1-2-2原子的规则排列.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,内,1,内,1.2,原子的规则排列,1.2.1,晶体学基础,1.2.2,晶体结构及其几何特征,2,内,1,晶体结构,（,Crystal Structure）,体心立方点阵,bcc,面心立方点阵,fcc,密排六方点阵,hcp,3,内,晶胞中的原子数,（,Number of atoms in unit cell）,点阵常数（,lattice parameter）a，c,原子半径（,atomic radius）R,致密度（,Efficiency of space filling）,晶体中原子排列的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素。,配位数,(CN),是指晶体结构中，与任一原于,最近邻并且等距离,的原子数。,致密度,(K),是晶胞中原于所占的,体积分数,配位数（,coordination number）N,4,内,1),面心立方（,fcc,）,g,-Fe,、,Cu,、,Ni,、,Al,、,Ag,约,20,种,晶胞中含有,4,个,原子。,5,内,原子密排列面是,111,，密排方向是,110,，在密排方向上原子相切：,致密度为：,每个原子有,12,个最近邻原子，配位数为,12,。,6,内,2),体心立方（,bcc,）,-Fe,、,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ni,约,30,多种,晶胞中含有,2,个,原子。,7,内,原子密排列面是,110,，密排方向是,111,，在密排方向上原子相切：,致密度为：,每个原子有,8,个最近邻原子，配位数为,8,。,8,内,3),密排六方（,hcp,）,Zn,、,Mg,、,Cd,等,晶胞中含有,12,个,原子。,9,内,在紧密堆积的情况下，即每层都紧密相切，这时，每个原子中心和它的最近邻原子的中心间的距离都是,a(,图中,d=a),故理想轴比为：,10,内,三种典型金属结构的晶体学特点,结构特征,晶体结构类型,面心立方,(A1),体心立方,(A2),密排六方,(A3),点阵常数,a,a,a,c(c/a=1.633),原子半径,R,晶胞内原子数,4,2,6,配位数,12,8,12,致密度,0.74,0.68,0.74,11,内,4),金属的其它类型结构,金刚石结构 ,锗、锡、金刚石,三角（菱方系结构）,砷、锑、铋,正方系结构,锌、,锡,三斜系结构,12,内,2,同素异构性（,Allotropy,）,定义：,同一种金属元素在不同温度（压力）下出现不同晶体结构的现象，表现为性能不同,1,、,Fe 1394,-Fe bcc,2,、,Sn,13,白锡 正方,3,、,Mn,（,、,、,、,四种，室温下,fcc,）,13,内,3,原子堆垛（,Stacking）,方式,注：为什么面心立方和密排立方具有相同的配位数和致密度，（具有相同的紧密程度），却具有,不同的晶体结构,？,密排面（,close-packed plane,）,原子排列最紧密的晶面,密排方向,(close-packed direction),原子排列最紧密的晶向,堆垛方向,密排面一层层堆叠的方向,(,密排面的法线方向,),堆垛次序,密排面循环堆叠的周期,14,内,fcc,111,ABC,密排面,密排方向,堆垛方向,堆垛次序,bcc,110,AB,hcp,0001,AB,密排结构（,close-packed crystal structure,）,fcc,和,hcp,15,内,A,A,B,B,C,C,A,A,A,A,A,B,B,B,B,B,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,C,fcc,与,hcp,的堆垛关系,16,内,第三层原子占据,A,位置,ABAB,排列,hcp,A,A,B,B,B,B,B,B,B,C,C,C,C,C,C,C,A,A,A,A,A,A,A,17,内,第三层原子占据,A,位置的立体侧视图,第三层原子占,A,时,密排六方,18,内,第三层原子占据,C,位置,ABCABC,排列,fcc,A,A,B,B,C,C,C,C,C,C,C,A,A,A,A,A,A,A,B,B,B,B,B,B,B,19,内,第三层原子占据,C,位置的立体侧视图,第三层原子占,C,时,面心立方,20,内,第三层原子占据,C,位置的立体侧视图,第三层原子占,C,时,面心立方,21,内,4,间隙,（,Interstice,）,面心立方八面体间隙,fcc,间隙为正多面体,八面体间隙,octahedral,四面体间隙,tetrahedral,interstice,22,内,fcc,八面体间隙数目：,1/4,12+1=4,23,内,设：原子半径为,r,A,间隙半径为,r,B,（间隙能容纳的最大圆球半径）,fcc,八面体间隙半径：,八面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是,方向，在,方向,单位长度,内包含,一个原子直径和一个间隙直径,，所以，八面体间隙半径为,:,24,内,fcc,四面体间隙,（,tetrahedral,interstice,）,fcc,四面体间隙数目：,1,8=8,25,内,fcc,四面体间隙半径：,四面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是,方向，在,方向,1/4,单位长度,内包含,1,个原子半径和,1,个四面体间隙半径,，所以四面体间隙半径为：,具有面心立方结构的金属有,铜、银、金、铝、铅、,铑、,-,铁、,-,钴、,-,锰,等,在八面体间隙和四面体间隙中常常可以容纳某些半径较小的溶质或杂质原子。,设：原子半径为,r,A,间隙半径为,r,B,26,内,bcc,间隙不是正多面体，是扁多面体,体心立方八面体间隙,bcc,八面体间隙数目：,1/2,6+1/4,12=6,扁八面体,位置：在每个边的中心和面心,27,内,bcc,八面体间隙半径：,八面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是,方向，在,方向,单位长度,内包含,一个原子直径和一个间隙直径,，所以，八面体间隙半径为,:,设：原子半径为,r,A,间隙半径为,r,B,28,内,bcc,四面体间隙数目：,1/2,4,6=12,a,/4,a,bcc,四面体间隙,位置,：,29,内,设：原子半径为,r,A,，,间隙半径为,r,B,bcc,四面体间隙半径：,30,内,hcp,间隙为正多面体,密排六方,八面体间隙,和,四面体间隙,四面体间隙数目：,1/3,12 +1,6+1,2,12,八面体间隙数目：,1,6 =6,密排六方的八面体间隙和四面体间隙的形状与面心立方的完全相似，当原子半径相同时，间隙大小完全相等，只是间隙中心在晶胞中的位置不同。,31,内,综合比较,fcc,与,hcp,相比，间隙尺寸相同，分布位置不同。,fcc,与,bcc,相比，,fcc,间隙数量少。,用间隙的内容解释,-Fe,溶碳能力大于,-Fe,的原因？,八面体间隙,四面体间隙,半径,数量,半径,数量,fcc,0.146a,4,0.0794a,8,bcc,0.067a,6,0.126a,12,hcp,0.146a,6,0.0794a,12,虽然体心立方结构的致密度比面心立方结构的低，但它的间隙比较分散，每个间隙的相对体积比较小，因此在体心立方结构中可能掺入杂质和溶质原子的数量比面心立方结构的少。,32,内,5,金属元素的原子大小,表征原子大小通常采用两种量度方法：原子半径和结构原子体积。,1,）原子半径：,定义 最近邻的两个原子中心之间的距离的一半。,c/a1.633,hcp c/a=1.633,fcc,bcc,33,内,影响因素：,A,外界条件,B,配位数：配位数降低时，原子半径收缩。,配位数,12 8 6 4 2 1,原子半径,1.00 0.97 0.96 0.88 0.81 0.72,C,结合键,D,合金化,34,内,2,）结构原子体积：,晶胞中每个原子占有的体积。即晶胞体积除以晶胞中的原子数。,当元素的晶体结构改变时，其结构原子体积变化很小或基本不变。,假设,a,1,和,a,2,分别为,fcc,和,bcc,结构的点阵常数，当发生,fccbcc,转变时，如果结构原子体积基本不变，则,结果与上述经验规律符合（,原子半径发生变化,）。,由（,1,）（,2,）得：,35,内,6,单晶体与多晶体,1.,单晶体 质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体,2.,多晶体 通常由许多不同位向的小晶体,(,晶粒）所组成。,3.,晶粒与晶粒之间的界面称为晶界,4.,多晶体材料一般显示出各向同性,假等向性。,36,内,多晶体及多晶体位向示意图,37,内,7,、非金属单质的晶体结构,金刚石结构,锗、,锡、金刚石,石墨结构,锡结构,正方系,38,内,7,、非金属单质的晶体结构,金刚石类型结构锗、,a,锡以及碳的一种同素异型结构（金刚石）也具有这种结构。,在非金属单质的分子和晶体中，原子间的结合键多为共价键。由于共价键具有饱和性。它的配位数和它的化学键数相等，并符合,8-,N,规律，其中,N,为该元素在周期表中的族数。第,IVA,族元素。如碳、硅、锗和锡等。每个原子的共价键数目是,8-4=4,，它们的配位数是,4,。,结构符号是,A4,，,Pearson,符号是,c,F8,不能形成封闭的分子，只能构成三维空间无限延伸的大分子,39,内,这种结构可以看成是由,2,个面心立方点阵穿插而成：这,2,个面心立方点阵（图中的灰色和红色点）沿体对角线相对位移动,a,/4,。每个晶胞含,8,个原子。,在坐标为,000,和坐标为,的,原子的环境是不同的，它们不,能独立抽象为一个布拉菲阵,点，这两个点组合成一个结构,基元，最后，它的布拉菲点阵,仍为面心立方点阵。,40,内,虽然金刚石结构属于,fcc,的结构，堆但它的堆垛致密度却很低，只有,0.34,。最近邻原子中心距离是,a111/4,，所以原子半径,r=a 3/8,一个晶胞有,8,个原子，故结构的致密度,h,为：,硅是重要的电子器材材料，它具有金刚石类型结构，锗、,a,锡以及碳的一种同素异型结构（金刚石）也具有这种结构。,并且堆垛方式也类似于,fcc,点阵，即,AABBCCAABBCC,。,41,内,在面上的,3,个键是共价键和金属键的混合，活动于六边环的上方或下方平面的一个键是范德瓦尔键。范德瓦尔键比较弱，所以石墨很容易逐层撕开。,每,1,个碳原子固定和平面上相邻的其他,3,个碳原子键合，但另,1,个键却不固定，活动于六边环的上方或下方的一个平面内。,石墨结构,结构符号是,A9,，,Pearson,符号是,h,P4,42,内,b,锡结构,它的结构是经过畸变的金刚石结构，成为四方系。一个原子与四个最近邻原子键合，构成一个大分子。一个,晶胞含有四个原子。最近邻原子的距离是：,结构符号是,A5,，,Pearson,符号是,t,I4,。,还有两个次近邻，故,CN,为,4+2,。这类结构的致密度是很低的。,43,内,8,陶瓷的晶体结构,陶瓷的晶体结构特征：,晶体结构复杂,原子排列不紧密,配位数低,陶瓷的晶体结构分类：,离子键结合的陶瓷：,MgO,，,ZrO,2,，,CaO,，,Al,2,O,3,等金属氧化物,共价键结合陶瓷：,SiC,，,Si,3,N,4,，纯,SiO,2,高温相,44,内,1,）,离子键结合的陶瓷晶体结构,-NaCl,型（,B1,）,金属氧化物，最常见，几百种化合物,NaCl,可以看成由两个面心立方点阵穿插而成的超点阵,Na,+,Cl,-,将,Na,+,和,Cl,-,看成一个集合体，即一个结点，此结构则为,FCC,结构，单胞离子数为,4,个,Na,+,和,4,个,Cl,-,45,内,两种异号离子半径比值决定了配位数，配位数直接影响晶体结构,配位数 间隙 半径比 示意图,线性,00.15,3,三角形,0.1550.225,4,四面体间隙,0.2250.414,6,四面体间隙,0.4140.732,8,立方体间隙,0.7321.00,离子键结合的陶瓷晶体结构的配位数,46,内,1,）离子键结合的陶瓷晶体结构,-,CaF,2,型（,C1,）,ZrO,2,及,UO,2,，,ThO,2,，,CeO,2,Ca,2+,位于结点位置，,F,1-,位于四面体间隙,47,内,1),离子键结合的陶瓷晶体结构,-,Al,2,O,3,及,Cr,2,O,3,，,-Fe,2,O,3,，,Ti,2,O,3,，,V,2,O,3,的结构,Al,2,O,3,又称刚玉，,刀具，砂轮的原料。,O,2-,位于密排六方的结点上，,Al,3+,位于八面体间隙上，,为保持电荷平衡，只有,2/3,的,八面体间隙被占据,Al,3+,O,2-,Empty hole,48,内,2),共价键晶体结构,-,多属于金刚石型结构,SiC,，,Si,3,N,4,，纯,SiO,2,高温相，,ZnS,Zn,位于,fcc,的结点上，,S,位于四面体间隙上为保持电荷平衡，只有,1/2,的四面体间隙被占据,49,内,Al/SiC,复合材料中的,SiC,粒子,SiC,50,内,例题,-,熟悉典型晶体结构，致密度，原子半径等基本概念,例题一,铜为,FCC,结构，原子半径为,0.1278 n m,，计算其密度（,Cu,的相对原子量为,63.5,）,解：,因为,Cu,为,FCC,结构，故,r,2,=a,2,/4,，,a,2,=4 r,2,，,a=0.3615 n m,所以，,=,质量,/,体积,=463.5/,（,6.02 10,23,）,/,（,0.3615 10,-9,）,3,=8.93g/cm,3,51,内,例题,-,熟悉典型晶体结构，致密度，原子半径等基本概念,例题二,1mm,3,固态,Sr,锶,(strontium),中，有多少原子？原子的堆积密度多少？它属于立方晶系，其晶体结构是什么？已知,Sr,的原子量为,87.62,，原子半径为,0.215nm,，离子半径为,0.127nm,，密度为,2.6g/m,3,。,解：,1mm,3,固态,Sr,中原子,=2.6x10,-3,g/mm,3,/,（,87.62g/6.02x10,23,）,=1.78 10,19,个,/mm,3,堆积密度,=,（,4/3,）,（,0.125 10,-6,）,3,1.78 10,19,/1,=0.74,根据致密度，晶体为面心立方结构。,