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1、第三章第三章 固体结构和固体的性能固体结构和固体的性能3.2 离子晶体离子晶体3.1 晶体的结构和类型晶体的结构和类型3.3 原子晶体和分子晶体原子晶体和分子晶体3.4 金属晶体金属晶体3.5 混合型晶体混合型晶体3.6 晶体缺陷和非化学计量化合物晶体缺陷和非化学计量化合物3.7 非晶体的结构非晶体的结构3.8 固体的结构与性能固体的结构与性能固体：固体：分为分为晶体晶体和和非晶体非晶体两大类。两大类。3.1 晶体的结构和类型晶体的结构和类型晶体的特征：晶体的特征：晶体的特征：晶体的特征：1.1.有整齐规则的几何外形。有整齐规则的几何外形。有整齐规则的几何外形。有整齐规则的几何外形。2.2.具
2、有各向异性。具有各向异性。具有各向异性。具有各向异性。3.3.有确定的熔点。有确定的熔点。有确定的熔点。有确定的熔点。晶格与晶胞：晶格与晶胞：晶格与晶胞：晶格与晶胞：晶胞晶胞晶胞晶胞晶格与晶胞的示意动画晶格与晶胞的示意动画3.1 晶体的结构和类型晶体的结构和类型依据晶胞的特征，可以划分成七个晶系：依据晶胞的特征，可以划分成七个晶系：依据晶胞的特征，可以划分成七个晶系：依据晶胞的特征，可以划分成七个晶系：晶系晶系晶系晶系边长边长边长边长角度角度角度角度实例实例实例实例立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系a a=b b=c c =9090岩盐岩盐岩盐岩盐(NaCl)(NaCl)(NaCl)(NaCl)
3、四方晶系四方晶系四方晶系四方晶系a a=b b c c =9090白锡白锡白锡白锡六方晶系六方晶系六方晶系六方晶系a a=b b c c =90,=90,=120120石墨石墨石墨石墨菱形晶系菱形晶系菱形晶系菱形晶系a a=b b=c c =90,(120)90,(9090单斜硫单斜硫单斜硫单斜硫三斜晶系三斜晶系三斜晶系三斜晶系a a b b c c 重铬酸钾重铬酸钾重铬酸钾重铬酸钾表表表表3.1 3.1 七个晶系的性质七个晶系的性质七个晶系的性质七个晶系的性质3.1 晶体的结构和类型晶体的结构和类型1414种布拉维晶格的结构示意图种布拉维晶格的结构示意图种布拉维晶格的结构示意图种布拉维晶格的
4、结构示意图(1)(1)简单立方简单立方简单立方简单立方体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立方面心立方面心立方简单四方简单四方简单四方简单四方体心四方体心四方体心四方体心四方简单六方简单六方简单六方简单六方简单三斜简单三斜简单三斜简单三斜3.1 晶体的结构和类型晶体的结构和类型1414种布拉维晶格的结构示意图种布拉维晶格的结构示意图种布拉维晶格的结构示意图种布拉维晶格的结构示意图(2)(2)底心单斜底心单斜底心单斜底心单斜简单单斜简单单斜简单单斜简单单斜简单菱形简单菱形简单菱形简单菱形简单正交简单正交简单正交简单正交底心正交底心正交底心正交底心正交体心正交体心正交体心正交体心正交面心正
5、交面心正交面心正交面心正交3.1 晶体的结构和类型晶体的结构和类型 布拉格父子是唯一一对子承父业，父子俩合作探讨布拉格父子是唯一一对子承父业，父子俩合作探讨布拉格父子是唯一一对子承父业，父子俩合作探讨布拉格父子是唯一一对子承父业，父子俩合作探讨同一项目，又共同获得诺贝尔奖的英国科学家。同一项目，又共同获得诺贝尔奖的英国科学家。同一项目，又共同获得诺贝尔奖的英国科学家。同一项目，又共同获得诺贝尔奖的英国科学家。由于布由于布由于布由于布拉格父子用拉格父子用拉格父子用拉格父子用X X射线分析晶体结构的成功，他们共享了射线分析晶体结构的成功，他们共享了射线分析晶体结构的成功，他们共享了射线分析晶体结构
6、的成功，他们共享了19151915年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。3.1.2 晶体的类型晶体的类型晶体类型晶体类型晶体类型晶体类型离子离子离子离子晶体晶体晶体晶体原子原子原子原子晶体晶体晶体晶体分子晶体分子晶体分子晶体分子晶体金属晶体金属晶体金属晶体金属晶体结点上的结点上的结点上的结点上的粒子粒子粒子粒子正、负正、负正、负正、负离子离子离子离子原子原子原子原子极性极性极性极性分子分子分子分子非极性非极性非极性非极性分子分子分子分子原子、正离子原子、正离子原子、正离子原子、正离子(间间间间隙处有自由电子隙处有自由电子隙处有自由电子隙处有自由电子)粒
7、子间的粒子间的粒子间的粒子间的作用力作用力作用力作用力离子键离子键离子键离子键 共价键共价键共价键共价键分子间分子间分子间分子间力力力力,氢氢氢氢键键键键分子间分子间分子间分子间力力力力金属键金属键金属键金属键熔、沸点熔、沸点熔、沸点熔、沸点高高高高很高很高很高很高低低低低很低很低很低很低硬度硬度硬度硬度硬硬硬硬很硬很硬很硬很硬软软软软很软很软很软很软实例实例实例实例NaClNaClSiOSiO2 2HClHClCOCO2 2Ag,CuAg,CuAg,CuAg,Cu表表表表3.2 3.2 四类晶体的内部结构及性质特征四类晶体的内部结构及性质特征四类晶体的内部结构及性质特征四类晶体的内部结构及性
8、质特征3.2 离子离子晶体晶体一一.离子键的形成离子键的形成活泼的金属原子活泼的金属原子活泼的金属原子活泼的金属原子电负性电负性电负性电负性小小小小活泼的非金属原子活泼的非金属原子活泼的非金属原子活泼的非金属原子电负性电负性电负性电负性大大大大金属正离子金属正离子金属正离子金属正离子非金属负离子非金属负离子非金属负离子非金属负离子离子键离子键离子键离子键失去电子失去电子失去电子失去电子形成条件：形成条件：形成条件：形成条件：两元素原子的电负性差值两元素原子的电负性差值两元素原子的电负性差值两元素原子的电负性差值 例如：典型的金属元素（例如：典型的金属元素（例如：典型的金属元素（例如：典型的金属
9、元素（S S区金属）与典型的区金属）与典型的区金属）与典型的区金属）与典型的非金属（卤素、非金属（卤素、非金属（卤素、非金属（卤素、OO、S S）化合。）化合。）化合。）化合。3.2.2 几种典型的离子晶体几种典型的离子晶体以以以以AB AB 型离子晶体为例型离子晶体为例型离子晶体为例型离子晶体为例,常见的有三类典型的离子晶体：常见的有三类典型的离子晶体：常见的有三类典型的离子晶体：常见的有三类典型的离子晶体：1 1）CsCl 型型晶格：简洁立方晶格：简洁立方配位比：配位比：8888CsClCsCl晶格动画晶格动画晶格动画晶格动画类似晶体结构的还类似晶体结构的还类似晶体结构的还类似晶体结构的还
10、有有有有CsBrCsBr,CsICsI等。等。等。等。3.2.2 几种典型的离子晶体几种典型的离子晶体2 2）NaCl 型型晶格：晶格：面心立方面心立方配位比：配位比：6666NaClNaCl晶格动画晶格动画晶格动画晶格动画类似结构的还有类似结构的还有类似结构的还有类似结构的还有NaFNaF,AgBrAgBr,BaOBaO等。等。等。等。3.2.2 几种典型的离子晶体几种典型的离子晶体3 3）ZnS 型型晶格：晶格：面心立方面心立方配位比：配位比：4444ZnSZnS晶格动画晶格动画晶格动画晶格动画类似结构的还有类似结构的还有类似结构的还有类似结构的还有AgIAgI,ZnOZnO等。等。等。等
11、。3.2.3 离子半径和配位比离子半径和配位比1.离子半径离子半径 假设晶体中正、负离子是相互接触的圆球，测得正、假设晶体中正、负离子是相互接触的圆球，测得正、假设晶体中正、负离子是相互接触的圆球，测得正、假设晶体中正、负离子是相互接触的圆球，测得正、负原子核间距负原子核间距负原子核间距负原子核间距 ，然后相对于氟负离子或氧，然后相对于氟负离子或氧，然后相对于氟负离子或氧，然后相对于氟负离子或氧负离子的半径为起点求得其他离子的半径。负离子的半径为起点求得其他离子的半径。负离子的半径为起点求得其他离子的半径。负离子的半径为起点求得其他离子的半径。如：试验测得如：试验测得NaFNaF的的d=231
12、pmd=231pm已知：已知：离子半径的变更规律离子半径的变更规律1 1 1 1）同一周期自左向右，阳离子半径下降（因为正电同一周期自左向右，阳离子半径下降（因为正电同一周期自左向右，阳离子半径下降（因为正电同一周期自左向右，阳离子半径下降（因为正电荷上升，核对电子的引力增加）；阴离子半径略下荷上升，核对电子的引力增加）；阴离子半径略下荷上升，核对电子的引力增加）；阴离子半径略下荷上升，核对电子的引力增加）；阴离子半径略下降（因为负电荷上升，核对电子的引力下降）。降（因为负电荷上升，核对电子的引力下降）。降（因为负电荷上升，核对电子的引力下降）。降（因为负电荷上升，核对电子的引力下降）。2 2
13、 2 2）同一族自上而下，离子半径增加同一族自上而下，离子半径增加同一族自上而下，离子半径增加同一族自上而下，离子半径增加(因为电子层数因为电子层数因为电子层数因为电子层数增加增加增加增加)。3 3 3 3）同一种元素，阴离子半径同一种元素，阴离子半径同一种元素，阴离子半径同一种元素，阴离子半径 原子半径原子半径原子半径原子半径 阳离子半径。阳离子半径。阳离子半径。阳离子半径。离子半径与配位比的关系离子半径与配位比的关系 稳定存在的离子晶体，应使离子晶体内正、负离稳定存在的离子晶体，应使离子晶体内正、负离稳定存在的离子晶体，应使离子晶体内正、负离稳定存在的离子晶体，应使离子晶体内正、负离子尽可
14、能紧密排列，自由空间应尽量小些。子尽可能紧密排列，自由空间应尽量小些。子尽可能紧密排列，自由空间应尽量小些。子尽可能紧密排列，自由空间应尽量小些。NaClNaClNaClNaCl晶体晶体晶体晶体,66,66,66,66配位配位配位配位ACB三角形三角形ABCABC是等腰直角三角形是等腰直角三角形离子半径与配位比的关系离子半径与配位比的关系(1)当当(2)当当配位数转变为配位数转变为 8888。离子半径与配位比的关系离子半径与配位比的关系(3)当当配位数转变为配位数转变为 4444。半径比规则：半径比规则：离子半径与配位比的关系离子半径与配位比的关系例：依据例：依据例：依据例：依据Mg2+Mg2
15、+Mg2+Mg2+和和和和O2-O2-O2-O2-的半径数据，推想的半径数据，推想的半径数据，推想的半径数据，推想MgOMgOMgOMgO的配位数。的配位数。的配位数。的配位数。MgMgMgMg2+2+2+2+的半径的半径的半径的半径 r r+=65=65=65=65 pmpmO O O O2-2-2-2-的半径的半径的半径的半径 r r-=140=140=140=140 pmpm半径比：半径比：半径比：半径比：所以：所以：所以：所以：MgOMgOMgOMgO的配位数为的配位数为的配位数为的配位数为6 6 6 6。应用半径比规则留意点：应用半径比规则留意点：应用半径比规则留意点：应用半径比规则
16、留意点：1 1 1 1）只适用于）只适用于）只适用于）只适用于ABABABAB型离子晶体。型离子晶体。型离子晶体。型离子晶体。2 2 2 2）试验值与理论值不确定特别吻合，以试验为主。）试验值与理论值不确定特别吻合，以试验为主。）试验值与理论值不确定特别吻合，以试验为主。）试验值与理论值不确定特别吻合，以试验为主。如如如如 AgI AgI，按半径比规则配位数为，按半径比规则配位数为，按半径比规则配位数为，按半径比规则配位数为6 6，实际为，实际为，实际为，实际为4 4。因为离。因为离。因为离。因为离子间存在猛烈的极化变形。子间存在猛烈的极化变形。子间存在猛烈的极化变形。子间存在猛烈的极化变形。
17、3.2.4 晶格能晶格能1.晶格能晶格能 U定义：在标准状态下，破坏定义：在标准状态下，破坏定义：在标准状态下，破坏定义：在标准状态下，破坏1mol1mol离子晶体使它变为离子晶体使它变为离子晶体使它变为离子晶体使它变为气态正离子和气态负离子所需吸取的能量。气态正离子和气态负离子所需吸取的能量。气态正离子和气态负离子所需吸取的能量。气态正离子和气态负离子所需吸取的能量。MXMX(s)(s)MM+(g)(g)+X X-(g)(g)2.晶格能晶格能 U 与物理性质与物理性质 一般晶格能越大，该晶体越稳定，熔、沸点越一般晶格能越大，该晶体越稳定，熔、沸点越一般晶格能越大，该晶体越稳定，熔、沸点越一般
18、晶格能越大，该晶体越稳定，熔、沸点越高，硬度越大。高，硬度越大。高，硬度越大。高，硬度越大。3.晶格能晶格能 U 的计算的计算 玻恩玻恩-朗德公式朗德公式玻恩玻恩-朗德公式朗德公式正、负离子半径和。单位：正、负离子半径和。单位：正、负离子半径和。单位：正、负离子半径和。单位：pmpm式中：式中：式中：式中：Z1Z1、Z2Z2：正、负离子电荷数的确定值。正、负离子电荷数的确定值。A A：马德隆常数，：马德隆常数，由晶体构型确定：由晶体构型确定：NaCl NaCl 型：型：1.7481.748CsCl CsCl 型：型：1.7631.763ZnS ZnS 型：型：1.6381.638n n：玻恩指
19、数，见表玻恩指数，见表玻恩指数，见表玻恩指数，见表3-73-73-73-7(kJkJmolmol-1 1 )*影响晶格能最重要的因素：影响晶格能最重要的因素：影响晶格能最重要的因素：影响晶格能最重要的因素：1)1)1)1)电荷电荷电荷电荷 2)2)2)2)离子半径离子半径离子半径离子半径3.2.5 离子的极化和变形离子的极化和变形 按半径比规则，按半径比规则，按半径比规则，按半径比规则，AgIAgI的配位数为的配位数为的配位数为的配位数为6 6，但试验证明，但试验证明，但试验证明，但试验证明为为为为4 4。因为离子间存在猛烈的极化变形。因为离子间存在猛烈的极化变形。因为离子间存在猛烈的极化变形
20、。因为离子间存在猛烈的极化变形。离子极化示意动画离子极化示意动画3.2.5 离子的极化和变形离子的极化和变形极化力：极化力：极化力：极化力：离子对其他离子产生的作用力称为极化力。离子对其他离子产生的作用力称为极化力。离子对其他离子产生的作用力称为极化力。离子对其他离子产生的作用力称为极化力。1.1.1.1.正离子的正离子的正离子的正离子的电荷越高，半径越小，极化力越大。电荷越高，半径越小，极化力越大。电荷越高，半径越小，极化力越大。电荷越高，半径越小，极化力越大。影响极化力的因素：影响极化力的因素：影响极化力的因素：影响极化力的因素：2.2.2.2.电荷相同，半径相像的不同离子，极化力取决电荷
21、相同，半径相像的不同离子，极化力取决电荷相同，半径相像的不同离子，极化力取决电荷相同，半径相像的不同离子，极化力取决于离子的外层电子构型。于离子的外层电子构型。于离子的外层电子构型。于离子的外层电子构型。8 8 8 8电子构型电子构型电子构型电子构型 9 9 9 9 17171717电子构型电子构型电子构型电子构型 18181818或或或或18+218+218+218+2电子构型电子构型电子构型电子构型NaNa+,MgMg2+2+Ca Ca2+2+FeFe2+2+,Co,Co2+2+MnMn2+2+,Cr,Cr3+3+CuCu+,Sn,Sn2+2+AgAg+,Pb,Pb2+2+3.2.5 离子
22、的极化和变形离子的极化和变形变形性：变形性：变形性：变形性：离子被极化而发生变形的性质。离子被极化而发生变形的性质。离子被极化而发生变形的性质。离子被极化而发生变形的性质。影响变形性的因素：影响变形性的因素：影响变形性的因素：影响变形性的因素：1.1.1.1.负离子的负离子的负离子的负离子的电荷越高，半径越大，变形性越大。电荷越高，半径越大，变形性越大。电荷越高，半径越大，变形性越大。电荷越高，半径越大，变形性越大。2.2.2.2.最外层为最外层为最外层为最外层为18181818电子构型或最外层有电子构型或最外层有电子构型或最外层有电子构型或最外层有d d d d电子的正离子，电子的正离子，电
23、子的正离子，电子的正离子，变形性也比较大。变形性也比较大。变形性也比较大。变形性也比较大。一般正离子的半径小，极化力大，变形性较小；一般正离子的半径小，极化力大，变形性较小；一般正离子的半径小，极化力大，变形性较小；一般正离子的半径小，极化力大，变形性较小；而负离子的半径大，极化力小而变形性却较大。所而负离子的半径大，极化力小而变形性却较大。所而负离子的半径大，极化力小而变形性却较大。所而负离子的半径大，极化力小而变形性却较大。所以当正、负离子相互作用时，通常考虑正离子对负以当正、负离子相互作用时，通常考虑正离子对负以当正、负离子相互作用时，通常考虑正离子对负以当正、负离子相互作用时，通常考虑
24、正离子对负离子的极化作用以及负离子的变形。离子的极化作用以及负离子的变形。离子的极化作用以及负离子的变形。离子的极化作用以及负离子的变形。3.2.5 离子的极化和变形离子的极化和变形离子极化对化学键型的影响：离子极化对化学键型的影响：离子键离子键过渡键型过渡键型共价键共价键3.2.5 离子的极化和变形离子的极化和变形离子极化对化合物性质的影响：离子极化对化合物性质的影响：1.1.1.1.由于化学键型的变更，正、负离子电子云相互重由于化学键型的变更，正、负离子电子云相互重由于化学键型的变更，正、负离子电子云相互重由于化学键型的变更，正、负离子电子云相互重叠，导致键长变短，晶体向配位数小的晶型转化
25、。叠，导致键长变短，晶体向配位数小的晶型转化。叠，导致键长变短，晶体向配位数小的晶型转化。叠，导致键长变短，晶体向配位数小的晶型转化。2.2.2.2.使晶体在水中的溶解度降低。使晶体在水中的溶解度降低。使晶体在水中的溶解度降低。使晶体在水中的溶解度降低。3.3.3.3.使晶体的熔点下降。使晶体的熔点下降。使晶体的熔点下降。使晶体的熔点下降。4.4.4.4.使晶体的颜色加深。使晶体的颜色加深。使晶体的颜色加深。使晶体的颜色加深。AgF AgCl AgBr AgIAgF AgCl AgBr AgI配位数：配位数：配位数：配位数：6 6 6 6 过渡型过渡型过渡型过渡型 4 4 4 43.3 原子晶
26、体和分子晶体原子晶体和分子晶体一一.原子晶体原子晶体金刚石晶胞结构示意图金刚石晶胞结构示意图金刚石晶胞结构示意图金刚石晶胞结构示意图珍贵的金刚石珍贵的金刚石珍贵的金刚石珍贵的金刚石 金刚石中碳原子实行金刚石中碳原子实行金刚石中碳原子实行金刚石中碳原子实行sp3sp3sp3sp3杂化，相互以杂化，相互以杂化，相互以杂化，相互以sp3sp3sp3sp3杂化轨道重叠杂化轨道重叠杂化轨道重叠杂化轨道重叠成共价键，形成包括整个晶体的大分子，呈正四面体。成共价键，形成包括整个晶体的大分子，呈正四面体。成共价键，形成包括整个晶体的大分子，呈正四面体。成共价键，形成包括整个晶体的大分子，呈正四面体。3.3 原
27、子晶体和分子晶体原子晶体和分子晶体二二.分子晶体分子晶体CO2晶体结构图晶体结构图蒽分子晶体结构图蒽分子晶体结构图3.4 金属晶体金属晶体“金属原子和离子浸泡在电子的海洋中金属原子和离子浸泡在电子的海洋中金属原子和离子浸泡在电子的海洋中金属原子和离子浸泡在电子的海洋中”金属晶体中的金属键是一种特殊的共价键（改性金属晶体中的金属键是一种特殊的共价键（改性金属晶体中的金属键是一种特殊的共价键（改性金属晶体中的金属键是一种特殊的共价键（改性共价键）：晶体中金属原子和离子共享的电子不属于共价键）：晶体中金属原子和离子共享的电子不属于共价键）：晶体中金属原子和离子共享的电子不属于共价键）：晶体中金属原子
28、和离子共享的电子不属于某几个原子，而是属于整个晶体，是非定域的自由电某几个原子，而是属于整个晶体，是非定域的自由电某几个原子，而是属于整个晶体，是非定域的自由电某几个原子，而是属于整个晶体，是非定域的自由电子。子。子。子。3.4.1 金属键金属键金属的改性共价键理论可以说明金属的特性：金属的改性共价键理论可以说明金属的特性：金属的改性共价键理论可以说明金属的特性：金属的改性共价键理论可以说明金属的特性：(1)(1)金属有电阻，能导电。金属有电阻，能导电。金属有电阻，能导电。金属有电阻，能导电。自由电子的定向运动，产生导电性。自由电子的定向运动，产生导电性。自由电子运动中受核的引力，产生电阻。自
29、由电子运动中受核的引力，产生电阻。(2)(2)金属有导热性。金属有导热性。金属有导热性。金属有导热性。自由电子运动中与原子核不断碰撞，产生热能自由电子运动中与原子核不断碰撞，产生热能的交换。的交换。(3)(3)优良的机械加工性能。优良的机械加工性能。优良的机械加工性能。优良的机械加工性能。自由电子的连接使金属晶体形成密积累结构，原自由电子的连接使金属晶体形成密积累结构，原子间可相互滑动。子间可相互滑动。不足：不能说明不同金属导电实力的不同。不足：不能说明不同金属导电实力的不同。不足：不能说明不同金属导电实力的不同。不足：不能说明不同金属导电实力的不同。3.4.2 金属晶体的紧密积累结构金属晶体
30、的紧密积累结构1.六方紧密积累六方紧密积累(hcp)六方紧密积累动画六方紧密积累动画配位数：配位数：1212空间利用率空间利用率:74%74%3.4.2 金属晶体的紧密积累结构金属晶体的紧密积累结构2.面心立方紧密积累面心立方紧密积累(ccp)面心立方紧密积累动画面心立方紧密积累动画配位数：配位数：1212空间利用率空间利用率:74%74%3.4.2 金属晶体的紧密积累结构金属晶体的紧密积累结构3.体心立方紧密积累体心立方紧密积累(bcc)体心立方紧密积累动画体心立方紧密积累动画配位数：配位数：8 8空间利用率空间利用率:68%68%3.5 混合型晶体混合型晶体 晶格结点间存在两种或两种以上作
31、用力类型的晶晶格结点间存在两种或两种以上作用力类型的晶晶格结点间存在两种或两种以上作用力类型的晶晶格结点间存在两种或两种以上作用力类型的晶体称为体称为体称为体称为混合型晶体混合型晶体混合型晶体混合型晶体。2s2s2p2pC C原子原子激发激发激发激发2s2s2p2p杂化杂化杂化杂化spsp2 2杂化轨道杂化轨道杂化轨道杂化轨道2p2pz z例如：石墨的结构：例如：石墨的结构：例如：石墨的结构：例如：石墨的结构：同一平面上的同一平面上的同一平面上的同一平面上的C C原子用未杂化的原子用未杂化的原子用未杂化的原子用未杂化的2p2pz z轨道形成一轨道形成一轨道形成一轨道形成一个大个大个大个大 键；
32、相邻键；相邻键；相邻键；相邻C C原子平面之间通过分子间力连接。原子平面之间通过分子间力连接。原子平面之间通过分子间力连接。原子平面之间通过分子间力连接。3.5 混合型晶体混合型晶体石墨晶体结构示意图石墨晶体结构示意图石墨晶体结构示意图石墨晶体结构示意图石墨晶体结构示意动画石墨晶体结构示意动画石墨晶体结构示意动画石墨晶体结构示意动画3.5 混合型晶体混合型晶体六方六方BN 结构结构示意图示意图3.6 晶体缺陷和非化学计量化合物晶体缺陷和非化学计量化合物一一.点缺陷点缺陷1.肖特基缺陷肖特基缺陷：晶格结点上的某些原子或离子产生：晶格结点上的某些原子或离子产生：晶格结点上的某些原子或离子产生：晶格
33、结点上的某些原子或离子产生空位，离子空位是正、负离子按计量比同时空位。空位，离子空位是正、负离子按计量比同时空位。空位，离子空位是正、负离子按计量比同时空位。空位，离子空位是正、负离子按计量比同时空位。肖肖肖肖特特特特基基基基缺缺缺缺陷陷陷陷动动动动画画画画弗伦克尔缺陷动画弗伦克尔缺陷动画弗伦克尔缺陷动画弗伦克尔缺陷动画3.6.1 点缺陷点缺陷2.弗伦克尔弗伦克尔缺陷缺陷：晶格结：晶格结：晶格结：晶格结点上的某些原点上的某些原点上的某些原点上的某些原子或离子发生子或离子发生子或离子发生子或离子发生位移，从而留位移，从而留位移，从而留位移，从而留下空位。下空位。下空位。下空位。杂质取代点缺陷动画
34、杂质取代点缺陷动画杂质取代点缺陷动画杂质取代点缺陷动画3.6.1 点缺陷点缺陷3.杂质缺陷杂质缺陷：杂：杂：杂：杂质原子进入晶体后质原子进入晶体后质原子进入晶体后质原子进入晶体后引起的缺陷。分为引起的缺陷。分为引起的缺陷。分为引起的缺陷。分为间隙式间隙式间隙式间隙式(杂质原子杂质原子杂质原子杂质原子半径小半径小半径小半径小)和和和和取代式取代式取代式取代式(电负性接近，杂电负性接近，杂电负性接近，杂电负性接近，杂质原子半径相差不质原子半径相差不质原子半径相差不质原子半径相差不大大大大)。线缺陷示意图线缺陷示意图线缺陷示意图线缺陷示意图3.6.2 线缺陷线缺陷3.6.3 面缺陷面缺陷(a)单成分
35、集合单成分集合面缺陷示意图面缺陷示意图(b)多成分集合多成分集合化学计量化合物：在以分子形式存在的化合物中，分子化学计量化合物：在以分子形式存在的化合物中，分子内各元素原子的个数成简洁的整数比，且不会变更。如：内各元素原子的个数成简洁的整数比，且不会变更。如：BaSO4,CO2等。等。非化学计量化合物：在某些晶体中，由于晶体缺陷使各元非化学计量化合物：在某些晶体中，由于晶体缺陷使各元素原子的个数不是简洁的整数比，也称非整比化合物。素原子的个数不是简洁的整数比，也称非整比化合物。由于由于由于由于Fe具有多种氧化值而形成的非化学计量具有多种氧化值而形成的非化学计量具有多种氧化值而形成的非化学计量具
36、有多种氧化值而形成的非化学计量Fe(1-x)S3.6.4 非化学计量化合物非化学计量化合物S S2-2-FeFe3+3+S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-S S2-2-FeFe3+3+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+FeFe2+2+由于由于由于由于Cl-离子空位而形成离子空位而
37、形成离子空位而形成离子空位而形成的非化学计量的非化学计量的非化学计量的非化学计量NaCl(1-x)由于由于由于由于Li+离子的进入而形离子的进入而形离子的进入而形离子的进入而形成的非化学计量成的非化学计量成的非化学计量成的非化学计量Li+sNi2+1-2sNi3+s O3.6.4 非化学计量化合物非化学计量化合物NaNa+ClCl-eNaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+NaNa+ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-ClCl-NiNi3+3+OO2-2-LiLi+NiN
38、i2+2+OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-OO2-2-NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+NiNi2+2+Y-Ba-Cu-OY-Ba-Cu-O晶体晶体晶体晶体结构示意图结构示意图结构示意图结构示意图3.6.4 非化学计量化合物非化学计量化合物磁悬出现象磁悬出现象磁悬出现象磁悬出现象磁悬出现象磁悬出现象上海浦东的磁悬浮列车上海浦东的磁悬浮列车上海浦东的磁悬浮列车上海浦东的磁悬浮列车3.7 非晶体的结构非
39、晶体的结构石英晶体结构示意图石英晶体结构示意图石英晶体结构示意图石英晶体结构示意图石英玻璃结构示意图石英玻璃结构示意图石英玻璃结构示意图石英玻璃结构示意图一一.固体的电固体的电性性导体：温度上升，电导率减小；导体：温度上升，电导率减小；导体：温度上升，电导率减小；导体：温度上升，电导率减小；半导体：温度上升，电导率增大；半导体：温度上升，电导率增大；半导体：温度上升，电导率增大；半导体：温度上升，电导率增大；绝缘体：一般状况下，电导率随温度变更不大；绝缘体：一般状况下，电导率随温度变更不大；绝缘体：一般状况下，电导率随温度变更不大；绝缘体：一般状况下，电导率随温度变更不大；3.8 固体的结构与
40、性能固体的结构与性能1.能带理论的基本要点：能带理论的基本要点：(1)(1)固体中价层原子轨道可以组合成分子轨道，能量相固体中价层原子轨道可以组合成分子轨道，能量相固体中价层原子轨道可以组合成分子轨道，能量相固体中价层原子轨道可以组合成分子轨道，能量相近的分子轨道的集合称为近的分子轨道的集合称为近的分子轨道的集合称为近的分子轨道的集合称为“能带能带能带能带”。(2)(2)能带中各分子轨道能量差很小，电子很简洁在能带能带中各分子轨道能量差很小，电子很简洁在能带能带中各分子轨道能量差很小，电子很简洁在能带能带中各分子轨道能量差很小，电子很简洁在能带中发生跃迁。中发生跃迁。中发生跃迁。中发生跃迁。3
41、.8.1 固体的电性和能带理论固体的电性和能带理论(3)(3)相邻两能带间的能量范围称为相邻两能带间的能量范围称为相邻两能带间的能量范围称为相邻两能带间的能量范围称为“能隙能隙能隙能隙”或或或或“禁带禁带禁带禁带”，在禁带中不能填充电子。，在禁带中不能填充电子。，在禁带中不能填充电子。，在禁带中不能填充电子。(4)(4)完全被电子占据的能带称为完全被电子占据的能带称为完全被电子占据的能带称为完全被电子占据的能带称为“满带满带满带满带”，电子在满带，电子在满带，电子在满带，电子在满带中无法移动，不能导电。中无法移动，不能导电。中无法移动，不能导电。中无法移动，不能导电。(5)(5)部分被电子占据
42、的能带称为部分被电子占据的能带称为部分被电子占据的能带称为部分被电子占据的能带称为“导带导带导带导带”，电子在导带，电子在导带，电子在导带，电子在导带中很简洁发生跃迁，能导电。中很简洁发生跃迁，能导电。中很简洁发生跃迁，能导电。中很简洁发生跃迁，能导电。(6)(6)由原子的价电子轨道组合而成的能带称为由原子的价电子轨道组合而成的能带称为由原子的价电子轨道组合而成的能带称为由原子的价电子轨道组合而成的能带称为“价带价带价带价带”，价带可以是满带也可以是导带，但能量比价带低的各，价带可以是满带也可以是导带，但能量比价带低的各，价带可以是满带也可以是导带，但能量比价带低的各，价带可以是满带也可以是导
43、带，但能量比价带低的各能带一般都是满带。能带一般都是满带。能带一般都是满带。能带一般都是满带。(7)(7)完全未被电子占据的能带称为完全未被电子占据的能带称为完全未被电子占据的能带称为完全未被电子占据的能带称为“空带空带空带空带”，如禁带不，如禁带不，如禁带不，如禁带不太宽，电子吸取能量跃迁到空带后即成为导带；或者空太宽，电子吸取能量跃迁到空带后即成为导带；或者空太宽，电子吸取能量跃迁到空带后即成为导带；或者空太宽，电子吸取能量跃迁到空带后即成为导带；或者空带和满带重叠也形成了导带。带和满带重叠也形成了导带。带和满带重叠也形成了导带。带和满带重叠也形成了导带。m/2m/2个个个个 3s3s3s
44、3s*分子轨道分子轨道分子轨道分子轨道m/2m/2个个个个 3s 3s 3s 3s 分子轨道上填有分子轨道上填有分子轨道上填有分子轨道上填有 mm 个电子个电子个电子个电子金属金属金属金属NaNa由由由由mm个个个个NaNa原原原原子组成：子组成：子组成：子组成：3.8.1 固体的电性和能带理论固体的电性和能带理论NaNa的满带连着空带，的满带连着空带，的满带连着空带，的满带连着空带，中间没有禁带，电子中间没有禁带，电子中间没有禁带，电子中间没有禁带，电子很简洁从满带跃迁到很简洁从满带跃迁到很简洁从满带跃迁到很简洁从满带跃迁到空带，所以空带，所以空带，所以空带，所以NaNa可以导可以导可以导可
45、以导电。电。电。电。3.8.1 固体的电性和能带理论固体的电性和能带理论半导体和绝缘体能带动画半导体和绝缘体能带动画3.8.2 纳米材料纳米材料1.1.纳米材料的基本概念纳米材料的基本概念 纳米纳米纳米纳米(nm)(nm)(nm)(nm)事实上是一种计量单位，事实上是一种计量单位，事实上是一种计量单位，事实上是一种计量单位，1 1 1 1纳米是纳米是纳米是纳米是1 1 1 1米米米米的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起来的长度，人的一根头发丝的直径相当于来
46、的长度，人的一根头发丝的直径相当于来的长度，人的一根头发丝的直径相当于来的长度，人的一根头发丝的直径相当于6 6 6 6万个纳万个纳万个纳万个纳米。米。米。米。纳米材料具有两个不同于其他材料的重要标记：纳米材料具有两个不同于其他材料的重要标记：纳米材料具有两个不同于其他材料的重要标记：纳米材料具有两个不同于其他材料的重要标记：（1 1 1 1）组成材料的颗粒尺寸在）组成材料的颗粒尺寸在）组成材料的颗粒尺寸在）组成材料的颗粒尺寸在1100110011001100纳米左右，纳米左右，纳米左右，纳米左右，介观尺度。介观尺度。介观尺度。介观尺度。（2 2 2 2）颗粒的小尺寸导致材料具有新特性。）颗粒
47、的小尺寸导致材料具有新特性。）颗粒的小尺寸导致材料具有新特性。）颗粒的小尺寸导致材料具有新特性。3.8.2 纳米材料纳米材料 碳纳米管是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性碳纳米管是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性碳纳米管是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性碳纳米管是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100100100100倍，而重量倍，而重量倍，而重量倍，而重量只有钢的只有钢的只有钢的只有钢的1 1 1 16 6 6 6。科学家们已经
48、研制成功了世界上最小的碳。科学家们已经研制成功了世界上最小的碳。科学家们已经研制成功了世界上最小的碳。科学家们已经研制成功了世界上最小的碳管，这种小小的圆柱体直径仅为管，这种小小的圆柱体直径仅为管，这种小小的圆柱体直径仅为管，这种小小的圆柱体直径仅为0.40.40.40.4纳米。纳米碳管可用于纳米。纳米碳管可用于纳米。纳米碳管可用于纳米。纳米碳管可用于储氢，氢气的储存浓度可以达到一个极高的水平。储氢，氢气的储存浓度可以达到一个极高的水平。储氢，氢气的储存浓度可以达到一个极高的水平。储氢，氢气的储存浓度可以达到一个极高的水平。碳纳米管碳纳米管碳纳米管碳纳米管3.8.2 纳米材料纳米材料2.2.纳
49、米材料的基本特征纳米材料的基本特征1)1)1)1)小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 由于纳米颗粒的尺寸与光波波长、物质波波长接近，由于纳米颗粒的尺寸与光波波长、物质波波长接近，由于纳米颗粒的尺寸与光波波长、物质波波长接近，由于纳米颗粒的尺寸与光波波长、物质波波长接近，所以其声、光、电磁、热力学等特性与宏观系统有明显所以其声、光、电磁、热力学等特性与宏观系统有明显所以其声、光、电磁、热力学等特性与宏观系统有明显所以其声、光、电磁、热力学等特性与宏观系统有明显的差别。如：的差别。如：的差别。如：的差别。如：纳米金属粒子纳米金属粒子纳米金属粒子纳米金属粒子由于对光的反射极低，所以由于对光的反
50、射极低，所以由于对光的反射极低，所以由于对光的反射极低，所以均呈黑色，且尺寸越小，颜色越黑。纳米铂粉、金粉、均呈黑色，且尺寸越小，颜色越黑。纳米铂粉、金粉、均呈黑色，且尺寸越小，颜色越黑。纳米铂粉、金粉、均呈黑色，且尺寸越小，颜色越黑。纳米铂粉、金粉、银粉均为黑色。纳米金属颗粒可用于红外隐身技术、高银粉均为黑色。纳米金属颗粒可用于红外隐身技术、高银粉均为黑色。纳米金属颗粒可用于红外隐身技术、高银粉均为黑色。纳米金属颗粒可用于红外隐身技术、高效率的光电转换材料。效率的光电转换材料。效率的光电转换材料。效率的光电转换材料。通常性况下陶瓷是脆性材料，因而限制了它的应用通常性况下陶瓷是脆性材料，因而限