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1、12.12.1 晶体的基本概念与性质一、晶体的概念晶体：晶体是内部质点在三维空间晶体是内部质点在三维空间周期性重复排列周期性重复排列的固体（晶体具有规则的外形）。的固体（晶体具有规则的外形）。晶胞：晶胞晶胞晶体中的重复单元，平行堆积可充满晶体中的重复单元，平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵。三维空间，形成空间点阵。结点：空间的点阵，又称等同点。空间的点阵，又称等同点。结点间距：行列上相邻两个结点间的距离。行列上相邻两个结点间的距离。空间格子：连接分布在三维空间内的结点，就构成连接分布在三维空间内的结点，就构成了空间格子。了空间格子。第1页/共58页2晶胞特点：组成各种晶体结构的最小体积单位，
2、晶胞特点：组成各种晶体结构的最小体积单位，能够反映真实晶体内部质点排列的周期性与对称能够反映真实晶体内部质点排列的周期性与对称性。性。第2页/共58页3空间格子与晶胞的区别：空间格子是由一系列平行叠置的平行六面体构成，它是由晶体结构抽象得到的几何图形。晶胞是由具体的实在的质点构成的。二、晶体的基本性质1)自范性:晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质,又称为自限性.(自然界中的水晶、金刚石等)2)均一性:指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征.3)各向异性:在晶体的不同方向上具有不同的性质.4)对称性:指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性.5)最小内能
3、和最大稳定性第3页/共58页4晶体的宏观对称性一、对称的概念对称性：是指物体中相同的部分做有规律的重复的性质称为对称性。对称变换（对称操作）：相同部分做有规律重复的变换或操作。二、晶体的对称要素对称要素：点、线、面1.1.对称中心（C C）centercenter一个假想的几何点，相应的对称变换为此点的倒反（反演）。第4页/共58页52.2.对称面（P P）planeplane假想的平面，相应的对称变换为此平面的反映。3.3.对称轴（L Ln n）假想的直线，相应的对称变换为绕此直线的旋转。基转角（）：物体复原所需要的最小旋转角。轴次（n n）：相同部分旋转一周可以重复的次数。n=360/n=
4、360/,n=1,n=1，2 2，3 3，4 4，6 6 n n2的轴称为高次轴第5页/共58页64.4.倒转轴（L Li in n）复合对称要素，为一根假想的直线和此直线的一个定点的对称变换，倒反+旋转5.5.映转轴（L Ls sn n）复合对称要素，为一根假想的直线和垂直此直线的一个平面的对称变换，反映+旋转三、对称要素的组合及对称型第6页/共58页7第7页/共58页81.单元应能充分表示出晶体的对称性；2.单元的三条相交棱边应尽量相等，或相等的数目尽可能地多；3.单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角；4.单元的体积应尽可能地小。选取结晶学晶胞的原则：晶胞与晶胞参数第8页/共58页9晶胞参
5、数：晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。它们是3条棱边的长度a、b、c和3条棱边的夹角、，如图1-2所示。图1-2 晶胞坐标及晶胞参数第9页/共58页10晶格特征参数确定之后，晶胞和由它表示的晶格也随之确定，方法是将该晶胞沿三维方向平行堆积即构成晶格。布拉菲（Bravais）依据晶格特征参数之间关系的不同，把所有晶体的空间点阵划归为7类，即7个晶系，见表1-1。按照阵点（结点）在空间排列方式不同，有的只在晶胞的顶点，有的还占据上下底面的面心，各面的面心或晶胞的体心等位置，7个晶系共包括14种点阵，称为布拉菲点阵（Bravais lattice）。第10页/共5
6、8页11表1-1 布拉菲点阵的结构特征（table1-1 the structural feature of Bravais lattice）第11页/共58页12第12页/共58页137个晶系a0=b0=c0,=90a0=b0c0,=90a0=b0c0,=90=120a0=b0=c0,=90a0b0c0,=90a0b0c0,=90 90 a0b0c0,90 第13页/共58页14二、晶体结构的定量描述 晶面指数、晶向指数 1.晶向及晶面晶面：在晶格中，位于任一平面内的所有结点构成晶体中的一个晶面。晶向：在晶格中，穿过两个以上结点的任一直线都代表晶体中原子在空间的一种排列位向，称为晶向。第14
7、页/共58页152.2.晶面指数（晶面符号）晶面指数的确定方法：a.a.在晶体中选一个三维坐标系，求出每个晶面在三个坐标轴的截距系数；b.b.求出这些截距的系数的倒数比；c.c.将比值简化后按a a，b b，c c轴次序写在一起，再加上小括号，其通式为（hklhkl）。若一个晶面在三轴上的截距若一个晶面在三轴上的截距分别为分别为1/2，2/3，1。则其系。则其系数倒数比为数倒数比为2:3/2:1，简化后，简化后为为4：3：2，则其晶面符号位，则其晶面符号位（432）。）。第15页/共58页16 3.3.晶向指数（晶棱符号）确定方法：（晶棱符号只表示晶棱等直线在晶体上的方向，而不涉及具体的位置。
8、）a.a.从坐标原点引一条射线，平行于待定晶向；b.b.在射线上任取一点M M（一般是离原点最近的一个结点），求出该点的三个坐标分别为u u、v v、w w。c.c.将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上方括号，即所求晶向指数uvwuvw。第16页/共58页172.2 晶体化学基本原理一、基本概念离子半径：离子（原子）看成对称球体（前提）从球体中心到其作用力所涉及范围的距离 有效半径：有效半径：正负离子接触（相切），从正负离子接触（相切），从切点到离子（原子）中心的距离称为离切点到离子（原子）中心的距离称为离子（原子）有效半径子（原子）有效半径共价晶体：两个相邻键合的中心距，即是两个 原子的共
9、价半径之和纯金属晶体：两个相邻原子中心距的一半，就是金属的原子半径第17页/共58页18离子晶体：正、负离子相接触的中心距，即为正负离子的半径之和 原子或离子的有效半径能最大限度的与晶体的实测键长相一致。一种原子在不同的晶体中，与不同的元素相结合时，其半径有可能发生变化。晶体极化、共价键的增强和配位数的降低都可使原子或离子之间距离缩短，而使其半径减小。原子或离子半径的大小，特别是相对大小对晶体结构中质点排列方式的影响极大。所以原子或离子半径是晶体化学中的一种重要参数。第18页/共58页19各种类型晶体的特征晶体类型晶体类型离子晶体离子晶体共价晶体共价晶体金属晶体金属晶体分子晶体分子晶体结构特征
10、结构特征正负离子相间最正负离子相间最密堆积，离子键，密堆积，离子键，键能较高约键能较高约800kJ/mol共价键结合，共价键结合，有方向性和饱有方向性和饱和性，键能约和性，键能约80kJ/mol金属键结合，金属键结合，无方向性，无方向性，配位数高，配位数高，键能约键能约80kJ/mol范得华力结范得华力结合，键能低，合，键能低，约约 8-40 kJ/mol例例NaCl,CaF2,Al2O3Si,InSb,PbTeNa,Cu,WAr,H2,CO2热学性质热学性质熔点高熔点高熔点高熔点高热传导性良热传导性良好好熔点低，热熔点低，热膨胀率高膨胀率高力学性质力学性质强度高，硬度高，强度高，硬度高，质地
11、脆质地脆强度和硬度由强度和硬度由中到高，质地中到高，质地脆脆具有各种强具有各种强度和硬度，度和硬度，压延性好压延性好强度低，可强度低，可压缩，硬度压缩，硬度低低电学性质电学性质低温下绝缘，某低温下绝缘，某些晶体有离子导些晶体有离子导电，熔体导电电，熔体导电绝缘体或半导绝缘体或半导体，熔体不导体，熔体不导电电固体和熔体固体和熔体均为良导体均为良导体固体和熔体固体和熔体均为绝缘体均为绝缘体光学性质光学性质多为无色透明，多为无色透明，折射率较高折射率较高透明晶体具有透明晶体具有高折射率高折射率不透明，高不透明，高反、折射率反、折射率呈现组成分呈现组成分子的性质子的性质第19页/共58页20例：Ba2
12、+O2-CN=4 0.138nm CN=6 0.135nm 0.140nm CN=8 0.142nm 0.142nm CN=12 0.161nm参考文献：Acta Crystallographica,A32,752(1976)第20页/共58页21二、球体紧密堆积原理1.最紧密堆积原理视球体为刚性球体（不变形）从几何角度：堆积愈紧密，结构愈稳定(例例：工地堆钢管工地堆钢管)；从能量角度：形成结合键愈多，结构愈稳定（能量最低原则）。所以，在理想情况下（不考虑结合键方向、正负离子作用力等），结构中质点的排布符合最紧密堆积原理。2.球体的最紧密堆积形式及空隙（1）等大球体紧密堆积等大球体最紧密堆积中
13、六方（HCPHCP）与面心立方(FCC)(FCC)紧密堆积是晶体结构中最常见的方式 第21页/共58页22图 球体在平面上的最紧密堆积第22页/共58页23两种三层堆叠方式ABA:ABA:第三层位于第一层第三层位于第一层正上方正上方ABC:ABC:第三层位于一二层间隙第三层位于一二层间隙ABAB堆积:六方晶胞ABC堆积:面心立方晶胞第23页/共58页24第24页/共58页25 该形式形成ABABABABABAB堆积方式，将球心连接起来形成六方格子，故称六方紧密堆积。金属的密排六方结构属于这种紧密堆积方式。如MgMg，ZnZn六六方方密密堆堆积积HCP第25页/共58页26该形式以ABCABCA
14、BCABCABCABC方式堆积，将球心连接起来形成面心立方格子，故称面心立方紧密堆积。金属的面心立方结构属于这种紧密堆积方式，如CuCu与AuAu。立立方方紧紧密密堆堆积积FCC第26页/共58页27第27页/共58页28 六方与面心立方紧密堆积是晶体结构中最常见的方式，具有共同的特点：空间占有（利用）率高，达到7474，配位数1212（每个质点最近邻的质点数）。除六方与面心立方紧密堆积外，尚有其它形式的堆积方式，如体心立方堆积、简单立方堆积等。第28页/共58页29（2 2）紧密堆积中的空隙 a.a.空隙形式六方与面心立方紧密堆积存在两种空隙：四面体空隙与八面体空隙四面体空隙（T)T)：处于
15、4 4个球体包围之中，4 4个球中心的连线是一个四面体八面体空隙(O)(O)：由6 6个球形成的空隙，6 6个球中心的连线是一个八面体OT第29页/共58页30四面体空隙（T）与八面体空隙(O)第30页/共58页31面心立方格子面心立方格子八面体空隙（O）四面体空隙（T）第31页/共58页32六方密堆积格子中的八面体与四面体空隙六方密堆积格子中的八面体与四面体空隙第32页/共58页33b.空隙的数目以立方面心紧密堆积为例每个球周围有8个四面体空隙，6个八面体空隙1个球占有四面体空隙81/4=2个 八面体空隙61/6=1个n个等大球体做最紧密堆积时，有n个八面体空隙，2n个四面体空隙。第33页/
16、共58页34（2）不等大球体的紧密堆积 在不等大球体的紧密堆积时，可以看成由较大的球体作等大球体的紧密堆积方式，而较小的球则按其本身大小充填在八面体或四面体空隙之中。在离子晶体中，一般，负离子半径较大，所以，负离子作最紧密堆积，正离子则充填在负离子密堆积的空隙中第34页/共58页35三、配位数(Coordination numberCoordination number）及配位多面体(Coordination polyhedron)(Coordination polyhedron)1.1.配位数（CN):CN):在晶体结构中，该原子或离子的周围与它直接相邻的原子个数或所有异号离子的个数。原子晶
17、体（金属晶体）中，原子作等大球体紧密堆积，不论是六方还是面心立方紧密堆积，CN=12;CN=12;体心立方堆积，CN=8CN=8第35页/共58页36共价晶体：因键的方向性和饱和性，配位数不受球体紧密堆积规则限制，配位数较低，一般不大可能超过4离子晶体：正离子填入负离子作紧密堆积所形成的空隙中，不同的空隙将有不同的配位数。一般，离子晶体配位数决定于正离子与负离子半径的比值第36页/共58页372.配位多面体：在晶体结构中，离子的周围与它直接相邻结合的原子或离子的中心连线所构成的多面体称为原子或离子的配位多面体。正离子处在配位多面体的中心，而负离子处在配位多面体的顶角上。习惯上，以正离子为中心讨
18、论负离子的配位多面体。第37页/共58页383.配位多面体与离子半径比 离子晶体中，正离子周围负离子配位多面体越多，配位数越高。配位数不同，形成的多面体形式不同。离子的配位数与正离子的半径大小有关，也与正负离子之间结合情况有关。或者说，离子晶体中配位数取决于正负离子的半径比第38页/共58页直线型直线型(哑铃型哑铃型)三角形三角形四面体四面体八面体八面体立方体立方体配配 位位 多多 面面 体体 形形 状状第39页/共58页 在NaCl晶体中，Cl-离子按照面心立方最紧密方式堆积，Na+离子填充于Cl-离子形成的八面体空隙中。这样，每个Na+离子周围有6个Cl-离子，即Na+离子的配位数为6。4
19、0第40页/共58页 在CsCl晶体结构中，每个Cs+离子位于8个Cl-离子简单立方堆积形成的立方体间隙中，即Cs+离子的配位数为8。41 在离子堆积过程中，为了满足密堆积原理，使系统能量最低，体系稳定，每个离子周围应尽可能多的被其他离子所包围。Cs+离子半径（0.182nm）大于Na+离子半径（0.110nm），使得它周围可以容纳更多的异号离子。由此可见，配位数的大小与正、负离子的半径比值（相对大小）有关。第41页/共58页 分析一下配位数与正负离子半径比之间的关系。图中位于体心的Na+离子和6个面心上的Cl-离子形成一个钠氯八面体。在1/2晶胞高度上，4个Cl-离子和一个Na+离子互相相切
20、。从中取出一个直角三角形，根据边角关系可以得出形成6配位的八面体时，正、负离子间都能彼此接触的条件是r+/r-=0.414。421.如果r+/r-0.414，则正、负离子间彼此接触，负离子间脱离接触，正负离子间引力很大，负离子间斥力减小。晶体结构要求正离子周围的负离子要尽可能的多，即配位数越高越稳定，则会有其他负离子进入到正离子周围。由此可见，晶体结构中正、负离子的配位数的大小由结构中正、负离子半径的比值来决定，根据几何计算关系可以计算出正离子配位数与正、负离子半径比之间的关系。第42页/共58页434.离子极化（1 1）定义：在离子晶体中，通常把离子视作刚性的小球，这是一种近似处理，这种近似
21、仅在典型的离子晶体中误差较小。实际上，在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥作用，使之发生变形，这种现象称为极化。未极化已极化第43页/共58页44自身被极化和极化周围其它离子两个作用同时存在。一般来说，正离子半径较小，电价较高，极化力表现明显，不易被极化。负离子则相反，经常表现出被极化的现象，电价小而半径较大的负离子（如I，Br等）尤为显著。因此，考虑离子间相互极化作用时，一般只考虑正离子对负离子的极化作用，但当正离子为18电子构型时，必须考虑负离子对正离子的极化作用，以及由此产生的诱导偶极矩所引起的附加极化效应。第44页/共58页45（2 2）
22、极化对结构的影响）极化对结构的影响1.极化会导致离子间距离缩短离子配位数降低；2.同时变形的电子云相互重叠，使键性由离子键 向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化。例如银的卤化物AgCl，AgBr和AgI，按正负离子半径比预测，Ag+离子的配位数都是6，属于NaCl型结构，但实际上AgI晶体属于配位数为4的立方ZnS型结构。这是由于离子间很强的极化作用，使离子间强烈靠近，配位数降低，结构类型发生变化。由于极化使离子的电子云变形失去球形对称，相互重叠，导致键性由离子键过渡为共价键。第45页/共58页46四面体与八面体空隙大小与半径比四面体与八面体空隙大小与半径比第46页/共58页47正负离子半
23、径比值与配位数的关系rc/ra值值正离子正离子配位数配位数负离子配位多面负离子配位多面体形状体形状实例实例0.0000.1552直线型直线型CO20.1550.2253平面三角形平面三角形B2O30.2250.4144四面体形四面体形SiO20.4140.7326八面体形八面体形NaCl,TiO20.7321.0008立方体形立方体形ZrO2,CaF2,CsCl1.000以上以上12立方八面体形立方八面体形Cu第47页/共58页 氧化物晶体及硅酸盐晶体大都含有一定成分的离子键，因此，在一定程度上可以根据鲍林规则来判断晶体结构的稳定性。1928年，鲍林根据当时已测定的晶体结构数据和晶格能公式所反
24、映的关系，提出了判断离子化合物结构稳定性的规则鲍林规则。鲍林规则共包括五条规则。48 一、鲍林规则：第48页/共58页鲍林第一规则配位多面体规则，其内容是：“在每个正离子的周围，形成一个负离子的配位多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比”。第一规则实际上是对晶体结构的直观描述，如NaCl晶体是由NaCl6八面体以共棱方式连接而成。49 鲍林规则：第49页/共58页鲍林第二规则电价规则指出：“在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子电价数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差 1/4价”。静电键强度 S=，则负离子电荷数 。50
25、鲍林规则：第50页/共58页电价规则有两个用途：其一，判断晶体是否稳定；其二，判断共用一个顶点的多面体的数目。51 在CaTiO3结构中，Ca2+、Ti4+、O2-离子的配位数分别为12、6、6。O2-离子的配位多面体是OCa4Ti2，则O2-离子的电荷数Z-=2/12*4+4/6*2=2，与O2-离子的电价相等，故晶体结构是稳定的。一个SiO4四面体顶点的O2-离子还可以和另一个SiO4四面体相连接（2个配位多面体共用一个顶点），或者和另外3个MgO6八面体相连接（4个配位多面体共用一个顶点），这样可使O2-离子电价饱和。第51页/共58页鲍林第三规则多面体共顶、共棱、共面规则，其内容是：“
26、在一个配位结构中，共用棱，特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价，低配位的正离子的这种效应更为明显”。假设两个四面体共顶连接时中心距离为1，则共棱、共面时各为0.58和0.33。若是八面体，则各为1，0.71和0.58。两个配位多面体连接时，随着共用顶点数目的增加，中心阳离子之间距离缩短，库仑斥力增大，结构稳定性降低。52 鲍林规则：第52页/共58页53第53页/共58页鲍林第四规则即不同配位多面体连接规则，其内容是：“在含有各种不同正离子的晶体中，电价高而配位数小的正离子，倾向于彼此之间不共用配位多面体的任何几何要素”。实际上，该规则是第三规则在多离子晶体结构中的延伸。表明，有多种正离子时，高价、低配位数正离子 配位多面体倾向于尽可能互不相连，它们之间由其它正离子的配位多面体隔开。例如，在镁橄榄石结构中，有SiO4四面体和MgO6八面体两种配位多面体，但Si4+电价高、配位数低，所以SiO4四面体之间彼此无连接，它们之间由MgO6八面体所隔开。54 鲍林规则：第54页/共58页精品课件！第55页/共58页精品课件！第56页/共58页鲍林第五规则节约规则，其内容是：“在同一晶体中，不同类型的结构基元的数目趋向于最少”。例如，在硅酸盐晶体中，不会同时出现SiO4四面体和Si2O7双四面体结构基元。57 鲍林规则：第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页