結(jié)構(gòu)化學(xué)《結(jié)構(gòu)化學(xué)》第8章-第2講(84)72-《結(jié)構(gòu)化學(xué)》第8章第2講課件

8.4合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.什么是合金？合金是兩種或兩種以上的金屬，經(jīng)過(guò)熔合后，所得的生成物。合金一般都具有一定的金屬性能。2.合金生成過(guò)程的特點(diǎn)1）在形成合金的過(guò)程中，熱效應(yīng)一般比較??；2）從金屬單質(zhì)到合金的變化，一般不像其它化學(xué)反應(yīng)那么顯著。18.4合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.什么是合金？13.合金的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)和相圖等特點(diǎn)，合金一般分為三類：1）金屬固溶體形成條件：兩種金屬元素的電負(fù)性、化學(xué)性質(zhì)和原子大小等差別較小時(shí)，容易生成金屬固溶體；2）金屬間化合物形成條件：兩種金屬元素的電負(fù)性和原子半徑差別較大時(shí)，則容易生成金屬間化合物；3）金屬間隙化合物形成條件：過(guò)渡金屬元素與半徑很小的H、B、C、N等非金屬元素形成的化合物。23.合金的分類28.4.1金屬固溶體的結(jié)構(gòu)1.固溶體的結(jié)構(gòu)型式1）固溶體的結(jié)構(gòu)型式，一般與純金屬相同；2）在固溶體中，每一原子位置，兩種金屬均可能占有；占有概率正比于該金屬在合金中所占比例；這樣的原子在很多效應(yīng)上相當(dāng)于一個(gè)統(tǒng)計(jì)原子。2.完整固溶體的形成

當(dāng)兩個(gè)過(guò)渡金屬元素原子半徑差別小于15%、單質(zhì)結(jié)構(gòu)型式相同時(shí)，可以形成完全互溶固溶體。例如，Cu-Ni、Ag-Au、Ni-Pd、Mo-W。38.4.1金屬固溶體的結(jié)構(gòu)33.金屬的互溶度不可互易一般的，高價(jià)金屬在低價(jià)金屬中的溶解度，要大于，低價(jià)金屬在高價(jià)金屬中的溶解度。例如Zn在Ag中的溶解度（原子分?jǐn)?shù)）為Zn：37.8%；而Ag在Zn中的溶解度為Ag：6.3%。4.Cu-Au熔體的冷卻1）Cu、Au元素的特點(diǎn)Cu和Au在周期表中位于同一族，具有相同的電子組態(tài)；單質(zhì)結(jié)構(gòu)型式也相同，均為面心立方晶體；原子半徑分別為128和144pm，差別不大。43.金屬的互溶度不可互易4.Cu-Au熔名稱：銅晶體空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=3.6147?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.5名稱：銅晶體5名稱：金晶體空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=4.0783?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.6名稱：金晶體6兩種金屬混合熔化成液體，形成互溶體系；凝固后的高溫固熔體也完全互溶。2）Cu-Au固熔體的快速冷卻當(dāng)固熔體被淬火處理，即快速冷卻時(shí)，形成無(wú)序固熔體相，Au原子完全無(wú)序、統(tǒng)計(jì)地取代Cu原子。這種合金的結(jié)構(gòu)和單質(zhì)一樣，也為面心立方結(jié)構(gòu)；只是以統(tǒng)計(jì)原子AuxCu1-x代替Cu。這種固溶體的晶胞參數(shù)隨組成改變而略有變化，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。7兩種金屬混合熔化成液體，形成互溶體系；凝固后的高溫固名稱：Cu0.8-Au0.2空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=3.724?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu/Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.8名稱：Cu0.8-Au0.28名稱：Cu0.2-Au0.8空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=4.012?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu/Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.9名稱：Cu0.2-Au0.893）Cu-Au固熔體的緩慢冷卻當(dāng)固溶體合金進(jìn)行退火，即緩慢冷卻時(shí)，Cu和Au原子分布不再無(wú)序，而是各自趨向確定的幾何位置。當(dāng)組成為Cu3Au的合金退火時(shí)，在低于395oC時(shí)通過(guò)等溫有序化，形成圖8.4.1b所示的結(jié)構(gòu)，晶體點(diǎn)陣型式為簡(jiǎn)單立方。當(dāng)組成為CuAu的合金退火時(shí)，在低于380oC時(shí)通過(guò)等溫有序化，得到圖8.4.1c所示的結(jié)構(gòu)，晶體屬四方晶系。103）Cu-Au固熔體的緩慢冷卻10名稱：Cu3Au空間群：Pm3-m晶系：立方晶系a=3.74?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Au:0,0,0;Cu:0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.11名稱：Cu3Au11名稱：CuAu空間群：P4/mmm晶系：四方晶系a=3.74?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Au:0,0,0;1/2,1/2,0;Cu:0,1/2,1/2;1/2,0,1/2.12名稱：CuAu124）將有序結(jié)構(gòu)的合金加熱，溫度超過(guò)某一臨界值(此臨界值隨組成改變而改變)，就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)。134）將有序結(jié)構(gòu)的合金加熱，溫度超過(guò)某一臨界值(此臨界8.4.2金屬化合物的結(jié)構(gòu)1.金屬化合物的兩種主要型式1）組成確定的金屬化合物；2）組成可變的金屬化合物。易于生成組成可變的金屬化合物，是合金獨(dú)有的化學(xué)性能。2.金屬化合物的結(jié)構(gòu)特征1）金屬化合物的結(jié)構(gòu)型式，一般不同于，純組分在獨(dú)立存在時(shí)的結(jié)構(gòu)型式；2）在金屬A和B形成的金屬化合物中，兩種原子分別占據(jù)兩套不同的結(jié)構(gòu)位置。148.4.2金屬化合物的結(jié)構(gòu)143.CaCu5合金的結(jié)構(gòu)CaCu5合金可看作是由圖8.4.2中所示的a、b兩種原子層交替堆積排列而成的；a是由Ca和Cu共同組成的層；b是完全由Cu原子組成的層；c是由a和b兩種原子層交替堆積成CaCu5的晶體結(jié)構(gòu)圖，是由3個(gè)六方晶胞拼砌而成的。153.CaCu5合金的結(jié)構(gòu)15名稱：CaCu5空間群：P6/mmm晶系：六方晶系a=5.082?c=4.078原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Ca:0,0,0;Cu:2/3,1/3,0;1/3,2/3,0;1/2,0,1/2;0,1/2,1/2;1/2,1/2,1/2.16名稱：CaCu51617171818在c結(jié)構(gòu)中，Ca有18個(gè)Cu原子配位，同一層的6個(gè)，Ca-Cu距離為294pm，相鄰2層各6個(gè)，Ca-Cu距離為327pm。19在c結(jié)構(gòu)中，Ca有18個(gè)Cu原子配位，同一層的6個(gè)，Ca-C4.電子化合物過(guò)渡金屬原子與周期表右半部的金屬原子形成的合金體系，通常其結(jié)構(gòu)型式取決于每個(gè)原子平攤的價(jià)電子數(shù)，故稱為電子化合物。在計(jì)算價(jià)電子數(shù)時(shí)，第18族（稀有氣體）元素的價(jià)電子數(shù)為0；Cu、Ag、Au為1；Zn、Cd、Hg為2；Al、In、Ga為3；Si、Ge、Sn、Pb為4。復(fù)雜電子化合物的結(jié)構(gòu)可根據(jù)價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值來(lái)確定，參見(jiàn)表8.4.1。204.電子化合物20名稱：CuZn空間群：Pm3-m晶系：立方晶系a=2.945?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu:0,0,0;Zn:1/2,1/2,1/2.21名稱：CuZn21名稱：Cu5Zn8空間群：I4-3m晶系：立方晶系a=8.878?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu:Zn:22名稱：Cu5Zn8225.Laves相合金Laves相是由兩種金屬A和B組成的AB2型合金。在這類合金結(jié)構(gòu)中，金屬原子B形成四面體原子簇結(jié)構(gòu)，通過(guò)共用頂點(diǎn)形成骨架，A原子處于骨架空隙中。由于A和B相對(duì)大小不同，典型的結(jié)構(gòu)有MgCu2、MgZn2和MgNi2等類型。圖8.4.3示出MgZn2立方晶胞的結(jié)構(gòu)。235.Laves相合金23名稱：MgZn2空間群：P63/mmc晶系：六方晶系a=5.15?c=8.48原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Zn:0,0,0;0.33978,0.16986,1/4;0,0,1/2.Mg:1/3,2/3,0.06681;1/3,2/3,0.43319;2/3,1/3,0.56681;2/3,1/3,0.93319.24名稱：MgZn2248.4.3金屬間隙化合物的結(jié)構(gòu)1.金屬間隙化合物的結(jié)構(gòu)金屬和B、C、N等元素形成的化合物，可把金屬原子看作形成最密堆積結(jié)構(gòu)或形成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而B(niǎo)、C、N等較小的非金屬原子填入間隙中，形成間隙化合物或間隙固溶體。2.AlN的結(jié)構(gòu)AlN具有六方ZnS型結(jié)構(gòu)，可將Al原子看作六方最密堆積，而N原子填充在四面體空隙中，N原子和Al原子之間實(shí)際上以共價(jià)鍵為主。258.4.3金屬間隙化合物的結(jié)構(gòu)25名稱：AlN空間群：P63mc晶系：六方晶系a=3.11?c=4.98原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Al:2/3,1/3,0;1/3,2/3,1/2.N:2/3,1/3,0.382;1/3,2/3,0.882.26名稱：AlN263.Fe4N的結(jié)構(gòu)名稱：Fe4N空間群：P4-3m晶系：立方晶系a=3.79?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：N:0,0,0;Fe:0.265,0.265,0.265;0.735,0.735,0.265;0.735,0.265,0.735;0.265,0.735,0.735.273.Fe4N的結(jié)構(gòu)名稱：Fe4N274.金屬間隙化合物的特征1）不論純金屬本身的結(jié)構(gòu)型式如何，大多數(shù)間隙化合物采取NaCl型結(jié)構(gòu)；2）具有很高的熔點(diǎn)和很大的硬度，很少數(shù)量的非金屬原子，即可使純金屬的性質(zhì)發(fā)生很大的變化；3）具有一般合金所具有的性質(zhì)，比如導(dǎo)電性能良好，有金屬光澤等，填隙原子和金屬原子間存在共價(jià)鍵。284.金屬間隙化合物的特征28.29.298.4合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.什么是合金？合金是兩種或兩種以上的金屬，經(jīng)過(guò)熔合后，所得的生成物。合金一般都具有一定的金屬性能。2.合金生成過(guò)程的特點(diǎn)1）在形成合金的過(guò)程中，熱效應(yīng)一般比較??；2）從金屬單質(zhì)到合金的變化，一般不像其它化學(xué)反應(yīng)那么顯著。308.4合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.什么是合金？13.合金的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)和相圖等特點(diǎn)，合金一般分為三類：1）金屬固溶體形成條件：兩種金屬元素的電負(fù)性、化學(xué)性質(zhì)和原子大小等差別較小時(shí)，容易生成金屬固溶體；2）金屬間化合物形成條件：兩種金屬元素的電負(fù)性和原子半徑差別較大時(shí)，則容易生成金屬間化合物；3）金屬間隙化合物形成條件：過(guò)渡金屬元素與半徑很小的H、B、C、N等非金屬元素形成的化合物。313.合金的分類28.4.1金屬固溶體的結(jié)構(gòu)1.固溶體的結(jié)構(gòu)型式1）固溶體的結(jié)構(gòu)型式，一般與純金屬相同；2）在固溶體中，每一原子位置，兩種金屬均可能占有；占有概率正比于該金屬在合金中所占比例；這樣的原子在很多效應(yīng)上相當(dāng)于一個(gè)統(tǒng)計(jì)原子。2.完整固溶體的形成

當(dāng)兩個(gè)過(guò)渡金屬元素原子半徑差別小于15%、單質(zhì)結(jié)構(gòu)型式相同時(shí)，可以形成完全互溶固溶體。例如，Cu-Ni、Ag-Au、Ni-Pd、Mo-W。328.4.1金屬固溶體的結(jié)構(gòu)33.金屬的互溶度不可互易一般的，高價(jià)金屬在低價(jià)金屬中的溶解度，要大于，低價(jià)金屬在高價(jià)金屬中的溶解度。例如Zn在Ag中的溶解度（原子分?jǐn)?shù)）為Zn：37.8%；而Ag在Zn中的溶解度為Ag：6.3%。4.Cu-Au熔體的冷卻1）Cu、Au元素的特點(diǎn)Cu和Au在周期表中位于同一族，具有相同的電子組態(tài)；單質(zhì)結(jié)構(gòu)型式也相同，均為面心立方晶體；原子半徑分別為128和144pm，差別不大。333.金屬的互溶度不可互易4.Cu-Au熔名稱：銅晶體空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=3.6147?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.34名稱：銅晶體5名稱：金晶體空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=4.0783?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.35名稱：金晶體6兩種金屬混合熔化成液體，形成互溶體系；凝固后的高溫固熔體也完全互溶。2）Cu-Au固熔體的快速冷卻當(dāng)固熔體被淬火處理，即快速冷卻時(shí)，形成無(wú)序固熔體相，Au原子完全無(wú)序、統(tǒng)計(jì)地取代Cu原子。這種合金的結(jié)構(gòu)和單質(zhì)一樣，也為面心立方結(jié)構(gòu)；只是以統(tǒng)計(jì)原子AuxCu1-x代替Cu。這種固溶體的晶胞參數(shù)隨組成改變而略有變化，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。36兩種金屬混合熔化成液體，形成互溶體系；凝固后的高溫固名稱：Cu0.8-Au0.2空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=3.724?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu/Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.37名稱：Cu0.8-Au0.28名稱：Cu0.2-Au0.8空間群：Fm3-m晶系：立方晶系a=4.012?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu/Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.38名稱：Cu0.2-Au0.893）Cu-Au固熔體的緩慢冷卻當(dāng)固溶體合金進(jìn)行退火，即緩慢冷卻時(shí)，Cu和Au原子分布不再無(wú)序，而是各自趨向確定的幾何位置。當(dāng)組成為Cu3Au的合金退火時(shí)，在低于395oC時(shí)通過(guò)等溫有序化，形成圖8.4.1b所示的結(jié)構(gòu)，晶體點(diǎn)陣型式為簡(jiǎn)單立方。當(dāng)組成為CuAu的合金退火時(shí)，在低于380oC時(shí)通過(guò)等溫有序化，得到圖8.4.1c所示的結(jié)構(gòu)，晶體屬四方晶系。393）Cu-Au固熔體的緩慢冷卻10名稱：Cu3Au空間群：Pm3-m晶系：立方晶系a=3.74?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Au:0,0,0;Cu:0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.40名稱：Cu3Au11名稱：CuAu空間群：P4/mmm晶系：四方晶系a=3.74?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Au:0,0,0;1/2,1/2,0;Cu:0,1/2,1/2;1/2,0,1/2.41名稱：CuAu124）將有序結(jié)構(gòu)的合金加熱，溫度超過(guò)某一臨界值(此臨界值隨組成改變而改變)，就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)。424）將有序結(jié)構(gòu)的合金加熱，溫度超過(guò)某一臨界值(此臨界8.4.2金屬化合物的結(jié)構(gòu)1.金屬化合物的兩種主要型式1）組成確定的金屬化合物；2）組成可變的金屬化合物。易于生成組成可變的金屬化合物，是合金獨(dú)有的化學(xué)性能。2.金屬化合物的結(jié)構(gòu)特征1）金屬化合物的結(jié)構(gòu)型式，一般不同于，純組分在獨(dú)立存在時(shí)的結(jié)構(gòu)型式；2）在金屬A和B形成的金屬化合物中，兩種原子分別占據(jù)兩套不同的結(jié)構(gòu)位置。438.4.2金屬化合物的結(jié)構(gòu)143.CaCu5合金的結(jié)構(gòu)CaCu5合金可看作是由圖8.4.2中所示的a、b兩種原子層交替堆積排列而成的；a是由Ca和Cu共同組成的層；b是完全由Cu原子組成的層；c是由a和b兩種原子層交替堆積成CaCu5的晶體結(jié)構(gòu)圖，是由3個(gè)六方晶胞拼砌而成的。443.CaCu5合金的結(jié)構(gòu)15名稱：CaCu5空間群：P6/mmm晶系：六方晶系a=5.082?c=4.078原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Ca:0,0,0;Cu:2/3,1/3,0;1/3,2/3,0;1/2,0,1/2;0,1/2,1/2;1/2,1/2,1/2.45名稱：CaCu51646174718在c結(jié)構(gòu)中，Ca有18個(gè)Cu原子配位，同一層的6個(gè)，Ca-Cu距離為294pm，相鄰2層各6個(gè)，Ca-Cu距離為327pm。48在c結(jié)構(gòu)中，Ca有18個(gè)Cu原子配位，同一層的6個(gè)，Ca-C4.電子化合物過(guò)渡金屬原子與周期表右半部的金屬原子形成的合金體系，通常其結(jié)構(gòu)型式取決于每個(gè)原子平攤的價(jià)電子數(shù)，故稱為電子化合物。在計(jì)算價(jià)電子數(shù)時(shí)，第18族（稀有氣體）元素的價(jià)電子數(shù)為0；Cu、Ag、Au為1；Zn、Cd、Hg為2；Al、In、Ga為3；Si、Ge、Sn、Pb為4。復(fù)雜電子化合物的結(jié)構(gòu)可根據(jù)價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值來(lái)確定，參見(jiàn)表8.4.1。494.電子化合物20名稱：CuZn空間群：Pm3-m晶系：立方晶系a=2.945?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu:0,0,0;Zn:1/2,1/2,1/2.50名稱：CuZn21名稱：Cu5Zn8空間群：I4-3m晶系：立方晶系a=8.878?原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Cu:Zn:51名稱：Cu5Zn8225.Laves相合金Laves相是由兩種金屬A和B組成的AB2型合金。在這類合金結(jié)構(gòu)中，金屬原子B形成四面體原子簇結(jié)構(gòu)，通過(guò)共用頂點(diǎn)形成骨架，A原子處于骨架空隙中。由于A和B相對(duì)大小不同，典型的結(jié)構(gòu)有MgCu2、MgZn2和MgNi2等類型。圖8.4.3示出MgZn2立方晶胞的結(jié)構(gòu)。525.Laves相合金23名稱：MgZn2空間群：P63/mmc晶系：六方晶系a=5.15?c=8.48原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：Zn:0,0,0;0.33978,0.16986,1/4;0,0,1/2.Mg:1/3,2