固體與固體結(jié)構(gòu)

1、固體與固體結(jié)構(gòu)9/6/2022第1頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理固體的分類： p38（1）具有整齊和規(guī)則的外形、各向異性、固定的熔點(diǎn)，稱為晶體；（2）沒有整齊和規(guī)則的外形、各向同性、沒有固定的熔點(diǎn)，稱為非晶體或無定形物質(zhì)。9/6/2022第2頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理天然晶體和人工晶體：9/6/2022第3頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理溶液法生長的人工晶體9/6/2022第4頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理9/6/2022第5頁，共4

2、8頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理熔融熔融法生長的人工晶體9/6/2022第6頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 人們對晶體的研究，是從絢麗的寶石世界開始。9/6/2022第7頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 迄今為止，世界上發(fā)現(xiàn)的最大鉆石叫“庫里南”，重 達(dá)3103ct。 1905年發(fā)現(xiàn)于南非。被切割成4顆大鉆和101顆小鉆。非洲之星（庫里南1號） 重量：530.2ct鉆石9/6/2022第8頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理英文：diamond 中文：鉆

3、石或金剛石 鉆石是寶石之王， 它是結(jié)婚的信物，結(jié)婚六十周年的賀禮，四月份的生辰石。 在世界的珠寶貿(mào)易中鉆石占80%。化學(xué)成分：C 希 望9/6/2022第9頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 電影“Titanic” 中的“海洋之星”就是根據(jù)“希望”的原型拍攝的鉆石9/6/2022第10頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 紅寶石和藍(lán)寶石都屬于貴重寶石。分別是七月和九月的生辰石。礦物學(xué)上，紅寶石和藍(lán)寶石屬于一種礦物，稱剛玉，其主要成分都是Al2O3。 寶石9/6/2022第11頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分

4、，星期二大學(xué)化學(xué)原理 紅寶石為含Cr的紅色剛玉族寶石。主產(chǎn)于：緬甸、泰國、越南、柬埔寨、斯里蘭卡、坦桑尼亞。 藍(lán)寶石是除紅色以外的剛玉族寶石，包括藍(lán)色、黃色、綠色、無色、粉紅色。主產(chǎn)于：克什米爾、斯里蘭卡、馬達(dá)加斯加、泰國、澳大利亞、中國。 9/6/2022第12頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理水晶：紫晶紫色 黃水晶黃色 水晶無色 芙蓉石粉紅色 煙晶黑色、褐黑色 其中以紫晶價值最高， 黃水晶次之。天然水晶中 無藍(lán)色，藍(lán)色者為合成品。 9/6/2022第13頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理天然水晶9/6/2022第14頁

5、，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理9/6/2022第15頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理什么是晶體？晶體的結(jié)構(gòu)本質(zhì)是什么？9/6/2022第16頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理1、晶體外形的規(guī)則性 p39-40 各種晶體都有它特有的外形，人們對晶體的研究就是從研究晶體外形開始的。就發(fā)現(xiàn)一個重要的定律晶面角守恒定律。即，對于同一物質(zhì)的不同晶體，晶面的大小、形狀和個數(shù)可能不同，但相應(yīng)的晶面之間的夾角都是固定不變的。9/6/2022第17頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星

6、期二大學(xué)化學(xué)原理2、晶體整齊規(guī)則的幾何外形是其內(nèi)部粒子規(guī)則排列的外在反映。 p41-42 每種晶體都有一個形狀一定的最小的晶胞，大塊晶體是由千千萬萬個晶胞堆砌而成。也即：晶體內(nèi)部的分子、原子在三維空間，是按一定形式的空間點(diǎn)陣排列而成。9/6/2022第18頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 一維點(diǎn)陣 二維點(diǎn)陣 三維點(diǎn)陣 晶胞 （具體原子、分子） 無限重復(fù)形成晶格 宏觀晶體9/6/2022第19頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理晶胞參數(shù)、晶系和布拉維晶格9/6/2022第20頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分

7、，星期二大學(xué)化學(xué)原理晶胞參數(shù)： 在晶體中切割出一個能代表晶格一切特征的最小部分，此最小部分稱為晶胞。晶胞在三維空間中的無限重復(fù)就形成了晶格。晶胞的特征通?？捎昧鶄€常數(shù)來描述，這六個常數(shù)是a，b，c和，晶胞是一個平行六面體，a，b，c分別是三個棱的長，是棱邊的夾角。9/6/2022第21頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 晶體學(xué)家布拉維(A. Bravais)從宏觀對稱規(guī)則研究認(rèn)為晶體分七個晶系，包含十四種晶格 。9/6/2022第22頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理七個晶系(crytal systems)，它們是： 立方

8、晶系(cubic class)、 四方晶系(tetragonal class)、 六方晶系(hexagonal class)、 菱形（三方）晶系(rhombohedral class)、 正交晶系(orthorhombic class)、 單斜晶系(monoclinic class)、 三斜晶系(triclinic class)。 p39-409/6/2022第23頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理七個晶系9/6/2022第24頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理七個晶系p39-409/6/2022第25頁，共48頁，202

9、2年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理簡單立方P體心立方I面心立方F十四種晶格p41-429/6/2022第26頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理簡單四方P體心四方I簡單六方P簡單三方P9/6/2022第27頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理簡單正交P底心正交C體心正交I面心正交F9/6/2022第28頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理簡單單斜P底心單斜C簡單三斜P9/6/2022第29頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理晶體類型和結(jié)構(gòu)特征p

10、42-439/6/2022第30頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理一、離子晶體 在離子晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上交替排列著正、負(fù)離子。由于正、負(fù)離子間有很強(qiáng)的離子鍵(靜電引力)作用，所以離子晶體有較高的熔點(diǎn)和較大的硬度(常呈現(xiàn)硬而脆)。固態(tài)時離子晶體不導(dǎo)電。但在熔化時(或溶解在極性溶劑中)，由于離子能自由移動，就具有導(dǎo)電性。絕大部分的鹽和許多金屬氧化物的固體都是離子晶體。9/6/2022第31頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理幾種典型的離子晶體（1） CsCl的晶胞是立方體，屬簡單立方晶格。每個Cs+離子(或Cl離子)處于立方體的

11、中心，被立方體8個異號離子所包圍。由于角頂上離子屬于8個晶胞所共有，也就是角頂上離子只有1/8屬于 一個晶胞。9/6/2022第32頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 所以在一個CsCl晶胞中實(shí)有 1個Cs+離子和1個C1離子，所含分子個數(shù) N=1。對于CsCl晶體來講，配位數(shù)為8。由于正、負(fù)離子的配位數(shù)都是8，所以稱為 8 : 8 配位。 9/6/2022第33頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理（2）NaCl的晶胞也是立方體，屬面心立方晶格。晶胞上的結(jié)點(diǎn)比較多，中心離子(Na+離子或Cl離子)處于立方體的中心，在中心離子

12、 附近，排列著6個異號離子，它們分布在晶胞立方體6個面的中心處，這些 離子又分別為6個與它們異號的離子所包圍。9/6/2022第34頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 所以在NaCl晶胞中，Na+離子(或Cl離子)位于立方體的體心和12條邊的中點(diǎn)，Cl離子(或Na+離子)位于立方體的8個角頂和6個面的面心。 NaCl型晶體配位數(shù)為6，采用 6 : 6 配位。 9/6/2022第35頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理（3） ZnS型晶體，在ZnS晶胞中，晶胞內(nèi)的結(jié)點(diǎn)分布更加復(fù)雜，中心離子(Zn2+或S2)處于把晶胞平均分成8

13、個小正立方體的互不相鄰的4個中心，異號離子則分布在晶胞的8個頂角和6個面的面心處。因此每個晶胞中有4個Zn2+離子和4個S2離子，N=4。 9/6/2022第36頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 一個ZnS晶胞中含S2-離子數(shù)為(81/ 8)+(6 1/ 2)=4；含Zn2+離子數(shù)也為4，所以N=4。配位數(shù)為4，采用 4 : 4 配位。 9/6/2022第37頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理二、原子晶體和分子晶體 原子晶體的晶格結(jié)點(diǎn)上排列著一個個中性原子，原子間是以強(qiáng)大的共價鍵相聯(lián)系，且成鍵電子均定域在原子之間不能自由

14、運(yùn)動，因此原子晶體熔點(diǎn)高，硬度大，熔融時導(dǎo)電性很差。 9/6/2022第38頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 金剛石是典型的原子晶體，其中每個碳原子形成4個sp3雜化軌道，和周圍的另4個碳原子通過CC共價鍵結(jié)合，形成包括整個晶體的大分子。金剛石晶體中原子對稱，等距離排布，結(jié)合特強(qiáng)，所以金剛石特硬，是天然物質(zhì)中最硬的，經(jīng)琢磨加工后成為名貴的金剛鉆。 9/6/2022第39頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 分子晶體的晶格結(jié)點(diǎn)上排列著分子(極性分子或非極性分子)，這些分子通過分子間力相結(jié)合(在某些極性分子間還存在著氫鍵)。由

15、于分子間力比化學(xué)鍵要小得多，因此分子晶體的熔點(diǎn)和硬度都很低，它們不易導(dǎo)電。大多數(shù)共價型的非金屬單質(zhì)和化合物，如固態(tài)的HCl、NH3、N2、CO2(干冰)和 CH4、蒽等都是分子晶體。 9/6/2022第40頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理三、金屬晶體 金屬晶體的金屬鍵常被看成是種特殊的共價鍵，稱為金屬的改性共價鍵，該理論認(rèn)為：金屬晶體中晶格結(jié)點(diǎn)上的原子和離子共用晶體內(nèi)的自由電子，但又和一般的共價鍵不同，它們共用的電子不屬于某個或某幾個原子和離子，而是屬于整個晶體。 9/6/2022第41頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理

16、 金屬晶體中的電子稱為非定域的自由電子，形象地講，可以把金屬鍵說成是“金屬原子和離子浸泡在電子海洋中”。這些自由電子把原子和離子“膠合”在一起形成所謂的“金屬鍵” 。金屬鍵不同于一般共價鍵，沒有飽和性和方向性，還可用以解釋金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性等。9/6/2022第42頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 金屬晶體的緊密堆積有三種方式：六方緊密堆積(hcp, 即hexagonal closed packing);面心立方緊密堆積(ccp, 即cubic close packing);體心立方密堆積(bcc, 即body-centered cubic cl

17、osed packing)。 9/6/2022第43頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理四、混合型晶體 晶體內(nèi)晶格結(jié)點(diǎn)間包含兩種以上鍵型的為混合型晶體。石墨是典型的混合型晶體。在石墨中，碳原子進(jìn)行sp2雜化，每個碳原子與其他三個碳原子以共價鍵相連接，鍵角為120，鍵長為142pm。形成由無數(shù)的正六角形構(gòu)成的網(wǎng)狀平面層，所以石墨晶體具有層狀結(jié)構(gòu)。 9/6/2022第44頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二每層中, 每個碳原子以三個sp2 雜化軌道與相鄰另外三個碳原子形成三個 鍵每個碳原子還有一個 p 電子, 其軌道與片層垂直, p 電子“肩并肩”重疊, 整個片層內(nèi)形成一個 鍵 , 又稱為大 鍵.它是一種非定域鍵.大學(xué)化學(xué)原理9/6/2022第45頁，共48頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)24分，星期二大學(xué)化學(xué)原理 在石墨晶體中，既有共價鍵，又有非定域的大