第三章晶體結(jié)構(gòu)

第

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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(xué)鍵分子間作用力氣態(tài)液態(tài)固態(tài)化學(xué)鍵粒子排列的有序程度

本章教學(xué)要求3．了解晶體結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)3.1.1晶體的宏觀特性晶體：一定的幾何外形固定的熔點(diǎn)各向異性非晶體：無(wú)一定的幾何外形無(wú)固定的熔點(diǎn)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(huì)改變。鉆石—晶體玻璃—非晶體晶體都有固定的熔點(diǎn)，非晶體在加熱時(shí)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(dǎo)電率比層間高一萬(wàn)倍宏觀上判斷晶體與非晶體，應(yīng)綜合以上三方面的特點(diǎn)來(lái)考察，單從一方面進(jìn)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？?jī)?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(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)？衍射實(shí)驗(yàn)（X-ray衍射）從熱力學(xué)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(wú)絕對(duì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。關(guān)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(diǎn)上，這些點(diǎn)的總和——晶格（或點(diǎn)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(diǎn)稱為晶格的結(jié)點(diǎn)。直線點(diǎn)陣平面點(diǎn)陣平面格子空間點(diǎn)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(duì)稱性的基本結(jié)構(gòu)單位，其在三維空間有規(guī)則地重復(fù)排列便組成了晶格（晶體）。晶格晶胞（平行六面體）質(zhì)點(diǎn)晶胞的大小和形狀由六個(gè)參數(shù)決定，稱為晶胞參數(shù)或點(diǎn)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(zhǎng)角度實(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)的晶胞簡(jiǎn)單格子（P）：僅在單位平行六面體的8個(gè)頂角上有結(jié)點(diǎn)；底心格子（C）：除8個(gè)頂角上有結(jié)點(diǎn)外，平行六面體上、下兩個(gè)平行面的中心各有一個(gè)結(jié)點(diǎn)；體心格子（I）：除8個(gè)頂角上有結(jié)點(diǎn)外，平行六面體的體心還有一個(gè)結(jié)點(diǎn)；面心格子（F）：除8個(gè)頂角有結(jié)點(diǎn)外，平行六面體的6個(gè)面的面心上都有一個(gè)結(jié)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)在晶胞上的分布類型七個(gè)晶系中又包含十四種晶格單晶體：由一個(gè)晶核（微小的晶體）各向均勻生長(zhǎng)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(gè)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(diǎn)以及質(zhì)點(diǎn)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(guò)金屬鍵結(jié)合在一起的。金屬正離子進(jìn)行堆積排列，而所有的自由電子則通過(guò)靜電力把正離子“膠合”起來(lái)，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(diǎn)上排列著金屬原子，晶格結(jié)點(diǎn)間以金屬鍵相結(jié)合；金屬鍵沒(méi)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(diǎn)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(lái)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(jiàn)的有三種

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

離子晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上交替排列著正負(fù)離子，正負(fù)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(hào)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(yáng)離子：小球，填充空隙。規(guī)則：陰陽(yáng)離子相互接觸；配位數(shù)大，穩(wěn)定。（1）離子晶體的熔點(diǎn)較高，硬度較大，難揮發(fā)（2）離子晶體在溶于水或熔融時(shí)，可以導(dǎo)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(gè)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(gè)數(shù)：(紅球：Cs+,綠球：Cl-)晶格：簡(jiǎn)單立方配位比：8:8晶胞中離子的個(gè)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(diǎn)上排列著原子，晶格結(jié)點(diǎn)間以共價(jià)鍵結(jié)合。原子晶體具有熔點(diǎn)高、硬度大的特點(diǎn)。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(diǎn)上排列著分子，晶格結(jié)點(diǎn)以微弱的分子間力結(jié)合。分子晶體物質(zhì)一般熔點(diǎn)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(fù)離子原子分子金屬原子、正離子結(jié)合力離子鍵共價(jià)鍵分子間力金屬鍵熔、沸點(diǎn)高很高低高硬度硬很硬軟硬機(jī)械性能脆很脆弱有延展性導(dǎo)電、導(dǎo)熱性良好（熔融及水溶液）非導(dǎo)體非導(dǎo)體良好實(shí)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(diǎn)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(dǎo)電、導(dǎo)熱能力好熔點(diǎn)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(jià)性的離子鍵，鏈狀陰離子之間通過(guò)相隔較遠(yuǎn)的金屬陽(yáng)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(shí)易形成纖維。

非晶體、準(zhǔn)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(méi)有周期性特點(diǎn)，而是雜亂無(wú)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(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體是1984年科學(xué)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(zhǔn)晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對(duì)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(lái)才獲得了迅速的發(fā)展，這是因?yàn)橐壕Р牧系墓怆娦?yīng)被發(fā)現(xiàn)，因而被廣泛地應(yīng)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(mén)的科學(xué)研究及應(yīng)用的主題。目前己被廣泛使用于電子表，計(jì)算器和計(jì)算機(jī)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(xué)性質(zhì)像液體，可以自由流動(dòng)，但它的光學(xué)性質(zhì)卻像晶體，顯各向異性。有的液晶的透明性會(huì)隨電壓而變化，加電壓時(shí)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(diǎn)：納米材料納米材料是以維數(shù)尺寸定義的材料，要求顆粒或尺寸至少在一維尺度上小于100nm。它介于宏觀與微觀之間的介觀物質(zhì)。20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)。納米材