第二章.晶体结构

1、1 Chapter 2 Structure and property of materials第一章第一章 晶体晶体主讲人：吴称意主讲人：吴称意2 2.2 Crystal & non-crystal非晶体非晶体1. 1. 晶体与非晶体的结构和特点晶体与非晶体的结构和特点晶体晶体原子或原子团、离子或分子在空间原子或原子团、离子或分子在空间按按一定规律呈周期性一定规律呈周期性地排列构成的地排列构成的固体固体原子、分子或离子无原子、分子或离子无规则地堆积在一起所规则地堆积在一起所形成的固体形成的固体3 2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英玻璃石英晶体石英晶体4 2.3

2、.3 Structure & physical performance of crystal materials 晶体的特征晶体的特征1）均匀性均匀性2）各向异性各向异性3）自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形4）晶体具有明显确定的熔点晶体具有明显确定的熔点周期性周期性5）晶体的对称性晶体的对称性 6）晶体对晶体对X X射线的衍射射线的衍射 各向异性各向异性: 晶体的导热、导电、光的透射、折射、晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异而异.石墨在与层平行的方向上具有导电性，而在与石墨在与层平行的方向上具有

3、导电性，而在与层垂直的方向上就不具有导电性。层垂直的方向上就不具有导电性。若在水晶的柱面上涂一层蜡，用红热的针接触若在水晶的柱面上涂一层蜡，用红热的针接触蜡面中央，蜡熔化呈椭圆形而不呈圆形，这是蜡面中央，蜡熔化呈椭圆形而不呈圆形，这是由于水晶柱面长轴方向与短轴方向传热速度不由于水晶柱面长轴方向与短轴方向传热速度不同。同。从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性质不同。吸收性质不同。6 Crystal symmetry石英晶体的石英晶体的 形状与对称元素形状与对称元素平移

4、对称性示意图平移对称性示意图非晶体的宏观特征非晶体的宏观特征: :1 1）只有玻璃转化温度，无熔点。）只有玻璃转化温度，无熔点。2 2）没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体，丝，薄膜）没有规则的多面体几何外型，可以制成玻璃体，丝，薄膜等特殊形态。等特殊形态。3 3）物理性质各向同性。）物理性质各向同性。4 4）均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，无晶界）均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，无晶界. . 准晶体准晶体是是19841984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有完全有序一种介于晶体和非晶体之间的固体。

5、准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。 准晶体的发现准晶体的发现 一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理地的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使准态物理地的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。晶体具有潜在的应用价值。2 2、晶胞、晶胞(unit cell) 晶体中最小的结构重复晶体中最小的结构重复单元，形状为单元，形状为平行六面

6、体，平行六面体，其三边长度其三边长度a,b,ca,b,c不一定相等，也不一定垂直。整个晶不一定相等，也不一定垂直。整个晶体是由晶胞并置堆砌而体是由晶胞并置堆砌而成。 划分晶胞要遵循划分晶胞要遵循2 2个原则：个原则：1)1)是尽可能反映晶体内是尽可能反映晶体内结构的对称性；结构的对称性；2)2)是尽可能小。是尽可能小。 晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶胞晶胞。14 Unit cella、b、c : 确定晶胞大小确定晶胞大小 、 、 : 确定晶胞形状确定晶胞形状晶胞晶胞参数参数晶胞晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子离子)的坐标3 3、晶

7、胞的分类、晶胞的分类 晶系晶系 晶系晶系 晶轴晶轴 轴间夹角轴间夹角 实例实例 立方立方 a = b = c = 900 Cu, NaCl 四方四方 a = b c = 900 Sn, SiO2 正交正交 a = b c = 900 I2, BaCO3 三方三方 a = b = c = 900 As, Al2O3 a = b c = 900 ， = 1200 单斜单斜 a b c = = 900 ， 900 KClO3 三斜三斜 a b c 900 K2CrO7 六方六方 a = b c = 900， =1200 Mg,CuS 晶胞中质点个数的计算：晶胞中质点个数的计算： 晶体密度的计算：晶体

8、密度的计算：AVNnMVW3、已知一个金属铜的晶胞切割，该晶胞的边长为3.6210-10m，每一个铜原子的质量为1.05510-25kg ，试回答下列问题：（1）一个晶胞中“实际”拥有的铜原子数是多少？（2）该晶胞的体积是多大？（3）利用以上结果计算金属铜的密度。 晶体空间利用率的计算晶体空间利用率的计算：晶胞的体积和晶胞中所有质点的体积空间利用率%4 4、晶体的缺陷：、晶体的缺陷： 晶体的缺陷影响晶体的性质，可使晶体的某些优晶体的缺陷影响晶体的性质，可使晶体的某些优良性能降低，但是从缺陷可以改变晶体的性质角度看，良性能降低，但是从缺陷可以改变晶体的性质角度看，在晶体中造成种种缺陷，就可以使晶

9、体的性质有着各在晶体中造成种种缺陷，就可以使晶体的性质有着各种各样的变化，晶体的许多重要性能由缺陷产生。改种各样的变化，晶体的许多重要性能由缺陷产生。改变晶体缺陷的形式和数量，就可制得所需性能的晶体。变晶体缺陷的形式和数量，就可制得所需性能的晶体。21 2.4.1.1 Point defect22 钙钛矿型钙钛矿型非整比化合物非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这种缺陷，使固体具有超导性能。种缺陷，使固体具有超导性能。 23 Example Ca TiOBaYCuOab TiOBaYCuOabYBa2Cu

10、3O7-x的缺陷型钙钛矿结构的缺陷型钙钛矿结构 5、金属晶体的结构金属晶体的结构 等径圆球堆积模型等径圆球堆积模型: :（1 1）简单立方堆积）简单立方堆积形成简单立方晶胞，空间利形成简单立方晶胞，空间利用率较低用率较低5252 ，金属钋，金属钋（PoPo）采取这种堆积方式。）采取这种堆积方式。2 2）体心立方堆积）体心立方堆积( (bccbcc ，A2)碱金属、碱金属、-Fe 、 难熔金属难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 26 a ：晶胞单位长度：晶胞单位长度 R ：原子半径：原子半径R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc

11、R RR Ra aR R 单位晶胞原子数单位晶胞原子数 n = 2bcc3 3）面心立方堆积）面心立方堆积(fccfcc ，A1)Al，Ni， Pb，Pd， Pt，贵金属贵金属 以及以及 奥氏体不锈钢等奥氏体不锈钢等 29 fccR Ra aa aR R2424 n = 474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R 4 4）六方堆积）六方堆积(hcphcp， A3)-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等等 22360sinaaaS平行六面体的底是个平行四边形，各边为平行六面体的底是个平行四边形，各边为a=2R,平行四边形的面积平行四边形的面积平行

12、六面体的高平行六面体的高aaah3623622的四面体高边长为32 hcpR Ra aa ac c238 n = 274. 0)2(2338)3/4(2)23()3/4(2333hcpRRaacR5)5)金刚石型堆积金刚石型堆积(A4)aR836 6、离子晶体、离子晶体（1 1）CsClCsCl型型: : (CsCl, CsBr, CsI, NH(CsCl, CsBr, CsI, NH4 4Cl)Cl) )( 23RRa（2 2）NaClNaCl型型: :)(2RRa（3）立方ZnS4） CaF2型 一个离子周围异电性离子的个数受离子半径比等因素制约，离子半径越大，周围可容纳的异电性离子就越多

13、。在理论上，只有当正负离子半径比处在一定范围内，才能在离子晶体中呈现某种稳定的配位多面体。正负离子半径比和离子配位多面体离子晶体中的稳定配位多面体的离子晶体中的稳定配位多面体的理论理论半径比半径比配位多面体配位多面体配位数配位数半径比半径比(r+/r)范围范围平面三角形平面三角形30.155-0.225四面体四面体40.225-0.414八面体八面体60.414-0.732立方体立方体80.732-1.000立方八面体立方八面体121.0005 5）晶格能）晶格能 晶格能晶格能( (U U) )是指将是指将1 1摩离子晶体里的正负离子（克服摩离子晶体里的正负离子（克服晶体中的静电引力）完全气化

14、而远离所需要吸收的能量晶体中的静电引力）完全气化而远离所需要吸收的能量（数符为（数符为+ +）。例如：）。例如：NaCl(s)NaNaCl(s)Na+ +(g)+Cl(g)+Cl(g) (g) U U=786kJmol=786kJmol11 晶格能越大，表明离子晶体中的离子键越稳定。一般晶格能越大，表明离子晶体中的离子键越稳定。一般而言，晶格能越高，离子晶体的熔点越高、硬度越大。而言，晶格能越高，离子晶体的熔点越高、硬度越大。晶格能大小还影响着离子晶体在水中的溶解度、溶解热晶格能大小还影响着离子晶体在水中的溶解度、溶解热等性质。等性质。 LiF LiCl LiBr LiI(g/100mLH2O

15、) 0.27 64 145 165注：注：无机盐的溶解是水合离子的生成过程：无机盐的溶解是水合离子的生成过程： MX(s) MX(s)M M+ +(g)+X(g)+X- -(g) (g) M M+ +(aq)+X(aq)+X- -(aq)(aq) 离子晶体在水中的溶解度与溶解热不但与晶体离子晶体在水中的溶解度与溶解热不但与晶体中离子克服晶格能进入水中吸收的能量有关，还与中离子克服晶格能进入水中吸收的能量有关，还与进入水中的离子发生水化放出的能量（水化热）有进入水中的离子发生水化放出的能量（水化热）有关关。RRZZmpmRZZmRNeZZU U )mol(KJ )11 ()(39. 1)11 (

16、41 -00002某些离子晶体的晶格能以及晶体中的离子电某些离子晶体的晶格能以及晶体中的离子电荷、核间距、晶体的熔点、硬度荷、核间距、晶体的熔点、硬度AB型型离子晶体离子晶体最短核间最短核间距距ro/pm晶格能晶格能U/kJmol1熔点熔点m.p./oC摩氏摩氏硬度硬度NaF2319239933.2NaCl2827868012.5NaBr2987477472.5NaI323704661 2.5MgO210379128526.5CaO240340126144.5SrO257322324303.5BaO256305419183.3 7、原子晶体原子晶体 同种非金属元素或异种非金属元素的原子以共价同

17、种非金属元素或异种非金属元素的原子以共价键结合而成无限分子的晶体键结合而成无限分子的晶体. .1)1)金刚石型金刚石型2）SiO2石英晶体8、分子晶体分子晶体 1 1）单原子分子形成的晶体（惰性元素晶体）单原子分子形成的晶体（惰性元素晶体） -纯的范德华力纯的范德华力 2 2）原子先以共价键结合成分子）原子先以共价键结合成分子, ,分子间再以范德华分子间再以范德华力或氢键等结合形成的晶体力或氢键等结合形成的晶体. . 9、混合键型晶体混合键型晶体 内部结构包含有两种以上键型的晶体（内部结构包含有两种以上键型的晶体（Ca(OH)Ca(OH)2 2, , Mg(OH)Mg(OH)2 2CaICaI2 2, MgI, MgI2 2, MgBr, MgBr2 2,CdI,CdI2 2,).,).19991999年美国年美国科学科学杂志报道：在杂志报道：在40GPa40GPa高压下，用激光器加热到高压下，用激光器加热到1800K1800K，人，人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是 A A 原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度B B 原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料C C 原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料