《材料中的晶体结构》PPT课件

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2.材料中的晶体结构在晶体结构中，一般将原子或离子看成具有一定大小的球体。球体间作紧密堆积。等大球体、不等大球体原子（离子）有效半径： 2.1纯金属的晶体结构典型金属的晶体结构面心立方（A1或f.c.c）体心立方（A2或b.c.c）密排六方（A3或h.c.p） 面心立方f.c.c 体心立方b.c.c 密排六方h.c.p 点阵常数晶胞的棱边长度a、b、c，原子半径为r，则afcc＝rabcc＝rahcp＝2r(c/a=1.633) 晶胞原子数NN的概念：计算方法：Nfcc=4Nbcc=2Nhcp=6 配位数CN和致密度KCNf.c.c＝12CNb.c.c＝8CNh.c.p＝12（c/a＝1.633）Kf.c.c＝74％Kb.c.c＝68％Kh.c.p＝74％（c/a=1.633） 间隙四面体间隙、八面体间隙：在分析晶体结构的间隙时，要明确间隙的种类、大小、位置、数目。 间隙的种类 间隙的大小 f.c.c结构中的间隙 f.c.c结构中的间隙正八面体间隙位置：数目：大小：正四面体间隙位置：数目：大小： b.c.c结构中的间隙 b.c.c结构中的间隙扁八面体间隙位置：数目：大小：四面体间隙位置：数目：大小： h.c.p结构中的间隙 h.c.p结构中的间隙对于c/a＝1.633，在原子半径相同条件下间隙大小与f.c.c相同。只是间隙中心的位置有所不同。 原子的堆垛方式h.c.p中{0001}的堆垛顺序：ABAB…f.c.c中{111}的堆垛顺序：ABCABC… 多晶型（同素异构）转变概念：特点： 2.2离子晶体的结构（1）离子半径有效半径：离子半径的大小并非绝对的，同一离子随着价态和配位数的变化而变化。 （2）配位数CN涉及正负离子。正、负离子的配位数多少与离子半径之比有关r+/r-。 （3）配位多面体配位多面体：配位多面体是离子晶体的基本结构单元。了解晶体结构：r+/r-→CN(+)→配位多面体→结构特点 （3）配位多面体 离子晶体的结构规则—鲍林规则鲍林提出了五条规则，成功地解释了大多数离子晶体结构，其规则也就是决定结构单元自身特性及结构单元之间连接方式地规则。 (1)第一规则负离子配位多面体规则内容：r0＝r+＋r-r+/r-→CN（+） (2)第二规则静电价规则内容：静电键强度S=Z/n离子配位数与电价关系： (3)第三规则连接规则（能量规则）内容：一般规律：四面体，连接；八面体，连接；立方体，连接。 （3）第三规则 (4)第四规则连接规则内容：多种阳离子存在，其配位多面体尽可能互不相连，若连，共。 (5)第五规则节省规则内容：在一个均匀结构中，不同的配位多面体很难有效地堆积在一起。 典型的离子晶体结构对晶体结构的描述通常使用以下三种方法：①②③ （1）NaCl型（AB型）晶体结构晶系点阵类型立方CN（+）＝CN（-）＝Z＝4 （1）NaCl型配位多面体为面体 （1）NaCl型描述：①八面体以方式连接而成。②③Cl－按密堆积，Na＋位于间隙中。 （1）NaCl型属于NaCl型结构的晶体有：不同的是晶体的参数不相同。 （2）CsCl型（AB型）晶体结构点阵类型CN（+）＝CN（-）＝Z＝1配位多面体为 （2）CsCl型描述：①立方体以连接。②③Cl－按堆积，Cs＋占据间隙。属于CsCl型结构的晶体有： （3）β－ZnS（闪锌矿）型（AB型）晶体结构点阵类型CN（+）＝CN（-）＝Z＝4 （3）闪锌矿型配位多面体为 （3）闪锌矿型描述：①②见书③属于闪锌矿型结构的晶体有： （4）α－ZnS（纤锌矿）型（六方ZnS）（AB型）晶体结构点阵类型CN（+）＝CN（-）＝Z＝2配位多面体 （4）纤锌矿型描述：属于纤锌矿型结构的晶体有： （5）CaF2（萤石）型（AB2型）晶体结构点阵类型CN（+）＝CN（-）＝Z＝4 （5）萤石型配位多面体为 （5）萤石型萤石结构中，存在机制。反萤石结构：属于萤石型结构的晶体有：属于反萤石结构的晶体有： （6）TiO2（金红石）型（AB2型）晶体结构点阵类型CN（+）＝CN（-）＝Z＝2 （6）金红石型配位多面体为 （6）金红石型描述：属于金红石型结构的晶体有： （7）α－Al2O3（刚玉）型（A2B3型）刚玉晶体属CN（+）＝CN（-）＝Z＝2配位多面体为 （7）刚玉型考虑电价平衡，八面体间隙正离子只占2/3。Al3＋离子的分布有一定规律。属于刚玉型结构的晶体有： （8）复合氧化物结构①CaTiO3钙钛矿（ABO3）②MgAl2O4尖晶石（AB2O4） ①CaTiO3钙钛矿晶体结构立方晶系(高温时)Z=4Ca2+面心立方的角顶CN（Ca2+）＝12O2-面心立方的面心CN（O2-）＝6Ti4+填充1/4八面体间隙CN（Ti4+）＝6 ①钙钛矿 ①钙钛矿存在大的正离子大的正离子、负离子一起形成密堆结构，小的正离子填充空隙A是2价离子、B是4价离子；A是1价离子、B是5价离子； ②MgAl2O4尖晶石晶体结构立方晶系Z=8O2-作立方紧密堆积，面心立方格子二价阳离子A填充于1/8四面体间隙三价阳离子B填充于1/2八面体间隙 ②MgAl2O4尖晶石 ②MgAl2O4尖晶石八面体共棱连接，八面体与四面体共顶连。 ②MgAl2O4尖晶石正型尖晶石反型尖晶石A是2价离子、B是3价离子；A是4价离子、B是2价离子。 方解石（CaCO3）型结构三方晶系NaCl晶格演变而成还可以文石结构（正交晶系）存在。 金刚石结构结构特点CN＝4与金刚石结构相同的有： 金刚石结构 石墨的结构六方晶系碳原子成层状排列。每一层中碳原子成六方环状排列，每个碳原子与三个相邻碳原子之间的距离相等，碳原子之间是共价键。层与层之间的碳原子以分子键相连。 2.4硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体是构成地壳的主要矿物。硅酸盐晶体种类繁多，是陶瓷、耐材、水泥、玻璃等工业的主要原料。 硅酸盐晶体的结构特点硅酸盐晶体中，除了Si和O以外，组成中还有：各种阳离子附加阴离子结晶水和吸附水硅酸盐晶体的结构是非常复杂的。 硅酸盐晶体的结构特点基本结构单元是：Si4+离子之间不存在直接的键，键的连接是通过O2-离子实现的。Si-O-Si或Si-O-M-O-Si键 硅酸盐晶体的结构特点氧桥：硅氧四面体最多可形成4个氧桥。硅酸盐结构中的Al3＋离子与O2－离子即可形成铝氧四面体，也可形成铝氧八面体。 硅酸盐结构分类按照[SiO4]在空间的组合情况，将其分为：岛状、组群状、链状、层状、架状结构。 （1）岛状结构[SiO4]以孤立状态存在，之间没有共用的氧。Si:O＝典型的硅酸盐有：镁橄榄石(Mg2Si2O4)、锆英石(ZrSiO4) （2）组群状结构[SiO4]通过共用氧（桥氧）相连，形成2、3、4、6个硅氧四面体组群。组群之间由其它阳离子按一定的配位形式连接。 （2）组群状结构 （2）组群状结构双四面体Si:O=1:3.5三方环、四方环、六方环Si:O=1:3典型硅酸盐有：Si:O=1:3.5硅钙石(Ca3Si2O7)镁方柱石(Ca2MgSi2O7)Si:O=1:3绿宝石Be3Al2[Si6O18]堇青石Al3(Mg,Fe)2[Si5AlO18] （3）链状结构大量[SiO4]通过桥氧共顶连接成在一维方向无限延伸的链链与链之间通过其它阳离子按一定配位关系连接起来有两种形式： （3）链状结构Si:O＝1:3Si:O＝1:2.75 （3）链状结构单链[SiO4]彼此共用两个顶点，连接成无限长链。四面体其余2个氧离子仍具有-1价（活性氧），与链间的金属阳离子相维系。典型为辉石族矿物：透辉石CaMg[Si2O6]顽火辉石Mg2[Si2O6] （3）链状结构双链是由两个单链平行连接而成，或者看成是单链通过一个镜面反映成双而得。典型为角闪石族矿物：透闪石Ca2Mg5[Si4O11]2(OH)2 （4）层状结构底面在同一个平面的[SiO4]，通过在平面上共顶连接而成的具有六角对称的[SiO4]层。Si:O＝1:2.5自由氧一般和2价、3价阳离子相连，构成八面体。八面体有两种方式连成六边形网络：二八面体、三八面体：层状结构中晶体化学组成中都有（OH)－离子出现。 （4）层状结构层状结构基本单元应包括硅氧层和含有氢氧的八面体层。连接方式：1:1型（两层型）：1层四面体＋1层八面体2:1型（三层型）：2层四面体＋1层八面体 （4）层状结构典型具有一个方向的极完全解理的片状硅酸盐矿物：2:1型滑石Mg3[Si4O10](OH)2叶蜡石Al2[Si4O10](OH)2白云母KAl2[AlSi3O10](OH)21:1型蛇纹石Mg6[Si4O10](OH)8高岭石Al4[Si4O10](OH)8 （5）架状结构（网络状）[SiO4]的4个角顶都与相邻的[SiO4]连接，构成三维空间连续延伸的网络结构。每个[SiO4]四面体的O离子全部都被共用。Si:O＝1:2 （5）架状结构当结构中出现Al3＋取代Si4＋时，会有剩余负电荷，将有其它阳离子进入结构。典型的长石族：钾长石K[AlSi3O8]钙长石Ca[Al2Si2O8]