晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識ppt課件

晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識 紅寶石rubyAl2O3 Cr 宏觀晶體的形貌 立方 立方晶體的宏觀形貌 晶體的宏觀對稱性分析 石英玻璃 非晶態(tài)又稱玻璃態(tài) 天然石英玻璃礦物照片 晶體的原子呈周期性排列非晶體的原子不呈周期性排列 玻璃結(jié)構(gòu)示意圖 B O Si M 熔融態(tài)析晶 硫 單斜硫 S8 碘I2 CuSO4 5H2O 凝華 水溶液析晶 晶體的顯微照片 一 晶體 晶體的宏觀特征 自范性 晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的規(guī)則的外形 對稱性 晶體理想外形中常常呈現(xiàn)形狀和大小相同的等同晶面 均一性 質(zhì)地均勻 具有確定的熔點 各向異性 晶體的一些物理性質(zhì)因晶體取向不同而異 晶體的微觀特征 平移對稱性 二 晶胞晶胞是晶體的代表 是晶體中的最小單位 完全等同的晶胞無隙并置起來 則得到晶體 晶胞的本質(zhì)屬性 平移性晶胞類型 體心晶胞符號I特征 可作體心平移面心晶胞F可作面心平移底心晶胞可作底心平移 晶胞的代表性體現(xiàn)在以下兩個方面 一是代表晶體的化學(xué)組成 二是代表晶體的對稱性 即與晶體具有相同的對稱元素 對稱軸 對稱面和對稱中心 晶胞是具有上述代表性的體積最小 直角最多的平行六面體 三 晶系平行六面體晶胞中 表示三度的三個邊長 稱為三個晶軸 三個晶軸的長度分別用a b c表示 三個晶軸之間的夾角分別用 表示 a b的夾角為 a c的夾角為 b c的夾角為 按a b c之間的關(guān)系 以及 之間的關(guān)系 晶體可以分成7種不同的晶系 稱為七大晶系 立方晶系 四方晶系 正交晶系是這七類中的三類 a b c 90 立方晶系 a b c 90 四方晶系 a b c 90 正交晶系 此外還有六方晶系 三方晶系 單斜晶系和三斜晶系 由晶胞參數(shù)a b c 表示 a b c為六面體邊長 分別是bcca ab所形成的三個夾角 晶胞的兩個要素 1 晶胞的大小與形狀 2 晶胞的內(nèi)容 粒子的種類 數(shù)目及它在晶胞中的相對位置 按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種晶系 按帶心型式分類 將七大晶系分為14種型式 例如 立方晶系分為簡單立方 體心立方和面心立方三種型式 晶格的14種型式 簡單立方 體心立方 面心立方 簡單四方 體心四方 簡單六方 簡單菱形 簡單正交 底心正交 體心正交 面心正交 簡單單斜 底心單斜 簡單三斜 晶體分類 離子晶體 原子晶體 分子晶體 金屬晶體 陰陽離子間通過離子鍵構(gòu)成的晶體 原子間以共價鍵形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體 分子間以分子間作用力 范德華力 形成的晶體 金屬陽離子和自由電子通過金屬鍵形成的單質(zhì)晶體 四 金屬晶體 金屬晶體中離子是以緊密堆積的形式存在的 下面用等徑剛性球模型來討論堆積方式 在一個層中 最緊密的堆積方式 是一個球與周圍6個球相切 在中心的周圍形成6個凹位 將其算為第一層 第二層對第一層來講最緊密的堆積方式是將球?qū)? 3 5位 或?qū)? 4 6位 其情形是一樣的 關(guān)鍵是第三層 對第一 二層來說 第三層可以有兩種最緊密的堆積方式 下圖是此種六方緊密堆積的前視圖 A 第一種是將球?qū)实谝粚拥那?于是每兩層形成一個周期 即ABAB堆積方式 形成六方緊密堆積 配位數(shù)12 同層6 上下層各3 此種立方緊密堆積的前視圖 A 第四層再排A 于是形成ABCABC三層一個周期 得到面心立方堆積 配位數(shù)12 同層6 上下層各3 ABCABC形式的堆積 為什么是面心立方堆積 這兩種堆積都是最緊密堆積 空間利用率為74 05 1 常見離子晶體結(jié)構(gòu)我們討論的立方晶系A(chǔ)B型離子晶體 其中AB型是指正負離子數(shù)目之比為1 1 如NaCl CsCl ZnS等均屬于此類晶體 五 離子晶體 在離子晶體中每個正 或負 離子所接觸的負 或正 離子總數(shù) 稱為正 或負 離子的配位數(shù) 陰陽離子配位數(shù) NaCl晶體結(jié)構(gòu)示意圖 第二層的離子 NaCl晶體的結(jié)構(gòu)示意圖 屬于4個小立方體 屬于8個小立方體 有1 8屬于該立方體 有1 4屬于該立方體 有1 2屬于該立方體 完全屬于該立方體 運用晶胞可以將復(fù)雜的問題簡單化 求晶體中微粒個數(shù)比步驟如下 1 找到晶體的最小重復(fù)單元 晶胞 2 分析晶胞中各微粒的位置 位于晶胞頂點的微粒 實際提供給晶胞的只有1 8 位于晶胞棱邊的微粒 實際提供給晶胞的只有1 4 位于晶胞面心的微粒 實際提供給晶胞的只有1 2 位于晶胞中心的微粒 實際提供給晶體的是1 3 數(shù)清晶胞中各微粒的個數(shù) 晶體中的微粒個數(shù)比 微粒提供給每個晶胞的數(shù)值 晶胞中微粒個數(shù) 之比 小結(jié) 例題分析 如圖所示的晶體結(jié)構(gòu)是一種具有優(yōu)良的壓電 鐵電 光電等功能的晶體材料的最小結(jié)構(gòu)單元 晶胞 晶體內(nèi)與每個 T 緊鄰的氧原子數(shù)和這種晶體材料的化學(xué)式分別是 各元素所帶的電荷均已略去 例題解析 化學(xué)式為 BaTiO3 Ba 1x1Ti 8x 1 8 O 12x 1 4 晶體結(jié)構(gòu)的綜合計算 計算公式 VNA ZMZ即晶胞中微粒的個數(shù) 例1 NaCl摩爾質(zhì)量為Mg mol 晶體密度為 g cm3 阿伏加德羅常數(shù)為NA 則食鹽晶體中兩個距離最近的鈉離子中心間的距離為cm A B 練習(xí)1 根據(jù)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu) 判斷下列離子晶體的化學(xué)式 A表示陽離子 化學(xué)式 AB 練習(xí)2 根據(jù)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu) 判斷下列離子晶體的化學(xué)式 A表示陽離子 A B 化學(xué)式 A2B A B 化學(xué)式 練習(xí)3 根據(jù)離子晶體的晶胞結(jié)構(gòu) 判斷下列離子晶體的化學(xué)式 A表示陽離子 AB 練習(xí)4 某物質(zhì)的晶體中含A B C三種元素 其排列方式如圖 則該離子晶體的化學(xué)式是 A B C 1 8 8 12 1 4 1 1 3 1 AB3C B 化學(xué)式 A 練習(xí)5 根據(jù)下列簇狀分子結(jié)構(gòu)示意圖 判斷下列分子的化學(xué)式 C A8BC6 練習(xí)6 螢石 CaF2 晶體屬于立方晶系 螢石中每個Ca2 被8個F 所包圍 則每個F 周圍最近距離的Ca2 數(shù)目為 A 2B 4C 6D 8 B 練習(xí)7 中學(xué)教材上圖示的NaCl晶體結(jié)構(gòu) 它向三維空間延伸得到完美晶體 NiO晶體結(jié)構(gòu)與NaCl相同 Ni2 與鄰近的O2 核間距為a 10 8 計算NiO晶體密度 已知NiO摩爾質(zhì)量為74 7g mol 1 例2 FexO晶體晶胞結(jié)構(gòu)為NaCl型 由于晶體缺陷 x值小于1 測知FexO晶體為 為5 71g cm3 晶胞邊長為4 28 10 10m 相對原子質(zhì)量 Fe55 9 O16 0 求 1 FexO中x值為 精確至0 01 2 晶體中Fe分別為Fe2 Fe3 在Fe2 和Fe3 的總數(shù)中 Fe2 所占分數(shù)為 用小數(shù)表示 精確至0 001 3 此晶體的化學(xué)式為 4 Fe在此晶系中占據(jù)空隙的幾何形狀是 即與O2 距離最近且等距離的鐵離子圍成的空間形狀 5 在晶體中 鐵元素的離子間最短距離為m CsCl晶體的結(jié)構(gòu) CsCl晶體的結(jié)構(gòu) 立方ZnS晶體結(jié)構(gòu) 立方ZnS型離子晶體 結(jié)構(gòu)基元及每個晶胞中結(jié)構(gòu)基元的數(shù)目 ZnS 4個 Zn和S離子的配位數(shù)都是4 六方ZnS型離子晶體 CaF2型離子晶體 結(jié)構(gòu)基元及每個晶胞中結(jié)構(gòu)基元的數(shù)目 CaF2 4個 Ca和F離子的配位數(shù)分別是8和4 觀察實心圓點K 除了立方體頂點的8個K外 體心位置有1個K 所以稱為體心立方晶胞 再看金屬鉀的晶胞 右圖 必須說明的是 它屬于立方晶系 但既不是AB型 也不屬于離子晶體 立方晶系有3種類型晶胞 面心立方 簡單立方 體心立方 四方2種 正交4種 六方1種 三方1種 單斜2種 三斜1種 共有14種類型的晶胞 2 配位數(shù)與r r 的關(guān)系NaCl六配位 CsCl八配位 ZnS四配位 均為立方晶系A(chǔ)B型晶體 為何配位數(shù)不同 1 離子晶體穩(wěn)定存在的條件 a 同號陰離子相切 異號離子相離 不穩(wěn)定 c 同號陰離子相切 異號離子相切 介穩(wěn)狀態(tài) b 同號離子相離 異號離子相切 穩(wěn)定 結(jié)論時 配位數(shù)為6 從八配位的介穩(wěn)狀態(tài)出發(fā) 探討半徑比與配位數(shù)之間的關(guān)系 當(dāng)r 繼續(xù)增加 達到并超過時 即陽離子周圍可容納更多陰離子時 為8配位 可以求得 結(jié)論為0 414 0 732 6配位NaCl式晶體結(jié)構(gòu) 總之 配位數(shù)與r r 之比相關(guān) 0 225 0 4144配位ZnS式晶體結(jié)構(gòu)0 414 0 7326配位NaCl式晶體結(jié)構(gòu)0 732 1 0008配位CsCl式晶體結(jié)構(gòu) 注意討論中將離子視為剛性球體 這與實際情況有出入 但這些計算結(jié)果仍不失為一組重要的參考數(shù)據(jù) 因而 我們可以用離子間的半徑比值作為判斷配位數(shù)的參考 若r 再增大 可達到12配位 r 再減小 則形成3配位 若r 變小 當(dāng) 則出現(xiàn)a 種情況 如右圖 陰離子相切 陰離子陽離子相離的不穩(wěn)定狀態(tài) 配位數(shù)將變成4 離子晶體中的穩(wěn)定配位多面體的理論半徑比 六 分子晶體和原子晶體 晶體類型結(jié)構(gòu)單元質(zhì)點間作用力物理性質(zhì)分子晶體分子分子間力熔沸點低 硬度小原子晶體原子共價鍵熔沸點高 硬度大 金剛石的晶體結(jié)構(gòu) 幾種典型的原子晶體 石墨的晶體結(jié)構(gòu) 石墨中C C夾角為120 C C鍵長為 0 142nm 1 42 10 10m 分子間作用力 層間距3 35 10 10m C C共價鍵 金剛石 硅 與石墨 構(gòu)型 鍵角 鍵長 正四面體 空間網(wǎng)狀原子晶體 平面正六邊形 層狀混合晶體 109o28 120o 鍵長 金剛石 石墨 金剛石 硅 與石墨 最小碳環(huán) C C鍵與C原子的個數(shù)比 六元環(huán) 不同面 2 1 六元環(huán) 同面 3 2 干冰晶體結(jié)構(gòu)示意圖 CO2分子 Na Cl 每個二氧化碳分子周圍有12個二氧化碳分子 典型的分子晶體 干冰晶體 1 二氧化碳分子的位置 二氧化碳分子位于 體心和棱中點 面心和頂點 2 每個晶胞含二氧化碳分子的個數(shù) 二氧化碳分子的個數(shù) 4個 3 與每個二氧化碳分子等距離且最近的二氧化碳分子有幾個 12個 總結(jié) 離子 分子 原子 離子鍵 范德華力 共價鍵 較高 較低 很高 較大 較小 很大 NaClCaO 干冰碘 金剛石二氧化硅 陰陽離子 分