无机非金属材料的组成、结构

无机非金属材料概论
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
氢键 Schematic representation of hydrogen bonding in hydrogen fluoride (HF).
5）氢键
氢键：氢原子同时和两个电负性很大而 原子半径较小的原子（O，F，N等）相结合 所形成的键，是一种特殊形式的物理键，也具 有饱和性。
滑动并造成很大变形，所以分子晶体熔点、硬度都
很低。
典型非极性分子晶体：惰性元素在低温下所形
成的晶体，是透明的绝缘体，熔点极低。如
Ne
Ar
Kr
Xe
－249℃ －189℃ －156℃ －112℃
典型极性分子晶体： HCl，H2S等在低温下形成 的晶体。
C.1 陶瓷结构
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C.1 陶瓷结构
元素间电负性相差越小 结合为共价性的键倾向越大
C.1 陶瓷结构
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C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
电负性：衡量价电子被正原子实吸引的程度。
2.3 非金属单质晶体结构
同种元素组成的晶体称为单质晶体。
一、惰性气体元素的晶体
惰性气体在低温下形成的晶体为A1（面心立方）型或 A3（六方密堆）型结构。由于惰性气体原子外层为满电子 构型，它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠 微弱的没有方向性的范德华力直接凝聚成最紧密堆积的A1 型或A3型分子晶体。
耐磨损 耐氧化 绝缘性好 脆性大 弹性模量大 化学稳定性好
2.2 晶体化学基本原理
一、 晶体中质点间的结合力与结合能
1. 晶体中质点间的结合力
离子键 （ionic bond） 化学键 共价键 （covalent bond）
金属键 （metallic bond） 物理键 范德华键（Van der Waals bond）
金属元素最外层电子一般为1~2个， 组成晶体时每个原子的最外层电子都不 再属于某个原子，而为所有原子所共有， 因此可以认为在结合成金属晶体时，失 去了最外层电子的正离子“沉浸”在由 价电子组成的电子云中。
金属键结合力主要是正离子和电子云 之间的静电库仑力，对晶体结构没有特 殊的要求，只要求排列最紧密，这样势 能最低，结合最稳定。
第二章无机非金属材料 晶体结构
2.3 无机非金属单质晶体结构 2.4 无机化合物晶体结构 2.5 硅酸盐晶体结构 2.6 玻璃结构
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3.1无机非金属材料概述
• 什么是无机非金属材料？
无机非金属材料是指以某些元素的氧化物、碳 化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸 盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材 料。
单质Si结构中的共价键与晶胞结构
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无机非金属材料概论
C.1 陶瓷结构
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3） 金属键
金属键实质 金属键：是元素失去最外层电子（价电子）后变成
带正电的离子和自由电子组成的电子云之间的静电库 仑力而产生的结合。
金属晶体：靠金属键结合的晶体。 典型金属晶体：第I、II族及过渡金属元素的晶体。 金属键特性 无方向性 无饱和性
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4）范德华键（分子键）
分子键实质 范德华键（分子键）：是通过“分子力”而产生的键合。 分子力包括三种力：
a) 极性分子中的固有偶极矩产生的力； b) 感应偶极矩产生的力，即极性分子和非极性分子之间的作用力； c) 非极性分子中的瞬时偶极矩产生的力。
分子晶体性质 分子晶体结合力很小，在外力作用下，易产生
离子晶体性质 1) 离子键结合力很大，故离子晶体结构非常稳定，反映在
宏观性质上，离子晶体的熔点高，硬度大，热膨胀系数小; 2) 离子晶体若发生相对移动，将失去电平衡，离子键被破
坏，故离子晶体多为脆性; 3) 离子键中很难产生可以自由运动的电子，则离子晶体都
是很好的绝缘体; 4) 大多数离子晶体对可见光透明，在远红外区有一特征吸
• 化学组成：
������ 金属和非金属元素（O、C、N等，通常为O） 的氧化物、碳化物、氮化物、氢氧化物等以不 同的方式组合（不含C-H-O链）。几乎涉及周 期表上所有元素。
• 键合结构：
������ 离子键、共价键以及离子-共价混合键
无机非金属材料主要特点
熔点高 硬度高 强度高 耐高温 耐腐蚀 一般为脆性材料
氢键（hydrogen bond）
由此把晶体分成5种典型类型：
离子晶体、共价晶体（原子晶体）、金属晶体、
分子晶体、氢键晶体。
1）离子键
离子键实质 离子键：由正、负离子依靠静电库仑力而产
生的键合。 离子晶体：质点之间主要依靠静电库仑力而
结合的晶体。 典型离子晶体：第I族碱金属元素和第VII族
卤族元素结合成的晶体，如NaCl，CsCl等。
典型氢键晶体：冰（H2O）、 铁电材料 磷酸二氢钾（KH2PO4）
C.1 陶瓷结构
无机非金属材料概论
6).实际陶瓷材料的结合键：处于以上所述的键之间，存在许 多中间类型。
键的离子性程度可用电负性作半经验性的估计 电负性：衡量价电子被正原子实吸引的程度。
元素间电负性相差越大 结合为离子性的键倾向越大
NaCl晶体结构中的离子键与晶胞结构
离子键特性 a) 无方向性 离子核外电荷分布为球形对称，因此在各方向上都可与相反
电荷离子相吸引。 b) 无饱和性 一个离子可以同时和几个异号离子相结合。 例如，NaCl晶体中，每个C1-离子周围都有6个Na＋离子，每
个 Na＋离子也有6个C1-离子等距离排列。Na＋离子和C1-离子在 空间三个方向上不断延续就形成了NaCl离子晶体。
收峰——红外光谱特征。
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2) 共价键
共价键实质 共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠而产
生的键合。 共价晶体或原子晶体：靠共价键结合的晶体。 典型的共价晶体：第IV族元素C（金刚石），Si，Ge，Sn
（灰锡）等的晶体，属金刚石结构。 共价键特性
有饱和性 有方向性
单质Si：Si－Si键为共价键。1个4价Si原子，与其周围4个 Si原子共享最外层的电子，从而使每个Si原子最外层获得8 个电子。1对共有电子代表1个共价键，所以1个Si原子有4个 共价键与邻近4个Si原子结合，形成四面体结构，其中共价 键之间的夹角约为109o。