金属晶体结构

1、第三节第三节 单质晶体结构单质晶体结构 同种元素组成的晶体称为单质晶体。同种元素组成的晶体称为单质晶体。n一、金属晶体的结构一、金属晶体的结构 n二、非金属元素单质的晶体结构二、非金属元素单质的晶体结构 1.金属中原子紧密堆积的化学基础金属中原子紧密堆积的化学基础由于金属元素的最外层电子构型多数属于由于金属元素的最外层电子构型多数属于S型，而型，而S型型轨道没有方向性，它可以与任何方向的相邻原子的轨道没有方向性，它可以与任何方向的相邻原子的S轨道重轨道重叠，相邻原子的数目在空间几何因素允许的情况下并无严格叠，相邻原子的数目在空间几何因素允许的情况下并无严格的限制，因此，金属键既没有方向性，也没

2、有饱和性。当由的限制，因此，金属键既没有方向性，也没有饱和性。当由数目众多的数目众多的S轨道组成晶体时，金属原子只有按紧密的方式轨道组成晶体时，金属原子只有按紧密的方式堆积起来，才能使各个堆积起来，才能使各个S轨道得到最大程度的重叠，使晶体轨道得到最大程度的重叠，使晶体结构最为稳定。结构最为稳定。 一、金属晶体的结构一、金属晶体的结构2.常见金属晶体结构常见金属晶体结构 典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质，使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见性质，使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶体是的

3、典型金属晶体是面心立方、体心立方和密排六方面心立方、体心立方和密排六方三种三种晶体，其晶胞结构如图所示。另外，有些金属由于其键的性质晶体，其晶胞结构如图所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的共价键，会呈现一些不常见的结发生变化，常含有一定成分的共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是构。锡是A4型结构（与金刚石相似），锑是型结构（与金刚石相似），锑是A7型结构等。型结构等。 常见金属晶体的晶胞结构常见金属晶体的晶胞结构（a）面心立方）面心立方（A1型）型）（b）体心立方）体心立方（A2型）型）（c）密排六方）密排六方（A3型）型）(A)(A)面心立方晶体结构面心立方晶体结构n

4、结构特点结构特点: :质点位于角顶及面心质点位于角顶及面心n典型物质典型物质:Al:Al、CuCu、AgAg、AuAu等等面心立方晶体结构几何特征面心立方晶体结构几何特征n晶胞原子数晶胞原子数n=n=n原子半径原子半径r=r=n配位数配位数CN=12CN=12n八面体空隙和四八面体空隙和四面体空隙面体空隙4216188a42面心立方空隙面心立方空隙面心立方点阵四面体间隙面心立方点阵八面体间隙致密度致密度740423443443333.)(aaarVnv 体心立方晶体结构体心立方晶体结构n结构特点结构特点: :质点位于角顶及体心质点位于角顶及体心n典型物质典型物质:Cr:Cr、V V、MoMo等

5、等体心立方晶体结构几何特征体心立方晶体结构几何特征n晶胞原子数晶胞原子数n=n=n原子半径原子半径r=r=n配位数配位数CN=8CN=8n八面体空隙和四面体八面体空隙和四面体空隙空隙21188a43体心立方空隙体心立方空隙体心立方点阵四面体间隙体心立方点阵八面体间隙致密度致密度680433423423333.)(aaarVnv 密排六方晶体结构密排六方晶体结构n结构特点结构特点: :质点位于角顶、上下底面面心及质点位于角顶、上下底面面心及体内体内n典型物质典型物质:Mg:Mg、ZnZn、CdCd等等密排六方晶体结构几何特征密排六方晶体结构几何特征n晶胞原子数晶胞原子数n=n=n原子半径原子半径

6、r=r=n配位数配位数CN=12CN=12n八面体空隙和四八面体空隙和四面体空隙面体空隙632126112a21密排六方空隙密排六方空隙密排六方点阵四面体间隙密排六方点阵八面体间隙致密度致密度74032332134638232163346.)(aaaaarVnv 3.金属原子形成晶体时结构上的差异金属原子形成晶体时结构上的差异为什么有的金属形成为什么有的金属形成A1型结构，而有的形成型结构，而有的形成A2或或A3型结构？型结构？周期表中周期表中IA族的族的碱金属原子碱金属原子最外层电子皆为最外层电子皆为ns1，为了实现，为了实现最大程度的重叠，原子之间相互靠近一些较为稳定，配位数为最大程度的重

7、叠，原子之间相互靠近一些较为稳定，配位数为8的的一圈其键长比配位数为一圈其键长比配位数为12的一圈之键长的一圈之键长短短一些，即一些，即A2型型(体心堆积体心堆积)结构。结构。 IB族的铜、银、金在其最外层电子族的铜、银、金在其最外层电子4s1、5s1、6s1内都有内都有d10的的电子构型，即电子构型，即d轨道五个方向全被电子占满。这些不参与成键的轨道五个方向全被电子占满。这些不参与成键的d轨道在原子进一步靠近时产生斥力，使原子不能进一步接近，因轨道在原子进一步靠近时产生斥力，使原子不能进一步接近，因此，接触距离较大的此，接触距离较大的A1型结构就比较稳定。型结构就比较稳定。A1和和A3型最紧

8、密堆积结构之间也有差异。在两种结构中型最紧密堆积结构之间也有差异。在两种结构中每个原子周围均有每个原子周围均有12个最近邻原子，其距离为个最近邻原子，其距离为 r；有；有6个次近邻个次近邻原子，其距离为原子，其距离为 r；从第三层近邻起，两种堆积有一定差别。；从第三层近邻起，两种堆积有一定差别。根据计算，这种差别可以导致六方最紧密堆积的自由焓比面心根据计算，这种差别可以导致六方最紧密堆积的自由焓比面心立方最紧密堆积的自由焓低立方最紧密堆积的自由焓低0.01%左右。所以，有些金属常温左右。所以，有些金属常温下采用六方最紧密堆积，而在高温下由于下采用六方最紧密堆积，而在高温下由于A1的无序性比的无

9、序性比A3大，大，即即A1型比型比A3型具有更高的熵值，所以由型具有更高的熵值，所以由A3型转变到型转变到A1型时，熵型时，熵变变 S 0。温度升高，。温度升高，T S增大，增大， G= HT S 0，因此，高，因此，高温下温下A1型结构比较稳定。型结构比较稳定。 24.金属键的结构特征及金属的特性金属键的结构特征及金属的特性1)金属或合金在组成上不遵守定比或倍比定律金属或合金在组成上不遵守定比或倍比定律 金属键和离子键都没有方向性和饱和性。在离子晶体中，金属键和离子键都没有方向性和饱和性。在离子晶体中，为了保持电中性，正负离子在数目上具有一定比例，即离子为了保持电中性，正负离子在数目上具有一

10、定比例，即离子晶体中的正负离子在数目上符合化学中的定比或倍比定律。晶体中的正负离子在数目上符合化学中的定比或倍比定律。在金属或合金中，电中性并不取决于各种原子的相对数目，在金属或合金中，电中性并不取决于各种原子的相对数目，因此，金属往往很容易形成成分可变、不遵守定比或倍比定因此，金属往往很容易形成成分可变、不遵守定比或倍比定律的金属化合物律的金属化合物 。如：。如： Cu5Zn8、 MgCu2等等2) 金属或合金在力学性能上表现出良好的塑性和延展性金属或合金在力学性能上表现出良好的塑性和延展性 金属的范性变形起因于金属中的原子面在外力作用下金属的范性变形起因于金属中的原子面在外力作用下沿某个特

11、定原子面的某个特定方向的滑移。实验发现，铝沿某个特定原子面的某个特定方向的滑移。实验发现，铝晶体受拉力作用后，晶体变长，并不是原子间距离增大，晶体受拉力作用后，晶体变长，并不是原子间距离增大，而是晶体中各部分沿（而是晶体中各部分沿（111）晶面在）晶面在110方向上移动了原方向上移动了原子间距的整数倍（详细情况请参阅位错的运动）。所以，子间距的整数倍（详细情况请参阅位错的运动）。所以，晶体虽然变长，但晶体中原子间距仍然保持原来的周期性晶体虽然变长，但晶体中原子间距仍然保持原来的周期性而未改变。而未改变。单晶试棒在拉伸应力作用下的变化（宏观）单晶试棒在拉伸应力作用下的变化（宏观）（a）变形前）变

12、形前（b）变形后）变形后晶体中的原子面在外力作用下能否顺利实现滑移，取决于晶体中的原子面在外力作用下能否顺利实现滑移，取决于晶体中晶体中滑移系统滑移系统（由一个滑移面和一个滑移方向构成一个（由一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑滑移系统移系统）的多少。滑移系统越多，越容易产生塑性变形。反）的多少。滑移系统越多，越容易产生塑性变形。反之，滑移系统越少，材料的脆性越大。之，滑移系统越少，材料的脆性越大。典型的金属结构典型的金属结构，由于结合力没有方向性和饱和性、配位，由于结合力没有方向性和饱和性、配位数高、结构简单等原因，易产生滑移。数高、结构简单等原因，易产生滑移。共价晶体（如金刚石）共价晶体（如

13、金刚石）结构结构，要使滑移方向、键角方向、滑移周期都刚好一致是比，要使滑移方向、键角方向、滑移周期都刚好一致是比较困难的。较困难的。在离子晶体中在离子晶体中，虽然离子键也没有方向性和饱和，虽然离子键也没有方向性和饱和性，但滑移过程中在许多方向上有正负离子吸引、相邻同号性，但滑移过程中在许多方向上有正负离子吸引、相邻同号离子排斥，使滑移过程难以进行。离子排斥，使滑移过程难以进行。 在金属晶体中，其延展性也有差异。铜、银、金等金属的延展在金属晶体中，其延展性也有差异。铜、银、金等金属的延展性非常好，这是因为铜、银、金晶体中存在完整的性非常好，这是因为铜、银、金晶体中存在完整的d电子层，电子层，d电

14、子层电子层有互斥作用，使有互斥作用，使s电子重叠时不能进一步靠近，从而形成接触距离较电子重叠时不能进一步靠近，从而形成接触距离较大的大的A1型结构。而型结构。而A1型结构比型结构比A2、A3型结构和其它更复杂的结构有更型结构和其它更复杂的结构有更多的滑移系统。多的滑移系统。A1型金属具有型金属具有12个滑移系统，即个滑移系统，即4个个111面、面、3个滑个滑移方向移方向，故共有，故共有43=12个滑移系统。该面上原子堆积密度最个滑移系统。该面上原子堆积密度最大，相互平行的原子面间距离也最大。非金属晶体，如刚玉（大，相互平行的原子面间距离也最大。非金属晶体，如刚玉（ -Al2O3）只有只有1个滑

15、移面（个滑移面（001）和）和2个滑移方向，塑性变形受到严格限制，表个滑移方向，塑性变形受到严格限制，表现出脆性。现出脆性。 二、非金属元素单质的晶体结构非金属元素单质的晶体结构 1.惰性气体元素的晶体惰性气体元素的晶体 惰性气体在低温下形成的晶体为惰性气体在低温下形成的晶体为A1（面心立方）型或（面心立方）型或A3（六方密堆）型结构。由于惰性气体原子外层为满电子构型，（六方密堆）型结构。由于惰性气体原子外层为满电子构型，它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠微弱的没它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠微弱的没有方向性的有方向性的范德华力范德华力直接凝聚成最紧密堆积的直接凝聚成最

16、紧密堆积的A1型或型或A3型分型分子晶体。子晶体。 2.其它非金属元素单质的晶体结构其它非金属元素单质的晶体结构 休谟休谟-偌瑟瑞（偌瑟瑞（Hume-Rothery）规则）规则 如果某非金属元素的原子能以如果某非金属元素的原子能以单键单键与其它原子共价结与其它原子共价结合形成单质晶体，则每个原子周围共价单键的数目为合形成单质晶体，则每个原子周围共价单键的数目为8减去减去元素所在周期表的族数（元素所在周期表的族数（m），即共价单键数目为），即共价单键数目为8m，亦称为亦称为8m规则。规则。 对于第对于第VII族元素，每个原子周围共价单键个数为族元素，每个原子周围共价单键个数为87=1，因此，其晶

17、体结构是两个原子先以单键共价结合，因此，其晶体结构是两个原子先以单键共价结合成双原子分子，双原子分子之间再通过范德华力结合形成成双原子分子，双原子分子之间再通过范德华力结合形成分子晶体，如图分子晶体，如图2-11 。图图2-11 非金属元素单质晶体的结构基元非金属元素单质晶体的结构基元(a)第第VII族元素族元素图图2-12 非金属元素单质晶体的结构基元（非金属元素单质晶体的结构基元（b）第）第VI族元素族元素对于第对于第VI族元素，单键个数为族元素，单键个数为86=2，故其结构是，故其结构是共价结合的无限链状分子或有限环状分子，链或环共价结合的无限链状分子或有限环状分子，链或环之间由通过范德

18、华力结合形成晶体，如图之间由通过范德华力结合形成晶体，如图2-12对于第对于第V族元素，单键个数为族元素，单键个数为85=3，每个原子周围，每个原子周围有有3个单键（或原子），其结构是原子之间首先共价结合形个单键（或原子），其结构是原子之间首先共价结合形成无限层状单元，层状单元之间借助范德华力结合形成晶体，成无限层状单元，层状单元之间借助范德华力结合形成晶体，如图如图1-13 。 图图2-13 非金属元素单质晶体的结构基元非金属元素单质晶体的结构基元（c）第）第V族元素族元素对于第对于第IV族元素，单键个数为族元素，单键个数为84=4，每个原子，每个原子周围有周围有4个单键（或原子）。其中个单键（或原子）。其中C、Si、Ge皆为皆为金刚石结构，由四面体以共顶方式共价结合形成金刚石结构，由四面体以共顶方式共价结合形成三维空间结构，如图三维空间结构，如图1-14 。图图2-14 非金属元素单质晶非金属元素单质晶体的结构基元（体的结构基元（d）第）第IV族族元素元素金刚石结构金刚石结构n配位数为配位数为4 4n四个共价键形成四四个共价键形成四面体，四面体联合面体，四面体联合形成立方体结构，形成立方体结构，属面心立方结构属面心立方结构金刚石的配位情况金刚石的配