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1、第五章晶体结构,Motivation Question:,沙子和水泥是晶体吗?,5-1 绪论,一. 什么是晶体化学? 在原子水平上, 研究晶体的结构理论, 揭示其组成结构与性能之间关系的物理化学分支. CaCO3 (文石, 方解石) C的三种同素异形体,Fig. 5-1 The structures of carbon,二. 研究内容(无机物) 金属单质(A1, A2, A3) 二元化合物(NaCl, CsCl, ZnS, CaF2, TiO2) 多元化合物(含氧酸盐, 金属配合物等) 金属合金(固溶体, 化合物等),三. 研究方法 X-射线晶体衍射 电磁波晶体散射次生电磁波叠加,干涉图案,条
2、纹,5-2 基本概念,一. 晶胞 晶体的基本结构单元 反映晶体结构的三维周期性 把晶体划分为一个个并置且等同的平行六面体 两个要素: 晶胞的大小和形式, 晶胞的内容,二. 晶体 晶体是原子或分子在三维空间周期性地重复排列所构成的一种固体物质. 结构特征: 周期性重复排列(空间点阵式的结构) 举例: 晶体(NaCl); 非晶体(玻璃),三. 晶体的性质 均匀性 各向异性 凸多面体外形 熔点确定 对称性 X-光衍射,四. 晶胞类型 素晶胞(素单位,素格子): 只含一个结构基元 复晶胞: 含两个或两个以上结构基元 结构基元: 足以确定化学组成的最少原子数 划分原则: 反映内部结构周期性; 尽可能对称
3、; 尽可能小. 复晶胞分类: 面心F, 体心I, 底心C,Fig. 5-2 The selection of the single lattice,Fig. 5-3 The selection of the regular lattice,Fig. 5-4 The structural unit in the crystal,五. 分数坐标 晶胞中原子的位置用晶胞参数的几分之几表示出来. 用由原点指向原子的向量在三个坐标轴上的投影来表示.,Fig. 5-5 The fractional coordinates,顶点(0, 0, 0) 体心(1/2, 1/2, 1/2) 面心(0, , 0) (
4、1/2, 0, 0) (0, 0, ),六.晶面指标 用途: 用来表示具有不同取向的晶面. 方法: 把晶面在三个晶轴上的截矩的倒数化为一组互质整数.,Fig. 5-6 The coordinates of the crystal planes,(2 0 2) (2 0 1),5-3 离子晶体,一. NaCl型 离子键的特点: 无方向性和饱和性, 熔点高 结构特征: 负离子组成立方面心空间点阵,正离子填入八面体空隙. 结构基元: NaCl (含4个) 配位数: 6/6 类似晶体: NaBr, NaF,MgO,CaO, SrO, BaO, KCl, KBr, ScN等.,Fig. 5-7 The
5、crystal structure of NaCl,二. CsCl型(CsI) 结构特征: 负离子组成简单立方空间点阵,正离子填入立方体空隙. 结构基元: CsCl (含1个) 配位数: 8/8 分数坐标(可互换): Cs(0,0,0) Cl(1/2,1/2,1/2),三. 立方ZnS型(闪锌矿) 结构特征: 负离子组成立方面心空间点阵,正离子填入一半的四面体空隙,不直接相邻. 结构基元: ZnS (含4个) 配位数: 4/4 分数坐标(可互换),S: 1 (1/4,3/4,1/4) 2 (3/4,1/4,1/4) 3 (1/4,1/4,3/4) 4 (3/4,3/4,3/4),Fig. 5-
6、8 The crystal structure of cubic ZnS,四. CaF2型 结构特征: Ca 立方面心空间点阵 F 四面体空隙 F简单立方点阵 Ca 一半的立方体空隙 结构基元: CaF2 (含4个) 配位数(Ca/F): 8/4,F: 1 (1/4,3/4,1/4) 2 (3/4,1/4,1/4) 3 (1/4,1/4,3/4) 4 (3/4,3/4,3/4) 5 (1/4,1/4,1/4) 6 (3/4,3/4,1/4) 7 (1/4,3/4,3/4) 8 (3/4,1/4,3/4),Fig. 5-9 The crystal structure of CaF2,五. TiO
7、2型(金红石) 结构特征: Ti 四方体心空间点阵 顶点1个,体心1个. O 2个O (c=0); 2个O (c=1/2) 四方晶系: a=bc; =90 结构基元: TiO2 (含2个) 配位数(Ti/O): 6/3 结构参数: u (由实验测定),Ti(0,0,0); (1/2,1/2,1/2) O(u,u,0); (, , 0); (+u, -u,1/2) (-u, +u,1/2),Fig. 5-10 The crystal structure of TiO2,六. 六方ZnS型 结构特征: 负离子组成六方最密堆积,正离子填入空隙. 六方晶胞: a=bc; =90; =120 取四棱柱为
8、一个晶胞. 结构基元: ZnS (含2个) 配位数: 4/4 分数坐标(可互换),Zn: (0,0,0) (1/3,2/3,1/2) S: (0,0,5/8) (1/3,2/3,1/8),Fig. 5-11 The crystal structure of hexagon ZnS,Table 5-1 The characteristics of ionic crystals,5-4 金属晶体,一. A3型六方最密堆积(hcp) 金属键的特点: 自由电子, 离域, 柔韧性, 有光泽, 熔点高 结构特征: 等径圆球密置列等径圆球密置层A层层堆积四面体空隙B. ABABAB 配位数较大 晶体举例:
9、Be, Mg, Zn, Ti, Y, Cd, Tl, Os, Ru, Cu等.,Fig. 5-12 The closest arrangement in the metal crystal,A:等径圆球密置层B:四面体空隙,Fig. 5-13 The packing way in the crystal of A3,Fig. 5-14 The different holes in the metal crystal,A: (0,0,0) B: (1/3,2/3,1/2)a=b=2r, h=1.633a,Fig. 5-15 The coordinates of the two atoms in
10、A3,B: 3个A: 6个 B: 3个配位数: 12,Fig. 5-16 The number of the ligation in A3,Fig. 5-17 The occupation of space in A3,二. A1型立方面心最密堆积(ccp) 结构特征: 等径圆球密置列等径圆球密置层A层层堆积四面体空隙B八面体空隙C. ABCABCABC 配位数较大 晶体举例: Al, Ni, Cu, Sr, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Pb, Ca等.,A:等径圆球密置层B:四面体空隙 C:八面体空隙,Fig. 5-18 The packing way in the crysta
11、l of A1,Fig. 5-19 The formation of the crystal A1,B: 3个A: 6个 C: 3个配位数: 12,Fig. 5-20 The number of the ligation in A1,Fig. 5-21 The occupation of space in A1,三. A2型立方体心密堆积(bcp) 结构特征: 体心和顶点是同一种原子. 配位数较大 晶体举例: Li, Na, K, Rb, Cs, Ba, Cr, V, Mo等.,晶胞: 8个(d)其它晶胞体心: 6个 (1.15d)配位数: 14,Fig. 5-22 The number of
12、 the ligation in A2,C=4rc2=a2+2a2=3a2,Fig. 5-23 The occupation of space in A2,(a) A1 (b) A3,Fig. 5-24 The different holes in the metal crystal,5-5 分子晶体,作用力的本质: 范德华力 特点: 熔点低, 熔化热小, 升华热小, 热膨胀系数大. 结构特征: 以分子为整体进行空间点阵式的排列. 空间分布无确定取向, 尽可能堆积紧密. 晶体举例: 惰性元素晶体, 有机晶体等. 分子间力的主要来源: 诱导力, 色散力, 取向力.,A3: He, H2 A1:
13、Ne, Ar, Kr, Xe, HCl, H2S, CO2,Fig. 5-25 The packing way in the crystal of A3,结构基元: CO2 (含4个)C原子坐标:(0,0,0) (1/2,0,1/2) (1/2,1/2,0) (0,0,1/2),Fig. 5-26 The crystal structure of CO2,5-6 原子晶体,作用力的本质: 共价键 共价键的特点: 具有方向性和饱和性, 配位数小; 熔点高. 晶体举例: C(金刚石), Si, Ge, Sn, AgI, SiC, SiO2等.,Fig. 5-27 The occupation of space in A4,5-7 布拉维系,晶系的划分: 特征对称元素 七大晶系 十四种空间点阵形式(Bravias Lattice). Table 5-2 The seven types of crystal systyms,Fig. 5-28 The Bravias lattice,Discussion Question:,为什么没有四方底心点阵?,Fig. 5-29 The unit in the simple tetragon crystal,Exercise:,画出下列二维晶胞中的素晶胞?,Thank you,
