化学课案：晶体

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1、晶晶体体（crystal) 概概述述晶晶体体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在 结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的 几何外形的固体。晶体有三个特征：(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的 熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性1的特点。固态物质有晶体与非晶态物质 (无定形固体 )之分，而无定形固体不具有上述特点。 晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序，并成周期性重复排列。非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，具有近程有序，但不具有长程有序。如玻璃。外形为无规则形状的固体。晶体的共性合成铋单晶1、长程有序：晶体内部原

2、子在至少在微米级范围内的规则排列。2、均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。3、各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。4、对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。5、自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。6、解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。7、最小内能：成型晶体内能最小。 8、晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。 组成晶体的结构微粒 (分子、原子、离子 )在空间有规则地排列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做晶格。排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。金刚石、石墨、食盐的晶体模型，实际上是它们的晶格模型。 晶

3、体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。 固体可分为晶体、非晶体和 准晶体三大类。具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X 射线衍射法 予以鉴定。 晶体内部结构中的质点 (原子、离子、分子 )有规则地在 三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几何多面体的平面称为 晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面角)是一定的，称为晶面角不变原理。 晶体按其内部结构可分为七大晶系和14 种晶格类型。晶体都有一定

4、的对称性，有 32 种对称元素系，对应的对称动作群称做晶体系点群。按照内部质点间作用力性质不同，晶体可分为 离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体等四大典型晶体，如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。同一晶体也有单晶和多晶(或粉晶)的区别。在实际中还存在混合型晶体。说到晶体，还得从结晶谈起。大家知道，所有物质都是由原子或分子构成的。众所周知，物质有三种聚集形态：气体、液体和固体。但是，你知道根据其内部构造特点，固体又可分为几类吗？研究表明，固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体

5、中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。究竟什么样的物质才能算作晶体呢？首先，除液晶外，晶体一般是固体形态 。其次，组成物质的原子、分子或离子具有规律、周期性的排列，这样的物质就是晶体。但仅从外观上，用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。那么，如何才能快速鉴定出它们呢？一种最常用的技术是X 光技术。用 X 光对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子当成一个点，再用假

6、想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了像图中所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。许多取向相同的晶胞组成 晶粒，由取向不同的晶粒组成的物体，叫做 多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如 单晶硅、单晶石英。大家最常见到的一般是多晶体。由于物质内部原子排列的明显差异，导致了晶体与非晶体物理化学性质的巨大差异。例如，晶体有固定的熔点，当温度高到某一温度便立即熔化；而玻璃及其它非晶体则没有固定的熔点，从软化到熔化是一个较大的温度范围

7、。我们吃的盐是 氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。我们可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体 ”。不是吗？每家厨房中常见的 砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是晶体。晶体离我们并不遥远，它就在我们的日常生活中。组成晶体的结构粒子（分子、原子、离子）在三维空间有规则地排列在一定的点上，这些点周期性地构成有一定几何形状的无限格子，

8、叫做晶格。按照晶体的现代点阵理论，构成晶体结构的原子、分子或离子都能抽象为几何学上的点。这些没有大小、没有质量、不可分辨的点在空间排布形成的图形叫做点阵，以此表示晶体中结构粒子的排布规律。构成点阵的点叫做阵点，阵点代表的化学内容叫做结构基元。因此，晶格也可以看成点阵上的点所构成的点群集合。对于一个确定的空间点阵，可以按选择的向量将它划分成很多平行六面体，每个平行六面体叫一个单位，并以对称性高、体积小、含点阵点少的单位为其正当格子。晶格就是由这些格子周期性地无限延伸而成的。空间正当格子只有 7 种形状（对应于 7 个晶系）， 14 种型式它们是简单立方、体心立方、面心立方；简单三方；简单六方；简

9、单四方、体心四方；简单正交、底心正交、体心正交、面心正交；简单单斜、底心单斜；简单三斜格子等。晶格的强度由晶格能（或称点）。类别 实例1 立方晶系 钻石 明矾 金 铁 铅 2 正方晶系 锡 金红石 白钨石3 斜方晶系 硫 碘 硝酸银4 单斜晶系 硼砂 蔗糖 石膏5 三斜晶系 硫酸铜 硼酸 6 三方（菱形）晶系 砷 水晶 冰 石墨7 六方晶系 镁 锌 铍 镉 钙 晶晶体体的的基基本本性性质质1、自限性：晶体具有自发形成几何多面体形态的性质，这种性质成为自限性。2、均一性和 异向性：因为晶体是具有格子构造的固体，同一晶体的各个部分质点分布是相同的，所以同一晶体的各个部分的性质是相同的，此即晶体的均

10、一性；同一晶体格子中，在不同的方向上质点的排列一般是不相同的，晶体的性质也随方向的不同而有所差异，此即晶体的异向性。3、最小内能与稳定性：晶体与同种物质的非晶体、液体、气体比较，具有最小内能。晶体是具有格子构造的固体，其内部质点作规律排列。这种规律排列的质点是质点间的引力与斥力达到平衡，使晶体的各个部分处于位能最低的结果。结晶结晶分两种，一种是 降温结晶，另一种是 蒸发结晶。降温结晶：首先加热溶液，蒸发溶剂成饱和溶液，此时降低热饱和溶液的温度，溶解度随温度变化较大的溶质就会呈晶体析出，叫降温结晶。蒸发结晶：蒸发溶剂，使溶液由不饱和变为饱和，继续蒸发，过剩的溶质就会呈晶体析出，叫蒸发结晶。常见的

11、晶体有萘，海波，冰，各种金属。 晶晶体体对对称称性性晶体的对称表现在晶体中相等的晶面， 晶棱和角顶有规律的重复出现。这是由于它具有规律的格子构造。是其在三维空间周期性重复的体现。既晶体的对称性不仅表现在外部形态上，而且其内部构造也同样也是对称的。镓, 一种很容易结成大块单晶的金属在晶体的外形以及其他宏观表现中还反映了晶体结构的对称性。晶体的理想外形或其结构都是对称图象。这类图象都能经过不改变其中任何两点间距离的操作後复原。这样的操作称为对称操作,平移、旋转、反映和倒反都是对称操作。能使一个图象复原的全部不等同操作，形成一个对称操作群。 在晶体结构中空间点阵所代表的是与平移有关的对称性，此外，还

12、可以含有与旋转、反映和倒反有关并能在宏观上反映出来的对称性，称为宏观对称性，它在晶体结构中必须与空间点阵共存，并互相制约。制约的结果有二:晶体结构中只能存在 1、2、3、4 和 6 次对称轴，空间点阵只能有 14 种形式。n 次对称轴的基本旋转操作为旋转360/n，因此，晶体能在外形和宏观中反映出来的轴对称性也只限于这些轴次。由于原子并不处于静止状态，存在着外来原子引起的点阵畸变以及一定的缺陷，基本结构虽然仍符合上述规则性，但绝不是如设想的那样完整无缺，存在数目不同的各种形式的晶体缺陷。另外还必须指出，绝大多数工业用的金属材料不是只由一个巨大的单晶所构成 ,而是由大量小块晶体组成 ,即多晶体。

13、在整块材料内部，每个小晶体（或称晶粒）整个由三维空间界面与它的近邻隔开。这种界面称晶粒间界，简称晶界。晶界厚度约为两三个原子。 晶晶体体缺缺陷陷在二十世纪初叶，人们为了探讨物质的变化和性质产生的原因，纷纷从微观角度来研究晶体内部结构，特别是 X 射线衍射的出现，揭示出晶体内部质点排列的规律性，认为内部质点在三维空间呈有序的无限周期重复性排列，即所谓空间点阵结构 学说。前面讲到的都是理想的晶体结构，实际上这种理想的晶体结构在真实的晶体中是不存在的，事实上，无论是自然界中存在的天然晶体，还是在实验室（或工厂中）培养的人工晶体或是陶瓷和其它硅酸盐制品中的 晶相，都总是或多或少存在某些缺陷，因为：首先

14、晶体在生长过程中，总是不可避免地受到外界环境中各种复杂因素不同程度影响，不可能按理想发育，即质点排列不严格服从空间格子规律，可能存在空位、间隙离子、位错、镶嵌结构等缺陷，外形可能不规则。另外，晶体形成后，还会受到外界各种因素作用如温度、溶解、挤压、扭曲等等。晶体缺陷：各种偏离晶体结构中质点周期重复排列的因素，严格说，造成晶体点阵结构周期势场畸变的一切因素。如晶体中进入了一些杂质。这些杂质也会占据一定的位置，这样破坏了原质点排列的周期性，在二十世纪中期，发现晶体中缺陷的存在，它严重影响晶体性质，有些是决定性的，如半导体 导电性质，几乎完全是由外来杂质原子和缺陷存在决定的，许多离子晶体的颜色、发光

15、等。另外，固体的强度，陶瓷、耐火材料的烧结和固相反应等等均与缺陷有关，晶体缺陷是近三、四年国内外科学研究十分注意的一个内容。根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类：点点缺缺陷陷：在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。线线缺缺陷陷：在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观察到。面面缺缺陷陷：在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。体体缺缺陷陷：在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。 一一、几几点点缺缺陷陷按形成的原因不同分三类：1 热热缺缺陷陷（晶格位置缺陷）在晶体点阵的正常格点位出现空位，不该有质点的位置出现了质点（间隙质点）。2 组组成成缺缺陷陷 外来

16、质点（杂质）取代正常质点位置或进入正常结点的间隙位置。3 电电荷荷缺缺陷陷 晶体中某些质点个别电子处于激发状态，有的离开原来质点，形成自由电子，在原来电子轨道上留下了电子 空穴。1. 缺缺陷陷符符号号及及缺缺陷陷反反应应方方程程式式 缺陷符号 以二元化合物 MX 为例1） 晶格空位：正常结点位没有质点， VM，VX2） 间隙离子：除正常结点位置外的位置出现了质点，Mi ，Xx 3） 错位离子： M 排列在 X 位置，或 X 排列在 M 位置上，若处在正常结点位置上，则 MM，XX4） 取代离子：外来杂质 L 进入晶体中，若取代 M，则 LM，若取代 X，则 LX，若占据间隙位，则 Li。5） 自由电子 e（代表存在一个负电荷），表示有效电荷。6） 电子空穴 h(代表存在一个正电荷 )，表示有效正电荷如： 从 NaCl 晶体中取走一个 Na+，留下一个空位 造成电价不平衡，多出负一价 。相当于取走 Na 原子加一个负有效负电荷， e 失去自由电子，剩下位置为电子空穴 h7） 复合缺陷同时出现正负离子空位时，形成复合缺陷，