材料化学2.1 化学键和晶体学基本概念.ppt

1、1,材料的结构,Chapter 2Structure of Materials,Chapter2 Structure of Materials,2,材料性能,材料应用,Relationship,Chapter2 Structure of Materials,3,本章内容,2.1 元素和化学键 2.2 晶体学基本概念 2.3 晶体材料的结构 2.4 晶体缺陷 2.5 固溶体,Chapter2 Structure of Materials,4,4,2.1 元素和化学键,元素及其性质 原子间的键合 原子间的相互作用与键能,Chapter2 Structure of Materials,5,元素,单质

2、,化合物,材料,5,2.1.1 元素及其性质,5,Chapter2 Structure of Materials,6,地球上一些元素的相对丰度,Chapter2 Structure of Materials,7,7,周期表中各元素在室温下的状态,Chapter2 Structure of Materials,8,从气态原子移走一个电子使其成为气态正离子所需的最低能量。,同周期主族：从左至右，Z逐渐增大，I1也逐渐增大。稀有气体I1最大。 同周期副族：从左至右，Z增加不多，原子半径减小缓慢，其I1增加不如主族元素明显。 同一主族：从上到下，Z增加不多，但原子半径增加，所以I1由大变小。 同一副族

3、电离能变化不规则。,第一电离能（First Ionization Energy, I1）,Chapter2 Structure of Materials,Z: 有效核电荷 n: 主量子数,9,气态原子俘获一个电子成为一价负离子时所产生的能量变化。,EA的大小涉及核的吸引和核外电荷相斥两个因素，故同一周期和同一族元素都没有单调变化规律。大体上，同周期元素的电子亲和势从左到右呈增加趋势，而同族元素的电子亲和势变化不大。,9,电子亲和势（Electron Affinity, EA）,Chapter2 Structure of Materials,10,衡量原子吸引电子能力的一个化学量,同一周期的元素

4、，从左到右电负性逐渐增大； 同族元素电负性从上到下逐渐减小； 选取氢作为基点。,电负性（Electronegativity）,Chapter2 Structure of Materials,原子A与B的电负性差为：,11,从左到右，有效核电荷逐渐增大，内层电子不能有效屏蔽核电荷，外层电子受原子核吸引而向核接近，导致原子半径减小。所以从左到右，原子半径趋于减小。而从上到下，随着电子层数的增加，原子半径增大。 对于离子来说，通常正离子半径小于相应的中性原子，负离子的半径则变大。,11,原子及离子半径（Atomic and Ionic Radii）,Chapter2 Structure of Mat

5、erials,电离能,电子亲和势,原子及离子半径,电负性,12,Chapter2 Structure of Materials,13,Metallic bond Ionic bond Covalent bond Hydrogen bond Van der Waals bonding,2.1.2 原子间的键合,Chapter2 Structure of Materials,14,（1）Metallic bond,Chapter2 Structure of Materials,特点： 电子共有化，可以自由流动 既无饱和性又无方向性,15,金属键示意图,Chapter2 Structure of M

6、aterials,16,Characteristic 垂直于层的方向上电导率低且为半导体性导电.,图 中 红 、 蓝 球 均 为 C 原 子,晶体的各向异性,晶体(a)与非晶体(b)的步冷曲线,晶体的固定熔点性,晶体具有固定的熔点， 反映在步冷曲线上即出现平台。而非晶体没有固定的熔点，反映在步冷曲线上不会出现平台。,47,2.2.2 Transformation,Transformation,J,？,Chapter2 Structure of Materials,48,晶态与非晶态之间的转变,非晶态所属的状态属于热力学亚稳态，而晶态内能低、稳定，所以非晶态固体总有向晶态转化的趋势，转化到稳定性

7、更高的晶体状态。 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态。 因为晶体比非晶体稳定，所以晶体的分布十分广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。,Chapter2 Structure of Materials,49,晶体结构的几个基本概念 周期性：同一种质点在空间排列上 每隔一定距离重复出现。 周期：任一方向排在一直线上的相邻两质点之间的距离。,晶格（lattice）：把晶体中质点的中心用直线联起来构成的 空间格架。 结点（lattice points）：质点的中心位置。 空间点阵（space lattice）：由这些结点构成的空间总体。 晶胞（unit cell）：构成晶格

8、的最基本的几何单元。,2.2.2 晶格、晶胞和晶格参数,Chapter2 Structure of Materials,50,a、b、c : 确定晶胞大小 、 : 确定晶胞形状,晶格常数,晶胞的三条棱的长度a、b和c就是点阵沿这些方向的周期，这三条棱就称为晶轴。,晶胞,晶胞 Unit Cell,Chapter2 Structure of Materials,51,7个晶系和14种空间点阵类型,51,2.2.3 晶系（crystal systems）,Chapter2 Structure of Materials,简单立方,52,Chapter2 Structure of Materials,面

9、心立方,体心立方,简单菱方,简单六方,简单四方,53,Chapter2 Structure of Materials,体心四方,简单正交,面心正交,54,Chapter2 Structure of Materials,体心正交,底心单斜,简单单斜,简单三斜,55,Chapter2 Structure of Materials,56,2.2.4 晶向指数和晶面指数,晶向（crystallographic directions） ： 点阵可在任何方向上分解为 相互平行的直线组（晶列）， 晶列所指方向就是晶向。 晶面（crystallographic planes） ： 晶体点阵在任何方向上分解为

10、相互平行的结点平面称为晶面， 即结晶多面体上的平面。,Chapter2 Structure of Materials,晶列,晶面簇,57,将坐标原点选在OP的任一结点O点，把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴的顺序写在方括号 内，则uvw即为OP的晶向指数。,晶向指数（crystallographic direction indices ）的确定：,晶向指数与晶面指数：国际上统一采用密勒指数（Miller indices）来进行标定。,Chapter2 Structure of Materials,58,A: 110 B: 111 C:,？,晶向指数实例,Chapter2

11、Structure of Materials,PROBLEM: Draw the following direction vectors in cubic unit cells: a. 100 and 110 b. 112 c. d.,a,59,Chapter2 Structure of Materials,60,Solution,Chapter2 Structure of Materials,61,用（hkl）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距（r, s, t)的倒数的互质整数比。,晶面指数（crystallographic plane indices ）的确定：,Chapter2 Structure of Materials,晶面A：r、s、t =1、1、1，其倒数为1、1、1，则晶面指数记为（111） 晶面B，r、s、t=1、2、，其倒数为1、1/2和0，化为互质的整数比为2:1:0，则晶面指数记为（210） 晶面C：晶面过原点（0，0，0），沿y轴平移一个晶格参数（平移后代表同一晶面）使其在y轴截距为-1，则r、s和t分别为、-1和，其倒数为0、-1和0，则晶面指数记为 ，其中的负号写在数字上面。,62,Chapter2 Structure of Materials,63,应该是(632),晶面指数示例,Chapter2 Stru