第二章 材料的结构.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,*,第二章 材料的结构,第一节 晶体学基础,无定形体,指内部质点排列不规则，没有一定结晶外形，没有固定熔点的固体物质。,晶体,指内部质点（原子、分子、离子）在空间有规则地排列成具有整齐外形，并以多面体出现的固体物质。,第一节 晶体学基础,阵点,空间格子,(space lattice),点阵,(lattice),晶体中描述质点规则排列的空间格架（即阵列）称为空间点阵，简称点阵。,晶胞（,cell,）从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的基本单元作为点阵的组成单元，这种最小的几何单元称晶胞,一、空间点阵与晶胞,晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。按照晶体中质点的结合应遵循势能最低的原则，从球体堆积的几何角度来看，球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此即球体最紧密堆积原理。,第二节 球体的紧密堆积原理,一、最紧密堆积原理,根据,质点大小的不同，球体最紧密堆积方式分为：,等径,球体紧密堆积,：,晶体由一种元素构成，如,Cu,、,Ag,、,Au,等单质。,不等,径,球体紧密堆积：,晶体由两种以上的元素构成，如,NaCl,、,MgO,等,化合物。,第二节 球体的紧密堆积原理,二、最紧密堆积的方式,等,径,球体最紧密堆积时，在平面上每个球与,6,个球相接触，形成,第,1,层,（球心位置标记为,A,），如,图,1-,1,所示。此时，每,3,个彼此相接触的球体之间形成,1,个弧线三角形空隙，每个球周围有,6,个弧线三角形空隙，其中,3,个空隙的尖角指向图的下方（其中心位置标记为,B,），另外,3,个空隙的尖角指向图的上方（其中心位置标记为,C,），这两种空隙相间分布。,单层,和第二层,第二节 球体的紧密堆积原理,（一）等径球体的紧密堆积,图,1-1,球体在平面上的最紧密堆积,六方紧密堆积,：,ABABAB,.,面心立方紧密堆积,：,ABCABCABC,四面体空隙,、,八面体空隙,空隙,率为,25.95%,n,个球体作紧密堆积，必定有,n,个八面体空隙、,2n,个四面体空隙。,第二节 球体的紧密堆积原理,（一）,等径球体紧密堆积,面心立方最紧密堆积和六方最紧密堆积,球体在空间的堆积是按照,ABAB,的层序来堆积。这样的堆积中可以取出一个六方晶胞，称为六方最紧密堆积，见,图,1-2,（,a,）,。,另一种堆积方式是按照,ABCABC,的堆积方式。这样的堆积中可以取出一个面心立方晶胞，称为面心立方最紧密堆积。面心立方堆积中，,ABCABC,重复层面平行于（,111,）晶面，见,图,1-2,（,b,）,。,两种最紧密堆积中，每个球体周围同种球体的个数均为,12,。,图,1-2(,a)ABCABC,层序堆积,面心立方紧密堆积,(,b)ABAB,的层序堆积,六方紧密堆积,两种三层堆叠方式,ABA:,第三层位于第一层正上方,ABC:,第三层位于一二层间隙,最紧密堆积的空隙：,由于球体之间是刚性点接触堆积，最紧密堆积中仍然有空隙存在。从形状上看，空隙有两种：一种是,四面体空隙,，由,4,个球体所构成，球心连线构成一个正四面体；另一种是,八面体空隙,，由,6,个球体构成，球心连线形成一个正八面体。,显然，由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。,最紧密堆积中空隙的分布情况,每个球体周围有,8,个四面体空隙和,6,个八面体空隙。,n,个等径球最紧密堆积时，整个系统四面体空隙数为,2n,个，八面体空隙数为,n,个。,采用,空间利用率,来表征密堆系统总空隙的大小。其定义为：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。两种最紧密堆积的空间利用率均为,74.05%,，空隙占整个空间的,25.95%,。,第二节 球体的紧密堆积原理,不等径球进行堆积时，较大球体,按等径球体,作紧密堆积，较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。其中稍小的球体填充在四面体空隙，稍大的则填充在八面体空隙。,离子晶体结构：阴离子作紧密堆积，阳离子则填充在其空隙中。,（二）不等径球体紧密堆积,第三节 影响离子晶体结构的因素,一、,原子半径和离子半径,二、,配位数和配位多面体,三、,离子的极化,四、,电负性,五、,结晶化学定律,第三节 影响离子晶体结构的因素,一、,原子半径和离子半径,1.,有效半径：原子或离子在晶体结构中相接触时的半径。,2.,离子晶体：相邻的一对阴、阳离子的中心距即为该阴、阳离子的离子半径之和。,3.,共价晶体：两个相邻键合原子的中心距，即为这两个原子的共价半径之和。,4.,金属晶体：两个相邻原子的中心距，即为这两个原子的金属原子半径之和。,第三节 影响离子晶体结构的因素,二、,配位数和配位多面体,1,、配位数：在离子晶体结构中，某离子周围异号离子的数目，称为该离子的配位数。,2,、配位多面体：在离子晶体结构中，直接与同一阳离子接触的几个阴离子的球心连接起来而成的多面体。,3.,阳离子位于配位多面体的中心，阴离子位于多面体的角顶上。,r+/r-,阳离子配位数,配位多面体形状,实例,0.0000.155,2,哑铃形,干冰,CO,2,0.1550.225,3,三角形,B,2,O,3,0.2250.414,4,四面体,SiO,2,0.4140.732,6,八面体,NaCl,0.7321.000,8,立方体,ZrO,2,1.000,12,立方八面体,Cu,三、,离子的极化,在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一离子的电子云发生作用（吸引或排斥），因而使这个离子的大小和形状发生改变。,四、,电负性,各种元素的原子在形成价键时吸引电子的能力，用来表示其形成负离子倾向的大小。,第三节 影响离子晶体结构的因素,五、结晶化学定律,第三节 影响离子晶体结构的因素,晶体的结构取决于其组成质点的数量关系、大小关系与极化性能。,第四节 同 质 多 晶,变体,:,同一化学组成,在不同外界条件下（温度、压力、,PH,等），结晶成为两种以上,不同结构,的晶体的这一现象称为同质多晶或同质多象，由此而产生的化学组成相同、结构不同的晶体。,位移性转变,：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移。,重建性转变,：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。,第五节 鲍 林 规 则,第一规则,配位体规则,。围绕每个阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阴、阳离子的距离决定于它们的半径之和，阳离子的配位数取决于它们的半径比值，与电价无关。,第二规则,静电价规则,。在一个,稳定,的离子化合物结构中，每一个阴离子的电价等于相邻阳离子分配给这个阴离子的静电价强度总和。,S=Z,+,/n,S,静电价强度，,Z,+,阳离子电价，,n,阳离子配位数,Z,-,=,S,i,=,Z,+,/n,第五节 鲍 林 规 则,用于判断某种晶体结构是否稳定，还可以用于确定共用同一质点（即同一个阴离子）的配位多面体的数目。,第三规则,即阴离子,配位多面体的共顶、共棱和共面规则,。在一个配位结构中，两个阴离子配位多面体共棱，特别是共面时，结构的稳定性便会降低。对于电价高、配位数小的阳离子，这个效应特别显著。,连接方 式,共用顶点数,配位三角体,配位四面体,配位八面体,配位立方体,共顶,1,1,1,1,1,共棱,2,0.5,0.58,0.71,0.82,共面,3,或,4,0.33,0.58,0.58,表,2-6,配位多面体以不同方式相连时,两个中心阳离子的距离变化,第五节 鲍 林 规,则,第四规则,配位多面体之间的共顶、共棱或共面连接规则。在一个含有不同阳离子的晶体结构中，电价高、配位数小的阳离子，趋向于不相互共享配位多面体要素。,第五规则,节约规则,。在同一个晶体结构中，本质上不同的结构单元的数目趋向于最少数目。,六方紧密堆积模型,面心立方紧密堆积模型,八面体空隙模型,单层紧密堆积模型,单层与双层紧密堆积模型,单层,双层,-ZnS,型结构模型,CaTiO,3,型结构模型,CaF,2,型结构模型,NaCl,型结构模型,四面体空隙模型,