1 / 58

Chapter 2 Structure and property of materials

晶 体 结 构. Chapter 2 Structure and property of materials. 1. 1. 晶体与非晶体的结构和特点. 晶体. 原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成的固体. 2.2 Crystal & non-crystal. 非晶体. 原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成的固体. 2. 石英晶体. 石英玻璃. 2.5 Noncrystal materials. 3. 晶体的特征. 周期性. （ 1 ） 均匀性. （ 2 ） 各向异性.

russell-avery
Download Presentation

Chapter 2 Structure and property of materials

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 晶 体 结 构 Chapter 2 Structure and property of materials 1

  2. 1. 晶体与非晶体的结构和特点 晶体 原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成的固体 2.2 Crystal & non-crystal 非晶体 原子、分子或离子无规则地堆积在一起所形成的固体 2

  3. 石英晶体 石英玻璃 2.5 Noncrystal materials 3

  4. 晶体的特征 周期性 （1）均匀性 （2）各向异性 2.3.3 Structure & physical performance of crystal materials （3）自发地形成多面体外形 （4）晶体具有明显确定的熔点 （5）晶体的对称性 （6）晶体对X射线的衍射 4

  5. 晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异，叫做各向异性。如：晶体的导热、导电、光的透射、折射、偏振、压电性、硬度等性质常因晶体取向不同而异，叫做各向异性。如： 　　如石墨在与层平行的方向上具有导电性，而在与层垂直的方向上就不具有导电性。若在水晶的柱面上涂一层蜡，用红热的针接触蜡面中央，蜡熔化呈椭圆形而不呈圆形，这是由于水晶柱面长轴方向与短轴方向传热速度不同。再如：从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性质不同。

  6. 石英晶体的 形状与对称元素 Crystal symmetry 6

  7. 平移对称性示意图

  8. 非晶体的宏观特征 （1）只有玻璃转化温度，无熔点。 （2）没有规则的多面体几何外型，可以制成 玻璃体，丝，薄膜等特殊形态。 （3）物理性质各向同性。 （4）均匀性来源于原子无序分布的统计性规 律，无晶界。

  9. 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。例如五次对称轴等。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。例如五次对称轴等。 准晶体的发现一方面极大地深化了我们对晶体学、衍射物理和凝聚态物理地的认识。另一方面，准晶体的各种独特性质使准晶体具有潜在的应用价值。

  10. 2、晶胞(unit cell) 晶体中最小的结构重复单元，形状为平行六面体，其三边长度a,b,c不一定相等，也不一定垂直。整个晶体是由晶胞并置堆砌而成。 划分晶胞要遵循2个原则：一是尽可能反映晶体内结构的对称性；二是尽可能小。

  11. 晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶胞。晶体结构中具有代表性的最小重复单位，称为晶胞。

  12. 例题（2001年）今年3月发现硼化镁在39K呈超导性，可能是人类对超导认识的新里程碑。在硼化镁晶体的理想模型中，镁原子和硼原子是分层排布的，像维夫饼干，一层镁一层硼地相间，下图是该晶体微观空间中取出的部分原子沿C轴方向的投影，白球是镁原子投影，黑球是硼原子投影，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。由图可确定硼化镁的化学式为：。画出硼化镁的一个晶胞的透视图，标出该晶胞内面、棱、顶角上可能存在的所有硼原子和镁原子（镁原子用大白球，硼原子用小黑球表示）。例题（2001年）今年3月发现硼化镁在39K呈超导性，可能是人类对超导认识的新里程碑。在硼化镁晶体的理想模型中，镁原子和硼原子是分层排布的，像维夫饼干，一层镁一层硼地相间，下图是该晶体微观空间中取出的部分原子沿C轴方向的投影，白球是镁原子投影，黑球是硼原子投影，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。由图可确定硼化镁的化学式为：。画出硼化镁的一个晶胞的透视图，标出该晶胞内面、棱、顶角上可能存在的所有硼原子和镁原子（镁原子用大白球，硼原子用小黑球表示）。

  13. 晶胞 Unit Cell 晶胞参数 Unit cell a、b、c : 确定晶胞大小 、、: 确定晶胞形状 晶胞中各原子(分子离子)的坐标 15

  14. 3、晶胞的分类 —晶系 晶系晶轴 轴间夹角 实例 立方 a = b = c α=β=γ= 900 Cu, NaCl 四方 a = b ≠ c α=β=γ= 900 Sn, SiO2 正交 a = ≠ b ≠ c α=β=γ= 900 I2, BaCO3 三方 a = b = c α=β=γ≠ 900 As, Al2O3 a = b ≠ c α=β= 900，γ = 1200 单斜 a ≠ b ≠ c α= γ= 900，β≠ 900 KClO3 三斜 a ≠ b ≠ c α≠ β≠ γ≠ 900 K2CrO7 六方 a = b ≠ c α=β= 900，γ =1200 Mg,CuS

  15. 晶胞中质点个数的计算： • 晶体密度的计算：

  16. 鲁科版（88页）3、已知一个金属铜的晶胞切割，该晶胞的边长为3.6210-10m，每一个铜原子的质量为1.05510-25kg，试回答下列问题：鲁科版（88页）3、已知一个金属铜的晶胞切割，该晶胞的边长为3.6210-10m，每一个铜原子的质量为1.05510-25kg，试回答下列问题： （1）一个晶胞中“实际”拥有的铜原子数是多少？ （2）该晶胞的体积是多大？ （3）利用以上结果计算金属铜的密度。

  17. 晶体空间利用率的计算：

  18. 4、晶体的缺陷： 晶体的缺陷影响晶体的性质，可使晶体的某些优良性能降低，但是从缺陷可以改变晶体的性质角度看，在晶体中造成种种缺陷，就可以使晶体的性质有着各种各样的变化，晶体的许多重要性能由缺陷产生。改变晶体缺陷的形式和数量，就可制得所需性能的晶体。

  19. 2.4.1.1 Point defect 22

  20. 钙钛矿型非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x>0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这种缺陷，使固体具有超导性能。钙钛矿型非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x>0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这种缺陷，使固体具有超导性能。 23

  21. YBa2Cu3O7-x的缺陷型钙钛矿结构 Example 24

  22. 鲁科版（97页）10(2) 天然的和绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷。例如，在某种NiO晶体中就存在缺陷：一个Ni2+空缺，另两个Ni2+被两个Ni3+所取代。其结果是晶体仍呈电中性，但化合物中Ni和O的个数却发生了变化。某氧化镍样品的组成为Ni0.97O，试计算该晶体中Ni3+与Ni2+的离子个数之比。

  23. 5、金属晶体的结构 等径圆球堆积模型: （1）简单立方堆积 形成简单立方晶胞，空间利用率较低52％ ，金属钋（Po）采取这种堆积方式。

  24. （2）体心立方堆积(bcc，A2) 碱金属、α-Fe、 难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等

  25. bcc a ：晶胞单位长度 R ：原子半径 单位晶胞原子数 n= 2 28

  26. Al，Ni， Pb，Pd， Pt，贵金属 以及 奥氏体不锈钢等 （3）面心立方堆积(fcc，A1)

  27. fcc n = 4 31

  28. α-Ti， α-Co， α-Zr， Zn，Mg 等 （4）六方堆积(hcp， A3)

  29. 平行六面体的底是个平行四边形，各边为a=2R, 平行四边形的面积 平行六面体的高

  30. n = 2 hcp 34

  31. (5)金刚石型堆积(A4)

  32. 6、离子晶体（1）CsCl型:(CsCl, CsBr, CsI, NH4Cl)

  33. （2）NaCl型:

  34. 例题：研究离子晶体，常考察以一个离子为中心时，其周围不同距离的离子对它的吸引或排斥的静电作用力。设氯化钠晶体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为d，以钠离子为中心，则：例题：研究离子晶体，常考察以一个离子为中心时，其周围不同距离的离子对它的吸引或排斥的静电作用力。设氯化钠晶体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为d，以钠离子为中心，则： • [1]第二层离子有12 个，离中心离子的距离为，它们是 钠 离子。

  35. [2]已知在晶体中Na+离子的半径为116pm，CI-离子的半径为167pm，它们在晶体中是紧密接触的。求离子占据整个晶体空间的百分数。[2]已知在晶体中Na+离子的半径为116pm，CI-离子的半径为167pm，它们在晶体中是紧密接触的。求离子占据整个晶体空间的百分数。 V晶胞=[2(116pm+167pm)]3=181 106pm3 V离子=4  (4/3)(116pm)3+ 4  (4/3)(167pm)3 =104106 pm3 V离子/ V晶胞=57.5%

  36. [3]纳米材料的表面原子占总原于数的比例极大，这是它的许多特殊性质的原因，假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状，求这种纳米颗粒的表面原子占总原子数的百分比。[3]纳米材料的表面原子占总原于数的比例极大，这是它的许多特殊性质的原因，假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状，求这种纳米颗粒的表面原子占总原子数的百分比。 26/27=96%

  37. [4]假设某氯化钠颗粒形状为立方体，边长为氯化钠晶胞边长的10倍，试估算表面原子占总原子数的百分比。[4]假设某氯化钠颗粒形状为立方体，边长为氯化钠晶胞边长的10倍，试估算表面原子占总原子数的百分比。 • 10倍晶胞的纳米颗粒的离子总数:213=9261 • 9倍晶胞的纳米颗粒的离子总数:193=6859 • 10倍晶胞的纳米颗粒的表面离子数: • 6959-9261=2402 • 表面原子数所占比例：2402/9261=26%

  38. （3）立方ZnS:(鲁科版)

  39. （鲁科版p96 ,10） NiO晶体的结构型式与NaCl晶体的结构型式完全相同，Ni2＋与最邻近的O2－的核间距为a10-10m。试计算NiO晶体的密度。（已知NiO的摩尔质量为74.7g.mol-1）

  40. （4） CaF2型 (人教版）

  41. 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。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。

  42. 正负离子半径比和离子配位多面体

  43. 配位多面体 配位数 半径比(r+/r–)范围 平面三角形 3 0.155-0.225 四面体 4 0.225-0.414 八面体 6 0.414-0.732 立方体 8 0.732-1.000 立方八面体 12 1.000 　　离子晶体中的稳定配位多面体的理论半径比

  44. （5）晶格能 晶格能(U)是指将1摩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（数符为+）。例如： NaCl(s)→Na+(g)+Cl–(g) U=786kJ·mol–1 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。晶格能大小还影响着离子晶体在水中的溶解度、溶解热等性质。 LiF LiCl LiBr LiI(g/100mLH2O) 0.27 64 145 165

  45. 注：无机盐的溶解是水合离子的生成过程： MX(s)M+(g)+X-(g) M+(aq)+X-(aq) 离子晶体在水中的溶解度与溶解热不但与晶体中离子克服晶格能进入水中吸收的能量有关，还与进入水中的离子发生水化放出的能量（水化热）有关。　　

More Related