第十六講晶體結(jié)構(gòu)(1)

1、晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容的相互關(guān)系晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容的相互關(guān)系晶晶體體晶體結(jié)構(gòu)基本概念晶體類型及其性質(zhì)堆積類型面心立方最密堆積六方最密堆積體心立方密堆積簡(jiǎn)單立方堆積最密堆積非最密堆積密堆積原理是一個(gè)把中學(xué)密堆積原理是一個(gè)把中學(xué)化學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容聯(lián)系化學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)的一個(gè)橋梁性的理論起來(lái)的一個(gè)橋梁性的理論體系體系 。第一節(jié) 晶體的結(jié)構(gòu) 1、晶體的分類、晶體的分類 按來(lái)源分為：按來(lái)源分為： 天然晶體（寶石、冰、天然晶體（寶石、冰、 砂子等）砂子等） 人工晶體（各種人工晶體材料等）人工晶體（各種人工晶體材料等） 一、晶體的分類一、晶體的分類按成鍵特點(diǎn)分為：按成鍵特點(diǎn)分為： 原

2、子晶體：金剛石原子晶體：金剛石 離子晶體：離子晶體：NaCl 分子晶體：冰分子晶體：冰 金屬晶體：金屬晶體： Cu 1 晶體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征晶體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征 固體就是晶體嗎固體就是晶體嗎? ? 晶瑩透亮的晶瑩透亮的固體就是晶體嗎？固體就是晶體嗎？ 到底什么是晶體？到底什么是晶體？晶體的定義晶體的定義“晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周周期性期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。” 注意：注意： （1 1）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié)）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié) 構(gòu)決定的，而非由外觀判斷；構(gòu)決定的，而非由外觀判斷； （2 2）周期性

3、是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。）周期性是晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。 晶體不僅與我們的日常生活密不可分，晶體不僅與我們的日常生活密不可分，而且在許多高科技領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)而且在許多高科技領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。晶體的外觀和性質(zhì)都是由其內(nèi)部結(jié)用。晶體的外觀和性質(zhì)都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的：構(gòu)決定的： 決定決定 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 性能性能 反映反映圖片圖片圖片圖片2圖片圖片3圖片圖片4圖片圖片5BBO晶體二、晶體性質(zhì)二、晶體性質(zhì) (1)宏觀性質(zhì)的均勻性宏觀性質(zhì)的均勻性 晶體內(nèi)部各部分的宏觀性質(zhì)相同晶體內(nèi)部各部分的宏觀性質(zhì)相同,稱稱為晶體性質(zhì)的均勻性。例如，化學(xué)成為晶體性質(zhì)的均勻性。例如，化學(xué)成分、密度等。非晶體也有均勻性

4、。分、密度等。非晶體也有均勻性。 將石蠟地滴在云母片上，加熱使其將石蠟地滴在云母片上，加熱使其展開(kāi)，結(jié)果呈橢圓形。展開(kāi)，結(jié)果呈橢圓形。說(shuō)明石蠟在不同方向受熱狀況不一樣。說(shuō)明石蠟在不同方向受熱狀況不一樣。各向異性各向異性10(3)(3)晶晶體體的的自自范范性性 晶體在理想生長(zhǎng)環(huán)境中能自發(fā)地形成規(guī)則的晶體在理想生長(zhǎng)環(huán)境中能自發(fā)地形成規(guī)則的凸多面體外形，滿足歐拉定理：凸多面體外形，滿足歐拉定理：F（晶面數(shù)）（晶面數(shù)）+V（頂點(diǎn)數(shù)）（頂點(diǎn)數(shù)）=E（晶棱數(shù)）（晶棱數(shù)）+ 2 如果我們給下面的晶體加熱，隨時(shí)間的如果我們給下面的晶體加熱，隨時(shí)間的變化，觀測(cè)晶體狀態(tài)和溫度所發(fā)生的變化。變化，觀測(cè)晶體狀態(tài)和溫度

5、所發(fā)生的變化。有明顯確定的熔點(diǎn)有明顯確定的熔點(diǎn)隨時(shí)間的推移，溫度隨時(shí)間的推移，溫度升高，到達(dá)某一溫度升高，到達(dá)某一溫度時(shí)，晶體開(kāi)始融化，時(shí)，晶體開(kāi)始融化，此時(shí)溫度保持不變，此時(shí)溫度保持不變，待晶體全部融化，溫待晶體全部融化，溫度又開(kāi)始升高。度又開(kāi)始升高。晶體有固定的熔點(diǎn)晶體有固定的熔點(diǎn)融化：融化：從本質(zhì)上講就是被束縛在固定位從本質(zhì)上講就是被束縛在固定位置上的粒子能夠自由移動(dòng)。既然它們是置上的粒子能夠自由移動(dòng)。既然它們是在同一溫度下融化，表明同類粒子所處在同一溫度下融化，表明同類粒子所處的周圍環(huán)境完全相同，只要某一局部在的周圍環(huán)境完全相同，只要某一局部在特定的溫度下可以融化，整個(gè)晶體在此特定的溫

6、度下可以融化，整個(gè)晶體在此溫度下都將融化。溫度下都將融化。 有特定的對(duì)稱性有特定的對(duì)稱性(6)(6)晶晶體體的的X X射射線線衍衍射射效效應(yīng)應(yīng) 晶體的周期性結(jié)構(gòu)使它成為天然的三維光晶體的周期性結(jié)構(gòu)使它成為天然的三維光柵，周期與柵，周期與X光波長(zhǎng)相當(dāng)光波長(zhǎng)相當(dāng), 能夠?qū)δ軌驅(qū)光產(chǎn)生衍射光產(chǎn)生衍射: 三、晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)三、晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)概念：在晶體內(nèi)部原子或分子概念：在晶體內(nèi)部原子或分子周期性周期性地排列地排列的每個(gè)重復(fù)單位的相同位置上定一個(gè)點(diǎn)，這的每個(gè)重復(fù)單位的相同位置上定一個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)按一定周期性規(guī)律排列在空間，這些點(diǎn)些點(diǎn)按一定周期性規(guī)律排列在空間，這些點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)陣。點(diǎn)陣是一組

7、無(wú)限的點(diǎn)，連結(jié)。點(diǎn)陣是一組無(wú)限的點(diǎn)，連結(jié)其中任意兩點(diǎn)可得一矢量，將各個(gè)點(diǎn)陣按此其中任意兩點(diǎn)可得一矢量，將各個(gè)點(diǎn)陣按此矢量平移能使它復(fù)原。點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)都具有矢量平移能使它復(fù)原。點(diǎn)陣中每個(gè)點(diǎn)都具有完全相同的周圍環(huán)境完全相同的周圍環(huán)境。結(jié)構(gòu)基元：結(jié)構(gòu)基元： 在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中每個(gè)點(diǎn)在晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中每個(gè)點(diǎn)陣所代表的具體內(nèi)容，包括原子或陣所代表的具體內(nèi)容，包括原子或分子的種類和數(shù)量及其在空間按一分子的種類和數(shù)量及其在空間按一定方式排列的結(jié)構(gòu)。定方式排列的結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = = 點(diǎn)陣點(diǎn)陣 + + 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元例例1、2002年江蘇夏令營(yíng)選拔賽年江蘇夏令營(yíng)選拔賽 兩種銅溴配合物晶體中的一維聚合

8、鏈結(jié)構(gòu)的投兩種銅溴配合物晶體中的一維聚合鏈結(jié)構(gòu)的投影圖影圖 (其中部分原子給出標(biāo)記其中部分原子給出標(biāo)記)如下。如下。分別指出分別指出兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基元由幾個(gè)兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基元由幾個(gè)Cu原子和幾個(gè)原子和幾個(gè)Br原子原子組成：組成：圖圖 為為 個(gè)個(gè)Cu原子，原子， Br原子；原子；圖圖 為為 個(gè)個(gè)Cu原子，原子， 個(gè)個(gè)Br原子。原子。（2）平面點(diǎn)陣）平面點(diǎn)陣?yán)?、2002年江蘇夏令營(yíng)選拔賽年江蘇夏令營(yíng)選拔賽（3 3）晶胞）晶胞 空間點(diǎn)陣必可選擇空間點(diǎn)陣必可選擇3 3個(gè)個(gè)不相平行不相平行的連結(jié)相鄰兩個(gè)的連結(jié)相鄰兩個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)的點(diǎn)陣點(diǎn)的單位矢量單位矢量a a，b b，c c，它們將點(diǎn)陣劃分成，它們將點(diǎn)陣

9、劃分成并置的平行六面體單位，稱為點(diǎn)陣單位。相應(yīng)并置的平行六面體單位，稱為點(diǎn)陣單位。相應(yīng)地，按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六地，按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六面體單位稱為晶胞。矢量面體單位稱為晶胞。矢量a a，b b，c c的長(zhǎng)度的長(zhǎng)度a a，b b，c c及其相互間的夾角及其相互間的夾角，稱為點(diǎn)陣參數(shù)或稱為點(diǎn)陣參數(shù)或晶胞參數(shù)。晶胞參數(shù)。晶胞結(jié)構(gòu)圖晶胞結(jié)構(gòu)圖 晶胞的劃分晶胞的劃分 對(duì)稱性對(duì)稱性 晶系晶系 正當(dāng)晶胞正當(dāng)晶胞正當(dāng)晶胞正當(dāng)晶胞素晶胞：含素晶胞：含1個(gè)結(jié)構(gòu)基元個(gè)結(jié)構(gòu)基元復(fù)晶胞：含復(fù)晶胞：含2個(gè)以上結(jié)構(gòu)基元個(gè)以上結(jié)構(gòu)基元晶胞的二個(gè)要素晶胞的二個(gè)要素晶胞的二個(gè)基本要素：晶胞的二個(gè)基

10、本要素： 一是晶胞大小和形狀；一是晶胞大小和形狀； 二是晶胞中各原子坐標(biāo)位置。二是晶胞中各原子坐標(biāo)位置。 晶胞大小和形狀可用晶胞參數(shù)表示；晶胞大小和形狀可用晶胞參數(shù)表示； 晶晶 胞中原子位置可用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)表示。胞中原子位置可用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)表示。原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)晶體中原子的坐標(biāo)參數(shù)是以晶胞的晶體中原子的坐標(biāo)參數(shù)是以晶胞的3 3個(gè)軸個(gè)軸 作為坐標(biāo)軸，以作為坐標(biāo)軸，以3 3個(gè)軸的軸長(zhǎng)作為坐標(biāo)軸個(gè)軸的軸長(zhǎng)作為坐標(biāo)軸 單位的單位的: : 因?yàn)橐驗(yàn)閤 x、y y、z z 1 1，所以我們將，所以我們將x x、y y、z z定定 義為分?jǐn)?shù)坐標(biāo)。義為分?jǐn)?shù)坐標(biāo)。czbyaxr晶胞知識(shí)要點(diǎn)晶胞知識(shí)要點(diǎn) 晶胞一定

11、是一個(gè)平行六面體，其三邊長(zhǎng)晶胞一定是一個(gè)平行六面體，其三邊長(zhǎng)度度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。整個(gè)晶體就是由晶胞周期性的在三維空整個(gè)晶體就是由晶胞周期性的在三維空間并置堆砌而成的。間并置堆砌而成的。劃分晶胞要遵循劃分晶胞要遵循2個(gè)原則：一是盡可能反個(gè)原則：一是盡可能反 映映晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；二是盡可能小。晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性；二是盡可能小。并置堆砌并置堆砌 整個(gè)晶體就是由整個(gè)晶體就是由晶胞周期性的在晶胞周期性的在三維空間并置堆三維空間并置堆砌而成的。砌而成的。晶胞晶胞晶胞與晶格晶胞與晶格晶胞中質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)的計(jì)算晶胞中質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)的計(jì)算第二節(jié)、晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性第二節(jié)、晶體

12、結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性一、晶體的對(duì)稱性一、晶體的對(duì)稱性 4 晶體七個(gè)晶系與十四種空間點(diǎn)陣型式晶體七個(gè)晶系與十四種空間點(diǎn)陣型式1 1 晶系晶系 根據(jù)晶體的對(duì)稱性，按有無(wú)某種特征對(duì)根據(jù)晶體的對(duì)稱性，按有無(wú)某種特征對(duì)稱元素為標(biāo)準(zhǔn)，將晶體分成稱元素為標(biāo)準(zhǔn)，將晶體分成7個(gè)晶系：個(gè)晶系：立方立方 Cubica=b=c, = = =90（1 1）立方晶系）立方晶系( (c c) )（2 2）六方晶系）六方晶系(h)(h)六方六方 Hexagonal a=b c, = =90, =120（3）四方晶系四方晶系(t)四方四方 Tetragonala=b c, = = =90（4 4）三方晶系）三方晶系(h)(h)三方三方

13、 Rhombohedrala=b=c, = =90a=b c, = =90 =120（5 5）正交晶系）正交晶系(o)(o)正交正交 Rhombica b c, = = =90（6）單斜晶系）單斜晶系(m)：?jiǎn)涡眴涡?Monoclinic a b c = =90, 90（7）三斜晶系）三斜晶系(a)：沒(méi)有特征對(duì)稱元素：沒(méi)有特征對(duì)稱元素三斜三斜 Triclinica b c = = 902 2 空間點(diǎn)陣型式空間點(diǎn)陣型式 根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，將點(diǎn)陣根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，將點(diǎn)陣 空間的分布按正空間的分布按正當(dāng)單位形狀的規(guī)定和帶心型式進(jìn)行分類，得到當(dāng)單位形狀的規(guī)定和帶心型式進(jìn)行分類，得到14種型式：

14、種型式：簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單六方(hP)R心六方心六方(hR)簡(jiǎn)單四方簡(jiǎn)單四方(tP)體心四方體心四方(tI)簡(jiǎn)單立方簡(jiǎn)單立方(cP)體心立方體心立方(cI)面心立方面心立方(cF)簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單三斜(ap) 簡(jiǎn)單單斜簡(jiǎn)單單斜(mP)C心單斜心單斜(mC,mA,mI)簡(jiǎn)單正交簡(jiǎn)單正交(oP)C心正交心正交(oC,oA,oB)體心正交體心正交(oI)面心正交面心正交(oF)體心晶胞體心晶胞 體心晶胞中的任何一個(gè)原子均可發(fā)生體心平移體心晶胞中的任何一個(gè)原子均可發(fā)生體心平移（在它的原子坐標(biāo)（在它的原子坐標(biāo) x, y, z 上上 分分 別別 加加 , ， , 所得原子坐標(biāo)為所得原子坐標(biāo)為x+1/2, y+1/2

15、和和z+1/2 的原子跟它沒(méi)的原子跟它沒(méi)有任何區(qū)別（化學(xué)上相同，是同一種原子，幾何有任何區(qū)別（化學(xué)上相同，是同一種原子，幾何上也相同，具有相同的化學(xué)環(huán)境，配位數(shù)相同，上也相同，具有相同的化學(xué)環(huán)境，配位數(shù)相同，配位多面體在空間中的取向也相同）。配位多面體在空間中的取向也相同）。體心晶胞舉例體心晶胞舉例Na a = 429.06 pm體心晶胞體心晶胞 Z = 2 體心晶胞與簡(jiǎn)單晶胞辨異體心晶胞與簡(jiǎn)單晶胞辨異NaCsCl面心晶胞 面心晶胞中任何一個(gè)原子的原子坐標(biāo)面心晶胞中任何一個(gè)原子的原子坐標(biāo)x，y，z上上分別加分別加 1/2，1/2，0； 1/2，0，1/2 0，1/2，1/2 得到總共得到總共4個(gè)原子是完全相同的（化學(xué)上相同，個(gè)原子是完全相同的（化學(xué)上相同，幾何上相同）幾何上相同） 面心晶胞含面心晶胞含4個(gè)結(jié)構(gòu)基元。個(gè)結(jié)構(gòu)基元。干冰是不是面心立方晶胞？干冰是不是面心立方晶胞？二、晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)及應(yīng)用二、晶體結(jié)構(gòu)的表達(dá)及應(yīng)用 一般晶體結(jié)構(gòu)需給出：一般晶體結(jié)構(gòu)需給出： 晶系晶系 晶胞參數(shù)；晶胞參數(shù)；