第四章无机非金属材料

材料化学第四章无机非金属材料江西农业大学理学院刘倩第四章无机非金属材料4.1离子晶体4.2分子间作用力与超分子化学4.3无机非金属材料4.1离子晶体一、几种二元离子晶体的典型结构形式二、离子键与晶格能三、离子半径四、Goldschmidt结晶化学定律五、关于多元复杂离子晶体结构的规则（Pauling规则）

构成晶体的粒子种类及粒子之间的作用晶体分类：离子晶体分子晶体原子晶体金属晶体依据：离子晶体定义：

正负离子间通过离子键结合而成的晶体在NaCl晶体中，每个Na+同时吸引6个Cl-,每个Cl-

同时吸引6个Na+。两种晶体中，均无单个分子存在，在CsCl晶体中，每个Cs+同时吸引8个Cl-,每个Cl-

同时吸引8个Cs+。NaCl和CsCl不是分子式。性质：硬度较高，密度较大，难压缩，难挥发分子晶体定义：分子间通过分子间作用力结合而成的晶体。这种分子间的作用力又叫做范德华力。

范德华(1837～1923)，荷兰物理学家。首先研究了分子间作用力。分子间作用力越大，克服分子间引力使物质熔化和气化就需要更多的能量，熔沸点越高HCl分子中，H－Cl键能为431kJ/mol,HCl分子间的作用力为21kJ/mol。范德华力化学键

存在于何种微粒之间

相互作用的强弱分子与分子间的作用力相邻原子间的相互作用弱（几到几十kJ/mol）强（120～800kJ/mol）（1）原子先以共价键结合成分子,分子间再以范德华力或氢键等结合形成的晶体.分子晶体（2）单原子分子形成的晶体（惰性元素晶体）

-----纯的范德华力实例：多数非金属单质（如卤素，氧气）氢化物（如氨，氯化氢）非金属氧化物（如一氧化碳，二氧化硫）稀有气体（如氦，氖，氩）特点：有单个分子存在，化学式就是分子式熔沸点较低，硬度较小。原子晶体定义：原子间以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体。如金刚石是以碳碳单键结合而成的正四面体的空间网状结构。熔点：3550℃金刚石（原子以共价键结合而成无限分子的晶体）常见的原子晶体的单质有金刚石、晶体硅、晶体硼；常见的原子晶体的化合物有二氧化硅、碳化硅、氮化硅。性质：熔沸点高，硬度大，难溶于一般溶剂。SiO2晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面体的原子晶体。其中含有20个等边三角形和一定数目的顶角，每个顶角各有一个B原子，试观察图形回答。这个基本结构单元由_____个硼原子组成，共含有________个B-B键。1230每个三角形有3个B，每个B为5个三角形所共有，所以每个三角形独有的B为3×1/5=0.6，共有20个三角形，20×0.6=12每个三角形有3个B-B键，每个B-B键为2个三角形所共有，所以每个三角形独有的B为3×1/2=1.5，共有20个三角形，20×1.5=30晶体类型微粒结合力熔沸点硬度实例离子晶体分子晶体原子晶体离子分子原子离子键范德华力共价键较高较低很高较大较小很大NaClCaO干冰碘金刚石二氧化硅金刚石干冰原子晶体、离子晶体分别以较强的（）和（）结合，所以熔点（）；分子晶体微粒间的作用力是很弱的（）所以熔点（）。共价键离子键较高分子间作用力较低混合键型晶体石墨内部结构含有两种或两种以上键型的晶体混合键晶体：

每个C以sp2

杂化与其它C形成平面大分子(大共轭分子），由多层平面大分子排列起来就构成了石墨石墨为层状结构，各层之间以范德华力结合，层与层之间容易滑动，所以石墨很软。

石墨中的碳原子形成三个单键，有一个电子是未成对的，是自由电子（如同金属），可以导电。石墨有分子晶体、原子晶体和金属晶体的性质，所以，石墨称为混合型晶体。

食盐干冰金刚石食盐、干冰、金刚石熔点比较熔点为801℃，沸点为1413℃

在5.2个大气压以下，固态直接升华。没有液态存在的

熔点：3550℃1、基本概念辨析

⑴下列各组物质的晶体中，化学键类型相同，晶体类型也相同的是()（A）SO2和SiO2

（B）CO2和H2O（C）NaCl和HCl（D）CCl4

和KClB

⑵下列各组物质气化或熔化时，所克服的微粒间的作用（力），属同种类型的是()（A）碘和干冰的升华（B）二氧化硅和生石灰的熔化（C）氯化钠和铁的熔化（D）水和四氯化碳的蒸发分析：构成物质的微粒间作用（力）相同，其实质就是物质的晶体类型相同。A

D一、几种二元离子晶体的典型结构形式大多数无机非金属材料属于离子晶体离子晶体的结构多种多样,而且有的很复杂。但复杂离子晶体一般都是几种典型简单结构形式的变形,因此需要了解几种离子晶体的几种典型结构,这包括CsCl、NaCl、立方ZnS、六方ZnS、CaF2、TiO2等。晶胞与原子分数坐标方法的描述离子晶体可以看作大离子（负离子）进行等径球密堆积，小离子（正离子）填充在相应空隙中形成的。离子晶体结构的近似模型：不等径圆球密堆积NaCl的晶胞结构和密堆积层排列Na+填充在Cl-的正八面体空隙中。Cl-按A1型最紧密堆积A1型最紧密堆积：n个Cl-堆积，形成2n个四面体空隙，n个八面体空隙。NaCl中原子比为1:1,所以n个Na原子100%填充在n个八面体空隙，占空隙分数为1CsCl的晶胞结构和密堆积层排列Cl-简单立方堆积Cs填体心空隙，占空隙分数为1立方ZnS是S2-按A1型最紧密堆积，形成2n个四面体空隙，所以Zn2+填充在一半四面体空隙中。占空隙分数为1/2ZnS六方ZnS立方ZnS六方ZnS是S2-按A3型最紧密堆积，形成2n个四面体空隙，所以Zn2+填充在一半四面体空隙中。占空隙分数为1/2二、离子键与晶格能

1916年德国科学家Kossel(科塞尔)提出离子键理论。

以NaCl为例。第一步电子转移形成离子：

Na－e——Na+

，Cl+e——Cl－相应的电子构型变化：2s22p63s1——2s22p6，3s23p5——3s23p6形成Ne和Ar的稀有气体原子的结构，形成稳定离子第二步靠静电吸引，形成化学键体系的势能与核间距之间的关系如图所示：V0Vr0r0r核间距r体系的势能图中可见：

r>r0

，当r减小时，正负离子靠静电相互吸引，势能V减小，体系趋于稳定。r<r0

，当r减小时，V急剧上升。因为Na+和Cl－彼此再接近时，电子云之间的斥力急剧增加，导致势能骤然上升。r=r0，V有极小值，此时体系最稳定，表明形成离子键。因此，离子相互吸引，保持一定距离时，体系最稳定。这就意味着形成了离子键。r0

和键长有关与任何方向的电性不同的离子相吸引，所以无方向性；且只要是正负离子之间，则彼此吸引，即无饱和性。离子键无方向性和饱和性化合物中不存在百分之百的离子键，即使是NaF的化学键，其中也有共价键的成分。即除离子间靠静电相互吸引外，尚有共用电子对的作用。晶格能(点阵能)键能：是指0K时，将1摩尔离子晶体里的正负离子（克服晶体中的静电引力）完全气化而远离所需要吸收的能量例如：NaCl(s)→Na+(g)+Cl–(g)U=786kJ·mol–1晶格能(U)：是指0K时，将1摩尔离子晶体里的正负离子从相互远离的气态结合成离子晶体所释放的能量例如：Na+(g)+Cl–(g)→NaCl(s)U=786kJ·mol–1所以，规定放热为正键能和晶格能，均能表示离子键的强度，而且大小关系一致。晶格能比较常用。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。

离子的电子组态HeNeAr(Cu+)Kr(Ag+)Xe(Au+)n5791012离子晶体的晶格能也可以利用玻恩-朗德方程进行计算：A

为马德隆常数，CsCl、NaCl、ZnS型晶体的A

分别为1.763、1.748、1.638；m

为玻恩指数，它与电子组态有关：UUNaCl:A=1.748m=(mNa++mCl-)/2=(7+9)/2=8R0=2.79×10-10mU=761.7kJmol-1玻恩－哈伯循环(Born－HaberCirculation)Born和Haber设计了一个热力学循环过程，从已知的热力学数据出发，计算晶格能。具体如下：

Na(g)H1

Na+(g)H3Na(s)+1/2Cl2(g)NaCl(s)H6H2Cl(g)H4Cl－

(g)H5+H1=S=108.8kJ·mol－1

，Na(s)

的升华热S；H2=1/2D=119.7kJ·mol－1

，

Cl2(g)

的离解能D的一半；H3=I1=496kJ·mol－1

，

Na的第一电离能I1；H4=－E=－348.7kJ·mol－1

，

Cl的电子亲合能E的相反数；H5=－U=?，

NaCl的晶格能U的相反数；H6=fHmӨ=－410.9kJ·mol－1

，NaCl的标准生成热。

U=108.8+119.7+496－348.7+410.9=786.7(kJ·mol－1)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AB型离子晶体最短核间距ro/pm晶格能U/kJ·mol–1熔点m.p./oC摩氏硬度NaF2319239933.2NaCl2827868012.5NaBr298747747<2.5NaI323704661<2.5MgO210379128526.5CaO240340126144.5SrO257322324303.5BaO256305419183.3三、离子半径如果近似地将构成AB型离子晶体的质点A+和B-看作是两个互相接触的球体，则核间距d就等于两个球体的半径之和。这个离子半径也称阴阳离子的接触半径R1R2dd=r++r-

（有效离子半径）离子键的键长是相邻正负离子的半径之和。1.Goldschmidt哥希密特离子半径：负离子接触法。标准：F-（133pm)，O2-(132pm).2.Pauling鲍林半径：r=615/(Z-σ)标准：F-（136pm)，O2-(140pm).（141页表4-1-6）3.Shannon夏农半径：有效离子半径。最为丰富的离子半径数据。4.雅茨米尔斯基：热化学半径。F-2配位：r=128.5pm3配位：r=130pm6配位：r=133pm推荐使用R.D.Shanon半径数据(考虑到配位数的影响）F-2配位：r=128.5pm3配位：r=130pm6配位：r=133pm4配位：r=131pm离子半径变化规律：同周期元素中，从左向右，正离子的电荷数增大，r+减小；负离子的电荷数减少，r-减小；Na+＞Mg2+＞Al3+,C4-＞N3-＞O2-＞F-同一元素高氧化态r＜低氧化态rSn4+(74pm)＜Sn2+(102pm)Fe3+(60pm)＜Fe2+(75pm)主族元素中，自上而下，电子层n增加，相同电荷数的同族离子的半径增大Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+;F-<Cl-<Br-<I-具有同一电子结构的正负离子中，负离子半径一般比正离子半径大。rNa+=98pm,rF-=133pm周期表中，每个元素与其邻近的右下角或左上角元素离子半径接近。即对角线规则。rLi+

rMg2+;r

Na+

r

Ca2+四、Goldschmidt哥希密特结晶化学定律

Cl－(1/8)4=1/2Na+(1/8)4=1/2甲1：1组成有代表性。乙一个晶胞内独有4个Na+,4个Cl-1：1组成有代表性。NaCl晶胞：乙有4重轴；有与边垂直的对称面——

黄色的面；有对称中心……对称性与晶体相同。甲乙甲没有4重轴；没有与边垂直的对称面；没有对称中心……对称性不能代表晶体。所以乙为NaCl的晶胞。正负离子的配位数：最近层的异号离子有6个，则配位数为6。

晶胞类型：观察同一种点，如观察空心圆点Cl－，正六面体的8个顶点和各面的中心，均有一个。所以为面心立方晶胞。正离子的配位数：与正离子连接的最邻近的负离子数配位多面体：将与正离子配位的这些负离子中心相连得到的多面体配位多面体：正八面体NaCl的晶体结构示意图Cl-Na+在NaCl晶体中每个Na+同时吸引着＿个Cl-。６它们所围成的空间几何构型是

。正八面体配位多面体：正八面体与一个Na+相邻最近且距离相等的Na+有几个？12123456789101112CsCl的晶胞(1/8)8=111=1配位数为8。注意：判断晶胞的类型时，必须只观察同一种点观察空心圆点，只存在于立方体顶点的8个位置上，无其它位置。称为简单立方晶胞。

CsCl的晶体结构示意图Cs,Cl的配位数均为8。CsCl晶体中每个Cs+周围有

个Cl-，配位多面体为每个Cs+周围与它最近且距离相等的Cs+共有

个。

86立方体立方ZnS晶胞，它属于面心立方晶胞。配位数为4

。配位多面体为正四面体。

1234NaCl、CsCl、ZnS均为立方晶系，

AB型晶体，为何配位数不同?

六配位八配位四配位1、配位数、配位多面体的型式与r+/r－的关系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。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。下图所示，六配位的八面体中间一层的俯视图：ABCD+++ADCB+4个负离子，5个正离子如何排布，是稳定状态呢？++++++－－－++++－－－－－+++++不稳定

a)同号阴离子相切，异号离子相离。

b)同号离子相离，异号离子相切。稳定c)同号阴离子相切，异号离子相切。

介稳状态同号离，异号吸配位数为6的八面体配位为例：+++ADCB+ADBC是正方形：配位数为6的八面体配位的介稳状态+－－－++++－－－－－++++++++++若r+很小，配位数将变成4r+/r-在0.225～0.414：4配位；ZnS式晶体结构r+/r-在0.414～0.732

：6配位；NaCl式晶体结构r+/r->

0.732

：ABCD八配位的介稳状态的对角面图。ABCD是矩形:可以求得ABCD阳离子周围可容纳更多阴离子时，为8配位,CsCl式晶体结构若r+

再增大，可达到12配位；r+

再减小，则形成3配位。配位多面体配位数半径比(r+/r–)范围平面三角形30.155-0.225四面体40.225-0.414八面体60.414-0.732立方体80.732-1.000立方八面体121.000正负离子半径比和离子配位多面体关系CsCl式NaCl式ZnS式半径比（r+/r-）推测构型

0.225-0.414四面体配位

0.414-0.732八面体配位

>0.732立方体配位离子晶体多种多样，但主要可归结为3种基本结构型式：离子半径比规则是一条经验规则，可以为判断离子晶体的构型提供帮助，但未必是可靠的根据，常有例外情况。2、正负离子的相对数量等于正负离子配位数的反比n+:n-=CN-:CN+CaF2:正离子配位数８，负离子配位数为?TiO2：正离子配位数６，负离子配位数３。n+:n-=1/2n+:n-=CN-:CN+CN-=43、离子的极化也会引起键型以及结构形式的变异晶体结构型式不仅取决于离子的半径比和组成比，还与极化程度有很大关系离子在周围带相反电荷离子的作用下，原子核与电子发生相对位移，导致离子变形而产生诱导偶极，这种现象称为离子极化。阳离子与阴离子之间如果完全没有极化作用，则所形成的化学键为离子键。实际上阳离子与阴离子之间存在不同程度的极化作用。实际晶体中的结合力大多是几种键型的混合单纯的离子键几乎没有,一般都含有一定的共价键成分。当极化力强、变形性又大的阳离子与变形性大的阴离子结合时，由于阳、阴离子相互极化作用显著，使阳、阴离子发生强烈变形，导致阳、阴离子外层轨道发生重叠，阳、阴离子的核间距缩短，化学键的极性减弱，使键型由离子键过渡到共价键。离子极化越强，会产生从离子键向共价键的键型变异，键型的变异又进一步会影响结构型式。（共价键成分增强，共价键有饱和性，所以配位数会降低）可见影响晶体的结构形式的因素有：正负离子半径比，组成数量以及极化性能哥希密特对影响离子晶体结构型式的因素作了简明扼要的总结。他指出：“离子晶体的结构型式，取决于其结构基元(原子、离子或原子团)的数量关系、离子半径的大小及极化作用的性质”。这一概括被称为哥希密特晶体化学定律。此定律不仅适用于离子晶体，也同样适用于其他晶体。Goldschmidt哥希密特结晶化学定律：Goldschmidt哥希密特结晶化学定律也叫结晶化学第一原理。NH4Cl为CsCl型结构，晶胞中包含1个NH4+和1个Cl-，NH+热运动呈球形，试画出晶胞结构示意图。五、关于多元复杂离子晶体结构的规则-------Pauling规则上述二元离子晶体的结晶化学规律不足以描述更复杂的多元离子晶体。因此对于多元离子晶体，例如硅酸盐（硅酸根离子和金属离子结合而成），使用更为系统的规律---------Pauling规则，该规则对于二元和多元离子晶体都适用。鲍林(Pauling)离子晶体的结构规则1．正离子配位多面体规则在离子晶体中，正离子周围的负离子形成一个正离子配位多面体。将离子晶体结构视为由正离子配位多面体按一定方式连接而成，正离子则处于负离子多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正结构基元。离子晶体中，正离子的配位数通常为4和6，但也有少数为3，8，12。四/八面体配位体2．电价规则（核心规则）在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价Z－等于或接近等于与之邻接的各正离子静电键强度S的总和：CN+式中Si为第i种正离子静电键强度，Z+为正离子的电荷，CN+是正离子的配位数。这就是鲍林第二规则，也称电价规则。例如：NaCl的负离子Cl-的电价是1么？CN+Cl-的电价数=6×（1/6）=1SiO2中一个Si位于四个O组成的四面体体心，所以Si的配位数为4，O周围邻近的Si有几个？CN+½=x/4n+:n-=CN-:CN+

x=2氧的电价数=2×（4/4）=23．负离子多面体共用顶、棱和面的规则鲍林第三规则指出：“在一配位结构中，共用棱、共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。对于电价高，配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。”立方ZnS型结构晶胞结构多面体图4.2分子间作用力与超分子化学一、分子间作用力二、超分子化学一、分子间作用力

１.概念：

将气体分子凝聚成相应的固体或液体的作用。

3.类型：

常见的分子间作用力:范德华力和氢键

2.实质：

分子间作用力是一种静电作用，比化学键弱得多强度比较：共价键：氢键：范德华力

约100：10：1化学键分子间作用力范德华力1.存在：范德华力普遍存在固体、液体、和气体分子间2.方向性与饱和性：范德华力一般没有方向性、饱和性，只要分子周围空间准许，当气体分子凝聚时，它总是尽可能吸引更多的其它分子3.影响范德华力的因素影响范德华力的因素很多：分子的大小、分子的空间构型、分子中的电荷分布情况4.范德华力与物质性质的关系对于分子构成的物质，范德华力影响物质的熔、沸点、溶解度例：氧气在水中的溶解度比氮气大，原因是氧分子与水分子之间的范德华力大主要的三种分子间作用力有：氢键1.氢键的形成过程在水分子中的O—H中，共用电子对强烈的偏向氧原子，使得氢原子几乎成为“裸露”的质子，其显正电性，它能与另一个水分子中氧原子的孤电子对产生静电作用，从而形成氢键。氢键是一种特殊的分子间作用力,不是化学键水结成冰，水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子，在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻（两个共价键，两个氢键）这样一种排布导致成一种敞开结构，也就是说冰的结构中有较大的空隙，所以冰的密度反比同温度的水小。

冰水分子是以(H2O)3的缔合分子存在，当温度升高到3.98℃（101kPa）时，水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在，分子占据空间相对减小，此时水的密度最大。

2.氢键的形成条件：氢原子与电负性大而原子半径小的非金属元素原子，如氟、氧、氮原子3.氢键的表示方法：X——H····Y化学键氢键强烈、距离近微弱、距离远Ｘ、Ｙ两原子可以相同也可以不同５.氢键的类型：(1).分子间氢键4.氢键的方向性与饱和性：氢键具有方向性与饱和性一个分子的X—H键中的H与另一个分子的Y原子相结合而成的氢键称为分子间氢键，有同种分子间与不同分子间。F——H····F——H(2).分子内氢键OOHCOH一个分子的X—H键中的H与其分子内部的Y原子相结合而成的氢键称为分子内氢键。如：邻羟基苯甲酸。3.二、超分子化学物质结构的层次什么是超分子？超分子是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，形成复杂的、有组织的聚集体，保持一定的完整性，且具有明确的微观结构和宏观特性。这一概念是Lehn在1987年Pure&appl.Chem会议上提出的。超分子化学引起科学界的普遍关注是从J.M.Lehn于1987年诺贝尔奖演说开始的。迄今已取得了重大进展。它发展并深化了这样的概念：分子间弱的相互作用力通过加和及协同效应而形成强的分子间作用力，其强度可以达到或接近共价键的水平，因此可以达到稳定的超分子体系。超分子化学的创始人J.M.Lehn（莱恩）FRC1939

氮原子取代冠醚中的氧原子，使其具有很有趣的性质。C.J.Pederson(冠醚的合成)-USA1904环状醚的合成方法命名D.J.Cram（分子的组装）USA1918主客体化学-识别所依靠的分子间相互作用：静电作用氢键金属原子和配位体间的配位键疏水相互作用-堆叠作用范德华力超分子构筑：（超分子自组装）根据分子间的相互作用及识别机制，设计并合成具有所希望的结构、功能及稳定性的超分子超分子化学的核心：分子识别，超分子自组装分子识别（客体和主体，给体和受体，锁和钥匙）分子识别是构筑有序超分子结构所必需的。是超分子体系识别记忆功能和专一选择功能的结构基础锁和钥匙间每一局部是弱的相互作用，但各个局部之间相互的加和作用、协同作用形成强的分子间作用力，形成稳定的超分子。例如：小分子的超分子氢键识别组装成分子饼三聚氰胺氰尿酸

氢键识别、-堆叠和冠醚-阳离子识别的协同

Zn-N配位键形成的分子盒锌-卟啉

Fe-N配位键组装成的超分子联吡啶疏水作用环糊精接上一个疏水基团（如Ph-C4H9），这个基团通过识别环糊精疏水性的内腔，自组装成长链。表面活性剂的超分子结构（亲-疏水作用）胶束（正、反）球形棒状囊泡（乳化剂双分子层构成囊泡壁）复杂超分子结构LB膜和多层膜洋葱状结构棒状结束的聚集体

遗传物质DNA天然高分子的超分子化学（生命）超分子化学应用医学上：如从淀粉中分离出一种碳水化合物（α环糊精），把过渡金属配合物加到其上，就制成了一种抗癌药物——cisplatin。但使用一个阶段发现该要对患者的肾有严重损害。后来另外一种新药——carboplatin引起人们极大兴趣。这种药对肾损害极小，且对癌症有一定的疗效。但它难溶于水，通过α环糊精与carboplatin结合，就可以形成新的加合物，且溶解度提高十倍，疗效不变。这可以说是超分子对医学的重大贡献。4.3无机非金属材料的分类及特点无机非金属材料——以氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。传统（普通）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料分类4.3.1无机非金属材料的分类品种品种示例水泥等胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶瓷粘土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等玻璃硅酸盐搪瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等铸石辉绿岩、玄武岩、铸石等研磨材料氧化锆、氧化铝、碳化硅等多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿粘土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等传统（普通）无机非金属材料新型（特种）无机非金属材料品种品种示例绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料锰-锌,镍-锌,锰-镁,锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过滤金属元素氧化物系材料等光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体铝酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料4.3.2碳素材料金刚石石墨球碳无定形碳（碳纳米管）几种不同的碳的单质金刚石石墨粉金刚石、石墨、C60、无定形碳都是由碳元素组成的单质，是碳的同素异构体足球烯(C60)1.金刚石“金刚石”，也就是我们常说的“钻石”，习惯上人们常将加工过的称为钻石，而未加工过的称为金刚石。颜色及透明度：金刚石有各种颜色，从无色到黑色都有。多数金刚石大多带些黄色，最佳颜色为无色；它们可以是透明的，也可以是半透明或不透明。

折射率：金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，所以会反射出五彩缤纷闪光的原因。1977年山东省临沭县岌山乡常林的一名村民在地里发现了中国最大的金刚石（约鸡蛋黄大小，如图）

硬度：金刚石是自然界中最坚硬的物质，素有“硬度之王”和“宝石之王”的美称

产量：金刚石的产量十分稀少，因而价格十分昂贵。世界上最重的钻石是1905年产于南非的“库里南”，重3106.3克拉，已被分磨成9粒小钻，其中一粒被称为“非洲之星”的库里南1号的钻石重量仍占世界名钻首位。

原生金刚石是在地下深外处(130--180Km)高温(900--1300℃)高压下结晶而成的，它们储存在金伯利岩或榴辉岩中，其形成年代相当久远。金刚石的开采南非金伯利矿，橄榄岩型钻石约形成于距今33亿年前，这个年龄几乎与地球同岁；而奥大利亚阿盖尔矿、博茨瓦纳奥拉伯矿，榴辉岩型的钻石虽说年轻，也分别已有15.8亿年和9.9亿年了。藏于如此大的地下深处达亿万年之久的钻石晶体要重见天日，得有助于火山喷发，熔岩流将含有钻石的岩浆带入至地球近地表处，或长途迁徒淀于河流沙土之中。这些矿体历经艰辛开采后，还需经过多道处理遴选，才可从中获怪毛坯金刚石。毛坯金刚石中仅有20%左右可作首饰用途的钻坯，而大部分只能用于切割、研磨及抛光等工业用途上。有人曾粗略地估算过，要得到1ct重的钻石，起码要开采处理250吨矿石，采获率是相当低的；如果想从成品钻中挑选出美钻，那两者的比率更是十分悬殊的了。结构特点面心立方晶胞，立方晶系。也有六方金刚石陨石金刚石是原子晶体，每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，所以原子间是立体的正四面体结构，呈金字塔形结构。（已在陨石中找到，也可由石墨制得），其碳原子成键方式和C—C键长均和立方金刚石相似。鉴别在社会对珠宝钻石需求增加的情况下，人造钻石和其它冒充钻石不断充扩市场，甚至有些珠宝经营者也分不清楚。下面介绍几种简单鉴别钻石真伪的方法。1、钻石的吸附性钻石对油脂、污垢有一定的亲和力，即油污很容易被钻石吸附。因此，用手指抚摸钻石会感到胶粘性，手指似乎有粘糊的感觉。这种方法需要加以训练方能掌握其中微妙的区别。

2、一线直落的特征钻石表面抛光很光滑。用一支钢笔蘸上墨水在钻石上划过，若是真钻石，表面留下的是一条光滑连续的线条，特征是一线直落。仿冒品留下的是一个个小圆点组成的线条。用此法观察应借助放大镜。

3、根据金刚石的比重（密度）检测金刚石的密度为每立方厘米约3.5克，而其他的“疑是金刚石”的密度一般在每立方厘米约3.25克，用二碘甲烷液（其密度在3.35克）浸泡“疑是金刚石”，漂浮的为它物，沉没的就是金刚石了。

金刚石和石墨对比：金刚石是原子晶体，每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，所以原子间是立体的正四面体结构，呈金字塔形结构。石墨是混合键型晶体，石墨原子间构成正六边形是平面结构，呈片状。

2.石墨六方石墨α—石墨

三方石墨，又称β—石墨

性质石墨的层形结构使它在性质上具有鲜明的各向异性层间易于滑动，很软，是良好的固体润滑剂在与片层平行的方向有良好的导电导热性质

3.球碳C60C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。每一个C60分子都是由60个碳原子构成。制作过程足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱和史沫莱等人于1985年提出的。他们用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。最初宇宙尘埃中发现现在还发现了C70、C28、C32、C50、C240、C540等碳单质C704.无定形碳石墨的微小晶体和少量杂质构成的没有固定几何形状的混合物（以碳单质为主）——焦炭、炭黑、木炭、活性炭木炭，活性炭主要由______构成，具有________的结构，因此它具有_____能力，可用于___________。石墨疏松多孔吸附吸附除杂例如：活性炭用于制造防毒面具，白糖脱色，冰箱除异味等。1991年被人类发现的碳纳米管，是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。

碳纳米管：虽然成分和石墨一样，但碳纳米管潜在用途十分诱人：可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。

4.3.3单质硅1.单晶硅

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，有显著的半导电性。超纯的单晶硅是本征半导体。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族ⅤA族元素，如硼，磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。用途：是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等.现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的

2.多晶硅多晶硅是单质硅的另一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。

多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。

多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面：多晶硅在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。3.太阳能电池4.3.4无机化合物材料1.氮化硼由氮原子和硼原子构成的晶体通常制得的氮化硼是六方的晶体结构，具有类似的石墨层状结构，呈现松散、润滑、易吸潮、质轻等性状的白色粉末，所以又称“白色石墨”。六方氮化硼

另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（800Mpa）下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B－N键长（156pm）与金刚石中C－C键长（154pm）相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

金刚型氮化硼2.

碳化硅又称碳硅石，耐火砂，硬度近于金刚石，也可以称为金钢砂。

碳化硅是用石英砂、煤焦、木屑等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。SiC

绿碳化硅：含SiC97%以上，主要用于磨硬质含金工具。黑碳化硅：含SiC95%以上，强度比绿碳化硅大，但硬度较低，主要用于磨铸铁和非金属材料。

SiC：稳定的SP3杂化，基本单元是四面体，从而形成具有金刚石结构的SiC。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体。3.NaCl型结构的材料CI－Na+NaCl晶体属面心立方点阵，Na＋与Cl－交替排列，Na+与Cl－的配位数均为6。NaCl晶体结构可看成Cl-作立方最密堆积，Na＋填在Cl－形成的八面体空隙中。又称岩盐型结构。AB型化合物结构类型之一，其中阴离子排列成立方密堆积，阳离子填充在阴离子构成的八面体空隙中。A和B的配位数均为6

碱土金属的硫化物和氧化物(MgO至BaO，而氧化铍除外)；碱金属的氢化物和卤化物(CsCl、CsBr和Csl除外)，以及某些二价过渡元素的氧化物(如MnO、FeO、TiO、NiO)等都具有氯化钠型结构，其中A-B间的联系为离子键。A，B离子半径比大多在0.732～0.414之间。此外，某些氮化物和碳化物[如氮化钪(ScN)和碳化钛(TiC)]也属氯化钠型结构。

自然界有几百种化合物都属于NaCl型结构:碳化钙

俗称：电石

将NaCl结构中的Na+换成Ca2+，将Cl-换成C22-，可得到CaC2的结构，晶体对称性降为四方晶系。许多化合物和四方CaC2结构同晶型，例如一些碱土金属和稀土金属的碳化物：MgC2,BaC2,CeC2等；碱土金属的过氧化物，如CaO2,BaO2,以及钼的硅化物MoSi2等。NbO：具有与NaCl相关的晶体结构，但其中25%的阳离子和阴离子格位未被占据，形成有序的空穴缺陷化合物。见图

。4.CsCl型晶体结构的材料CsCl结构中阴离子排列成原始立方格子，而阳离子位于体心位置。简单立方晶胞。每个晶胞含有1个铯离子和1个氯离子。Cl－离子Cs＋离子属于这种结构类型的化合物有溴化铯，碘化铯、氯化铊、溴化铊、碘化铊等。（有较大离子半径的一价正离子和Cl-,Br-,I-等负离子形成的化合物）

A，B两种离子的配位数为8

5.立方ZnS型晶体结构的材料ZnS（立方型）晶体模型算是面心立方晶胞，配位数为4，锌原子占据立方体的8个顶点和6个面心，独立的Zn有4个，独立的S也有4个。

在立方ZnS中，S原子作立方最密堆积，Zn原子填在一半的四面体空隙中，形成面心立方许多包含两种或多种金属原子的化合物都具有此种型式的结构例如：GaAs,β-SiC等GaAs黑灰色固体，熔点1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不为非氧化性的酸侵蚀。砷化镓可作半导体材料，其电子迁移率高、介电常数小，能引入深能级杂质、电子有效质量小，能带结构特殊，可作发光器件，太阳能电池和高速集成电路等。6.六方ZnS型晶体结构的材料六方ZnS型又叫纤锌矿型，属六方晶系

S2-作A3型堆积，Zn2+填入四面体空隙中。由A3型堆积其中,球数：八面体空隙数：四面体空隙数=1∶1∶2的关系推知，有一半四面体空隙未被占据，可抽出六方晶胞

属于六方ZnS结构的化合物有Al、Ga、In的氮化物，一价铜的卤化物，Zn、Cd、Mn的硫化物、硒化物。

立方ZnS和六方ZnS是非常重要的两种晶体结构.已投入使用的半导体除Si、Ge单晶为金刚石型结构外，III-V族和II-VI族的半导体晶体都是ZnS型，且以立方ZnS型为主.例如：GaP,GaAs,GaSb，InP,InAs,InSb,CdS