晶体结构单质无机化合物硅酸盐.ppt
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1、School of materials Science and engineering2.4 2.4 单质晶体结构单质晶体结构金属晶体结构金属晶体结构非金属晶体结构非金属晶体结构1 1、为什么大多数金属晶体中的原子、为什么大多数金属晶体中的原子呈紧密堆积?呈紧密堆积?2 2、为什么金属晶体会有、为什么金属晶体会有A A1 1、A A2 2、A A3 3的结的结构差异?构差异?2 2、金属键及金属晶体结构的特性与金、金属键及金属晶体结构的特性与金属的性质有何关系?属的性质有何关系?School of materials Science and engineering(1 1)常见金属晶体结构)常
2、见金属晶体结构金属晶体的结构金属晶体的结构图图2-22 常见金属晶体的晶胞结构常见金属晶体的晶胞结构(a a)面心立方)面心立方(A A1 1型型)(b b)体心立方)体心立方(A A2 2型型)(c c)密排六方)密排六方(A A3 3型型)常见常见面心立方面心立方的金属有的金属有AuAu、AgAg、CuCu、AlAl、-Fe-Fe、NiNi等等二十多种二十多种。坐标为。坐标为0 0,0 0,0 0、0,1/2,1/20,1/2,1/2等,晶胞中所含原子等,晶胞中所含原子数为数为4 4。常见常见体心立方体心立方的金属有的金属有FeFe、TiTi、CrCr、W W等等三十多种三十多种。坐标为。
3、坐标为0 0,0 0,0 0、1/2,1/2,1/21/2,1/2,1/2。原子数为。原子数为2 2。常见常见密排六方密排六方的金属有的金属有BeBe、ZnZn、MgMg、-Ti-Ti等等二二十多种十多种。坐标为。坐标为0 0,0 0,0 0,2/3,1/3,1/2,2/3,1/3,1/2,原子数为原子数为6 6。School of materials Science and engineering(2 2)金属中原子紧密堆积的化学基础)金属中原子紧密堆积的化学基础金属元素的金属元素的最外层电子多数属于最外层电子多数属于“S”型,型,其轨道无方向性,其轨道无方向性,可与任何方向的相邻原子可与任
4、何方向的相邻原子的的s轨道重叠,相邻原子的数目在空间几何因轨道重叠,相邻原子的数目在空间几何因素允许的情况下并无严格的限制,因此,素允许的情况下并无严格的限制,因此,金金属键既没有方向性,也没有饱和性。属键既没有方向性,也没有饱和性。只有紧只有紧密的方式堆积,才能使各个密的方式堆积,才能使各个S轨道得到最大轨道得到最大程度的重叠,使晶体结构最为稳定。程度的重叠,使晶体结构最为稳定。School of materials Science and engineering为什么同为为什么同为s s1 1型电型电子构型,却呈两种子构型,却呈两种不同堆积方式呢?不同堆积方式呢?School of mat
5、erials Science and engineeringA A、金属或合金在组成上不遵守定比定律、金属或合金在组成上不遵守定比定律B B、金属或合金表现出良好的导电性、导热性、塑性、金属或合金表现出良好的导电性、导热性、塑性和延展性和延展性金属晶体为韧性材料金属晶体为韧性材料;非金属晶体为脆性材料。非金属晶体为脆性材料。为什么为什么(3 3)金属键的结构特征及金属的特性)金属键的结构特征及金属的特性工业上滚扎钢材过程工业上滚扎钢材过程School of materials Science and engineeringA A、惰性气体元素的晶体、惰性气体元素的晶体惰性气体在低温下,形成面心
6、立方或六方密堆惰性气体在低温下,形成面心立方或六方密堆晶体。范德华键。晶体。范德华键。B B、其他非金属元素单质的晶体结构、其他非金属元素单质的晶体结构休谟偌瑟瑞(休谟偌瑟瑞(Hume-RotheryHume-Rothery)规则)规则:如果某:如果某非金属元素的原子能以单键与其他原子共价结合形非金属元素的原子能以单键与其他原子共价结合形成单质晶体,则每个原子周围共价单键的数目为成单质晶体,则每个原子周围共价单键的数目为8 8减去元素所在周期表中的族数(减去元素所在周期表中的族数(m m或或n n),即共价单),即共价单键数目为(键数目为(8-m8-m)。此规则亦称为()。此规则亦称为(8-m
7、8-m)规则。)规则。非金属元素单质的晶体结构非金属元素单质的晶体结构(了解了解)School of materials Science and engineering卤素分卤素分子晶体子晶体School of materials Science and engineering2.5无机化合物结构无机化合物结构掌握描述晶体结构的方法,熟悉它们所属掌握描述晶体结构的方法,熟悉它们所属晶系、晶体中质点的堆积方式,空间坐标,配晶系、晶体中质点的堆积方式,空间坐标,配位数、配位多面体及其连接方式,晶胞分子数,位数、配位多面体及其连接方式,晶胞分子数,空隙填充率、空间格子构造、键力分布等。最空隙填充率、
8、空间格子构造、键力分布等。最终建立起终建立起材料组成结构性能之间相互关系材料组成结构性能之间相互关系的直观图像。的直观图像。本章重点School of materials Science and engineeringAX型结构主要有型结构主要有CsCl、NaCl、ZnS、NiAs等类型的结构,其键性主要是离子键,其中前二等类型的结构,其键性主要是离子键,其中前二者是典型的离子晶体,者是典型的离子晶体,ZnS带有一定的共价键成带有一定的共价键成分,是一种半导体材料。分,是一种半导体材料。大多数大多数AX型型符合正负离子半径比与符合正负离子半径比与配位数的定量关系配位数的定量关系,见表,见表2.
9、10。AX型结构型结构School of materials Science and engineering(1)、)、NaCl型结构型结构 许多许多AX型的化合物,包括许多陶瓷材料如型的化合物,包括许多陶瓷材料如MgO,CaO,NiO,CoO,MnO和和PbO等都形成该结构。等都形成该结构。共棱连接共棱连接School of materials Science and engineering(2)、)、CsClSchool of materials Science and engineering(3)、立方)、立方ZnS(闪锌矿)(闪锌矿)常见该结构的化合物有常见该结构的化合物有Be、Cd、
10、Hg等的硫化物等。等的硫化物等。School of materials Science and engineering(4 4)、六方)、六方ZnSZnS(纤锌矿)(纤锌矿)六方晶系,六方晶系,S2-作六方最紧密堆积,作六方最紧密堆积,Zn2+占占50%四面体空隙。分子数为四面体空隙。分子数为6,平行六面体晶胞,平行六面体晶胞中,分子数为中,分子数为2。结构。结构各由一套六方格子穿插各由一套六方格子穿插而而成。常见成。常见BeO、CdS、GaAs等。等。性质:性质:某些像六方某些像六方ZnSZnS型的晶体,由于加热使整型的晶体,由于加热使整个晶体温度变化,结果在与该晶体个晶体温度变化,结果在与
11、该晶体c c轴垂直方向轴垂直方向的一端出现正电荷,在相反的一端出现负电荷的的一端出现正电荷,在相反的一端出现负电荷的性质。性质。School of materials Science and engineering结构特征:结构特征:无对称中心存在。无对称中心存在。热释电效应:热释电效应:极性晶体因温度变化而发生电极性晶体因温度变化而发生电极化改变的现象。极化改变的现象。用途:热释电材料、声电转换材料用途:热释电材料、声电转换材料(可作红外探测可作红外探测器)器)。通过半导体进行声电相互转换的现通过半导体进行声电相互转换的现象称为声电效应。象称为声电效应。School of materials
12、 Science and engineeringAX2型结构主要有型结构主要有萤石型(激光基质材料),萤石型(激光基质材料),金红石型(集成光学棱镜材料)和方石英型(金红石型(集成光学棱镜材料)和方石英型(方方石英,光学材料和压电材料)石英,光学材料和压电材料)。还有还有CdI2和和CdCl2型,此类材料是固体润滑剂。型,此类材料是固体润滑剂。AX2:萤石型正负离子半径比为:萤石型正负离子半径比为0.732;金金红石型为红石型为;方石英型为方石英型为。、AX2型结构型结构School of materials Science and engineering(1)、萤石型)、萤石型和和NaCl性
13、质相比,性质相比,键力较键力较NaCl强,故硬度较大,强,故硬度较大,熔点较高(熔点较高(1410),密度较大(),密度较大(3.18g/cm3),水中),水中溶解度小。溶解度小。沿(沿(111)面易发生解理。)面易发生解理。ZrOZrO2 2,UO,UO2 2,CeO,CeO2 2,ThO,ThO2 2均属此类结构。均属此类结构。School of materials Science and engineering反萤石结构反萤石结构 反萤石型结构中,反萤石型结构中,由阴离由阴离子如氧离子子如氧离子O2-作面心立作面心立方紧密堆积,阳离子占据方紧密堆积,阳离子占据所有四面体空隙所有四面体空隙
14、。形成反萤石结构的化形成反萤石结构的化合物的化学计量比为合物的化学计量比为A2B例如:例如:Li2O、Na2O、K2O以及以及K2S、Li2Se、Na2Te等等反同形体反同形体School of materials Science and engineering四方晶系,四方晶系,O O2 2作作近似六方最紧密堆积,近似六方最紧密堆积,钛位于角顶及体心位钛位于角顶及体心位置,坐标如书置,坐标如书P44P44所述。所述。钛配位数为钛配位数为6 6,氧的配,氧的配位数为位数为3 3。钛填充在钛填充在1/21/2的八面体空隙中。的八面体空隙中。分子数为分子数为2 2。由。由2 2套套TiTi简单四方
15、格子简单四方格子和和4 4套套O O的简单格子相互穿插的简单格子相互穿插而成。而成。(2)、金红石型)、金红石型金红石具很高的折射率(金红石具很高的折射率(2.762.76),高的介电系数。),高的介电系数。u0.314.5944.594School of materials Science and engineering刚刚玉玉,单单晶晶体体为为宝宝石石。三三方方晶晶系系,晶晶胞胞大大且且结结构构复复杂杂。其其中中O O2 2作作近近似似地地六六方方密密排排,A Al l3 3+填填充充在在2 2/3 3的的 八八面面体体空空隙隙中中,配配位位数数分分别别为为6 6和和4 4。硬硬度度大大,
16、熔熔点点高高,高高绝绝缘缘性性,抗抗腐腐蚀蚀,与与铝铝氧氧键键能能大大有有关关。A A2 2X X3 3型结构型结构(1 1)AlAl2 2O O3 3,刚玉型,刚玉型压电材料、铁电材料、电光材料等压电材料、铁电材料、电光材料等School of materials Science and engineeringABO3型结构型结构图图2.382.38常见络合离子团结构常见络合离子团结构School of materials Science and engineering(1)、钙钛矿结构、钙钛矿结构这种结构只有这种结构只有当当A A离子位置上的离子位置上的阳离子(如阳离子(如CaCa2+2+
17、)与氧离子同样大小与氧离子同样大小或比其大些,并且或比其大些,并且B B离子的配位为离子的配位为6 6时才是稳定的时才是稳定的。立方晶系,立方晶系,钙、氧钙、氧FCCFCC堆积。堆积。School of materials Science and engineering式中:式中:t为容许因子,当为容许因子,当t1时,时,RA过大,过大,RB过小。一般情况下,钙钛矿型结构的过小。一般情况下,钙钛矿型结构的t。注:有的文献中注:有的文献中School of materials Science and engineering(2)、BaTiO3的铁电效应的铁电效应(性质)(性质)所谓铁电材料所谓铁
18、电材料,是指是指材料的晶体结材料的晶体结构在不加外电场时构在不加外电场时就具有自发极化现就具有自发极化现象象,其自发极化的方其自发极化的方向能够被外加电场向能够被外加电场反转或重新定向。反转或重新定向。铁电材料的这种特铁电材料的这种特性被称为性被称为“铁电现铁电现象象”或或“铁电效应铁电效应”。电场强度电场强度EEcO电极化强度电极化强度PPs图图3.10电滞回线示意图电滞回线示意图why?School of materials Science and engineeringA A、钙钛矿型结构自发极化的微观机制、钙钛矿型结构自发极化的微观机制自发极化方自发极化方向相同的晶胞向相同的晶胞组成的
19、小区域组成的小区域称为称为电畴电畴。氧八面体空隙越大,中心阳离子半径越小,电价氧八面体空隙越大,中心阳离子半径越小,电价越高,晶体越容易产生自发极化。氧八面体以共顶方越高,晶体越容易产生自发极化。氧八面体以共顶方式连接成氧高价阳离子直线也是非常重要的条件。式连接成氧高价阳离子直线也是非常重要的条件。金红石中因无此直线而无铁电性。金红石中因无此直线而无铁电性。具铁电性晶体结构条件:具铁电性晶体结构条件:School of materials Science and engineering51612120立方立方顺顺电电体体正方正方铁铁电电体体斜方斜方铁铁电电体体六方六方顺顺电电体体三方三方铁铁电
20、电体体-801460熔熔体体B B、温度的影响、温度的影响铁电体的自发极化只在一定的温度下范围内出现。铁电体的自发极化只在一定的温度下范围内出现。在温度高于在温度高于120时(居里温度),钛酸钡的铁电时(居里温度),钛酸钡的铁电效应消失,这是由效应消失,这是由温度高,原子的热振动加剧,导温度高,原子的热振动加剧,导致恢复力较大之故。致恢复力较大之故。School of materials Science and engineeringAB2O4型结构(尖晶石)型结构(尖晶石)尖晶石有正尖晶石和反尖晶石之分。尖晶石有正尖晶石和反尖晶石之分。尖晶石是典型的磁性非金属材料尖晶石是典型的磁性非金属材料
21、 A A、B B块构成晶胞结构块构成晶胞结构(b)A(b)A块块(Mg(Mg2+2+)、B B块块(Al(Al3+3+)离子的堆积离子的堆积(8 8个个“分子分子”)School of materials Science and engineeringFIG.2.49 铁磁体的磁滞回线铁磁体的磁滞回线School of materials Science and engineering本节小结本节小结1 1、掌握描述晶体结构的方法;、掌握描述晶体结构的方法;2 2、掌握金属单质、几种典型无机化合物、掌握金属单质、几种典型无机化合物的结构,理解其结构与性能的关系。的结构,理解其结构与性能的关系。
22、由钙钛矿结构理解鲍林规则。由钙钛矿结构理解鲍林规则。3 3、掌握铁电效应、热释电效应等概念。、掌握铁电效应、热释电效应等概念。School of materials Science and engineeringSi:26.0wt%Si:26.0wt%Al:7.45 wt%Al:7.45 wt%O:49.13wt%O:49.13wt%地壳中的优势矿地壳中的优势矿物为硅酸盐和铝物为硅酸盐和铝硅酸盐硅酸盐2.6硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体结构基本结构单元的构造基本结构单元的构造基本结构单元之间的连接基本结构单元之间的连接结构和性质上特征等结构和性质上特征等丰度丰度掌掌握握School of mater
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