大学材料科学经典第二章材料的晶体结构 ppt课件

1、 第二章 资料的晶体构造 本章的主要内容本章的主要内容 晶体学根底晶体学根底 纯金属的晶体构造纯金属的晶体构造 离子晶体的晶体构造离子晶体的晶体构造 共价晶体的晶体构造共价晶体的晶体构造第一节第一节 晶体学根底晶体学根底 一、晶体构造、空间点阵和晶胞 晶体构造：晶体中原子分子、离子在三维空间的详细陈列方式。 空间点阵：由几何点做周期性的规那么陈空间点阵：由几何点做周期性的规那么陈列所构成的三维阵列。列所构成的三维阵列。 空间点阵中的点空间点阵中的点阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境一样。一样。 晶格：描画晶体中原子陈列规律的空间格晶格：描画晶体中原子陈列规

2、律的空间格架称之为晶格。架称之为晶格。 晶胞：空间点阵中能代表晶胞：空间点阵中能代表原子陈列规律的最小的几原子陈列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最根本单成空间点阵的最根本单元。元。能表达晶体构造能表达晶体构造的最小反复单位。的最小反复单位。 换言之：晶胞在三维空换言之：晶胞在三维空间有规那么地反复陈列组间有规那么地反复陈列组成了晶体。成了晶体。 选取原那么：选取原那么： 可以充分反映空间点阵的对称性；可以充分反映空间点阵的对称性； 相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多； 具有尽能够多的直角；具有尽能够多的直角； 体积最小。体积最小。 晶格常数晶

3、格常数点阵常数点阵常数 三个棱边的长度三个棱边的长度a,b,c及其夹角及其夹角,表示。表示。二、二、.晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵 1855年年,法国学者布拉维法国学者布拉维(Bravais)用用数学方法证明了空间点阵共有且只数学方法证明了空间点阵共有且只 能有能有十四种十四种,并归纳为七个晶系并归纳为七个晶系: 1). 三斜晶系三斜晶系 a = b = c , = = = 90; 2). 单斜晶系单斜晶系 a = b = c , = = 90 = ; 3). 正交晶系正交晶系 a = b = c , = = = 90 ; 4). 六方晶系六方晶系 a = b = c , = 90,=12

4、0; 5). 菱方晶系菱方晶系 a = b = c , = = = 90; 6). 正方晶系正方晶系 a = b = c , = = = 90; 7). 立方晶系立方晶系 a = b = c , = = = 90;布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞三斜：简单三斜单斜：简单单斜 底心单斜,90oabc,90oabc正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交,90oabc菱方：简单菱方六方：简单六方123,90 ,120ooaaac,90oabc四方：简单四方 体心四方,90oabc立方：简单立方 体心立方 面心立方,90oabc 如：底心正方点阵的表示如：底心正方点阵的表示晶体构造和空间点阵的区

5、别空间点阵是晶体中质点陈空间点阵是晶体中质点陈列的几何学笼统，用以描列的几何学笼统，用以描画和分析晶体构造的周期画和分析晶体构造的周期性和对称性，由于各阵点性和对称性，由于各阵点的周围环境一样，它只能的周围环境一样，它只能有有14中类型中类型晶体构造那么是晶体中实晶体构造那么是晶体中实践质点原子、离子或分践质点原子、离子或分子的详细陈列情况，它子的详细陈列情况，它们能组成各种类型的陈列，们能组成各种类型的陈列，因此，实践存在的晶体构因此，实践存在的晶体构造是无限的。造是无限的。晶体构造和空间点阵的区别晶体结和空间点阵的区别 三、晶面指数和晶相指数三、晶面指数和晶相指数.晶面晶面(crystal

6、 face): 在晶格中由一系列在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。原子所构成的平面称为晶面。 晶面指数：表示晶面方晶面指数：表示晶面方位的符号。位的符号。 标定方法：标定方法：建立坐标系建立坐标系 结点为原结点为原点，三棱为方向，点点，三棱为方向，点阵常数为单位阵常数为单位 原原点在标定面以外，可点在标定面以外，可以采用平移法；以采用平移法；晶面在三个坐标上的截晶面在三个坐标上的截距距a1 a2 a3 a1 a2 a3 ； 计算其倒数计算其倒数 b1 b2 b1 b2 b3 b3 ；化成最小、整数比化成最小、整数比h h：k k：l l ；放在圆方括号放在圆方括号(hkl)(hkl)，

7、不，不加逗号，负号记在上加逗号，负号记在上方方 。建立坐标系建立坐标系 结点为结点为原点，三棱为方向，原点，三棱为方向，点阵常数为单位点阵常数为单位 原原点在标定面以外，可点在标定面以外，可以采用平移法；以采用平移法；晶面在三个坐标上的晶面在三个坐标上的截距截距a1 a2 a3 a1 a2 a3 ；计算其倒数计算其倒数 b1 b2 b1 b2 b3 b3 ； 化成最小、整数比化成最小、整数比h h：k k：l l ；放在圆方括号放在圆方括号(hkl)(hkl)，不加逗号，负号记在不加逗号，负号记在上方上方 。晶面指数：表示晶面方位晶面指数：表示晶面方位的符号。的符号。晶面指数特征：与原点位置无

8、关；每一指数对应晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。平行晶面的晶面指数一样，或一组平行的晶面。平行晶面的晶面指数一样，或数字一样，符号相反。数字一样，符号相反。 晶面族：原子陈列情况一样，但空间位向不同的晶面族：原子陈列情况一样，但空间位向不同的一组晶面的集合。一组晶面的集合。 表示方法：用花括号表示方法：用花括号hklhkl表示。例如：表示。例如： 可见恣意交换指数的位置和改动符号后的一切结可见恣意交换指数的位置和改动符号后的一切结果都是该族的范围。果都是该族的范围。晶面指数的例子 正交点阵中一些晶面的面指数晶向晶向(crystal direction): 在晶格中在晶

9、格中,恣意两原子之间的恣意两原子之间的连线所指的方向。代表了晶体中原子列的方向。连线所指的方向。代表了晶体中原子列的方向。晶向指数：表示晶向方位晶向指数：表示晶向方位符号。符号。 标定方法：标定方法：建立坐标系建立坐标系 结点为原点，结点为原点，三棱为方向，点阵常三棱为方向，点阵常数为单位数为单位 ；在晶向上任两点的坐标在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x1,y1,z1) (x2,y2,z2)(x2,y2,z2)。( (假设假设平移晶向或坐标，让平移晶向或坐标，让第一点在原点那么下第一点在原点那么下一步更简单一步更简单) )； 计算计算x2-x1 x2-x1 ： y2-y1 y2-y

10、1 ： z2-z1 z2-z1 ；化成最小、整数比化成最小、整数比u u：v v：w w ；放在方括号放在方括号uvwuvw中，不中，不加逗号，负号记在上加逗号，负号记在上方方 。晶向指数的例子 正交晶系一些重要晶向的晶向指数正交晶系一些重要晶向的晶向指数一、晶向与立方晶系晶向指数一、晶向与立方晶系晶向指数晶向族：原子陈列情况一样，但空间位向不同的一组晶向族：原子陈列情况一样，但空间位向不同的一组晶向的集合。晶向的集合。 表示方法：用尖括号表示方法：用尖括号表示表示 。举例：举例：可见恣意交换指数的位置和改动符号后的一切结可见恣意交换指数的位置和改动符号后的一切结果都是该族的范围。果都是该族的

11、范围。晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行方向一致的晶向。假设晶体中两晶向相互平平行方向一致的晶向。假设晶体中两晶向相互平行但方向相反，那么晶向指数中数字一样而符号行但方向相反，那么晶向指数中数字一样而符号相反。相反。 n在立方晶系中，具有一样指数的晶向和晶面在立方晶系中，具有一样指数的晶向和晶面相互垂直。相互垂直。试阐明一个面心立方等于一个体心四方构造。在立方系中绘出110、111晶面族所包括的晶面，及112和1 0晶面。2三、六方晶系晶面与晶向指数三、六方晶系晶面与晶向指数 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数1 1、晶面指数：、

12、晶面指数：建立坐标系：在六方晶系中，为了建立坐标系：在六方晶系中，为了明确的表示晶体底面的明确的表示晶体底面的( (六次六次) )对称对称性，底面用互成性，底面用互成120120度的三个坐标度的三个坐标轴轴x1x1、x2x2、x3x3，其单位为晶格常数，其单位为晶格常数a a，加上垂直于底面的方向，加上垂直于底面的方向Z Z，其单，其单位为高度方向的晶格常数位为高度方向的晶格常数c c。留意。留意x1x1、x2x2、x3x3三个坐标值不是独立的三个坐标值不是独立的变量。变量。 方法同立方晶系，方法同立方晶系， (hkil) (hkil)为在四为在四个坐标轴的截距倒数的化简，自然个坐标轴的截距倒

13、数的化简，自然可保证关系式可保证关系式h hk kI I0 0。底面指。底面指数为数为(0001),(0001),侧面的指数为侧面的指数为(1010)(1010)。三、六方晶系晶面与晶向指数三、六方晶系晶面与晶向指数 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数2 2、晶向指数、晶向指数标定方法：标定方法：平移晶向平移晶向( (或坐标或坐标) )，让原，让原点为晶向上一点，取另一点为晶向上一点，取另一点的坐标，有点的坐标，有: :并满足并满足p pq qr r0 0 ；化成最小、整数比化成最小、整数比 u u：v v：t t：w w放在方方括号放在方方括号uvtwuvtw，不加逗号，负号记在上方，不加

14、逗号，负号记在上方 。六方晶系中，三轴指数和四轴指数的相互转化三轴晶向指数(U V W)四轴晶向指数(u v t w)三轴晶面指数(h k l)四轴晶面指数(h k i l)i ( h + k ) 。三、六方晶系晶面与晶向指数三、六方晶系晶面与晶向指数 晶系晶向与晶面指数晶系晶向与晶面指数3 3、晶向族与晶面族、晶向族与晶面族 同一族的晶向或晶面同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；也具有等同的效果； 三个程度方向具有等三个程度方向具有等同的效果，指数的交同的效果，指数的交换只能在他们之间进换只能在他们之间进展，展，Z Z轴只能改动符轴只能改动符号号 ； 改动符号时，前三项要满足改动符号时，前三

15、项要满足p pq qr r0 0的相关性的相关性要求。要求。三、其他晶体学概念三、其他晶体学概念 2.2.晶面的原子密度面晶面的原子密度面密度密度 ：该晶面单：该晶面单位面积上的节点位面积上的节点( (原原子子) )数。数。 1.1.晶向的原子密度线密晶向的原子密度线密度：该晶向单位长度上度：该晶向单位长度上的节点的节点( (原子原子) )数。数。3.3.晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的一切晶面晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的一切晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。用晶带轴的晶向指数表示。在立方晶系中有：在

16、立方晶系中有： 晶面晶面(hkl)(hkl)和其晶带轴和其晶带轴uvwuvw的的指数之间满足关系：指数之间满足关系：晶带定律的运用1晶面1 (h1 k1 l1)晶面2 (h2 k2 l2)晶带轴 (u v w)111111222222: :kllhhku v wkllhhk111222uvwhklhkl晶带定律的运用2晶向1 (u1 v1 w1)晶向2 (u2 v2 w2)晶面 (h k l)111111222222:vwwuuvh k lvwwuuv111222hkluvwuvw晶带定律的运用3晶轴1 (u1 v1 w1)晶轴2 (u2 v2 w2)晶轴3 (u3 v3 w3)假设那么三个晶

17、轴同在一个晶面上0333222111wvuwvuwvu晶带定律的运用4晶面1 (h1 k1 l1)晶面2 (h2 k2 l2)晶面3 (h3 k3 l3)假设那么三个晶面同属一个晶带1112223330hklhklhkl三、其他晶体学概念三、其他晶体学概念 4.4.晶面间距：指相邻两个平行晶面之间晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的间隔的间隔 晶面间的间隔越大，晶面上的原子陈列晶面间的间隔越大，晶面上的原子陈列越密集。越密集。 同一晶面族的原子陈列方式一样，它们同一晶面族的原子陈列方式一样，它们的晶面间的间距也一样。的晶面间的间距也一样。晶面间距3正交晶系立方晶系六方晶系222hkladhkl2

18、221hkldhklabc22222143hkldhhkklac不同晶面族的晶面间距也不一样。不同晶面族的晶面间距也不一样。 在简单立方晶胞中在简单立方晶胞中复杂立方晶胞复杂立方晶胞其中其中fccfcc和和bccbcc晶体中晶体中m m普通为普通为2 2，但要详细，但要详细分析。分析。晶面间距4复杂晶胞复杂晶胞体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方h + k + l = 奇数奇数h k l不全为奇数或者不全为偶数不全为奇数或者不全为偶数h + 2k = 3n (n=1,2,3.), l为奇数为奇数附加面附加面Dhkl/2三、其他晶体学概念三、其他晶体学概念 5.5.两晶向之间的夹角：

19、两晶向之间的夹角：在立方晶系中按矢量关系，晶向在立方晶系中按矢量关系，晶向u1v1w1u1v1w1与与u2v2w2u2v2w2之间的夹角满足关系：之间的夹角满足关系：在立方晶系，晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角，在立方晶系，晶面之间的夹角也就是为其法线的夹角， 用对应的晶向同样可以求出。用对应的晶向同样可以求出。非立方晶系，晶面或晶向之间的夹角可以计算，但要非立方晶系，晶面或晶向之间的夹角可以计算，但要复杂许多。复杂许多。第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造构造特点构造特点: :以金属键结合，失去外层电子的金属离子与以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自在电子的吸引力。无

20、方向性，对称性较高的密堆自在电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆构造。构造。常见构造：常见构造：体心立方体心立方 bcc Body-centered cubic bcc Body-centered cubic面心立方面心立方 fcc Face-centered cubic fcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 cph Close-packed cph Close-packed hexagonalhexagonal一、体心立方一、体心立方第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造原子位置原子位置 立方体的八个顶角和体心立方体的八个顶角和体心 常见金属：钒

21、、铌、钽、钼、钡、常见金属：钒、铌、钽、钼、钡、钛、钛、铁、铁、铁、铁、钨钨体心立方中原子陈列体心立方中原子陈列第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造在体心立方晶格中密排面为在体心立方晶格中密排面为110，密排方向为，密排方向为体心立方中的体心立方中的间隙间隙第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造八面体间隙：八面体间隙：位置位置 面心和棱中点面心和棱中点 单胞数量单胞数量 12/4 + 6/2 = 6 12/4 + 6/2 = 6大小大小 四面体间隙：四面体间隙：侧面中心线侧面中心线1/41/4和和3/43/4处处 12 12 个个 二、面心立方二、面心立方第二

22、节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造原子位置原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心立方体的八个顶角和每个侧面中心 常见金属：铜、银、金、铝、镍、铅、铹、常见金属：铜、银、金、铝、镍、铅、铹、铁、铁、钴、钴、锰。锰。面心立方中原子陈列面心立方中原子陈列第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造在面心立方晶格中密排面为在面心立方晶格中密排面为111，密排方向为，密排方向为面心立方中的间隙面心立方中的间隙第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造 将原子假定为将原子假定为刚性球，他们在堆刚性球，他们在堆垛陈列时必然存在垛陈列时必然存在间隙。在面心立方间隙。在面

23、心立方晶格中存在的间隙晶格中存在的间隙主要有两种方式：主要有两种方式： 八面体间隙：八面体间隙：位置位置 体心和棱中点体心和棱中点单胞数量单胞数量 12/4 + 1 = 4 12/4 + 1 = 4 大小大小 四面体间隙：四面体间隙：位置位置 四个最近邻原子的中心四个最近邻原子的中心 单胞数量单胞数量 8 8 大小大小 三、密堆六方三、密堆六方第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造原子位置原子位置 12 12个顶角、上下底心和体内个顶角、上下底心和体内3 3处处 在密堆六方晶格中密排面为在密堆六方晶格中密排面为0001，密排方向为，密排方向为常见金属：镁、锌、镉、常见金属：镁、

24、锌、镉、钛、钛、铍、铍、钴、锆钴、锆密堆六方中的密堆六方中的间隙间隙第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造八面体间隙：八面体间隙：位置位置 体内体内 单胞数量单胞数量 6 6大小大小 四面体间隙：四面体间隙：位置位置 棱和中心线的棱和中心线的1/41/4和和3/43/4处处 单胞数量单胞数量 12 12大小大小1、总结三种常见金属晶体构造的特征、总结三种常见金属晶体构造的特征 2、知道某金属的晶体构造、密度、原子量求原子半、知道某金属的晶体构造、密度、原子量求原子半径。径。四、面心立方和密四、面心立方和密堆六方的原子堆垛堆六方的原子堆垛第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常

25、见的晶体构造原子的密排面的方式：原子的密排面的方式： 在平面上每个原在平面上每个原子与六个原子相切。子与六个原子相切。 hcphcp中为中为(0001)(0001)面，按面，按 ABABABABAB- ABABABABAB-方式堆垛方式堆垛 FccFcc中为中为111111面，面， 按按 ABCABCABCABC- ABCABCABCABC-方式堆垛方式堆垛 二二 金属晶体的密堆积构造金属晶体的密堆积构造 金属晶体中原子是以严密堆积的方式存在的金属晶体中原子是以严密堆积的方式存在的 。下面用等径刚。下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式。性球模型来讨论堆积方式。 在一个层中，最严密的堆积方式，是一

26、个球与周围在一个层中，最严密的堆积方式，是一个球与周围 6 个球相个球相切，在中心的周围构成切，在中心的周围构成 6 个凹位，将其算为第一层。个凹位，将其算为第一层。123456 第二层第二层 对第一层来讲最严密的堆积方式是将球对准对第一层来讲最严密的堆积方式是将球对准 1，3，5 位。位。 ( 或对准或对准 2，4，6 位，其情形是一样的位，其情形是一样的 )123456AB， 关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最严关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最严密的堆积方式。密的堆积方式。 以下图是此种六方以下图是此种六方严密堆积的前视图严密堆积的前视图ABABA 第一种

27、是将球对准第一层的球。第一种是将球对准第一层的球。123456 于是每两层构成一个周期，于是每两层构成一个周期，即即 AB AB 堆积方式，构成六堆积方式，构成六方严密堆积。方严密堆积。 配位数配位数 12 。 ( 同层同层 6，上下层各，上下层各 3 ) 第三层的另一种陈列第三层的另一种陈列方式，是将球对准第一层方式，是将球对准第一层的的 2，4，6 位，不同于位，不同于 AB 两层的位置，这是两层的位置，这是 C 层。层。123456123456123456123456此种立方严密堆积的前视图此种立方严密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于是构，于是构成成 ABC AB

28、C 三层一个周三层一个周期。期。 得到面心立方堆积。得到面心立方堆积。 配位数配位数 12 。( 同层同层 6， 上下层各上下层各 3 ) BCA ABC ABC 方式的堆积，方式的堆积，为什么是面心立方堆积？为什么是面心立方堆积？ 我们来加以阐明。我们来加以阐明。 这两种堆积都是最严密堆积，空间利用率为这两种堆积都是最严密堆积，空间利用率为 74.05%。 金属钾金属钾 K 的的立方体心堆积立方体心堆积 还有一种空间利用率稍低的堆积方式，立方体心堆积：立方还有一种空间利用率稍低的堆积方式，立方体心堆积：立方体体 8 个顶点上的球互不相切，但均与体心位置上的球相切。个顶点上的球互不相切，但均与

29、体心位置上的球相切。 配位数配位数 8 ，空间利用率为，空间利用率为 68.02% 。六方严密堆积六方严密堆积 IIIB，IVB面心立方严密堆积面心立方严密堆积 IB，Ni，Pd， Pt立方体心堆积立方体心堆积 IA，VB，VIB 金属的金属的堆积方式堆积方式五、其他晶体构造五、其他晶体构造第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造将两个原子为一组，满足面心立方关系。将两个原子为一组，满足面心立方关系。五、其他晶体构造五、其他晶体构造第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造侧面原子不在中心侧面原子不在中心面心正方面心正方三斜三斜六、其他概念六、其他概念第二节第二节 纯

30、金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造同素异晶转变同素异晶转变 大部分金属只需一种晶体构造，但大部分金属只需一种晶体构造，但也有少数金属如也有少数金属如FeFe、MnMn、TiTi、CoCo等具有两种或几种等具有两种或几种晶体构造，即具有多晶型。当外部条件晶体构造，即具有多晶型。当外部条件( (如温度和压如温度和压力力) )改动时，金属内部由一种晶体构造向另一种晶体改动时，金属内部由一种晶体构造向另一种晶体构造的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的构造的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶转变在热处置中有非常艰苦的意义同素异晶转变在热处置中有非常艰苦的意义 六、其他概念六、其他概念

31、第二节第二节 纯金属常见的晶体构造纯金属常见的晶体构造原子半径原子半径 当大量原子经过键合组成严密陈列的晶体当大量原子经过键合组成严密陈列的晶体时，利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中时，利用原子等径刚球密堆模型，以相切两刚球的中心距心距( (原子间距原子间距) )之半作为原子半径。原子半径的丈量之半作为原子半径。原子半径的丈量方法是利用方法是利用X X射线来先确定其晶体构造的类型和一些射线来先确定其晶体构造的类型和一些晶面的间距，然后根据晶体构造中原子陈列的关系计晶面的间距，然后根据晶体构造中原子陈列的关系计算出。算出。 原子的半径并不是固定不变的，它随着结合键的类型和外原子的半径并不

32、是固定不变的，它随着结合键的类型和外界环境不同而不同。普通表现规律为：界环境不同而不同。普通表现规律为：11温度升高，原子半径增大；温度升高，原子半径增大；22压力增大，原子半径减小；压力增大，原子半径减小；33原子间结合键愈强，如离子键或金属键，原子间距相应较小，原子间结合键愈强，如离子键或金属键，原子间距相应较小，即原子的半径也较小；即原子的半径也较小；44晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在晶体中，原子的配位数的降低，原子的半径也随之减小，在同素异晶转变中，这种改动可减小转变中的体积变化，铁的面同素异晶转变中，这种改动可减小转变中的体积变化，铁的面心立方与体心立方晶格之间

33、的变化就是一例。心立方与体心立方晶格之间的变化就是一例。 第三节 离子晶体的构造 一、离子晶体的主要特点 硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀系数小，脆性大、良好的绝缘体、无色透明。二 离子半径离子半径 指从原子核中心到其最外层电子的平均间隔指“离子晶体中正负离子核间的间隔就是正负离子半径之和 。用 d 表示离子半径：根据晶体中相邻正负离子间的核间距(d)测出的。 d = r+ + r- 有效离子半径 (1)格尔德施密特离子半径 鲍林从有效核电荷和屏蔽常数推算 2鲍林方法：他以为离子的大小，取决于最外层电子的分布，正负离子有一样离子构造时，离子半径与作用于最外 e 层上的 Z*成反比 R=C

34、n/(Z-)鲍林计算公式：R1=Cn/(Z-) Rw=R1(W)-2/(n-1) 离子半径：离子半径：离子半径变化规律：离子半径变化规律： 具有同一电子构造的正负离子中，负离子半径普通比正离子半具有同一电子构造的正负离子中，负离子半径普通比正离子半径大。径大。rNa+= 98pm, rF- = 133pm 同一元素不同价态的正离子，电荷数越少的离子半径越大。同一元素不同价态的正离子，电荷数越少的离子半径越大。rFe2+ rFe3+ 同一主族，从上到下，电荷数一样的离子半径依次增大。同一主族，从上到下，电荷数一样的离子半径依次增大。 同一周期主族元素正离子半径随离子电荷数增大而依次减小。rNa+

35、 rMg2+ rAl3+ 周期表中，每个元素与其临近的右下角或左上角元素离子半径接近。即对角线规那么。 rLi+ rMg2+ ; rSc3+ rZr4+ ; rNa+ rCa2+2、配位数 在离子晶体中，与某一调查离子邻接的异号粒子数目。155. 0132rr ,32rr1rrr,2330cosrrr所以：由于例如: 假设三个负离子堆积成一个正三角形, 在空隙中嵌入一个正离子, 恰好与三个负离子相切时, 正、负离子的半径比最小值为: 配位数:配位数决议于正负离子半径之比.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

36、.225-0.414八面体八面体60.414-0.732立方体立方体80.732-1.000最严密堆积最严密堆积121.000离子的堆积 负离子堆积成骨架，正离子居于空隙中，构成负离子配位多面体。 负离子配位多面体 在离子晶体构造中，与某面体一个正离子成配位关系而邻接的各个负离子中心线所构成的离子晶体的构造规那么离子晶体的构造规那么 1.负离子配位多面体规那么 在离子晶体中，正离子的周围构成一个负离子配位多面体; 正负离子间的平衡间隔取决于离子半径之和; 而正离子的配位数那么取决于正负离子的半径比。 这是鲍林第一规那么。、NaClNaCl型型 正负离子配位数为正负离子配位数为6 6，正八面体构

37、造。正八面体构造。r+/r-r+/r-0.4140.4140.7320.732、CsClCsCl型型 正负离子配位数为正负离子配位数为8 8，正立方体构造。正立方体构造。r+/r-r+/r-0.7321.000.7321.00、ZnSZnS型型 正负离子配位数为正负离子配位数为4 4，正，正四面体构造。四面体构造。r+/r-r+/r-0.2250.4140.2250.414、CaF2CaF2型型 正离子配位数为正离子配位数为8 8，负离子配位数为负离子配位数为4 4。、TiO2TiO2型型 正离子配位数为正离子配位数为6 6，负，负离子配位数为离子配位数为3 3。离子晶体的构造规那么离子晶体的

38、构造规那么 将离子晶体构造视为由负离子配位多面体将离子晶体构造视为由负离子配位多面体按一定方式衔接而成，正离子那么处于负按一定方式衔接而成，正离子那么处于负离子多面体的中央，故配位多面体才是离离子多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正构造基元。子晶体的真正构造基元。 离子晶体中，正离子的配位数通常为离子晶体中，正离子的配位数通常为4 4和和6 6，但也有少数为，但也有少数为3 3，8 8，1212。离子晶体的构造规那么离子晶体的构造规那么 2.电价规那么 在一个稳定的离子晶体构造中，每个负离子的电价Z-等于或接近等于与之相邻接的各正离子静电强度S的总和。这就是鲍林第二规那么，也称电价规那

39、么 S=Z+/n Z-=Si= (Z+/n) 决议了一个负离子被几个多面体共有离子晶体的构造规那么离子晶体的构造规那么 3.负离子多面体共用顶、棱和面的规那么 鲍林第三规那么指出：“在一配位构造中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个构造的稳定性。对于电价高，配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。离子晶体的构造规那么离子晶体的构造规那么 4.不同种类正离子配位多面体间衔接规那么 鲍林第四规那么以为：“在含有一种以上正负离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。离子晶体的构造规那么离子晶体的构造规那么 5.节约规那么 鲍林第五规那么指出：“在同一晶

40、体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限制地趋于一致。由于在一个均匀的构造中，不同外形的配位多面体很难有效堆积在一同。 典型的离子晶体构造典型的离子晶体构造 1.AB1.AB型化合物构造型化合物构造 a.CsCla.CsCl型构造型构造:CsCl:CsCl型构造是离型构造是离子晶体构造中最简单的一种，子晶体构造中最简单的一种，属立方晶系简单立方点阵，属立方晶系简单立方点阵，Pm3mPm3m空间群。空间群。CS+CS+和和Cl-Cl-半径之半径之比为比为0.169nm/0.181nm0.169nm/0.181nm0.9330.933，Cl-Cl-离子构成正六面体，离子构成正六面体，Cs+Cs+在在其中心，其中心，Cs+Cs+和和Cl-Cl-的配位数均的配位数均为为8 8，多面体共面衔接，一个晶，多面体共面衔接，一个晶胞内含胞内含Cs+Cs+和和Cl-Cl-各一个各一个 b.NaCl型构造:自然界有几百种化合物都属于NaCl型构造，有氧化物MgO，CaO，SrO，BaO，CdO，MnO，FeO，CoO，NiO；氮化物里TiN，LaN，ScN，CrN，ZrN；碳化