(完整版)晶体结构
第一章 晶体结构(Crystal Structure)
原胞往往不能反映晶格的对称性。 在能够保持晶格对称性的前提下,构成晶体 的最小的周期性结构单元,称为结晶学原胞,简 称晶胞。 晶胞一般不等于原胞。其体积(面积)可以 是原胞的整数倍。 晶胞基矢用a、b、c (晶格常数)来表示。
4、简单晶格与复式晶格 简单晶格: 如果晶体由完全相同的一种原子组成,例 如铜晶体的基元只包含一个铜原子,这种晶体 的晶格称为简单晶格,简单晶格与晶体基元代 表点的空间格子相同。
复式晶格:
如果晶体的基元中包含两种或两种以上的原 子。显然,每一种等价原子各构成与晶体基元代表 点的空间格子相同的网格 , 称为晶体的 子晶格 . 每 一种等价原子的子晶格具有相同的几何结构,整 个晶格可视为,子晶格相互位移套构而成。该晶 体晶格称为复式晶格. 例如:氯化钠晶体
由两个面心立方 子晶格相互位移套 构而成。
0.52
配位数为:6
8 12 12 4
§1.5 几种典型的晶体结构
一、立方晶系的布拉菲晶胞 由同一种元素的原子所组成,基元只有一个原子。 有:简单立方、体心立方、面心立方。
1、简单立方(sc、 simple cubic) : 在自然界中该晶体比较少见.如:钋Po在室温时 ( 相). 配位数为6。
非晶体(amorphous):
内部的粒子(原子、分子、离子或原子团) 在三维空间不是周期性的有规则的排列。 长程无序(long-range crystallographic disorder).
晶体结构(共78张PPT)
O2-配位数6;
取决温度、组成、掺杂等条件,钙钛矿结构呈现立方、
四方、正交等结构形式。
山东大学材料科学基础
许多化学式为ABO3型的化合物,其中A与B两种阳 离子的半径相差颇大时常取钙钛矿型结构。在钙钛矿 结构中实际上并不存在一个密堆积的亚格子,该结构 可以看成是面心立方密堆积的衍生结构。较小的B离 子占据面心立方点阵的八面体格位,其最近邻仅是氧 离子。
BaTiO3中的电畴与自发极化
山东大学材料科学基础
Ti
Ba
四方BaTiO3结构中离子的位置,Ti离子向上位移
山东大学材料科学基础
从立方到四方转变温度称为居里点。
对于纯BaTiO3居里点为130℃。除BaTiO3外,许多晶体都有自 发极化,大多数铁电体结构都有氧八面体,氧八面体空隙越大 ,其中金属离子半径越小、电荷越大,那么晶体就越容易发生 自发极化。
山东大学材料科学基础
S2-:
0 0 0; 0 ½ ½; ½ 0 ½; ½ ½ 0 Zn2+: ¼ ¼ ¾; ¼ ¾ ¼; ¾ ¼ ¼; ¾ ¾ ¾
结构型式
离
化学组成比 n+/n-
子 堆
负离子堆积方式
积 描
正负离子配位数比CN+/CN-
述 正离子所占空隙种类
正离子所占空隙分数
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立方ZnS型 1:1 立方最密堆积 4:4 正四面体 1/2
晶体结构-高中化学课件
晶体结构
冰
石墨磷灰石
辉钼矿
红锌矿
蓝锥矿(硅酸钡钛矿)
霞石绿宝石
电气石白云石
刚玉
泻利盐钠沸石
石膏硼砂
斜晶石
钠
长
石
胆矾
高岭石
凝固凝华结晶
晶体生长
速率适当
速率适当
Long-range-order
A
ZM
N V
ρ=N
A
表示阿伏加德罗常数 mol-1
V表示晶胞的体积 cm3
ρ表示晶体的密度 g/cm
3
1 pm = 10-10 cm
1 nm = 10-7 cm
晶体X射线衍射
41
典型晶体结构
在氯化钠晶体中, 每个Na+Fra Baidu bibliotek围与 之最接近且距离 相等的Cl-共有 个;6 这几个Cl-在 空间构成的几何
构型 为 正八面体 。
(5)氯化铯晶体 CsCl晶体是一种立方体心结构,每8个
(6)石墨晶体---过渡型晶体 每个平面六边形有6个C原子。由共价键形
成的6个碳原子环为平面六边形。晶体中每个C 原子由3个六边形共用。 (见图戊)。
[思考]:每一碳环中C原子个数与 C-C键数之比为 _2:_3_ .
典型晶体结构
(1)金刚石晶体 每个C原子与4个C原子紧邻。由5个碳原子
形成正四面体结构单元。 (见图丙)。
金 刚 石
(1)金刚石晶体
[思考]: 1.由共价键构成最小环状结构中有 6 个
碳原子,不在同一平面上。
2.晶体中每个碳原子被 12个最小碳环共有; 3.晶体中C原子数与共价键数之比为 1:2 ; 4.晶体中C原子数与六元环数之比为 1:2 ;
Cs+,8个Cl-各自构成立方体, (见图乙)。
(5)氯化铯晶体
[思考]: 在每个Cs+周围最近且等距离的Cl-有 8 个, 在每个Cl-周围最近且等距离的Cs+有 8 个, 在每个Cl-周围最近且等距离的Cl-有 6 个, 在每个Cs+周围最近且等距离的Cs+有 6个, 该晶胞相当于 4 个“CsCl”分子。
常见晶体结构图
常见晶体结构图彩图
己烷C6 H12: 碳原子以sp2杂化与相邻两个碳原子碳环s骨架,与2个H 成C-H 键。
二茂铁Fe(C5 H5 )2: 上下环戊烯阴离子各以六个π 电子参与成键,与Fe对称性匹配的d3p3轨道形成六个分子轨道,Fe其余的三个价轨道为非键的孤对电子占据。
B12H122-: 12 个B 形成封闭的三角二十面体,每个B 还与1 个H 形成B-H 键。
C20H20: 每个C 以sp3杂化与相邻的 3 个C 、1 个H 形成s 键,整个碳笼为正十二面体。
C60: 每个C 以sp2杂化与相邻的 3 个C 形成球形多面体s 骨架(12 个五边形与20 个六边形),还有 1 个垂直于曲面的p 轨道与其他p 轨道形成1 个离域的大p 键。
石墨层内 C 以共价键与相邻的 3 个C 形成平面骨架,层之间为范德华力。
金剛石:为A4 结构,每个C 以sp3杂化与相邻的4 个C 形成四面体配位,晶胞中有8 个C 原子。
NaCl 晶体属面心立方点阵,Na+与Cl-的配位数均为6。Cl-作立方最密堆积,Na+填在Cl-形成的八面体空隙中。每个晶胞含有4个Cl-和4个Na+,Cl-位于晶胞顶点与面心位置,Na+位于体心与棱心位置。
立方ZnS 晶体中,S 原子作立方最密堆积,Zn 原子填在一半的四面体空隙中,形成立方面心点阵,晶胞中含个S 原子4 个Zn 原子;
六方ZnS 晶体中,S 原子作六方最密堆积,Zn 原子填在一半的四面体空隙中,形成六方点阵,晶胞
中含个S 原子4 个Zn 原子。
CaF2晶体属立方面心点阵,F-作简单立方堆积,Ca2+数目比F-少一半,填了一半的立方体空隙,每一个Ca2+由八个F-配位,而每个F-有 4 个Ca2+配位,每个CaF2晶胞有 4 个Ca2+和8 个F-原子。
常见晶体结构图
常见晶体结构图彩图
己烷 C6 H12: 碳原子以 sp2杂化与相邻两个碳原子碳环s骨架,与2个H 成 C-H 键。
二茂铁 Fe(C5 H5 )2: 上下环戊烯阴离子各以六个π 电子参与成键,与Fe对称性匹配的 d3p3轨道形成六个分子轨道,Fe其余的三个价轨道为非键的孤对电子占据。
B12H122-: 12 个 B 形成封闭的三角二十面体,每个 B 还与 1 个 H 形成 B-H 键。
C20H20: 每个 C 以 sp3杂化与相邻的 3 个 C 、 1 个 H 形成 s 键,整个碳笼为正十二面体。
C60: 每个 C 以 sp2杂化与相邻的 3 个 C 形成球形多面体 s 骨架( 12 个五边形与 20 个六边形),还有 1 个垂直于曲面的 p 轨道与其他 p 轨道形成 1 个离域的大 p 键。
石墨层内 C 以共价键与相邻的 3 个 C 形成平面骨架,层之间为范德华力。
金剛石:为 A4 结构,每个 C 以 sp3杂化与相邻的 4 个 C 形成四面体配位,晶胞中有 8 个 C 原子。
NaCl 晶体属面心立方点阵, Na+与Cl-的配位数均为6。Cl-作立方最密堆积,Na+填在Cl-形成的八面体空隙中。每个晶胞含有4个Cl-和4个Na+,Cl-位于晶胞顶点与面心位置,Na+位于体心与棱心位置。
立方 ZnS 晶体中, S 原子作立方最密堆积, Zn 原子填在一半的四面体空隙中,形成立方面心点阵,晶胞中含个 S 原子 4 个 Zn 原子;
六方 ZnS 晶体中, S 原子作六方最密堆积, Zn 原子填在一半的四面体空隙中,形成六方点阵,晶胞中
第3章 晶体学基础 - 晶体结构、晶向、晶面(完整版)
两者的性能差异:晶体具有一定的凝固点和熔点,非 晶体没有;晶体具有各向异性,非晶体各向同性等。
2020/2/13
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3.1.1 晶体与非晶体
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准晶:是一种介于晶体和非晶体之间的固体。 ➢ 准晶具有完全有序的结构,然而又不具有晶 体所应有的平移对称性,因而可以具有晶体所不允 许的宏观对称性。准晶是具有准周期平移格子构造 的固体,其中的原子常呈定向有序排列,但不作周 期性平移重复,其对称要素包含与晶体空间格子不 相容的对称(如5次对称轴) ➢ 瑞典皇家科学院将2011年诺贝尔化学奖授予 以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼,以表彰他“发 现了准晶”这一突出贡献。准晶的发现从根本上改 变了以往化学家对物体的构想。
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➢不同的晶面和晶向具有不同的原子排列和不同的取向。 ➢材料的许多性质和行为(如各种物理性质、力学行为、相变、 X光和电子衍射特性等)都和晶面、晶向密切相关;
如何表征晶向和晶面?
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3.3 晶向指数和晶面指数
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为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面, 国际上通用密勒(Miller)指数来统一标定。
K=nv/V
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7大晶系,14种布拉菲点阵
立方晶系
四方晶系
正交晶系
晶体的结构
液体
非晶体
气体
准晶体
多晶体
晶体
晶体通常呈现规则的几何形状。其内部原子的排列十分规 整严格,如果把晶体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——组成物质的原子、分子或离子具 有规律、周期性的排列(长程有序)。
非晶体
非晶体是在微米量级范围内,三维空间方向上原子无序排 列构成的固体 —— 长程无序。 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——组成物质的原子、分子或离子不具有规律、 周期性的排列,这样的物质就是非晶体。
(二) 晶体共性
1)不同原子构成的晶体,其性质不同。 晶体特性是由组成它的原子决定的
ex:Si和Cu在结构上都是面心立方,但电学性质不同 Si——半导体,电子工业的基础 Cu——导体
2)同种原子构成的晶体,结构不同,性质也不同。 ——“同素异构体” 晶体中原子排列方式不同,会造成晶体性质不同
ex:C Ⅳ族 金属←碳→非金属
富勒
克罗托受建筑学家理查德· 巴克明斯特· 富勒设计的美国万国博 览馆球形圆顶薄壳建筑的启发,认为C60可能具有类似球体的结构, 因此将其命名为buckminster fullerene(巴克明斯特· 富勒烯,简称 富勒烯)。
惠特尼美国艺术博物馆
富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非 平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形 结构的共轭烯。
(最新整理)(完整版)常见的晶体结构
(1)密堆积情况:
S2- 离子面心立方堆积; Zn2+离子填充四面体空隙; 晶胞分子数:Z=4; 晶胞中:4个八面体空隙
8个四面体空隙; Zn2+离子填充1/2四面体空隙
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(2)质点坐标:
S2:00,0011,101,110 222 222
Z2 n:113,131,311,333 444444444444
(5)原子半径与点阵常数:
密排六方结构(a=b=c):
a 2r
c 1.633
a
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(6)配位数: CN=12
(7)致密度(堆垛密度): 致密度:K=0.74
➢ A3型结构:铍、镁、镉、钛和 锆等
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➢ 常见共价晶体的晶体结构
1、金刚石结构 ——立方晶系
(1)金刚石是面心立方格子
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(3)配位数与配位多面体:
Ti4+:r+/r-=0.436,CNTi=6 Ca2+:r+/r-=0.96,CNCa=12 O2-:CNO=6
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8、MgAl2O4尖晶石型结构 ——立方晶系
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O2- 面心立方堆积; Mg2+离子填充1/8四面体空隙; Al3+离子填充1/2八面体空隙; 晶胞分子数:Z=8;
典型晶体结构示意图
1. 金红石、锐钛矿、板钛矿 2. 白云母、金云母 3. 高岭石、蛇纹石 4. 透闪石 5. 方解石、白云石 6. 闪锌矿、纤维锌矿 7. C60、C70 8. 石墨2H、石墨3R 9. 绿柱石、电气石 10. 沸石
11. Al(OH)3, Mg(OH)2 12. 滑石、叶腊石 13. 钙钛矿结构BaTiO3 14. 刚玉
1层
C2 2c 0.3333 0.6667 0.25
1+2层
Graphite 3R, R-3mR(166) a=3.700, α=39.75°, Z=2
C 2c 0.167 0.167 0.167
Graphite 3R, R-3mH(166) a=2.516, c=10.209, Z=6 C 6c 0 0 0.167
白云石晶形
r m
c
菱面体:r{10-13}, c{40-41} 六方柱:m{11-20}
6. 闪锌矿、纤维锌矿
闪锌矿晶体结构
2H
6H
8H
纤维锌矿晶体结构
7. C60、C70
8. 石墨2H、石墨3R
Graphite 2H, P63/mmc(194)
A=2.47, c=6.80, Z=4
C1 2b 0 0 0.25
15. 金属
A1:ccp (fcc)立方面心堆积(立方最紧密堆积) A2:bcp (bcc)立方体心堆积(立方体心密堆积) A3:hcp 六方堆积(六方最紧密堆积)
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蜂巢与蜂室
铜晶体
铜晶胞
晶体与晶胞的关系可用蜂巢与峰室的关系比喻, 然而蜂巢是有形的,晶胞是无形的,是人为划定的。
晶胞一般是平行六面体,整块晶体 可看作数量巨大的晶胞“无隙并置” 而成(晶胞间无间隙,平行排列)
CO2晶胞
NaCl晶体结构和晶胞
思考与交流:
1.上述铜晶体、金刚石、CO2晶体、NaCl晶 体的晶胞的空间构形呈什么形状?
的熔点)
3、晶体和非晶体的本质区别是什么?
★晶体的自范性即晶体能自发地呈现多面 体外形的性质。
3、晶体与非晶体的本质区别在于——
构成固体的粒子在三维空间里是 否呈现周期性的有序排列
思考:根据已有知识,举例说明如何
制得晶体?
4、晶体形成的途径: ①熔融态物质凝固. ②气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华). ③溶质从溶液中析出.
2.在上述晶体中,晶胞是如何排列的?晶胞 之间是否存在空隙?
晶体结构 晶胞示意图
铜晶体
铜晶胞
金刚石的多面体外形、晶体结构和晶胞示意图
NaCl晶体结构和晶胞
思考与交流:
上述铜晶体、金刚石、NaCl晶体的晶胞空间构形是怎 样的?
无隙并置
平行六 面体
思考: 铜晶胞含有4个铜原子,为什么不
是14个?
晶体结构与性质
晶体结构知识初步
一、晶体与非晶体
你知道固体有晶体和 非晶体之分吗?能否 举例说明?
胆
冰
矾
糖
晶
体
明
矾
晶
水
体
晶
水晶石
祖母绿
绿宝石
猫眼石
紫水晶
黄黄水水晶晶
NaCl晶体结构示意图:
ClNa+
金刚石晶体 结构示意图
干 冰 晶 体 结 构
玻璃结构示意图
B M
O
Si
晶体SiO2和非晶体SiO2的投影示意图
◆
本节小结:
一、晶体与非晶体
1、定义:晶体——具有规则几何外形的固体 非晶体——没有规则几何外形的固体
2、特点和性质: (1) 晶体有自范性 (2)晶体具有各向异性 (3)晶体具有固定的熔点
3、晶体与非晶体的本质区别在于——构成固体的粒子 在三维空间里是否呈现周期性的有序排列
4、晶体形成的途径:
5、晶体和非晶体的鉴别
1、什么是晶体?什么是非晶体?
定义:晶体——具有规则几何外形的固体
非晶体——没有规则几何外形的固体
2、晶体有什么特点和性质?
特点和性质: (1) 晶体有自范性(几何外形和内部质点排
列的高度有序性,非晶体没有) (2)晶体具有各向异性(非晶体不具有各向异
性) (3)晶体具有固定的熔点(非晶体不具有固定
2、晶胞中原子个数的计算
晶胞中原子个数的计算
体心:1
面心:1/2
顶点:1/8
棱边:1/4
晶体空间结构
ClNa+
3
4
8
7
1
2
5ຫໍສະໝຸດ Baidu
6
小结:晶胞对质点的占有率
立方晶胞
顶点: 1/8 棱边: 1/4
面心: 1/2
体心: 1
探究: 下图依次是金属钠(Na)、金属锌(Zn)、碘(12)、金刚石
(C)晶胞的示意图,数一数,它们分别平均含几个原子?
钠、锌晶胞都是:8×1/8+1=2; 碘:(8×1/8+6×1/2)×2=8; 金刚石:8×1/8+6×1/2+4=8。
◆
典例分析 例:2001年报道的硼和镁形成的化合物刷新了 金属化合物超导温度的最高记录。如图所示的是 该化合物的晶体结构单元:镁原子间形成正六棱 柱,且棱柱的上下底面还各有1个镁原子,6个硼 原子位于棱柱内。则该化合物的化学式可表示为
NA,则晶体中钙离子与钛离子之间 的最短距离为_______.
7、如图是CsCl晶体的晶胞(晶体中最小的重复单元) 已知晶体中2个最近的Cs+核间距离为acm,氯化铯 的相对分子质量为M,NA为阿佛加德
罗常数,则CsCl晶体的密度为
(单位:克/cm3)
A、8M/a3NA C、M/a3NA
B、a3M/8NA D、a3M/NA
[课堂练习]
1、下列关于晶体与非晶体的说法正确的是
A、晶体一定比非晶体的熔点高
B、晶体有自范性但排列无序
C
C、非晶体无自范性而且排列无序
D、固体SiO2一定是晶体 2、区别晶体与非晶体最可靠的科学方法是
A、熔沸点 B、硬度
C、颜色
D、x-射线衍射实验 D
二﹑晶胞
1.描述晶体结构的基本单元叫做晶胞
A、MgB B、 MgB2 C、Mg2B D、Mg3B2
典例分析
Mg原子的数目: 12×1/6+2×1/2=3 B原子的数目:6 故化学式可表示为
Mg2B
二﹑晶胞 1、概念:描述晶体结构的基本单元
叫做晶胞
2、晶胞中原子个数的计算
立方晶胞
顶点:1/8 棱边: 1/4 面心:1/2
体心: 1
3、如图所示晶体中每个阳离子A或阴离子B,均可被 另一种离子以四面体形式包围着,则该晶体对应的化 学式为
A.AB C.AB3
B.A2B D.A2B3
◆
4、右面图形是石墨晶体的层面结构图, 试分析图形推测层面上每个正六边型拥有的 共价键数和碳原子数是分别: A、6,6 B、2,4 C、2,3 D、3,2
◆
5、某离子晶体晶胞结构如右图所示,X位于立方体 的顶点, Y位于立方体的中心,晶体中距离最近的 两个X与一个Y形成的夹角∠XYX的角度为: A. 90° B. 60° C. 120° D. 109°28′
◆
6、图是超导化合物一钙钛矿晶体中最小重复单元(晶 胞)的结构.请回答: (1)该化合物的化学式为_C_a_T_i_O_3_. (2)在该化合物晶体中,与某个钛离 子距离最近且相等的其他钛离子共
有____6______个.
(3)设该化合物的相对分子质量为M, 密度为 ag / cm3 阿伏加德罗常数为
《分子晶体与原子晶体》
交流·讨论
雪花、冰糖、食盐、水晶 和电木(酚醛树脂)这些固体 是否属于晶体?若不是晶体, 请说明理由。
观察与思考: 下列两种晶体有什么共同点?
干冰晶体结构
碘晶体结构
一、分子晶体
1、概念
构成晶体的粒子是分子,粒子 间以分子间作用力(范德华力, 氢键)相互作用的晶体叫分子晶 体。
思考与交流:
1.如何鉴别晶体和非晶体?
(1)性质差异——如外形、硬度、熔点、折 光率
(2)区分晶体和非晶体最科学的方法是对固
体进行X-射线衍射实验。
[分组探讨]
2、某同学在网站找到一张玻璃的结构示意图如 图所示,这张图说明玻璃是不是晶体?为什么?
3、根据晶体物理性质的各向异性的特点,人们 很容易识别用玻璃仿造的假宝石。你能列举出一 些可能有效的方法鉴别假宝石吗?