材料科学基础试验报告
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
实验目的
• 掌握十四种布拉维空间格子（点阵）形式； • 掌握等大球体的紧密堆积原理； • 掌握配位多面体的连接情况； • 掌握几种常见的无机化合物的晶体结构模型； • 通过晶体模型观察，理解同质多晶现象；理解晶
体的结构与性质之间的关系。
实验内容
• 观察十四种布拉维点阵； • 观察球体的紧密堆积； • 观察不等大球体紧密堆积中，阳离子和阴离子的位
尺寸相差大的离子晶体
氯化钠晶体
半径较大的负离子仍按六方或立方紧密堆积方式排列， 半径较小的正离子则按其本身的大小，填充在四面体或八面体空 隙中，形成不等大球体的紧密堆积。
配位数与配位多面体
阳离子的配位数则取决于阴阳离子的半径比
(c)不稳定
(a) 稳定
(b)稳定
阳离子配位数与阴阳离子半径比关系
离子半径 0~0.155 0.155~0.225 0.225~0.414 0.414~0.732 0.732~1.00 比r+/r-
思考题
（2）比较各晶系的对称特点，判断下列对称型属于 哪一晶系：
① L33L23PC ② 4L33L23PC ③ L2PC
④ 3L23PC ⑦ 3L44L36L2
⑤ Li63L23P ⑧ L44L25PC
⑥ L22P ⑨C
（3）试用鲍林规则，分析氯化钠的晶体结构。
结晶学基础知识
球体紧密堆积原理
球体紧密堆积示意图
等径球体紧密堆积
，
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
3
54
12
6
3
54
AB
球体的二维密排
球体堆积第二层 最紧密的堆积方式是将球对准1， 3，5 位。 ( 或对准 2，4，6 位，其情形是一样的 )
堆积第三层，第一种是将球对准第一层的球。
12
6
3
54
每两层形成一个周期，即 ABAB 堆积方式， 形成六方紧密堆积---ABAB型。
12
6
3
54
配位数 12 。 ( 同层 6， 上下层各 3 )
A C B A C B A
面心立方紧密堆积的前视图
ABCABC形式的堆积，为什么 是面心立方堆积？
C B A
等径球体紧密堆积所形成的空隙
四
八
面
面
体
体
空
空
隙
隙
空隙数量
六方紧密堆积 立方紧密堆积
每个球体周围
四面体空隙：8个 八面体空隙：6个
配位数 12 。 ( 同层 6，上下层各 3 )
A B A B A
六方紧密堆积的前视图
第三层的另一种排列方式，是将球 对准第一层的 2，4，6 位，不同 于AB 两层的位置，这是C层。
12
6
3
54
12
6
3
54
12
6
3
54
第四层再排 A，于是形成 ABC ABC 三层一个周期。 得到立方紧密积— ABCABC型。
置关系； • 分析配位四面体和配位八面体共顶、共面、共棱连
接的情况； • 观察石墨和金刚石的晶体结构模型； • 观察氯化钠、氯化铯、金红石、萤石的晶体结构； • 观察硅酸盐晶体结构中硅氧四面体的连接情况。
观察结果记录
• 绘出十四种布拉维格子； • 叙述球体的紧密堆积过程； • 描述配位四面体和配位八面体共顶、共面、共棱
只能形成一种在三维空间无限延伸的大分子
石墨 C
石墨的晶体结构
氯化钠 NaCl
Cl–作ＡＢＣＡＢＣ……最紧密堆积, Na+充填在所有八面体空隙中。
NaCl晶体中阴、阳离子配位数
氯化铯CSCl
氯化铯晶体结构
萤石
萤石晶体结构
反萤石型结构
碱金属元素的氧化物R2O、硫化物R2S、碲化物R2Te、硒化物 R2Se等A2X型化合物为反萤石型结构，也称为反同形体。
正负离子的位置与萤石 结构中的相反，即碱金 属离子占据F-的位置， O2-或其他负离子占据 Ca2+的位置。
反萤石型结构
金红石
①
③
② ④
金红石晶体结构 （a）晶胞结构图， （b）（001）面上的投影图
金红石
金红石结构的单位晶胞 金红石结构中［TiO6］八面体及其联结方式
CaTiO3（钙钛矿型）
1 4 1
=2个 =1个
6
若有n个等大球体作最紧密堆积时，必定有n个八面体空 隙和2n个四面体空隙，这一结果对立方紧密堆积和六方 紧密堆积均适用。
不等大球体的紧密堆积
尺寸相差不大的异号离子
同号离子之间的排斥力增大，结构不稳定
为保持结构稳定， 异号离子往往排不紧密堆积的形式
不等大球体的紧密堆积
连接的情况； • 描述氯化钠、氯化铯、金红石、萤石的晶体结构
特点； • 分析金刚石和石墨的晶体结构与其性能的关系。
思考题
（1）根据晶体的晶格常数，判断晶体所属的晶系： ①镁橄榄石：ａ=4.76Å ｂ=10.21Å ｃ=5.99Å α=β=γ=90° ②α-石英：ａ=4.96Å ｂ=4.96Å ｃ=5.45Å α=β= 90°γ=120° ③镁方柱石：ａ=7.79Å ｂ=7.79Å ｃ=5.02Å α=β=γ=90° ④β-C2S：ａ=5.48Å ｂ=9.28Å ｃ=6.76Å α=γ=90°β=94°33ˊ
配位数
2
3
4
6
8
≥1.00 12
配位多面体 哑铃形
形状
（直线形）
三角形
四面体
八面体
立方体 立方八面体
实例
干冰CO2 闪锌矿β-ZnS 食盐NaCl
萤石CaF2
自然Au
配位多面体的连接方式
有1/8属于该立方体 有1/4属于该立方体 有1/2属于该立方体 完全属于该立方体
晶体结构
金刚石 C
金刚石的结构
CaTiO3晶体结构
AB2O4型无机化合物
AB2O4型晶体以尖晶石为代表，式中A为2价，B为3价正 离子，尖晶石结构属于立方晶系。
[AlO6]八面体
镁铝尖晶石晶体结构
[MgO4]四面体
MgAl2O4尖晶石
尖晶石晶体结构
• 掌握十四种布拉维空间格子（点阵）形式； • 掌握等大球体的紧密堆积原理； • 掌握配位多面体的连接情况； • 掌握几种常见的无机化合物的晶体结构模型； • 通过晶体模型观察，理解同质多晶现象；理解晶
体的结构与性质之间的关系。
实验内容
• 观察十四种布拉维点阵； • 观察球体的紧密堆积； • 观察不等大球体紧密堆积中，阳离子和阴离子的位
尺寸相差大的离子晶体
氯化钠晶体
半径较大的负离子仍按六方或立方紧密堆积方式排列， 半径较小的正离子则按其本身的大小，填充在四面体或八面体空 隙中，形成不等大球体的紧密堆积。
配位数与配位多面体
阳离子的配位数则取决于阴阳离子的半径比
(c)不稳定
(a) 稳定
(b)稳定
阳离子配位数与阴阳离子半径比关系
离子半径 0~0.155 0.155~0.225 0.225~0.414 0.414~0.732 0.732~1.00 比r+/r-
思考题
（2）比较各晶系的对称特点，判断下列对称型属于 哪一晶系：
① L33L23PC ② 4L33L23PC ③ L2PC
④ 3L23PC ⑦ 3L44L36L2
⑤ Li63L23P ⑧ L44L25PC
⑥ L22P ⑨C
（3）试用鲍林规则，分析氯化钠的晶体结构。
结晶学基础知识
球体紧密堆积原理
球体紧密堆积示意图
等径球体紧密堆积
，
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6
3
54
12
6
3
54
AB
球体的二维密排
球体堆积第二层 最紧密的堆积方式是将球对准1， 3，5 位。 ( 或对准 2，4，6 位，其情形是一样的 )
堆积第三层，第一种是将球对准第一层的球。
12
6
3
54
每两层形成一个周期，即 ABAB 堆积方式， 形成六方紧密堆积---ABAB型。
12
6
3
54
配位数 12 。 ( 同层 6， 上下层各 3 )
A C B A C B A
面心立方紧密堆积的前视图
ABCABC形式的堆积，为什么 是面心立方堆积？
C B A
等径球体紧密堆积所形成的空隙
四
八
面
面
体
体
空
空
隙
隙
空隙数量
六方紧密堆积 立方紧密堆积
每个球体周围
四面体空隙：8个 八面体空隙：6个
配位数 12 。 ( 同层 6，上下层各 3 )
A B A B A
六方紧密堆积的前视图
第三层的另一种排列方式，是将球 对准第一层的 2，4，6 位，不同 于AB 两层的位置，这是C层。
12
6
3
54
12
6
3
54
12
6
3
54
第四层再排 A，于是形成 ABC ABC 三层一个周期。 得到立方紧密积— ABCABC型。
置关系； • 分析配位四面体和配位八面体共顶、共面、共棱连
接的情况； • 观察石墨和金刚石的晶体结构模型； • 观察氯化钠、氯化铯、金红石、萤石的晶体结构； • 观察硅酸盐晶体结构中硅氧四面体的连接情况。
观察结果记录
• 绘出十四种布拉维格子； • 叙述球体的紧密堆积过程； • 描述配位四面体和配位八面体共顶、共面、共棱
只能形成一种在三维空间无限延伸的大分子
石墨 C
石墨的晶体结构
氯化钠 NaCl
Cl–作ＡＢＣＡＢＣ……最紧密堆积, Na+充填在所有八面体空隙中。
NaCl晶体中阴、阳离子配位数
氯化铯CSCl
氯化铯晶体结构
萤石
萤石晶体结构
反萤石型结构
碱金属元素的氧化物R2O、硫化物R2S、碲化物R2Te、硒化物 R2Se等A2X型化合物为反萤石型结构，也称为反同形体。
正负离子的位置与萤石 结构中的相反，即碱金 属离子占据F-的位置， O2-或其他负离子占据 Ca2+的位置。
反萤石型结构
金红石
①
③
② ④
金红石晶体结构 （a）晶胞结构图， （b）（001）面上的投影图
金红石
金红石结构的单位晶胞 金红石结构中［TiO6］八面体及其联结方式
CaTiO3（钙钛矿型）
1 4 1
=2个 =1个
6
若有n个等大球体作最紧密堆积时，必定有n个八面体空 隙和2n个四面体空隙，这一结果对立方紧密堆积和六方 紧密堆积均适用。
不等大球体的紧密堆积
尺寸相差不大的异号离子
同号离子之间的排斥力增大，结构不稳定
为保持结构稳定， 异号离子往往排不紧密堆积的形式
不等大球体的紧密堆积
连接的情况； • 描述氯化钠、氯化铯、金红石、萤石的晶体结构
特点； • 分析金刚石和石墨的晶体结构与其性能的关系。
思考题
（1）根据晶体的晶格常数，判断晶体所属的晶系： ①镁橄榄石：ａ=4.76Å ｂ=10.21Å ｃ=5.99Å α=β=γ=90° ②α-石英：ａ=4.96Å ｂ=4.96Å ｃ=5.45Å α=β= 90°γ=120° ③镁方柱石：ａ=7.79Å ｂ=7.79Å ｃ=5.02Å α=β=γ=90° ④β-C2S：ａ=5.48Å ｂ=9.28Å ｃ=6.76Å α=γ=90°β=94°33ˊ
配位数
2
3
4
6
8
≥1.00 12
配位多面体 哑铃形
形状
（直线形）
三角形
四面体
八面体
立方体 立方八面体
实例
干冰CO2 闪锌矿β-ZnS 食盐NaCl
萤石CaF2
自然Au
配位多面体的连接方式
有1/8属于该立方体 有1/4属于该立方体 有1/2属于该立方体 完全属于该立方体
晶体结构
金刚石 C
金刚石的结构
CaTiO3晶体结构
AB2O4型无机化合物
AB2O4型晶体以尖晶石为代表，式中A为2价，B为3价正 离子，尖晶石结构属于立方晶系。
[AlO6]八面体
镁铝尖晶石晶体结构
[MgO4]四面体
MgAl2O4尖晶石
尖晶石晶体结构