv 3.金屬原子形成晶體時(shí)結(jié)構(gòu)上的差異金屬原子形成晶體時(shí)結(jié)構(gòu)

5、上的差異為什么有的金屬形成為什么有的金屬形成A1型結(jié)構(gòu)，而有的形成型結(jié)構(gòu)，而有的形成A2或或A3型結(jié)構(gòu)？型結(jié)構(gòu)？周期表中周期表中IA族的族的堿金屬原子堿金屬原子最外層電子皆為最外層電子皆為ns1，為了實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)最大程度的重疊，原子之間相互靠近一些較為穩(wěn)定，配位數(shù)為最大程度的重疊，原子之間相互靠近一些較為穩(wěn)定，配位數(shù)為8的的一圈其鍵長(zhǎng)比配位數(shù)為一圈其鍵長(zhǎng)比配位數(shù)為12的一圈之鍵長(zhǎng)的一圈之鍵長(zhǎng)短短一些，即一些，即A2型型(體心堆積體心堆積)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 IB族的銅、銀、金在其最外層電子族的銅、銀、金在其最外層電子4s1、5s1、6s1內(nèi)都有內(nèi)都有d10的的電子構(gòu)型，即電子構(gòu)型，即d軌道五個(gè)方向

6、全被電子占滿。這些不參與成鍵的軌道五個(gè)方向全被電子占滿。這些不參與成鍵的d軌道在原子進(jìn)一步靠近時(shí)產(chǎn)生斥力，使原子不能進(jìn)一步接近，因軌道在原子進(jìn)一步靠近時(shí)產(chǎn)生斥力，使原子不能進(jìn)一步接近，因此，接觸距離較大的此，接觸距離較大的A1型結(jié)構(gòu)就比較穩(wěn)定。型結(jié)構(gòu)就比較穩(wěn)定。A1和和A3型最緊密堆積結(jié)構(gòu)之間也有差異。在兩種結(jié)構(gòu)中型最緊密堆積結(jié)構(gòu)之間也有差異。在兩種結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子周?chē)忻總€(gè)原子周?chē)?2個(gè)最近鄰原子，其距離為個(gè)最近鄰原子，其距離為 r；有；有6個(gè)次近鄰個(gè)次近鄰原子，其距離為原子，其距離為 r；從第三層近鄰起，兩種堆積有一定差別；從第三層近鄰起，兩種堆積有一定差別。根據(jù)計(jì)算，這種差別可以導(dǎo)致

7、六方最緊密堆積的自由焓比面。根據(jù)計(jì)算，這種差別可以導(dǎo)致六方最緊密堆積的自由焓比面心立方最緊密堆積的自由焓低心立方最緊密堆積的自由焓低0.01%左右。所以，有些金屬常左右。所以，有些金屬常溫下采用六方最緊密堆積，而在高溫下由于溫下采用六方最緊密堆積，而在高溫下由于A1的無(wú)序性比的無(wú)序性比A3大大，即，即A1型比型比A3型具有更高的熵值，所以由型具有更高的熵值，所以由A3型轉(zhuǎn)變到型轉(zhuǎn)變到A1型時(shí)，型時(shí)，熵變熵變 S 0。溫度升高，。溫度升高，T S增大，增大， G= HT S 0，因此，因此，高溫下高溫下A1型結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。型結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。 24.金屬鍵的結(jié)構(gòu)特征及金屬的特性金屬鍵的結(jié)構(gòu)特征及金屬

8、的特性1)金屬或合金在組成上不遵守定比或倍比定律金屬或合金在組成上不遵守定比或倍比定律 金屬鍵和離子鍵都沒(méi)有方向性和飽和性。在離子晶體中，金屬鍵和離子鍵都沒(méi)有方向性和飽和性。在離子晶體中，為了保持電中性，正負(fù)離子在數(shù)目上具有一定比例，即離子為了保持電中性，正負(fù)離子在數(shù)目上具有一定比例，即離子晶體中的正負(fù)離子在數(shù)目上符合化學(xué)中的定比或倍比定律。晶體中的正負(fù)離子在數(shù)目上符合化學(xué)中的定比或倍比定律。在金屬或合金中，電中性并不取決于各種原子的相對(duì)數(shù)目，在金屬或合金中，電中性并不取決于各種原子的相對(duì)數(shù)目，因此，金屬往往很容易形成成分可變、不遵守定比或倍比定因此，金屬往往很容易形成成分可變、不遵守定比或倍

9、比定律的金屬化合物律的金屬化合物 。如：。如： Cu5Zn8、 MgCu2等等2) 金屬或合金在力學(xué)性能上表現(xiàn)出良好的塑性和延展性金屬或合金在力學(xué)性能上表現(xiàn)出良好的塑性和延展性 金屬的范性變形起因于金屬中的原子面在外力作用下金屬的范性變形起因于金屬中的原子面在外力作用下沿某個(gè)特定原子面的某個(gè)特定方向的滑移。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋁沿某個(gè)特定原子面的某個(gè)特定方向的滑移。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋁晶體受拉力作用后，晶體變長(zhǎng)，并不是原子間距離增大，晶體受拉力作用后，晶體變長(zhǎng)，并不是原子間距離增大，而是晶體中各部分沿（而是晶體中各部分沿（111）晶面在）晶面在110方向上移動(dòng)了原方向上移動(dòng)了原子間距的整數(shù)倍（詳細(xì)情況請(qǐng)參閱位錯(cuò)

10、的運(yùn)動(dòng)）。所以，子間距的整數(shù)倍（詳細(xì)情況請(qǐng)參閱位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)）。所以，晶體雖然變長(zhǎng)，但晶體中原子間距仍然保持原來(lái)的周期性晶體雖然變長(zhǎng)，但晶體中原子間距仍然保持原來(lái)的周期性而未改變。而未改變。單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）單晶試棒在拉伸應(yīng)力作用下的變化（宏觀）（a）變形前）變形前（b）變形后）變形后晶體中的原子面在外力作用下能否順利實(shí)現(xiàn)滑移，取決于晶體中的原子面在外力作用下能否順利實(shí)現(xiàn)滑移，取決于晶體中晶體中滑移系統(tǒng)滑移系統(tǒng)（由一個(gè)滑移面和一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)（由一個(gè)滑移面和一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑滑移系統(tǒng)移系統(tǒng)）的多少?；葡到y(tǒng)越多，越容易產(chǎn)生塑性變形。反）的多少?；葡到y(tǒng)越多，越容易產(chǎn)生塑

11、性變形。反之，滑移系統(tǒng)越少，材料的脆性越大。之，滑移系統(tǒng)越少，材料的脆性越大。典型的金屬結(jié)構(gòu)典型的金屬結(jié)構(gòu)，由于結(jié)合力沒(méi)有方向性和飽和性、配位，由于結(jié)合力沒(méi)有方向性和飽和性、配位數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等原因，易產(chǎn)生滑移。數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等原因，易產(chǎn)生滑移。共價(jià)晶體（如金剛石）共價(jià)晶體（如金剛石）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，要使滑移方向、鍵角方向、滑移周期都剛好一致是比，要使滑移方向、鍵角方向、滑移周期都剛好一致是比較困難的。較困難的。在離子晶體中在離子晶體中，雖然離子鍵也沒(méi)有方向性和飽和，雖然離子鍵也沒(méi)有方向性和飽和性，但滑移過(guò)程中在許多方向上有正負(fù)離子吸引、相鄰?fù)?hào)性，但滑移過(guò)程中在許多方向上有正負(fù)離子吸引、相鄰?fù)?hào)離

12、子排斥，使滑移過(guò)程難以進(jìn)行。離子排斥，使滑移過(guò)程難以進(jìn)行。 在金屬晶體中，其延展性也有差異。銅、銀、金等金屬的延展在金屬晶體中，其延展性也有差異。銅、銀、金等金屬的延展性非常好，這是因?yàn)殂~、銀、金晶體中存在完整的性非常好，這是因?yàn)殂~、銀、金晶體中存在完整的d電子層，電子層，d電子層電子層有互斥作用，使有互斥作用，使s電子重疊時(shí)不能進(jìn)一步靠近，從而形成接觸距離較電子重疊時(shí)不能進(jìn)一步靠近，從而形成接觸距離較大的大的A1型結(jié)構(gòu)。而型結(jié)構(gòu)。而A1型結(jié)構(gòu)比型結(jié)構(gòu)比A2、A3型結(jié)構(gòu)和其它更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有更型結(jié)構(gòu)和其它更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有更多的滑移系統(tǒng)。多的滑移系統(tǒng)。A1型金屬具有型金屬具有12個(gè)滑移系統(tǒng)，即個(gè)滑移

13、系統(tǒng)，即4個(gè)個(gè)111面、面、3個(gè)滑個(gè)滑移方向移方向，故共有，故共有43=12個(gè)滑移系統(tǒng)。該面上原子堆積密度最個(gè)滑移系統(tǒng)。該面上原子堆積密度最大，相互平行的原子面間距離也最大。非金屬晶體，如剛玉（大，相互平行的原子面間距離也最大。非金屬晶體，如剛玉（ -Al2O3）只有只有1個(gè)滑移面（個(gè)滑移面（001）和）和2個(gè)滑移方向，塑性變形受到嚴(yán)格限制，表個(gè)滑移方向，塑性變形受到嚴(yán)格限制，表現(xiàn)出脆性?，F(xiàn)出脆性。 二、非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu) 1.惰性氣體元素的晶體惰性氣體元素的晶體 惰性氣體在低溫下形成的晶體為惰性氣體在低溫下形成的晶體為A1（面心立方）型或（面心立方）型或A3（六

14、方密堆）型結(jié)構(gòu)。由于惰性氣體原子外層為滿電子構(gòu)型，（六方密堆）型結(jié)構(gòu)。由于惰性氣體原子外層為滿電子構(gòu)型，它們之間并不形成化學(xué)鍵，低溫時(shí)形成的晶體是靠微弱的沒(méi)它們之間并不形成化學(xué)鍵，低溫時(shí)形成的晶體是靠微弱的沒(méi)有方向性的有方向性的范德華力范德華力直接凝聚成最緊密堆積的直接凝聚成最緊密堆積的A1型或型或A3型分型分子晶體。子晶體。 2.其它非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)其它非金屬元素單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu) 休謨休謨-偌瑟瑞（偌瑟瑞（Hume-Rothery）規(guī)則）規(guī)則 如果某非金屬元素的原子能以如果某非金屬元素的原子能以單鍵單鍵與其它原子共價(jià)結(jié)與其它原子共價(jià)結(jié)合形成單質(zhì)晶體，則每個(gè)原子周?chē)矁r(jià)單鍵的數(shù)目為合形成

15、單質(zhì)晶體，則每個(gè)原子周?chē)矁r(jià)單鍵的數(shù)目為8減去減去元素所在周期表的族數(shù)（元素所在周期表的族數(shù)（m），即共價(jià)單鍵數(shù)目為），即共價(jià)單鍵數(shù)目為8m，亦稱為亦稱為8m規(guī)則。規(guī)則。 對(duì)于第對(duì)于第VII族元素，每個(gè)原子周?chē)矁r(jià)單鍵個(gè)數(shù)為族元素，每個(gè)原子周?chē)矁r(jià)單鍵個(gè)數(shù)為87=1，因此，其晶體結(jié)構(gòu)是兩個(gè)原子先以單鍵共價(jià)結(jié)合，因此，其晶體結(jié)構(gòu)是兩個(gè)原子先以單鍵共價(jià)結(jié)合成雙原子分子，雙原子分子之間再通過(guò)范德華力結(jié)合形成成雙原子分子，雙原子分子之間再通過(guò)范德華力結(jié)合形成分子晶體，如分子晶體，如圖圖2-11 。圖圖2-11 非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元(a)第第VII族元素族元素圖圖2-

16、12 非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（b）第）第VI族元素族元素對(duì)于第對(duì)于第VI族元素，單鍵個(gè)數(shù)為族元素，單鍵個(gè)數(shù)為86=2，故其結(jié)構(gòu)是，故其結(jié)構(gòu)是共價(jià)結(jié)合的無(wú)限鏈狀分子或有限環(huán)狀分子，鏈或環(huán)共價(jià)結(jié)合的無(wú)限鏈狀分子或有限環(huán)狀分子，鏈或環(huán)之間由通過(guò)范德華力結(jié)合形成晶體，如之間由通過(guò)范德華力結(jié)合形成晶體，如圖圖2-12對(duì)于第對(duì)于第V族元素，單鍵個(gè)數(shù)為族元素，單鍵個(gè)數(shù)為85=3，每個(gè)原子周?chē)?，每個(gè)原子周?chē)杏?個(gè)單鍵（或原子），其結(jié)構(gòu)是原子之間首先共價(jià)結(jié)合形個(gè)單鍵（或原子），其結(jié)構(gòu)是原子之間首先共價(jià)結(jié)合形成無(wú)限層狀單元，層狀單元之間借助范德華力結(jié)合形成晶體成無(wú)限層狀單元，

17、層狀單元之間借助范德華力結(jié)合形成晶體，如，如圖圖1-13 。 圖圖2-13 非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（c）第）第V族元素族元素對(duì)于第對(duì)于第IV族元素，單鍵個(gè)數(shù)為族元素，單鍵個(gè)數(shù)為84=4，每個(gè)原子，每個(gè)原子周?chē)兄車(chē)?個(gè)單鍵（或原子）。其中個(gè)單鍵（或原子）。其中C、Si、Ge皆為皆為金剛石結(jié)構(gòu)，由四面體以共頂方式共價(jià)結(jié)合形成金剛石結(jié)構(gòu)，由四面體以共頂方式共價(jià)結(jié)合形成三維空間結(jié)構(gòu)，如三維空間結(jié)構(gòu)，如圖圖1-14 。圖圖2-14 非金屬元素單質(zhì)晶非金屬元素單質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)基元（體的結(jié)構(gòu)基元（d）第）第IV族族元素元素金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)n配位數(shù)為配位數(shù)為4 4n四個(gè)

18、共價(jià)鍵形成四四個(gè)共價(jià)鍵形成四面體，四面體聯(lián)合面體，四面體聯(lián)合形成立方體結(jié)構(gòu)，形成立方體結(jié)構(gòu)，屬面心立方結(jié)構(gòu)屬面心立方結(jié)構(gòu)金剛石的配位情況金剛石的配位情況金剛石致密度計(jì)算法金剛石致密度計(jì)算法3408334833.aaVnv arra8383n晶胞分子數(shù)晶胞分子數(shù) n8 值得注意的是值得注意的是O2、N2及石墨（及石墨（C）不符合）不符合8m規(guī)則，因?yàn)樗鼈儾皇切纬蓡捂I。規(guī)則，因?yàn)樗鼈儾皇切纬蓡捂I。O2是三鍵，是三鍵，一個(gè)一個(gè) 鍵和兩個(gè)三電子鍵和兩個(gè)三電子 鍵。鍵。N2是一個(gè)是一個(gè) 鍵和兩個(gè)鍵和兩個(gè) 鍵。石墨是鍵。石墨是sp3雜化后和同一層上的雜化后和同一層上的C形成形成 鍵，鍵，剩余的剩余的pz電子軌道形成離域電子軌道形成離域 鍵。鍵。 面