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1、晶体结构PPT本讲稿第一页，共三十一页一、晶体的特性一、晶体的特性1.晶体与非晶体晶体与非晶体(1)晶体：内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质。(P69,1D)(2)非晶体：内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态。本讲稿第二页，共三十一页2.晶体的特性晶体的特性:(P68)（1）具有规则的几何外形。（2）自范性：在适宜条件下，晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面体外形。（3）各向异性：晶体在不同方向上表现出不同的物理性质。（4）对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。（5）有固定的熔点而非晶态没有。本讲稿第三页，共三十一页3.晶体的种类(P69
2、)根据内部微粒的种类和微粒间的相互作用根据内部微粒的种类和微粒间的相互作用不同，将晶体分为离子晶体、金属晶体、不同，将晶体分为离子晶体、金属晶体、原子晶体和分子晶体。原子晶体和分子晶体。离子晶体离子晶体金属晶体金属晶体原子晶体原子晶体分子晶体分子晶体内部微粒内部微粒阴阳离子阴阳离子金属原子金属原子原子原子分子分子作用力作用力离子离子键键金属金属键键共价共价键键分子分子间间作用力作用力本讲稿第四页，共三十一页二、晶体结构的堆积模型二、晶体结构的堆积模型 组成晶体的原子、离子或分子在没有其他因素（如共价键的方向性）影响时，在空间的排列大都服从紧密堆积原理，这是因为分别借助于没有方向性的金属键、离子
3、键和分子间相互作用形成的金属晶体、离子晶体和分子晶体的结构中，都趋向于使原子或分子吸引尽可能多的原子或分子分布于周围，并以密堆积的方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定。本讲稿第五页，共三十一页金属晶体原子平面排列方式有几种？(P71)(配位数：一个原子或离子周围所邻接的原子或离子数目配位数：一个原子或离子周围所邻接的原子或离子数目)非密置层A143213642A5密置层配位数为4配位数为6本讲稿第六页，共三十一页AB21本讲稿第七页，共三十一页 在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围 6 个球个球相切，在中心的周围形成相切，在中心的周围形成
4、6 个凹位，将其算为第一层。个凹位，将其算为第一层。1.等径圆球的密堆积等径圆球的密堆积 由于金属键没有方向性，每个金属原子中的电子由于金属键没有方向性，每个金属原子中的电子分布基本是球对称的，所以可以把金属晶体看成是分布基本是球对称的，所以可以把金属晶体看成是由直径相等的圆球的三维空间堆积而成的。等径圆由直径相等的圆球的三维空间堆积而成的。等径圆球的密堆积方式有球的密堆积方式有A3型最密堆积，型最密堆积，A1型最密堆积。型最密堆积。本讲稿第八页，共三十一页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准对第一层来讲最紧密的堆积方式是将球对准 1，3，5 位。位。(或对准或对
5、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，第三层可以有两种最紧密关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。的堆积方式。本讲稿第九页，共三十一页 下图是下图是A3型六方型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球。第一种是将球对准第一层的球。123456 于是每两层形成一个周期，于是每两层形成一个周期，即即 AB AB 堆积方式，形成六方堆积方式，形成六方紧密堆积紧密堆积-A3型型。配位数配位数 12。(同层同层 6，上下层各上下层各 3)本讲稿第十页，共三十一页A3型最密堆积（
6、配位数为型最密堆积（配位数为12）（例如镁）（例如镁）本讲稿第十一页，共三十一页六方密堆积六方密堆积配位数配位数：12。(同层同层 6，上下层各上下层各 3)晶胞含金属原子数晶胞含金属原子数:6金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式镁型镁型本讲稿第十二页，共三十一页 第三层的第三层的另一种另一种排列排列方式，方式，是将球对准第一层是将球对准第一层的的 2，4，6 位位，不同于不同于 AB 两层的位置两层的位置，这是这是 C 层。层。123456123456123456本讲稿第十三页，共三十一页123456面心立方紧密堆积的前视图面心立方紧密堆积的前视图ABCAABC 第四层再排第四层再排 A，于
7、是形成于是形成 ABC ABC 三层一个周期。三层一个周期。得得到面心立方堆积到面心立方堆积A1型型。配位数配位数 12。(同层同层 6，上下层各上下层各 3)本讲稿第十四页，共三十一页A1型最密堆积（配位数为型最密堆积（配位数为12）（例如铜）（例如铜）本讲稿第十五页，共三十一页面心立方面心立方 BCA晶胞含金属原子数晶胞含金属原子数:4金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式铜型铜型本讲稿第十六页，共三十一页BCA ABC ABC 形式的堆积，为什形式的堆积，为什么是面心立方堆积？么是面心立方堆积？我们来加以说明。我们来加以说明。本讲稿第十七页，共三十一页体心立方体心立方堆积堆积非密置层层层堆
8、积情况非密置层层层堆积情况2：相邻原子层上层原子填入下层原子的凹穴中相邻原子层上层原子填入下层原子的凹穴中本讲稿第十八页，共三十一页体心立方堆积体心立方堆积配位数：配位数：28晶胞含金属原子数晶胞含金属原子数:金属晶体的堆积方式金属晶体的堆积方式钾型钾型本讲稿第十九页，共三十一页 这两种堆积都是最紧密堆积这两种堆积都是最紧密堆积，空间利用率为空间利用率为 74.05%。金属钾金属钾 K 的的立方体心堆积立方体心堆积 还有一种空间利用率稍低的堆积方式还有一种空间利用率稍低的堆积方式A2型型-立方体心堆积：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
9、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 (A3,ABAB，如：金属镁，如：金属镁)面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积 (A1,ABC，如：金属铜，如：金属铜)立方体心堆积立方体心堆积 (A2,如金属钾如金属钾)金属的金属的堆积方式堆积方式本讲稿第二十页，共三十一页堆积模型采纳这种堆积的典型代表配位数晶胞镁型A3Mg Zn Ti12简单立方Po6钾型A2K Na Fe8铜型A1Cu Ag Au12总总 结结52%68%74%74%空间利用率本讲稿第二十一页，共三十一页2.非等径圆球的密堆积 由离子构成的晶体可视为不等
10、径圆球的密堆积，即将不同半径的圆球的堆积看成是大球先按一定方式做等径圆球的密堆积。小球再填充在大球所形成的空隙中。配位数：一个原子或离子周围所邻接的原子或离子的数目。如NaCl配位数为6，即每个Na+离子周围直接连有6个CI-，反之亦然。本讲稿第二十二页，共三十一页2.离子晶体属非等径圆球的密堆积方式：离子晶体属非等径圆球的密堆积方式：大球大球先按一定的方式做等径圆球密堆积先按一定的方式做等径圆球密堆积小球小球再填充到大球所形成的空隙中再填充到大球所形成的空隙中本讲稿第二十三页，共三十一页NaCl：离离子先以子先以A1型紧型紧密堆积，密堆积，离离子再填充到空子再填充到空隙中。隙中。ZnS：离子
11、离子先以先以A1型紧密堆型紧密堆积，积，离子再离子再填充到空隙中。填充到空隙中。ClNaS2Zn2本讲稿第二十四页，共三十一页分子晶体属非等径圆球密堆积方式：分子晶体属非等径圆球密堆积方式：分子晶体尽可能采取紧密堆积的方式，但受到分分子晶体尽可能采取紧密堆积的方式，但受到分子形状的影响。例如：子形状的影响。例如：干冰采用干冰采用A1型紧密堆积方式型紧密堆积方式 而冰中水分子的堆积受到而冰中水分子的堆积受到 的影响的影响原子晶体原子晶体不服从紧密堆积方式：不服从紧密堆积方式：共价键具有共价键具有 性和性和 性，因此一个原子周围结合其性，因此一个原子周围结合其它原子的数目是它原子的数目是 （有限、
12、无限）的，方向是（有限、无限）的，方向是 （一（一定、不固定）的。定、不固定）的。氢键氢键饱和饱和方向方向有限有限一定一定本讲稿第二十五页，共三十一页三、晶体结构的基本单元-晶胞1.晶胞(1)晶胞：从晶体中“截取”出来具有代表性的最小部分。是能够反映晶体结构特征的基本重复单位。(2)晶胞一定是一个平行六面体，其三条边的长度不一定相等也不一定互相垂内；晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定，晶胞不能是八面体或六方柱体等其他形状。(3)整个晶体就是晶胞按其周期性在二维空间重复排列而成的。这种排列必须是晶胞的并置堆砌。所谓并置堆砌是指平行六面体之间没有任何空隙，同时，相邻的八个平行六面体均能共顶点相
13、连接。本讲稿第二十六页，共三十一页2.常见三种密堆积的晶胞六方晶胞六方晶胞-A3型型本讲稿第二十七页，共三十一页面心立方晶胞面心立方晶胞-A1型型本讲稿第二十八页，共三十一页体心立方晶胞体心立方晶胞-A2型型本讲稿第二十九页，共三十一页3.晶胞中微粒数的计算 (1)六方晶胞：在六方体顶点的微粒为6个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有，在体内的微粒全属于该晶胞。微粒数为：121/6+21/2+3=6 长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献：长方体晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献：顶顶 -1/8 -1/8 棱棱-1/4 -1/4 面面-1/2 -1/2 心心-1-1（2）面心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共有，在面心的为2个晶胞共有。微粒数为：81/8+61/2=4 (3)体心立方：在立方体顶点的微粒为8个晶胞共享，处于体心的金属原子全部属于该晶胞。微粒数为：81/8+1=2本讲稿第三十页，共三十一页本讲稿第三十一页，共三十一页