第三章晶体结构

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章晶体结构CrystalStructure晶体非晶体原子核电子分子物质原子化学键分子间作用力气态液态固态化学键粒子排列的有序程度

本章教学要求3．了解晶体结构对物质性质的影响1．了解晶体和非晶体的宏观特征2．了解晶体的微观特征及基本类型3.1.1晶体的宏观特性3.1.2晶体的微观结构3.1.3单晶体和多晶体3.1晶体的基本知识3.1.1晶体的宏观特性晶体：一定的几何外形固定的熔点各向异性非晶体：无一定的几何外形无固定的熔点各向同性晶体具有规则的几何构形，这是晶体最明显的特征，同一种晶体由于生成条件的不同，外形上可能差别，但晶体的晶面角（interfacialanglt）却不会改变。钻石—晶体玻璃—非晶体晶体都有固定的熔点，非晶体在加热时却是先软化，后粘度逐渐小，最后变成液体。3.晶体表现各向异性，例如热、光、电、硬度等常因晶体取向不同而异；而非晶体则为各向同性。例：云母沿层状结构方向易被剥离石墨层内导电率比层间高一万倍宏观上判断晶体与非晶体，应综合以上三方面的特点来考察，单从一方面进行判断是不充分的。为什么晶体与非晶体上存在如此大的差异？内部结构不同（结构决定性质，性质反映结构）如何探测内部结构？衍射实验（X-ray衍射）从热力学的角度看 晶体一般都具有最低能量，因而较为稳定；非晶体一般能量较高都处于介稳或亚稳态。晶体和非晶体之间无绝对界线 同一物质在不同条件下既可形成晶体，又可形成非晶体，彼此之间在一定条件下可以实现转化。关于晶体与非晶体3.1.2晶体的微观结构1.晶格(lattice)

组成晶体的粒子有规则地排列在空间的一定的点上，这些点的总和——晶格（或点阵）

晶格在空间的排列呈现出有规律的周期性。排有粒子的点称为晶格的结点。直线点阵平面点阵平面格子空间点阵空间格子（晶格）2.晶胞(unitcell)

在晶格中，能表现出其结构一切特征的最小部分称为晶胞。晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位，其在三维空间有规则地重复排列便组成了晶格（晶体）。晶格晶胞（平行六面体）质点晶胞的大小和形状由六个参数决定，称为晶胞参数或点阵参数。a、b、c不一定相等也不一定垂直3.晶胞参数(unitcellparameter)

按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系晶系边长角度实例立方晶系a=b=cα=β=γ=90°岩盐(NaCl)四方晶系a=b≠cα=β=γ=90°白锡六方晶系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°斜方硫单斜晶系a≠b≠cα=β=90°γ>90°单斜硫三斜晶系a≠b≠cα≠β≠γ重铬酸钾注：对称性从上到下逐渐降低αβγbac立方abc四方bac正交cba三方六方bacabc单斜bac三斜与晶系对应的晶胞简单格子（P）：仅在单位平行六面体的8个顶角上有结点；底心格子（C）：除8个顶角上有结点外，平行六面体上、下两个平行面的中心各有一个结点；体心格子（I）：除8个顶角上有结点外，平行六面体的体心还有一个结点；面心格子（F）：除8个顶角有结点外，平行六面体的6个面的面心上都有一个结点。质点在晶胞上的分布类型七个晶系中又包含十四种晶格单晶体：由一个晶核（微小的晶体）各向均匀生长而成的晶体。其内部的粒子基本上是按照某种规律整齐排列的。多晶体：由多个单晶体颗粒杂乱地聚结而成的晶体。由于单晶体的杂乱排列，使晶体的各向异性消失。3.1.3单晶体和多晶体金属晶体离子晶体原子晶体3.2晶体的基本类型分子晶体混合晶体根据晶体中质点以及质点之间的作用力，可以把晶体分为：金属晶体中金属原子是通过金属键结合在一起的。金属正离子进行堆积排列，而所有的自由电子则通过静电力把正离子“胶合”起来，这种”胶合“作用就是金属键。3.2.1金属晶体金属晶体中，晶格结点上排列着金属原子，晶格结点间以金属键相结合；金属键没有方向性、饱和性，金属晶体的结构可以看作等径圆球的密堆积；金属晶体中金属原子的配位数高；不同的金属单质，可能有不同的晶格类型，同种金属在不同的温度下，也可能发生晶格类型的转变。金属的结构特点如果将等径园球在一平面上排列，有两种排布方式，如图：按（a）图方式排列，园球周围剩余空隙最小，称为密置层；按（b）图方式排列，剩余的空隙较大，称为非密置层。由密置层按一定方式堆积起来的结构称为密堆积结构。密置层与非密置层金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种

金属晶体的性质1.有金属光泽,对光不透明2.具有较高的熔点、沸点3.较大的硬度,较好的延展性4.具有良好的导电和导热能力

离子晶体中，晶格结点上交替排列着正负离子，正负离子间以离子键相结合。离子晶体的堆积方式也采取紧密堆积方式各离子周围排列的是带异号电荷的离子3.2.2离子晶体阴离子：大球，密堆积，形成空隙。阳离子：小球，填充空隙。规则：阴阳离子相互接触；配位数大，稳定。（1）离子晶体的熔点较高，硬度较大，难挥发（2）离子晶体在溶于水或熔融时，可以导电（3）离子晶体一般较脆（4）离子晶体物质一般较易溶于水离子晶体的性质三种典型的离子晶体NaCl型晶胞中离子的个数：晶格：面心立方配位比：6:6(红球：Na+,绿球：Cl-)CsCl型晶胞中离子的个数：(红球：Cs+,绿球：Cl-)晶格：简单立方配位比：8:8晶胞中离子的个数：ZnS型(立方型)晶格：面心立方(红球：Zn2+,绿球：S2-)配位比：4:4

原子晶体中晶格结点上排列着原子，晶格结点间以共价键结合。原子晶体具有熔点高、硬度大的特点。3.2.3原子晶体原子晶体的结构：原子晶体的性质：金刚石的晶体结构金刚石的晶胞石英的晶体结构与晶胞

在分子晶体中，晶格结点上排列着分子，晶格结点以微弱的分子间力结合。分子晶体物质一般熔点低，硬度小，易挥发。3.2.4分子晶体分子晶体的结构：分子晶体的性质：干冰及其晶胞离子晶体原子晶体分子晶体金属晶体粒子正、负离子原子分子金属原子、正离子结合力离子键共价键分子间力金属键熔、沸点高很高低高硬度硬很硬软硬机械性能脆很脆弱有延展性导电、导热性良好（熔融及水溶液）非导体非导体良好实例NaCl，KCl金刚石、SiCCO2，

I2W，Ag，Cu晶体类型小结

晶体内晶格结点之间存在两种或两种以上的作用力，这种晶体就称为混合晶体。3.2.5混合晶体层状晶体（石墨、云母、黑磷）链状晶体（石棉）层状晶体石墨C为sp2杂化，同一平面的C形成离域大键沿层面导电、导热能力好熔点高，性质稳定兼具原子晶体、金属晶体和分子 晶体特征链状晶体石棉是镁、铁、钙硅酸盐矿物的总称。链内硅氧原子间为带共价性的离子键，链状阴离子之间通过相隔较远的金属阳离子以离子键相结，因此链间结合力比链内结合力弱，故解离时易形成纤维。

非晶体、准晶体、液晶、纳米材料、等离子体等3.2.6物质的其它聚集形态非晶体非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等等。非晶体不具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质。准晶体准晶体是1984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。液晶“液晶”被发现至今约一百多年，但近二十多年来才获得了迅速的发展，这是因为液晶材料的光电效应被发现，因而被广泛地应用在需低电压和轻薄短小的显示组件上，因此它一跃成为一热门的科学研究及应用的主题。目前己被广泛使用于电子表，计算器和计算机显示屏幕上，液晶逐渐成为显示工业上不可或缺的重要材料。它的力学性质像液体，可以自由流动，但它的光学性质却像晶体，显各向异性。有的液晶的透明性会随电压而变化，加电压时不透明，去电压后透明，数码显示器就是利用了这种性质。液晶的特点：纳米材料纳米材料是以维数尺寸定义的材料，要求颗粒或尺寸至少在一维尺度上小于100nm。它介于宏观与微观之间的介观物质。20世纪80年代发现。纳米材