晶体结构基础知识.ppt
- 文档编号:14142433
- 上传时间:2023-06-21
- 格式:PPT
- 页数:72
- 大小:4.98MB
晶体结构基础知识.ppt
《晶体结构基础知识.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《晶体结构基础知识.ppt(72页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
晶体结构基础知识晶体结构基础知识红宝石rubyAl2O3-Cr宏观晶体的形貌宏观晶体的形貌立方立方晶体的宏观形貌晶体的宏观对称性分析石英玻璃非晶态又称玻璃态天然石英玻璃矿物照片天然石英玻璃矿物照片晶体的原子呈周期性排列非晶体的原子不呈周期性排列玻璃结构示意图BOSiM熔融态析晶硫(单斜硫)S8碘I2CuSO45H2O凝华水溶液析晶晶体的显微照片晶体的显微照片一、晶体一、晶体晶体的宏观特征:
晶体的宏观特征:
自范性:
晶体能够自发地呈现封闭的规则的自范性:
晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形。
外形。
对称性:
晶体理想外形中常常呈现形状和对称性:
晶体理想外形中常常呈现形状和大小相同的等同晶面。
大小相同的等同晶面。
均一性:
质地均匀,具有确定的熔点。
均一性:
质地均匀,具有确定的熔点。
各向异性:
晶体的一些物理性质因晶体取各向异性:
晶体的一些物理性质因晶体取向不同而异。
向不同而异。
晶体的微观特征:
晶体的微观特征:
平移对称性平移对称性二、晶二、晶胞胞晶胞是晶体的代表,是晶体中的最小单位。
完全等同的晶晶胞是晶体的代表,是晶体中的最小单位。
完全等同的晶胞无隙并置起来,则得到晶体。
胞无隙并置起来,则得到晶体。
晶胞的本质属性:
平移性晶胞的本质属性:
平移性晶胞类型:
体心晶胞符号晶胞类型:
体心晶胞符号I特征:
可作体心平移特征:
可作体心平移面心晶胞面心晶胞F可作面心平移可作面心平移底心晶胞底心晶胞可作底心平移可作底心平移晶胞的代表性体现在以下两个方面:
晶胞的代表性体现在以下两个方面:
一是代表晶体的化学组成;二是代表晶体的对称性,一是代表晶体的化学组成;二是代表晶体的对称性,即即与晶体具有相同的对称元素对称轴,对称面和对称中心与晶体具有相同的对称元素对称轴,对称面和对称中心)。
晶胞是具有上述代表性的体积最小、直角最多的平行六面晶胞是具有上述代表性的体积最小、直角最多的平行六面体。
体。
三、晶三、晶系系平行六面体晶胞中,表示三度的三个边长,称为三个晶轴平行六面体晶胞中,表示三度的三个边长,称为三个晶轴,三个晶轴的长度分别用,三个晶轴的长度分别用a、b、c表示;三个晶轴之间的夹表示;三个晶轴之间的夹角分别用角分别用、表示。
表示。
a、b的夹角为的夹角为;a、c的的夹角为夹角为;b、c的夹角为的夹角为。
按按a、b、c之间的关系,以及之间的关系,以及、之间的之间的关系,晶体可以分成关系,晶体可以分成7种不同的晶系,称为七大晶系。
立方晶种不同的晶系,称为七大晶系。
立方晶系、四方晶系、正交晶系是这七类中的三类。
系、四方晶系、正交晶系是这七类中的三类。
a=b=c,=90立方晶系;立方晶系;a=bc,=90四方晶系;四方晶系;abc,=90正交晶系。
正交晶系。
此外还有六方晶系,三方晶系,单斜晶系和三斜晶系。
此外还有六方晶系,三方晶系,单斜晶系和三斜晶系。
由晶胞参数由晶胞参数a,b,c,表表示,示,a,b,c为为六面体边长,六面体边长,分别是分别是bcca,ab所形成的所形成的三个夹角。
三个夹角。
晶胞的两个要素:
晶胞的两个要素:
(1)晶胞的大小与形状:
晶胞的大小与形状:
(2)晶胞的内容:
粒子的种类,数目及它在晶胞的内容:
粒子的种类,数目及它在晶胞中的相对位置。
晶胞中的相对位置。
按晶胞参数的差异将晶体分成七种按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。
晶系。
晶系晶系边长边长夹角夹角晶体实例晶体实例立方晶系立方晶系a=b=c=900NaCl三方晶系三方晶系a=b=c=900Al2O3四方晶系四方晶系a=bc=900SnO2六方晶系六方晶系a=bc=900,=1200AgI正交晶系正交晶系abc=900HgCl2单斜晶系单斜晶系abc=900,900KClO3三斜晶系三斜晶系abc900CuSO45H2O按带心型式分类,将七大晶系分为按带心型式分类,将七大晶系分为14种型式。
例如,立方晶系分为简单立方、种型式。
例如,立方晶系分为简单立方、体心立方和面心立方三种型式。
体心立方和面心立方三种型式。
晶格的晶格的14种型式种型式简单立方简单立方体心立方体心立方面心立方面心立方简单四方简单四方体心四方体心四方简单六方简单六方简单菱形简单菱形简单正交简单正交底心正交底心正交体心正交体心正交面心正交面心正交简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜简单三斜简单三斜晶体分类晶体分类离子晶体:
离子晶体:
原子晶体:
原子晶体:
分子晶体:
分子晶体:
金属晶体:
金属晶体:
阴阳离子阴阳离子间通过间通过离子键离子键构成的晶体构成的晶体原子原子间以间以共价键共价键形成的形成的空间网状结构空间网状结构的晶体的晶体分子分子间以间以分子间作用力分子间作用力(范德华力)形成的晶体(范德华力)形成的晶体金属阳离子和自由电子金属阳离子和自由电子通过通过金属键金属键形成的单质晶体形成的单质晶体四、金属晶体四、金属晶体金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的。
下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式。
的。
下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式。
在一个层中,最紧密的堆积方式,是一在一个层中,最紧密的堆积方式,是一个球与周围个球与周围66个球相切,在中心的周围形个球相切,在中心的周围形成成66个凹位,将其算为第一层。
个凹位,将其算为第一层。
123456第二层第二层对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准准1,3,5位。
位。
(或对准或对准2,4,6位,其情形是一样的位,其情形是一样的)123456AB,关键是第三层,对第一、二层来说,第三层可以有两种关键是第三层,对第一、二层来说,第三层可以有两种最紧密的堆积方式。
最紧密的堆积方式。
下图是此种六方下图是此种六方紧密堆积的前视图紧密堆积的前视图ABABA第一种是将球对准第一层的第一种是将球对准第一层的球。
球。
123456于是每两层形成一个于是每两层形成一个周期,即周期,即ABAB堆积方式堆积方式,形成六方紧密堆积。
,形成六方紧密堆积。
配位数配位数12。
(同层同层6,上下层各,上下层各3)第三层的另一种第三层的另一种排列方式,是将球对准第排列方式,是将球对准第一层的一层的2,4,6位位,不同于,不同于AB两层的位两层的位置,这是置,这是C层。
层。
123456123456123456123456此种立方紧密堆积的前视图此种立方紧密堆积的前视图ABCAABC第四层再排第四层再排A,于是形成于是形成ABCABC三三层一个周期。
得到面心立层一个周期。
得到面心立方堆积。
方堆积。
配位数配位数12。
(同层同层6,上下层各,上下层各3)BCAABCABC形式的堆积,形式的堆积,为什么是面心立方堆积?
为什么是面心立方堆积?
这两种堆积都是最紧密堆积,空间利用率为这两种堆积都是最紧密堆积,空间利用率为74.05%。
金属钾金属钾K的立方体心堆的立方体心堆积积还有一种空间利用率稍低的堆积方式,立方体心堆积:
还有一种空间利用率稍低的堆积方式,立方体心堆积:
立方体立方体8个顶点上的球互不相切,但均与体心位置上的球相切个顶点上的球互不相切,但均与体心位置上的球相切。
配位数配位数8,空间利用率为,空间利用率为68.02%。
六方紧密堆积六方紧密堆积IIIB,IVB面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积IB,Ni,Pd,Pt立方体心堆积立方体心堆积IA,VB,VIB金属常金属常见堆积方见堆积方式式11、常见离子晶体结构、常见离子晶体结构我们讨论的立方晶系我们讨论的立方晶系AB型离子晶体,其中型离子晶体,其中AB型是指正负离子数目之比为型是指正负离子数目之比为1:
1。
如。
如NaCl,CsCl,ZnS等均属于此类晶体。
等均属于此类晶体。
五、离子晶五、离子晶体体在离子晶体中每个正(或负)离子所接触的负(或正)离子总数,称为正(或负)离子的配位数。
阴阳离子配位数。
NaClNaCl晶体结构示意图:
晶体结构示意图:
晶体结构示意图:
晶体结构示意图:
Na+Cl-第二层的离子NaCl晶体的结构示意图属于4个小立方体属于8个小立方体有1/8属于该立方体有1/4属于该立方体有1/2属于该立方体完全属于该立方体运用晶胞可以将复杂的问题简单化,求晶体中微粒运用晶胞可以将复杂的问题简单化,求晶体中微粒个数比步骤如下:
个数比步骤如下:
(1)找到晶体的最小重复单元晶胞:
)找到晶体的最小重复单元晶胞:
(2)分析晶胞中各微粒的位置:
)分析晶胞中各微粒的位置:
位于晶胞顶点的微粒,实际提供给晶胞的只有位于晶胞顶点的微粒,实际提供给晶胞的只有1/8;位于晶胞棱边的微粒,实际提供给晶胞的只有位于晶胞棱边的微粒,实际提供给晶胞的只有1/4;位于晶胞面心的微粒,实际提供给晶胞的只有位于晶胞面心的微粒,实际提供给晶胞的只有1/2;位于晶胞中心的微粒,实际提供给晶体的是位于晶胞中心的微粒,实际提供给晶体的是1。
(3)数清晶胞中各微粒的个数:
)数清晶胞中各微粒的个数:
晶体中的微粒个数比晶体中的微粒个数比=“微粒提供给每个晶胞的数值微粒提供给每个晶胞的数值晶胞中微粒个数”之比。
晶胞中微粒个数”之比。
小结:
小结:
例题分析:
如所示的晶体是一具有良的、图结构种优压电、光等功能的晶体材料的最小元铁电电结构单(晶胞)。
晶体每“内与个T”的原紧邻氧子和晶体材料的化式分是(各元素数这种学别所的荷均已略去)带电O原子Ti原子Ba原子例题解析:
化学式为:
BaTiO3Ba:
1x1Ti:
8x(1/8)O:
12x(1/4)O原子Ti原子Ba原子晶体结构的综合计算:
晶体结构的综合计算:
计算公式:
计算公式:
VNA=ZMZ即晶胞中微粒的个数即晶胞中微粒的个数例例1:
NaCl摩尔质量为摩尔质量为Mg/mol,晶体,晶体密度为密度为g/cm3,阿伏加德罗常数为,阿伏加德罗常数为NA,则食盐晶体中两个距离最近的钠离子中,则食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心间的距离为心间的距离为cm。
AB练习练习1:
根据离子晶体的晶胞结构,判断下:
根据离子晶体的晶胞结构,判断下列离子晶体的化学式:
(列离子晶体的化学式:
(A表示阳离子)表示阳离子)化学式:
化学式:
AB练习练习2:
根据离子晶体的晶胞结构,判断下:
根据离子晶体的晶胞结构,判断下列离子晶体的化学式:
(列离子晶体的化学式:
(A表示阳离子)表示阳离子)AB化学式:
化学式:
A2BAB化学式:
化学式:
练习练习3:
根据离子晶体的晶胞结构,判断下:
根据离子晶体的晶胞结构,判断下列离子晶体的化学式:
(列离子晶体的化学式:
(A表示阳离子)表示阳离子)AB练习练习44、某物质的晶体中含某物质的晶体中含AA、BB、CC三种元三种元素,素,其排列方式如图,则该离子晶体的化学式是其排列方式如图,则该离子晶体的化学式是:
AA:
BB:
CC=1/881/88:
121/4121/4:
1:
1=11:
33:
11AABB33CCB化学式:
化学式:
A练习练习5:
根据下列簇状分子结构示意图,判断下列分:
根据下列簇状分子结构示意图,判断下列分子的化学式:
子的化学式:
CA8BC6练习练习66、萤石(、萤石(CaF2)晶体属于立方晶系晶体属于立方晶系,萤石中每个,萤石中每个Ca2+被被88个个F-所包围,则所包围,则每个每个F-周围最近距离的周围最近距离的Ca2+数目为(数目为()AA、2B2B、4C4C、6D6D、88BCa2+F-练习练习77、中学教材上图示的中学教材上图示的NaClNaCl晶体结构,它向晶体结构,它向三维空间延伸得到完美晶体。
三维空间延伸得到完美晶体。
NiONiO晶体结构与晶体结构与NaClNaCl相同,相同,NiNi22与邻近的与邻近的OO2-2-核间距为核间距为a10a10-8-8,计,计算算NiONiO晶体密度(已知晶体密度(已知NiONiO摩尔质量为摩尔质量为74.7gmo74.7gmoll-1-1)解:
解:
在该晶体中最小正方体中所含的在该晶体中最小正方体中所含的Ni2+、O2个数均为个数均为:
182144=(个)(个)2174.7g6.021023即晶体中每个小正方体中平均含有个即晶体中每个小正方体中平均含有个NiO.NiO.其质量为其质量为:
21而此小正方体体积为而此小正方体体积为(a10(a10-8-8)33,故,故NiONiO晶体密度为:
晶体密度为:
2174.7g6.021023(a10(a10-8-8)3362.0a3g.-3=例例2:
FexO晶体晶胞结构为晶体晶胞结构为NaCl型,由于晶体缺陷型,由于晶体缺陷,x值小于值小于1。
测知。
测知FexO晶体为晶体为为为5.71g/cm3,晶,晶胞边长为胞边长为4.2810-10m(相对原子质量:
(相对原子质量:
Fe55.9,O16.0)。
求:
)。
求:
(1)FexO中中x值为值为(精确至(精确至0.01)。
)。
(2)晶体中)晶体中Fe分别为分别为Fe2、Fe3,在,在Fe2和和Fe3的总数中,的总数中,Fe2所占分数为所占分数为(用小数(用小数表示,精确至表示,精确至0.001)。
)。
(3)此晶体的化学式为)此晶体的化学式为。
(4)Fe在此晶系中占据空隙的几何形状是在此晶系中占据空隙的几何形状是(即与(即与O2距离最近且等距离的铁离子围成的空间形距离最近且等距离的铁离子围成的空间形状)。
状)。
(5)在晶体中,铁元素的离子间最短距离为)在晶体中,铁元素的离子间最短距离为m。
CsClCsClCsCl晶体的结构:
晶体的结构:
晶体的结构:
晶体的结构:
CsClCsCl晶体的结构晶体的结构晶体的结构晶体的结构:
立方立方ZnS晶体结构晶体结构立方ZnS型离子晶体:
基元及每晶胞中基元的目结构个结构数:
ZnS,4个;Zn和S离子的配位都是数4;六方ZnS型离子晶体:
CaF2型离子晶体:
基元及每晶胞中基元的目结构个结构数:
CaF2,4个;Ca和F离子的配位分是数别8和4观察实心圆点观察实心圆点K,除了,除了立方体顶点的立方体顶点的8个个K外,体外,体心位置有心位置有1个个K。
所以称为体心立方晶胞。
所以称为体心立方晶胞。
再看金属钾的晶胞,再看金属钾的晶胞,右图。
必须说明的是,它属于右图。
必须说明的是,它属于立方晶系,但既不是立方晶系,但既不是AB型,型,也不属也不属于离子晶体。
于离子晶体。
立方晶系有立方晶系有3种类型晶胞:
种类型晶胞:
面心立方、简单立方、体心立方。
面心立方、简单立方、体心立方。
四方四方2种;正交种;正交4种;六方种;六方1种;种;三方三方1种;种;单斜单斜2种;三斜种;三斜1种。
共有种。
共有14种类型种类型的晶胞。
的晶胞。
2、配位数与配位数与r+/r的关系的关系NaCl六配位,六配位,CsCl八配位,八配位,ZnS四配位。
均四配位。
均为立方晶系为立方晶系AB型晶体,为何配位数不同型晶体,为何配位数不同?
(1)离子晶体稳定存在的条)离子晶体稳定存在的条件件+a)同号阴离子相切,同号阴离子相切,异号离子相离。
(不稳异号离子相离。
(不稳定)定)c)同号阴离子相切,同号阴离子相切,异号离子相切。
异号离子相切。
介稳状态介稳状态+b)同号离子相离,同号离子相离,异号离子相切。
异号离子相切。
稳定稳定+
(2)r+/r与配位数与配位数从从六配位六配位的介稳状态出发,探讨半径比与配位数之间的关系。
的介稳状态出发,探讨半径比与配位数之间的关系。
0.414rrr1)2(r)r(22)r2(rAC2AB下图所示,六配位下图所示,六配位的介的介稳状态的中间一层的俯视图。
稳状态的中间一层的俯视图。
ADBC是正方形。
是正方形。
ABCD+ADCB+0.414rr结论时,配位数为结论时,配位数为6。
此时,为介稳状态,见下面左图。
如果此时,为介稳状态,见下面左图。
如果r+再大些:
再大些:
+则出现则出现b)种情况,见下面右图,即离子同号相离种情况,见下面右图,即离子同号相离,异号相切的稳定状态。
,异号相切的稳定状态。
+从从八配位八配位的介稳状态出发,探讨半径比与配位数之间的的介稳状态出发,探讨半径比与配位数之间的关系。
关系。
ABCDABCD下图所示,八配位下图所示,八配位的介稳状态的对角面图。
的介稳状态的对角面图。
ABCD是是矩形。
矩形。
当当r+继续增加,达到并超过继续增加,达到并超过时,即阳离子周围可容纳更多阴离子时,为时,即阳离子周围可容纳更多阴离子时,为8配位。
配位。
7320.rr7320.rr可以求得可以求得结论为结论为0.4140.732,6配位配位NaCl式晶体结构。
式晶体结构。
rr总之,配位数与总之,配位数与r+/r之比相关:
之比相关:
0.2250.4144配位配位ZnS式晶体式晶体结构结构0.4140.7326配位配位NaCl式晶体结构式晶体结构0.7321.0008配位配位CsCl式晶体结构式晶体结构注意讨论中将离子视为刚性球体,这与实际情况有注意讨论中将离子视为刚性球体,这与实际情况有出入。
但这些计算结果仍不失为一组重要的参考数据。
因而,我出入。
但这些计算结果仍不失为一组重要的参考数据。
因而,我们可以用离子间的半径比值作为判断配位数的参考。
们可以用离子间的半径比值作为判断配位数的参考。
若若r+再增大,可达到再增大,可达到12配位;配位;r+再减小,则形成再减小,则形成3配位。
配位。
若若r+变小,当变小,当,则出现则出现a)种情况,如右图。
阴种情况,如右图。
阴离子相切,阴离子阳离子相离的不离子相切,阴离子阳离子相离的不稳定状态。
配位数将变成稳定状态。
配位数将变成4。
0.414rr+离子晶体中的稳定配位多面体的离子晶体中的稳定配位多面体的理论理论半径比半径比配位多面体配位多面体配位数配位数半径比半径比(r+/r)范围范围平面三角形平面三角形30.155-0.225四面体四面体40.225-0.414八面体八面体60.414-0.732立方体立方体80.732-1.000立方八面体立方八面体121.000六、分子晶体和原子晶体六、分子晶体和原子晶体晶体类型结构单元质点间作用力物理晶体类型结构单元质点间作用力物理性质性质分子晶体分子分子间力分子晶体分子分子间力熔沸点低,硬度小熔沸点低,硬度小原子晶体原子共价键原子晶体原子共价键熔沸点高,硬度大熔沸点高,硬度大金金刚刚石石的的晶晶体体结结构构几种典型的原子晶体几种典型的原子晶体石墨的晶体结构石墨的晶体结构石墨中石墨中CC夹夹角为角为120,CC键长为键长为(0.142nm)1.421010m分子间作用力,层间距3.351010mCC共价键金刚石(硅)与石墨金刚石(硅)与石墨石墨金刚石晶体构型键角、键长正四面体、空间网状原子晶体平面正六边形、层状混合晶体109o28120o键长:
金刚石石墨金刚石(硅)与石墨金刚石(硅)与石墨石墨金刚石晶体最小碳环C-C键与C原子的个数比六元环(不同面)2:
1六元环(同面)3:
2干冰晶体结构示意图干冰晶体结构示意图干冰晶体结构示意图干冰晶体结构示意图COCO22分子分子分子分子NaNa+ClCl-每个二氧化碳分子周围有每个二氧化碳分子周围有1212个二氧化碳分子。
个二氧化碳分子。
典型的分子晶体典型的分子晶体干冰晶体干冰晶体
(1)二氧化碳分子的位置:
)二氧化碳分子的位置:
二氧化碳分子位于:
体心和棱中点(面心和顶二氧化碳分子位于:
体心和棱中点(面心和顶点)点)
(2)每个晶胞含二氧化碳分子的个数)每个晶胞含二氧化碳分子的个数二氧化碳分子的个数:
二氧化碳分子的个数:
4个个(3)与每个二氧化碳分子等距离且最近的二氧)与每个二氧化碳分子等距离且最近的二氧化化碳分子有几个?
碳分子有几个?
12个个晶体类型晶体类型晶体类型晶体类型微粒微粒微粒微粒结合力结合力结合力结合力熔沸点熔沸点熔沸点熔沸点硬度硬度硬度硬度实实实实例例例例离子晶体离子晶体离子晶体离子晶体分子晶体分子晶体分子晶体分子晶体原子晶体原子晶体原子晶体原子晶体离子离子分子分子原子原子离子键离子键范德华力范德华力共价键共价键较高较高较低较低很高很高较大较大较小较小很大很大NaClNaClCaOCaO干冰干冰碘碘金刚石金刚石二氧化硅二氧化硅机械加机械加工性能工性能导热性导热性导电性导电性硬度硬度熔点熔点沸点沸点晶晶体体的的物物理理特特性性典型实例典型实例组成晶体微粒组成晶体微粒间的相互作用间的相互作用组成晶体组成晶体的微粒的微粒金属晶体金属晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体离子晶体离子晶体晶体类型晶体类型阴阳离子阴阳离子分子分子原子原子金属离子和金属离子和自由电子自由电子离子键离子键范德瓦耳斯力范德瓦耳斯力(有的有氢键)(有的有氢键)共价键共价键NaCl、CsCl金刚石、金刚石、二氧化硅二氧化硅干冰、冰干冰、冰较高较高低低高高硬度较大硬度较大硬度较小硬度较小硬度大硬度大固态不导电,固态不导电,熔融状态或水熔融状态或水溶液中导电溶液中导电固态和熔融状固态和熔融状态下不导电态下不导电一般导电性差一般导电性差(有的导电有的导电)不良不良不良不良不良不良金属键金属键金、银、金、银、铜、铁铜、铁相差幅度大相差幅度大好好好好不良不良不良不良不良不良较较好好相差幅度大相差幅度大
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 晶体结构 基础知识