固体化学导论

固体化学导论第一页，共四十六页，2022年，8月28日参考书1、固体化学导论，苏勉曾，北京大学出版社。2、固体化学及其应用，著，苏勉曾等译，复旦大学出版社。3、材料化学导论，唐小真，高等教育出版社。第二页，共四十六页，2022年，8月28日目录第一章绪论固体化学的任务固体物质的分类第二章固体化学的理论基础固体-晶体与非晶体晶体的微观结构第三章离子键和离子晶体第四章共价键和原子晶体第五章金属键和金属晶体第三页，共四十六页，2022年，8月28日第六章固体中的点缺陷及缺陷化学缺陷的分类机表示符号缺陷的化学表达式非整比化合物第七章固体中的扩散固体中的扩散机理空位扩散、自扩散和互扩散扩散和离子电导第八章固体表面化学表面的热力学性质及比表面自由能估算表面扩散、蒸发、吸附、凝聚表面化学反应第四页，共四十六页，2022年，8月28日第九章固体化学中的实验方法固体物质的提纯方法固体物质的组成分析固体物质的结构分析XRD技术简介第十章离子电导和固体电解质第十一章固体的电性质和能带理论简介第十二章光性质：发光与激光第十三章固溶体第十四章相图基础第十五章有机固体化学简介第五页，共四十六页，2022年，8月28日固体化学的任务固体化学是研究固体物质的制备、组成、结构和性质的科学，是物理科学的一个分支。在工程技术上是固体科学的一个领域，与固体物理、材料工程学、陶瓷学、矿物冶金学等相互融合，构成现代固体科学技术，担负着解决新材料的科学技术问题。固体化学与材料科学：理论基础与实际应用相结合幻灯片9固体化学与固体物理固体物理侧重研究构成固体的原子、离子及电子的运动和相互作用，提出理论模型，阐明固体的结构和物性。固体化学则侧重实际固体的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成和晶体结构，研究固体中的缺陷及其对物质的物理和化学性质的影响。探索固体物质作为材料应用的可能性。固体化学研究内容广泛，包括化学合成、结构、热力学、电光磁等理论和实验方面的研究。JournalofSolidStateChemistry第一章绪论第六页，共四十六页，2022年，8月28日在化学家参与新材料研制和推出之前，新材料的研制基本上采用各种尝试法——把各种组分依照无理论指导的配比加成，再根据性能要求来取舍。我们知道，每种材料的特定结构决定它的特定功能和用途。它们的原始基础在于构成它们的分子结构，而实际功能则还取决于由分子构成的宏观物质的状态和结构。化学在研究开发新材料中一个作用就是用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构和功能关系，使人们能够设计新型材料。另外合成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。在20世纪后期有两个动向：

固体化学中基本化学问题一是具有特定功能的先进材料变得越来越重要；二是高级材料对于特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加。因此，未来固体化学发展的基本问题有以下两方面：第七页，共四十六页，2022年，8月28日1.分子结构—分子聚集体高级结构—材料结构—理化性能—功能之间的关系

掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。还需要建立测定高级结构的方法，研究理化性能和功能与高级结构的关系。2.合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究如何构筑有序的高级结构是一个新的合成化学问题。或是在合成结构单元的时候，如何能够自组装成为所需的高级结构；或是在获得功能分子之后，再组装为材料。第八页，共四十六页，2022年，8月28日人类社会文明程度是与合成及使用的材料先进程度密切相关的。第九页，共四十六页，2022年，8月28日3.固体物质的分类从原子排列的有序程度：晶体、非晶体从原子之间结合力（化学键）：离子晶体、共价（原子）晶体、金属晶体、分子晶体NaCl离子晶体InSb共价晶体金属晶体Ar分子晶体第十页，共四十六页，2022年，8月28日第十一页，共四十六页，2022年，8月28日第二章固体化学的理论基础1.固体-晶体与非晶体物质的流动性和固体性固体：分子或原子处于完全确定的平衡位置作热振动。具有确定的形状和稳定的结构即固体性。气体：分子或原子不停地，自由地作长距离运动即流动性。无确定的体积和形状液体：有一定的体积但无确定的形状气体液体固体降温第十二页，共四十六页，2022年，8月28日途径（1）以足够低的冷却速度降温，准平衡态

途径（2）以足够快的冷却速度降温，非平衡态第十三页，共四十六页，2022年，8月28日第十四页，共四十六页，2022年，8月28日1.1晶体的宏观特征（1）规则的几何外形所有晶体均自发的形成封闭的几何多面体外形，表明晶体内部结构是规则的。晶体的结晶形貌除了与晶体结构有关以外，还受晶体生长条件影响。第十五页，共四十六页，2022年，8月28日晶面夹角（或交角）守恒定律晶体的自范性F(晶面数）+V（顶点数）=E(晶棱数）+2（2）晶面角守恒：第十六页，共四十六页，2022年，8月28日（3）晶体有固定的熔点。晶体的熔化有固定熔点，而非晶体的熔化过程是随着温度升高逐渐完成的第十七页，共四十六页，2022年，8月28日（4）物理性质的异向性云母玻璃第十八页，共四十六页，2022年，8月28日1.2晶体-非晶体之间的转化非晶态向晶态转化：热力学亚稳态，自发进行；克服能垒。从非晶态向晶态的转变带有突变的特征，伴随体积和热量变化。第十九页，共四十六页，2022年，8月28日第二十页，共四十六页，2022年，8月28日2.

晶体的微观特征2.1空间点阵空间点阵第二十一页，共四十六页，2022年，8月28日空间点阵是实际晶体结构的数学抽象，是一种空间几何构图。它突出了晶体结构中微粒排列的周期性这个基本特点。结构基元晶体结构-空间点阵第二十二页，共四十六页，2022年，8月28日晶体结构=点阵+结构基元一维点阵，结构基元：(-CH2)2第二十三页，共四十六页，2022年，8月28日二维点阵、结构基元：[B(OH)3]2点阵参数a,b,第二十四页，共四十六页，2022年，8月28日NaCl结构类型的晶胞点阵参数：a,b,c,,,晶体的微观特征为：短程有序，长程也有序，具有点阵结构。三维点阵、结构基元：NaCl第二十五页，共四十六页，2022年，8月28日a1a2R=2a1+2a2第二十六页，共四十六页，2022年，8月28日2.2晶向、晶面和表示法第二十七页，共四十六页，2022年，8月28日设想在晶格中任取一点O作为原点，并以基失a、b、c为轴建立坐标系，于是在此通过原点的晶列上，沿晶向方向任一格点A的位失为R=αa+βb+γc

则晶向就用α、β、γ来表示，写成[αβγ]。标志晶向的这组数成为晶向指数。a1a2[210][110][120][210]第二十八页，共四十六页，2022年，8月28日由于晶体具有对称性，有对称性联系着的那些晶向可以方向不同，但它们的周期却相同，因而是等效的，这些等效晶向的全体可用尖括号<αβγ>来表示。如[100]、[010]、[001]及其相反晶向就可以用<100>表示。第二十九页，共四十六页，2022年，8月28日a1a2作业：请写出图中各晶列的晶向第三十页，共四十六页，2022年，8月28日第三十一页，共四十六页，2022年，8月28日1.晶面族一经划定，所有阵点全部包含在晶面族中而无遗漏；2.同一组晶面相互平行且两两等距密勒指数的确定第三十二页，共四十六页，2022年，8月28日第三十三页，共四十六页，2022年，8月28日第三十四页，共四十六页，2022年，8月28日作业：请写出图中红色线段围成的晶面的密勒指数第三十五页，共四十六页，2022年，8月28日2.3点群、空间群如何描述晶体结构的对称性？概括宏观对称性的方法就是考察物体在几何变换（旋转和反射）下的不变性。如果一个物体在某一变换下不变，我们就称这个变换为物体的一个对称操作。而为了说明一个物体的对称性，就需列举它的全部对称操作。显然一个物体的对称操作越多，它的对称性越高。有时为了简化，采用描述这个物体的对称元素来说明其对称性的高低。对称元素是对称操作所依赖的几何要素，如点、线、面等。第三十六页，共四十六页，2022年，8月28日第三十七页，共四十六页，2022年，8月28日证明n=1,2,3,4,6aABB’A’θθ设想一旋转操作，在垂直于该转轴的晶面内，晶格常数为a，有一点A，B，AB=a，如果绕A转θ角，则使B到达B’，由于转动操作不改变晶格，在B’处必然原来就有一个格点存在。又因为A和B完全等价，则同样的操作也可使A到达A’，所以B’A’=mAB，其中m为整数。则由几何关系得到由于cosθ取值在1和-1之间，而n必须为整数，则m只有-1,0,1,2,3五个值，对应的θ值为0,60,90,120,180第三十八页，共四十六页，2022年，8月28日第三十九页，共四十六页，2022年，8月28日第四十页，共四十六页，2022年，8月28日是一个独立的对称元素由以上8种基本对称元素组合成的对称操作群，称为点群。由于晶格周期性的限制，8种对称元素组合得到32种点群，也就是说晶体的宏观对称性只有32种不同类型，分布在7个晶系中第四十