无机固体材料化学资料
无机化学——固体的结构和性质
7.1.4 Vitreous body(玻璃体) 非晶态物质:结构无序(近程可能有序)的固体物质
801℃ ； Al2O3： 2045 ℃ Crystals have anisotropy (各向异性)
graphite 导电性；从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发 现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性 质不同。
Crystalline and Amorphous ● 晶体的三大特征 1、一定的外形 2、固定的熔点 3、有各向异性。
●非晶体：玻璃，松香，石蜡，沥青等无固定外形。
●单晶（single crystal）与多晶（polycrystal）的区别：某些固 体表面上看不是晶体，结构分析仍是由极小的晶体组成的称 为微晶（minicrystal）、混晶（mixed crystal）或多晶。
●晶体与非晶体可在一定条件下互相转化。如石英玻璃。
●液晶（[liquid crystal]）是一类特殊的晶体，有机物质熔化后 在一定温度范围内的部分长程有序，介于液态和晶态之间的 各向异性。
●晶态比非晶态稳定 非晶态本质上是一种亚稳态，如弹性硫。
7.1.1 Crystalline and Amorphous Solids(晶体和非晶体) Solids may be either crystalline or amorphous. Crystalline solids have well-defined, regular shapes, but amorphous solids do not.
材料化学--固相反应基础
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3. 根据参与反应的物质形态分类： —— 单一固相反应（固体物质的热解，聚合，等等）； —— 固－固反应； —— 固－气反应； —— 固－液反应； —— 粉末、烧结反应，等等。
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研究固相反应的目的和意义
研究固相反应的目的：认识固相反应的机理，了解影响反应速度的因 素，控制固相反应的方向和进行程度。
—— 固相反应的驱动力会表现为原子或离子的化学势的 局部变化。
扩散速率以扩散系数为比例常数，正比于驱动力。
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固相反应的驱动力： 1. 化学势或电化学势梯度； 2. 温度梯度； 3. 外电场； 4. 表面张力，等等。
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注：在固相反应中，反应物浓度的影响可以忽略不计。 —— 由于参与反应的原子或离子不是自由运动，而是受
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反应过程： 第一阶段，在晶粒界面或界面
临近的反应物晶格中形成尖晶 石晶核：界面结构重排，离子 键断裂、重组，Mg2+、Al3+的 脱出、扩散和填位； 第二阶段，尖晶石晶核在高温 下长大：Mg2+、Al3+跨越两个 界面到达尖晶石晶核表面发生 晶体生长反应； 第三阶段，产物层加厚，反应 速率随之降低，直至反应终止。
2. 产物层生成后，反应要进行必须 有 A 通过产物层扩散到 B-AB 的 界面，且到达界面后立即生成 AB； 即界面上 A 的浓度为 0，而在 AB 产物层的外表面上 A 的浓度不变；
假设半径为 r 的球形反应物颗粒 A，分散于连续的反应物 B 的介质中，A 的表面生成厚度为 x 的产物层，反应进程 受扩散控制，反应产物增厚的速率与厚度成反比：
dx k dt x
积分得，
x2 2kt
无机固体材料的物理和化学性质
无机固体材料的物理和化学性质无机固体材料是指不含碳元素的固体材料。
这种材料通常由金属、非金属或各种化合物组成，具有高强度、硬度、耐磨性和高温稳定性等特点。
由于其广泛应用于工业、建筑、电子、化工、医药以及航天领域等，因此对其物理和化学性质的研究具有重要价值。
物理性质无机固体材料的物理性质主要包括晶体结构、密度、热膨胀系数、热导率、电导率和磁性等。
晶体结构是无机固体材料的重要性质之一，是确定其物理和化学性质的基础。
晶体结构影响着材料的熔点、硬度、韧性以及抗化学腐蚀等性质。
例如，钻石、蓝宝石等以碳和铝氧化物为主要成分的固体材料具有非常稳定的晶体结构，使它们具有极高的硬度和耐磨性。
密度是指单位体积内物质的质量，也是无机固体材料的一个重要物理性质。
密度高的材料通常比密度低的材料强硬，但电导率和热导率较差。
例如，金属铜具有高电导率和热导率，但密度较低，通常用于电线、电缆和散热器等应用。
相比之下，铸铁密度较高，韧性和硬度较好，通常用于汽车、机械等各种工业领域。
热膨胀系数是材料在温度变化时体积变化的程度。
所有材料都会受到温度的影响，但温度对于不同的材料来说，其影响程度是不同的。
例如，铝材料有很大的热膨胀系数，容易变形和开裂，但铜材料由于热膨胀系数较小，更适合用于制造不能变形的元件。
热导率是指单位时间内材料导热的能力，与材料的物理结构、温度以及组成有关。
无机固体材料的热导率通常非常高，这使得它们在高温环境下表现非常优异。
例如，氧化锆这种材料具有极高的熔点和热导率，适用于高温下进行热工业的应用。
电导率是指材料导电的能力，与材料的晶体结构和化学组成有关。
一些无机固体材料比如金属、半导体和陶瓷等，具有良好的电导率。
例如，柿子担子酸钾，是一种有结晶性的电解质，有电导性和良好的电化学性质，常被用于电解电池的制造工艺。
磁性是无机固体材料的重要物理性质之一，影响着材料在电子设备、航空和工业领域的应用。
无机固体材料的磁性通常可以分为铁磁性、顺磁性、反磁性和超导性等几种类型。
传统无机非金属材料
传统无机非金属材料传统无机非金属材料是指那些不含金属元素的材料，通常是由非金属元素或化合物组成的材料。
这些材料在工业生产和日常生活中起着重要的作用，广泛应用于建筑、电子、化工、医药等领域。
本文将对传统无机非金属材料的种类、特性和应用进行介绍。
一、种类。
1. 陶瓷材料，陶瓷是一类重要的无机非金属材料，具有优良的耐高温、耐腐蚀、绝缘等特性。
陶瓷材料可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷主要用于制造陶瓷器皿、建筑材料等，功能陶瓷则主要用于制造电子元器件、陶瓷刀具等。
2. 玻璃材料，玻璃是一种非晶态固体材料，具有透明、硬度高、化学稳定性好等特点。
玻璃材料广泛应用于建筑、家具、器皿、光学仪器等领域。
3. 氧化物材料，氧化物材料是一类以氧化物为主要成分的无机非金属材料，如氧化铝、氧化硅等。
这些材料具有优良的绝缘性能、耐高温性能和化学稳定性，被广泛应用于电子、建筑、化工等领域。
二、特性。
1. 高温性能，传统无机非金属材料通常具有优良的耐高温性能，能够在高温环境下保持稳定的物理和化学性能，因此被广泛应用于高温工艺和高温设备的制造。
2. 绝缘性能，许多传统无机非金属材料具有良好的绝缘性能，能够有效阻止电流的传导，因此被广泛应用于电子、电气设备的制造和绝缘材料的生产。
3. 化学稳定性，大部分传统无机非金属材料具有良好的化学稳定性，能够在酸碱等恶劣环境下保持稳定的性能，因此被广泛应用于化工、医药等领域。
三、应用。
1. 建筑材料，陶瓷、玻璃等传统无机非金属材料被广泛应用于建筑材料的制造，如砖瓦、玻璃幕墙、陶瓷地砖等。
2. 电子领域，氧化物材料、陶瓷材料等被广泛应用于电子元器件的制造，如电容器、电阻器、陶瓷电路等。
3. 化工领域，传统无机非金属材料在化工领域具有重要应用，如氧化铝、氧化硅等被用于制造化工设备、耐腐蚀材料等。
总结。
传统无机非金属材料在工业生产和日常生活中具有重要作用，其种类繁多，特性优良，应用广泛。
随着科技的发展和工艺的进步，传统无机非金属材料的应用领域将不断扩大，为人类社会的发展做出更大的贡献。
无机化学知识点总结
无机化学知识点总结一、无机化学的基本原理1. 原子结构与元素周期表原子是物质的基本单位，由原子核和绕核电子组成。
原子核由质子和中子组成，质子数决定了元素的原子序数，即元素周期表中的元素编号。
而电子的排布决定了元素的化学性质。
元素周期表是基于元素的原子序数和化学性质进行排列的，它反映了元素的周期性规律和趋势。
2. 化学键与晶体结构化学键是原子之间的相互作用力。
根据原子之间的电子共享或转移，化学键可以分为共价键、离子键和金属键。
共价键是通过电子共享形成的，离子键是通过电子转移形成的，金属键是金属原子内的电子云相互重叠形成的。
这些化学键形成了物质的晶体结构，晶体结构的类型决定了物质的性质。
3. 反应平衡与化学反应化学反应是物质之间发生化学变化的过程，通常包括物质的生成和消耗。
化学反应通过反应方程式进行描述，反应平衡是指反应物和生成物的摩尔比在一定条件下保持不变的状态。
化学反应的平衡常数和动力学速率是化学反应研究的重要参数。
4. 配位化学与过渡金属化合物过渡金属化合物是指含有过渡金属元素的化合物，其中过渡金属离子通过配位基与配位子形成配合物。
配位化学研究了配位物的结构、性质和合成方法，配位物的稳定性、配位数、立体化学等是配位化学的重要内容。
二、无机化学的主要知识点1. 主族元素化合物主族元素是元素周期表中的ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA和ⅦA族元素，它们可形成氧化物、氢化物、卤化物等化合物。
主族元素的化合物具有多种性质，如ⅢA族元素具有氧化性，ⅣA族元素具有还原性等。
2. 离子化合物离子化合物是由阳离子和阴离子组成的化合物，它们通常具有良好的溶解度、导电性和晶体结构。
离子化合物的性质和结构与其离子的大小、电荷和架构有关。
3. 氧化还原反应氧化还原反应是指物质失去或获得电子，从而使氧化态发生变化的化学反应。
氧化还原反应包括氧化、还原、氧化剂和还原剂等概念，它们是化学反应中的重要参与者。
4. 配合物化学过渡金属离子通过配体与配位子形成配合物，配合物具有不同的结构、性质和应用。
材料化学-固溶体
4.4 异价取代固溶体
等价取代，可以保持电荷平衡； 异价取代，需要形成缺陷以保持电荷平衡： 1. 空位或填隙子 —— 离子补偿； 2. 电子或空穴 —— 电子补偿。
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离子补偿机制
阳离子空位： 基质结构中的阳离子被高价阳离子取代时，可以通过形成
阳离子空位来达到电荷平衡。 实例：CaCl2 掺杂 NaCl：Na1-2xCaxVxCl
向于生成有限固溶体。
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无限固溶体实例：Pb(Zr,Ti)O3
压电材料 BaTiO3（(A2+B4+)O3 型钙钛矿结构化合物）： Ba —— Pb，Sr，Ca等等取代； Ti —— Zr，Sn等等取代； —— 复合化合物(A1,A2,…Ak)(B1,B2,…Bl)O3（钙钛矿结
构）：
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决定固溶体的形成能力。
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4.6 固溶体的性质
杂质 进入
晶格 常数
机械 性能
密度
光学 性能
电性能
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卫格定律（Vegare’s Law）与雷特格定律（Retger’s Law）：固溶体中，晶胞的尺寸随组成连续变化，对于立 方结构的晶体，晶格常数与组成的关系可以表示为： (ass )n (a1)n c1 (a2 )n c2
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2. 阴离子吸附形成的阳离子空位：
例如，氧化物加热时吸收氧，氧分子离解，氧原子从低 氧化态过渡金属得到电子形成 O2- 离子，
实例：
NiO O2 Ni123x Ni23xVNi,xO
绝缘体
半导体
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阴离子填隙： 混合价阳离子伴随填隙阴离子而形成。
实例：高温超导体 YBa2Cu3O 体系。 1. 当 = 6，Cu：+1，+2 的混合价； 2. 当 = 6.5，Cu：+2 价； 3. 当 = 7，Cu：+2，+3 的混合价。
无机化学中的固体材料的合成路线
无机化学中的固体材料的合成路线在无机化学领域中，固体材料的合成是一个重要的研究方向。
固体材料广泛应用于各个领域，如电子器件、催化剂、能源存储等。
本文将探讨无机化学中固体材料的合成路线，以及一些常见的合成方法和技术。
一、晶体生长法晶体生长法是一种常见的合成固体材料的方法。
通过溶液中的化学反应，可以在适当的条件下使溶液中的物质结晶成固体材料。
这种方法可以控制晶体的形状和尺寸，并且能够制备出高纯度的材料。
晶体生长法有多种类型，如溶液法、气相法和固相法等。
其中，溶液法是最常用的方法之一。
在溶液法中，首先需要选择适当的溶剂和溶质，并将它们混合在一起。
然后，通过调节温度、浓度和pH值等条件，使溶液中的物质逐渐结晶形成固体材料。
这种方法适用于大多数无机化合物的合成，如金属氧化物、硫化物和硝酸盐等。
除了溶液法，气相法也是一种常用的晶体生长方法。
在气相法中，需要将气体或气体混合物引入反应器中，在适当的温度和压力下，使气体中的物质在固体表面上结晶。
这种方法适用于一些高温稳定的化合物，如金属卤化物和金属硫化物等。
二、固相法固相法是一种将两种或多种固体物质反应生成新的固体材料的方法。
在固相法中，通常需要选择适当的原料，并将它们混合在一起。
然后，通过加热或高压等条件，使原料发生化学反应，生成新的固体材料。
固相法适用于一些高温稳定的化合物的合成，如硅酸盐、氧化物和硫化物等。
这种方法可以控制反应的温度和时间，以调节合成材料的性质和结构。
固相法还可以通过添加适量的助剂，改变反应的速率和产物的形貌。
三、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种利用溶胶和凝胶过程合成固体材料的方法。
在溶胶-凝胶法中，首先需要制备溶胶，即将固体物质分散在液体中形成胶体。
然后，通过控制溶胶的浓度和温度等条件，使溶胶逐渐凝胶成固体材料。
溶胶-凝胶法适用于一些特殊结构和形貌的材料合成，如纳米颗粒、多孔材料和薄膜等。
这种方法可以控制凝胶的成熟程度和凝胶速率，以调节合成材料的孔隙度和表面积。
固体无机化学
固体无机化学
固体无机化学是研究固体材料的价态分布、结构和性质与其成分及组成中原子和分子之间化学相互关系的一门学科。
它与晶体学和结构化学有着密切的关系，其思想及专业研究的范围也受到物理学、化学和物理化学的影响。
固体无机化学致力于研究不同元素和元素复合物固态形式中的化合物、结构、性质和稳定性等，主要包括以下内容：
1、晶体结构：研究不同固体材料的晶体结构，以及其空间排列形式与性质的关系；
2、成分及组合：研究比例及晶体相间构造形式，以及其形成不同性质化合物的机理；
3、晶体表面：研究固体表面的组成及其与表面性质的关系；
4、极性：研究极性的影响及诸多固体气相化学反应的机理；
5、催化：研究基于固体无机催化剂的化学反应机理等.
以上几点仅仅是固体无机化学的主要研究内容，其与桥接反应，杂原子带入遵循、反应物分子内部歧义性等等有着相关关系。
固体无机化学研究利用各种物理化学的手段（如X-射线衍射、电子探针表征、扫描电子显微镜、基于电化学法的性质鉴定）及热力学、动力学计算等来进行。
在工业上的应用中，也广泛应用此领域的技术，如催化、加工、复合材料等领域。
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• 非晶态结构，表面结构，晶体组成与结 构缺陷。
（3）表征
• 衍射技术：电子，x光，中子； • 显微技术：光学，电子（透射，扫描），
原子力显微技术；
• 热分析技术：热重，差热，量热，热机 械；
• 微区分析，表面分析：能谱分析 • 近代物理分析技术
（4）物理性质与反应性能
• 无机材料的力，声，光，热，电，磁等 性质。
• 构效关系 • 固相反应性，多相催化，化学组装。 • （5）无机材料的设计 • 组成-结构-性能 • 逆向思维； • 复合材料。
第一章 固体 § 1-1 流动性和固体性
• 分子或原子不停地，自由地作长距离运 动即流动性。气体和液体具有流动性。
• 气体：无确定的体积和形状 • 液体：有一定的体积但无确定的形状 • 固体：分子或原子处于完全确定的平衡
体；0.5mm-1m为多晶体；纳米级的结 构，只重复几个到几十个周期为微晶体。
•2 准晶体：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 对称元素。
•5次，8次，10次，12次对称的准晶体合金。
问题
• 晶体和非晶体分别有哪些微观结构特征？ 表现在哪些性质方面？
(b) 劳厄方程
=AD-CB =acosh-acoso =a(cosh-coso) =h h为波程差所含的波 长的倍数。
次生波源x射线为 球面波，以a为轴 线，和a呈角的 圆锥面的各个方
向均满足衍射条 件。当o=90o， h= 0，1， 2， 3….时，发生如 右图的衍射。
• （3）物理性质的异向性 • （4）稳定性，晶体有固定的熔点。 • （5）对称性
§ 1- 3 晶体的微观特征
• （1）晶体的点阵结构 • 晶体结构=点阵+结构基元 • 一维点阵，结构基元：(-CH2)2
二维点阵,结构基元：[B(OH)3]2
点阵参数 a, b,
NaCl结构类型的晶胞
点阵参数： a, b, c, , ,
无机固体材料化学
北京师范大学化学系 赵新华
参考书：无机材料化学（上册） 曾人杰，厦门大学出版社， 2001年
• 第0章 绪论 • 第一章 固体 • 1 流动性和固体性 • 2 晶体的主要特征 • 3 非晶态的特征 • 4 纳米材料浅谈 • 第二章晶型转变及其控制方法 • 1 可逆与不可逆晶型转变 • 2 重构式与位移式晶型转变 • 3 晶型转变的控制
位置作热振动。具有确定的形状和稳定 的结构即固体性。
途径（1）以足够低的冷却速率降温，准平 衡态
途径（2）以足够快的冷却速率降温，非平 衡态
§ 1- 2 晶体的宏观特征 （1）自范性： F(晶面数）+V（顶点数） = E (晶棱数） +2
晶面夹角（或交角）守恒定律
• （2）晶体的均匀性，来源于晶体中原子 排布的周期性规则，宏观观察中分辨不 出微观的不连续性。
• 晶体的微观特征为：短程有序，长程也 有序，具有点阵结构。
（2）晶体的衍射性质：
• (a) 在晶体中原子的间距和x射线波长具有相同 的数量级，晶格作为次级光源，辐射光，相干 散射互相叠加，在某一方向上电磁波得到加强 的现象叫作衍射 ；相应的方向叫衍射方向，是 衍射线偏离入射线的角度；在衍射方向上前进 的波叫衍射波。
§ 1- 7 陶瓷与陶瓷材料 • 陶器
• 瓷器
1 陶瓷材料
• Ceramics: 无机非金属材料 • 化学与材料科学的交叉学科 • 烧结体，粉末，薄膜，纤维 • 结构，性质，制备，构效关系 • 著名参考书：《Introduction of Ceramics》,
《固体化学及其应用》，《硅酸盐物理化 学》，《电子陶瓷》，《固体化学导论》， 《固态化学的新方向》，《无机材料化 学》。
（b）短程有序
lim g(r) 1
r
• 双体概率分布函数： lim g(r) 0
g(r) = r/o
r0
例：石英玻璃的结构 • r(Si-O) = 1.62Å;r(O-O) = 2.6ห้องสมุดไป่ตู้Å
§ 1- 6 实际晶体
• 1 单晶体，多晶体与微晶体 • 根据单晶颗粒大小区分：>0.5mm为单晶
• 第三章多元凝聚系统相图及其应用 • 1 凝聚态二元系统相图 • 2 二元系统相图在材料制备中的应用 • 3 三元系统相图简介及其应用 • 第四章缺陷化学 • 1 点缺陷及其表示方法 • 2 色心及点缺陷的研究方法 • 第五章固溶体和非化学计量化合物 • 1 固溶体及影响固溶度的因素 • 2 固溶体类型及置换式固溶体的生成机制 • 3 非化学计量化合物
§0- 2无机固体材料化学的研究范围
• （1）无机材料的制备原理：粉末，单晶， 薄末和陶瓷的制备。
• 多元系统（凝聚态）相图 • 相变理论
• （2）无机材料的成键本质和结构： • 化学键理论（能带理论）
• 晶体结构，结晶化学理论；纳米尺度以 下。
• 晶态固体亚微观结构：晶粒尺寸分布与 形状，晶粒间界，缺陷；纳米（纳米陶 瓷）~微米（精细陶瓷）尺度
(c)布拉格方程
2dhkl sinhkl
h, k, l:整数
(b)多晶的x射线衍射
s in hkl
2d hk l
• 多晶样品取向随机地
聚在一起，衍射图形
为以出射的x射线为
轴心，张角为4hkl的 衍射圆锥，其截面为
一个衍射圆。
多晶X射线衍射实验方法
• 照相法
• 衍射仪法
§ 1- 4 非晶体的宏观特征
第0章 绪论
• §0-1 无机材料化学（The chemistry of Inorganic Materials)的含义,
• Ceramics,
• Physical Metallurgy,
• Solid State Chemistry. • 应用理科性质 • 无机材料化学是固体化学等理论学科在
无机（非金属）材料领域里的应用。
• （1）只有玻璃转化温度，无熔点。 • （2）没有规则的多面体几何外型，可以
制成玻璃体，丝，薄膜等特殊形态。 • （3）物理性质各向同性。 • （4）均匀性来源于原子无序分布的统计
性规律，无晶界。
§ 1- 5 非晶体的微观特征
• （a）长程无序 • 无平移对称性
• 衍射为弥散的晕 • 和宽化的衍射带