材料科学基础-§2-2常见的晶体结构市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

§2-2常见晶体结构1.原子半径和离子半径

●原子半径或离子半径概念

依据波动力学观点，原子或离子围绕核运动电子在空间形成一个电磁场，其作用范围可视为球形。这个球形大小可视为原子或离子体积，球半径即为原子半径或离子半径。

●原子或离子有效半径概念

原子或离子在晶体结构中处于相接触时半径。这种状态下，离子或原子间静电吸引和排斥作用到达平衡。一.晶体化学基本原理第1页●有效半径确实定

金属晶体——两个相邻原子中心距二分之一。

离子晶体——一对相邻接触阴、阳离子中心距为离子半径之和。

共价晶体——两个相邻键合离子中心距为两离子共价半径之和。原子或离子半径是晶体学中主要参数

●原子或离子半径大小对结构中质点排列方式影响很大。

●原子或离子半径概念并不十分严格，一个原子在不一样

晶体中，与不一样元素相结合，其半径可能发生改变。

●离子晶体中存在极化，常是电子云向正离子方向移动，造成正离子作用范围变大，而负离子作用范围要变小。

●共价键增强和配位数降低都可使原子或离子间距离缩短，从而对应使半径降低。

第2页2.球体紧密堆积原理

球体最紧密堆积基本类型

①单一质点等大球体最紧密堆积，如纯金属晶体。

②几个质点不等大球体紧密堆积，如离子晶体。

等大球体最密堆积

等大球体最紧密排列平面有如

图形式。在A球周围有六个

球相邻接触，每三个球围成一个

空隙。其中二分之一是尖角向上B

空隙，另二分之一是尖角向下C空

隙，两种空隙相间分布。

第3页ABC第4页A六方紧密堆积第5页A面心立方紧密堆积第6页密堆积层间两类空隙四面体空隙：一层三个球与上或下层密堆积球间空隙。八面体空隙：三层六个球空间排列形成球间空隙。第7页八面体空隙多面体和四面体空隙多面体第8页不等大球体紧密堆积

●对不等大球体堆积，可看成较大球体作等大球体密

堆积，而较小球按其大小，充填在八面体或四面体空

隙中，形成不等大球体紧密堆积。

●这种堆积方式，在离子晶体结构中相当于半径较大阴

离子作密堆积，半径较小阳离子充填于空隙中。

●在实际晶体中，阳离子大小不一定无间隙地充填在空

隙中，当阳离子尺寸稍大于空隙，将会略微“撑开”阴

离子堆积。当阳离子尺寸较小，填充在阴离子空隙内

有余量。这两种结果都将对晶体结构及性能产生影响。

第9页3.原子和离子配位数（CoordinationNumber,CN）金属材料：一个原子周围与它直接相邻结合原子个数，常称为原子配位数。12、8。离子晶体材料：一个离子周围与它直接相邻结合全部异号离子个数，常称为离子配位数。8、6、4。共价键晶体：因为方向性和饱和性，所以其配位数不符合紧密堆积标准，CN较低（4、3）。高分子材料：质点配位情况非常复杂，极难定义。第10页

配位多面体是指物质结构中，与某个质点组成配位关系而相邻结合各个质点中心连线所组成多面体。该质点处于配位多面体中心位置，而配位质点中心处于配位多面体顶角上。几个经典配位形式及其对应配位多面体

第11页正、负离子半径比与阳离子配位数及配位多面体形状实例干冰CO2B2O3SiO2GeO2闪锌矿β-ZnS岩盐NaClMgOTiO2萤石CaF2ZrO2CsCl自然金Au自然锇Os第12页4.Pauling规则Pauling第一规则——在正离子周围，形成一个阴离子配位多面体，正离子处于中心位置，负离子处于多面体顶角；正、负离子间距决定于它们半径之和，而离子配位数则取决于它们半径之比，与离子价数无关，也称多面体规则。Pauling第二规则——在稳定离子晶体结构中，一个阴离子从全部相邻接阳离子分配给该阴离子静电键强度总和，等于阴离子电荷数。静电价规则。第13页Pauling第三规则——在晶体结构中，每个配位多面体以共顶方式连接，共棱连接，尤其是共面连接方式存在时，会使结构稳定性降低。四面体或八面体相互连接情况

R1︰R2︰

R3=1︰

0.58︰

0.33R1︰R2︰

R3=1︰

0.71︰

0.58第14页Pauling第四规则——在一个含有各种阳离子晶体中，电价高而配位数小那些阳离子所形成配位多面体不倾向于相互直接连接。Pauling第五规则——在一个晶体结构中，本质不一样结构组元种类，倾向于最少，也称节约规则。第15页二.经典金属晶体结构面心立方结构fcc：FaceCentredCubic体心立方结构bcc：BodyCentredCubic密排六方结构hcp：HexgonalClosePacking第16页体心立方面心立方密排六方第17页晶格类型体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞常数a＝b＝cα＝β＝γ＝90°a＝b＝cα＝β＝γ＝90°a＝bc/a＝1.633α＝β＝90℃γ＝120°晶胞内原子数原子半径致密度0.680.740.74配位数81212经典金属α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nbγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co第18页原子半径与晶格常数体心立方面心立方密排六方第19页第20页第21页第22页第23页体心立方中原子排列在体心立方晶格中密排面为{110}，密排方向为<111>第24页面心立方中原子排列在面心立方晶格中密排面为{111}，密排方向为<110>第25页密排六方中原子排列在密堆六方晶格中密排面为{0001}，密排方向为<1120>第26页密排六方面心立方（0001）+[0001]（111）+[111]密排堆垛体心立方（110）+[110]第27页第28页第29页第30页第31页密排六方晶格八面体间隙密排六方晶格四面体间隙第32页三.常见无机化合物晶体结构1.NaCl型—AB型最常见晶体构型晶胞中离子个数:晶格:面心立方配位比:6:6同类材料：MgO、CaO、SrO、BaO、MnO、CoO、NiO等。第33页NaCl结构中正离子配位多面体第34页2.CsCl型结构晶胞中离子个数：(红球－Cs+,绿球－Cl-)晶格：简单立方配位比：8:8同类材料：CsBr、CsI、TlCl、NH4Cl等。第35页CsCl型结构第36页3.β-ZnS（闪锌矿）和α-ZnS（钎锌矿）型结构晶胞中离子个数:β-ZnS晶格:面心立方配位比:4:4(红球－Zn2+,绿球－S2-)第37页Sα-ZnS钎锌矿结构第38页半径比规则：

NaClR+/R-=95Pm/181Pm=0.52配位数6CsClR+/R-=163Pm/181Pm=0.90配位数8ZnSR+/R-=74Pm/184Pm=0.40配位数4r+/r-配位数结构类型0.225→0.4144ZnS型0.414→0.7326NaCl型0.732→1.008CsCl型第39页4.CaF2（萤石）型结构CaF2晶体结构CaF立方晶系面心立方格子z=4

第40页CaF2晶体结构

第41页5.TiO2（金红石）型结构TiO2(金红石)结构TiO四方晶系简单四方点阵z=2ao=0.459nmco=0.296nm第42页

金红石（TiO2）

板钛矿（TiO2）

第43页锐钛矿（TiO2）

第44页6.CaTiO3（钙钛矿）型结构通式：ABO3A—二价（或一价）B—四价（或五价）立方晶系（高温时）简单立方格子ao=0.385nmz=1正交晶系（<600

C）简单正交格子PCmm空间群ao=0.537nm，bo=0.764nm，co=0.544nmz=4第45页Ca2+Ti4+O2-Ca2+Ti4+O2-立方晶系正交晶系第46页CaTiO3立方晶体结构第47页钙钛矿结构通式为ABO3,以CaTiO3为例讨论其结构:

Ca2+O2-Ti4+第48页配位关系分析:能够看出:CaCN=12TiCN=6OCN=2+4=6第49页7.MgAl2O4（尖晶石）型结构尖晶石颜色极其丰富，但主要为红色、蓝色、绿色、紫色、橙红、橙黄、褐色、黑色，其中主要颜色为红色和蓝色。通式：AB2O3第50页历史上最为著名两颗尖晶石是“铁木尔红宝石”和“黑太子红宝石”，“铁木尔红宝石”重361ct，深红色，可能起源于阿富汗，这颗著名尖晶石自1612年以来被誉为东方“世界贡品”。被称为“黑太子红宝石”重约170ct，产于缅甸镶于英王冠中前方显著位置。经教授评这颗著名红色尖晶石价值约55万美元。还有一些著名尖晶石珍藏于不一样国家。黑太子红宝石第51页晶体结构：立方晶系，a＝0.808nm，Z＝8。空间格子：O2-是按立方密堆积形式排列。二价离子A充 填1/8四面体空隙，三价离子B充填于1/2八面 体空隙（正尖晶石结构）。多面体：〔MgO4〕、〔AlO6