固体化学导论-1
化学键——精选推荐
3.091-固态化学导论讲义 2化学键* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *课外阅读参考书目：1．Pauling,L.,General Chemistry,W.H.Freeman and Co., San Francisco, 1970, Chapter 6.2．Gray H.B., Chemical Bonds, Benjamin, 1973.3．West, A.R.., Solid State Chemistry, J.Wiley, 1984.4．Borg, R.J. and G.J.Dienes, Physical Chemistry of Solids, Acdemic Press, 1992. 5．Parker,S.B., Editor,Physical Chemistry Source Book, McGraw-Hill，1987.* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 如第一章介绍，元素的电子结构只适用于独立的原子—这些原子相隔一定距离，在该距离内原子间的电子轨道无相互作用（无穷远处）。
该条件对于凝聚相（如：固相和液相）永远得不到满足，这种情况只会出现在高真空下原子相隔很远的距离，无相互作用的情况下。
在正常情况下，尤其在前述的凝聚相中，原子间隔了一定距离，从本质上来看，该距离由各自所填充的最外层电子轨道决定。
当两个或两个以上原子的外电子壳层相互靠近时（部分发生重叠），便存在相互作用势。
当电子重组能够降低体系能量时，自发反应（包括电子轨道的重组和/或电子从一个原子向另一个原子的转移）将会发生。
这意味着相互作用的驱动力和电子结构的重排在大多数（但不是所有）情况下通过向环境释放热（一种能量）表现出来。
固体化学
肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷
由等量的正离子和负离子空位所构成的缺
陷称之为肖特基(Schottky)缺陷 晶体中同时产生的一对间隙原子/离子和空 位称之为弗伦克尔(Frenkel)缺陷
肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷
Br-
Ag+
Cl-
K+
AgBr中的Frenkel缺陷
KCl中的Schottky缺陷
肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷
缺陷的类化学平衡
固体中施主的存在可以增大受主在固体中
的掺入量，而受主的存在又可以促使施主 掺入固体。 实验：将混有Cu+的ZnS在H2S气氛中长时 间焙烧，并不能得到ZnS:Cu+发光体。 如果在HCl气氛下或掺入少量NaCl，则可 以得到绿色发光体。 ClS 受主缺陷的生成可以促使施主缺陷 原因： , CuZn 溶解到ZnS中。
电离反应：
Ag K E D (6.4eV ) Ag K e' , Ag K E A (5.6eV ) Ag K h
Eg 8.5eV
Ag
K
ED Ag K 6.4eV
,
EA 5.6eV
点缺陷的局域能级
中性杂质缺陷 Ag K即可表现为施主缺陷，给
出一个电子，又可表现为受主缺陷，电离 出一个空穴，这种缺陷叫做两性缺陷 (Amphoteric defects)。
子应进入与其电负性相近的离子的位臵上。 当化合物组成元素电负性相差不大，或杂质元素 的电负性介于它们的电负性之间时，则原子的大 小等几何因素决定取代过程能否进行的主要因素。 例：各种金属间化合物或者共价化合物中，原子 半径相近的(<15%)元素可以相互取代。Si在InSb 中占据Sb位；在GaAs中，Si即可占据Ga位，又可 占据As位；Ge在InSb中占据In位，在GaSb中则 占据Sb位；Sn在GaSb中占据Ga位，在InSb中占 据In位。
固体物理学-1
复式晶格
SC + 双原子基元
fcc + 双原子基元
由同种原子构成的金刚石晶格也是复式晶格。
1 2
3
1
1
4
41
2
1
32
4
4
1 2
A类碳原子的 共价键方向
B类碳原子的 共价键方向
hcp也是复式晶格。
复式晶格包含多个等价原子，不同等价原子的简 单晶格相同。复式晶格是由等价原子的简单晶格嵌 套而成。
二、基矢和原胞 a2 0 a1
固体物理学
固体物理学的特点
一、姓名：固体物理
物理学：凝聚态物理；理论物理；粒 子与原子核物理；原子分子 物理；光学；声学；等离子 物理；无线电物理
以固体物理为核心的凝聚态物理是当代物 理学中最重要、最丰富的分支科学，其特 点在于研究人员众多，研究结果丰富多彩， 对技术发展影响广泛，与其他学科相互渗 透迅速，凝聚态物理学是由固体物理学逐 渐演变而来的。
宏观物理性质
材料的外场响应
基态：能量最低，有序态 激发态：低激发态、元激发、准粒子
（声子、准电子、空穴、极化激元、等
离激元、自旋波量子）
相互作用多粒子系统的本征态问题
五、固体物理通用教材
1 黄 昆，韩汝琦，国体物理学 高等教育出版社 1988第1版，
（根据黄 昆，固体物理学 人民教育出版社 1966版扩充改编）
12. Ashcroft, Mermin Solid State Physics 1976
六、教材内容
通论部分：
1. 晶体结构 2. 固体的结合 3. 晶格振动和热学性质
4. 晶体中的电子——能带论
5. 晶体中电子在电场和磁场中的运动 6.金属电子论
固体化学导论-单原子催化剂
单原子 分散
优越的催化性 能和选择性
单原子催化剂的优缺点
优点
缺点
• 金属用量少，成本降低 • 金属原子利用率高 • 催化性能优越 • 选择性高
• 容易团聚耦合，稳定性差 • 金属负载量低 • 大批量生产困难
单原子催化剂制备方法
质量分离软着陆法
共沉淀法
湿浸渍法
原子层沉积法
静电吸附法
水热合成法
质量分离软着陆法
CO吸附结合的原位FT-IR技术
（a）Cu/SiO2， （b）CuPd0.006/SiO2， （c）CuPd0.025/SiO2 （d）Pd0.006 / SiO2
Pei, G. X. ACS Catal. 2017, 7 (2), 1491-1500.
X射线衍射
X 射线衍射（ XRD ）用于鉴定晶相、确定晶格参数、估 算晶粒尺寸以及对混合晶相的定量分析。以同步辐射作为 XRD的X射线源具有很大优势，具有更好的信噪比，检测采 样时间大大缩短、可以测量粒度更小的样品，适于原位和时 间分辨的XRD。
单原子催化界的大牛
张涛院士 CAS
李亚栋院士 THU
李隽教授 THU
以及
未来的我 UCAS
Merry Christmas
学识有限，请大家多多指教
刘小春 2018年12月
（1）X光电子能谱（XPS）是催化研究中最常用的表征 技术之一，它能提供催化剂的元素组成、元素氧化态、某一 相在其他相的分散情况等信息。 （2）紫外光电子能谱（UPS）较少用于负载型催化剂研 究，可以用于探测金属以及吸附分子和物种中的键合，得到 价电子和价带结构特征。
红外光谱技术
红外光谱方法利用分子探针与固体表面或载体表面的相 互作用来提取关于吸附探测分子的实体性质的信息。通过监 测探头模式的振动频率和强度的变化，可以通过适当的校准 推断出催化活性中心的特性。
1.1 固体物理导论--半导体物理
—— 金刚石结构的半导体晶体
Ge、Si等
6. 几种化合物晶体的晶格
1) NaCl晶体的结构 氯化钠由Na+和Cl－结合而成 —— 一种典型的离子晶体 Na+构成面心立方格子；Cl－也构成面心立方格子
的整数倍
的倒数是晶面族中最靠近原点的晶面的截距
密勒指数 —— 标记这个晶面系 —— 以单胞的基矢为参考， 所得出的晶列指数和晶面的
密勒指数，有着重要的意义
立方晶格的几种主要晶面标记
面等效的晶面数分别为：3个 表示为
面等效的晶面数分别为：6个 表示为
面等效的晶面数分别为：4个 表示为
—— 符号相反的晶面指数只是在区别晶体的外表面时才有 意义, 在晶体内部这些面都是等效的
CsCl的复式晶格 —— CsCl结构是由两个简立方的子晶格彼此沿立方体空间 对角线位移1／2 的长度套构而成
ZnS的复式晶格 立方系的ZnS —— S和Zn分别组成面心立方结构的子晶格沿 空间对角线位移 1／4 的长度套构而成
复式晶格：任一原子A的位矢
原胞中各种等价原子之间的相对位移 —— 金刚石晶格
蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩 下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分 清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全 部清除后就可以看到设计好的电路图案。
光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光 的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材 料。 离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、 要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的 区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经 过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小 时 清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区 域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的 绿色和之前已经有所不同。
兰州大学参考书目
兰州大学2010年硕士研究生招生参考书目
说明：从2009年起，教育部提倡各招生单位不指定参考书目。
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考生可根据报考专业和考试科目自行选择相关参考书作为参考。
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《固体化学》教学大纲精选全文
可编辑修改精选全文完整版《固体化学》课程教学大纲课程名称：固体化学课程类别：专业选修课适用专业：化学考核方式：考查总学时、学分：32 学时 2 学分其中实验学时：0 学时一、课程教学目的固体化学(Solid-state Chemistry)是研究固体物质的制备、组成、结构和性质的化学分支学科。
主要针对化学专业的本科生开设。
通过对这门课程的学习，对无机材料的制备、结构确定、性能测试及其应用有一个较全面的认识，使学生能够了解固体材料的合成、结构、性质及其应用的基本原理，掌握相应的基础知识和基本技能，为今后从事化学与材料科学领域的研究工作打下必要的理论基础。
二、课程教学要求通过本课程的课堂教学，要求学生掌握晶体的坐标空间点阵结构与倒易空间点阵的变换关系；固体能带理论；固体缺陷分类以及价键类型和点缺陷之间的关系；固溶体各种反应方法的反应机理；固体的鉴定表征技术；熟悉了解一些低维固体材料的特点与应用，并对材料的磁学性能获得很好的认识。
最终通过本课程的学习，可以运用晶体结构、能带理论和点缺陷对固体材料的物理化学性质进行专业的理论分析，加深对固体材料的性质理解，为今后从事化学与材料领域的科学研究奠定理论基础。
三、先修课程《无机化学》、《分析化学》、《物理化学》、《结构化学》和《晶体化学》四、课程教学重、难点晶体的坐标空间点阵结构与倒易空间点阵的变换关系；固体能带理论；点缺陷的局域能级，价键类型与点缺陷的关系；各种反应方法的反应机理；固体鉴定表征技术的基本原理；熟悉了解目前不同二维材料的特征及其应用。
最终可以利用固体化学所学的基本理论和原理对固体材料的性质进行分析研究。
五、课程教学方法与教学手段本课程采用启发式教学，突出重点，讲透原理，理论联系实际，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力。
在教学中采用板书、电子教案及多媒体教学等相结合的教学手段，以确保全面、高质量地完成课程教学任务。
六、课程教学内容第一章结晶学基础（6学时）1. 教学内容（1）通过晶体与非晶体以及分子型物质在宏观性质和微观结构上的区别介绍晶体的基本性质；（2）重点介绍晶体结构的几何理论、倒易点阵理论、约化胞理论，介绍几种典型的晶体结构；（3）讲解晶体结构的对称性、晶体坐标空间点阵与倒易点阵的变换关系等知识。
第三章缺陷化学基础-1
( N n )! DSc k ln N ! n!
根据Stirling公式， x很大时，lnx! xlnx-x，所以
DSc = k[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn]
振动熵Sv与晶体中电子能级被占据的方式有关，所以形成n个空位 体系自由能变化为：DG＝ nDEv－T(DSc＋nDSv) nDEv－nTDSv－kT[(N+n)ln(N+n)-NlnN-nlnn] 点缺陷浓度达到平衡时，体系自由能应最小，所以应有：
在实际晶体中很可能是同时产生刃位错和螺位错。 在位错处还可能聚集着一些杂质原子，这也是一 类线缺陷。
位错理论最初是为了解释金属的塑性相变而提出 来的一种假说，20 世纪 50 年代后被实验证实
金属材料中的位错是决定金属力学性能的基本因 素。
3.1.3 面缺陷 (二维缺陷)
CaF2多晶体表面 SEM 照片，显示 出了晶界的存在。
螺位错的生长方向
3.1.2.2 螺旋位错
螺位错则是绕着一 根轴线盘旋生长起 来的。每绕轴盘旋 一周，就上升一个 晶面间距。
绕轴盘旋一周后上 升了一个晶面间距。
螺旋位错示意图
3.1.2.3 混合位错
混合位错是刃型位错和螺型位错的混合型式。 混合位错可分解为刃型位错分量和螺型位错分量，它 们分别具有刃型位错和螺型位错的特征。
按几何位置及成分分类
填隙原子 (间隙原子) 空 位 杂质原子
热缺陷
空位（vacancy）——正常结点没 有被原子或离子所占据，成为空 结点。 间隙原子（interstitial atom）——原子进入晶格中正常 结点之间的间隙位置。 置换式杂质原子（substitutional impurity atom）——外来原子进 入晶格，取代原来晶格中的原子 而进入正常结点的位置。 间隙式杂质原子（interstitial impurity atom）——外来原子进 入点阵中的间隙位置，成为杂质 原子。
结晶化学简介
7 crystal systems & 14 Bravais Lattices
单斜 三斜 六方
α
三方
β
γ
Monoclinic (P、A) a≠b≠c α=γ=90o ≠β
Triclinic (P) a≠b≠c α≠γ≠β≠90o
Hexagonal (P) a = b ≠c α=β=90o γ=120o
hcp
c/a=1.63
fcc bcc scp
后记：
密堆六方(hcp)、或密堆六方(fcc)、或次密堆立方 (bcc)是纯金属的三种典型结构。 周期表中各种金属的结构类型分布没有明显的规 律性。某种金属为什么偏好于某种结构，原因目前尚 不十分清楚。 从能量角度，点阵能计算结构显示，hcp和ccp很 接近。说明一定条件下，某种金属的结构（类型）很 可能与其原子的核外电子结构和成键要求有关。 本节要求：熟练掌握等径球fcc, hcp, bcc, scp的结 构特征，尤其是fcc和hcp。
i) 岩盐 (NaCl，rock salt or halite)结构： ——Anions ccp，O occupied; T+ and T− empty
Cl− Na+
NaCl型结构特征：阴离子ccp/fcc密堆，阳离子占据 所有八面体间隙，四面体间隙全空。结构由阴离子 fcc-lattice和阳离子fcc-lattice穿插而成，阴离子和阳 离子的尺寸差别不大。
岩盐、闪锌矿和反萤石型离子化合物，其结构都 是大的阴离子立方密堆（ccp/fcc)，阳离子占据由阴 离子形成的八面体或四面体间隙位，不同的只是： NaCl：O occupied; all T (T+ and T−) empty ZnS: T+ (or T−) occupied; O and T−(or T+) empty Antifluorite: all T (T+ and T−) occupied; O empty
第一章 绪论
从材料的推出过程可以看到，新材料的研制和 商品化涉及到许多科学门类，其中最基础的学科有 3个：
35
固体物理学：研究构成材料的固体的原子、离子及 电子运动和相互作用的一般共性规律，提出各种模 型和理论，以阐明固体的结构和性能之间的关系； 固体化学：研究固体材料中具体的各类固体物质的 合成方法、结构和表征、性质测定和应用及其相互 关联； 材料工程学：解决如何将固体物质制成可以使用的 结构材料和器件，使之具有指定的形态（如纤维、 薄膜、陶瓷体、集成块等）和规定各种结构和性能， 如具有特定的热、力、光、电、声、磁、化（学） 和生（物）功能。
8
2.材料是生产力发展的重要支柱
纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每 一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然 的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次 重大突破都会引起生产技术的革命，大大加速社会发 展的进程，给社会生产和人们生活带来巨大的变化， 把人类物质文明推向前进。 例如，没有半导体材料就没有计算机技术；没有 耐高温、高强度的特殊材料就没有航天技术；没有光 导纤维就不会有现代通讯；没有合成材料，今天的生 活还会这么丰富多彩吗？
16
中国古铜镜
17
战国青铜编钟
18
巨型司母戊鼎 （河南安阳晚商遗址）
19
（4）铁器时代 铸铁人类制造和使用第3种人造材料，我国的铁器 时代由何时开始，至今尚难断言。至迟始于春秋，距 今2700～2200年前我国已经掌握了炼铁技术，比欧洲 早1800年左右。
20
21
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
3
第一章 绪
论
4
1.1 材料的定义
材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物 质。 师昌绪主编：《材料大辞典》p.58
固体化学(第一章) 绪论
搅拌都不能使白色的4--甲基苯胺表面变蓝，即使
在饱和的CoCl2水溶液中也是如此。
44
这表明虽然使用同样的起始反应物、同样 的摩尔比，由于反应微环境的不同，从而使固、 液反应有明显的差别，有的甚至如同上例，换 一种状态进行，反应根本不发生，或者固、液
反应的产物不同。
45
室温或低温下固--固反应的四步机理: 1、固相间的扩散； 2、反应物进行固相反应； 3、反应物开始形成晶核；
固体化学发展的若干前沿领域
固体化学在推进新材料发展的同时，其本身
也随着材料科学的发展而发展。
近年来已出现了一些富有成果性的研究。如
高温超导材料、纳米材料、C60 等。
32
固体化学发展的前沿领域主要有以下六个方面：
一、固体无机化合物和新材料的新合成方法; 二、温室和低热固相化学反应; 三、超微粒子与纳米相功能材料;
料、金属间化合物、玻璃陶瓷和高温结构材料等。
37
组合化学（combinatorial chemistry）由于可 以批量合成化合物而引起科学家的广泛兴趣。 组合化学起始于20世纪 80年代，原来主要用
于药物材料的筛选上（例如作为抗癌药物的无机
配合物）。
38
现在，利用组合化学的方法可以有效地 寻找具有特殊功能的新型化合物材料，从而
2
6、稀土新材料及新流程进展---倪嘉赞,洪广言(科学出
版社,1998)
7、材料化学导论--- 邓启刚, 席慧智,刘爱东(哈尔滨工
业大学出版社,1999)
8、无机合成与制备化学--- 徐如人, 庞文琴(高等教育
出版社,2002) 9、无机固体化学---洪广言（科学技术出版社,2002）
3
第一章 绪论
固体化学-绪论
1.3固体化学的任务与作用
搞清无机材料的组成、结构及其与性能的 关系；探讨新型材料的合成与结构控制； 为材料的结构设计和性能设计奠定基础。 与相关学科和高新技术进一步交叉、融合， 丰富研究内容，革新研究手段，促进固体 化学和相关学科的发展。
2 固体化学的研究内容
固体化学：在固体物理基础上发展。基于分子的层 面上从化学的角度着重研究固体物质的化学反应、 合成方法、晶体生长、化学组成与晶体结构；研究 固体中缺陷的形成及其对固体的物理及化学性质的 影响；探讨固体物质作为材料使用的可能性。即固 体化学侧重固体性质的定性认识。 固体物理：侧重在原子的层次上研究构成固体物质 的原子、离子以及电子的运动和相互作用，提出各 种模型与理论，以阐明固体的结构和物性。即固体 物理研究固体结构与性质的定量关系。
现在，利用组合化学的方法可以有效地 寻找具有特殊功能的新型化合物材料，从而 在光学、电学、磁学材料中具有广阔的应用 前景。
3.2 温室和低热固相化学反应
“固相化学反应只能在高温下发生”这一认 识，在化学家的头脑中已根深蒂固，而事实上许
多固相反应在低温下便可发生。
研究低温固相反应并用其开发其合成材料的
磁共振仪、超导线材)。
研究发现，YBaCuO是一个非化学计量比的、具有氧空 位的ABO3型钙钛矿型层状结构的化合物。其结构图如下：
由于三价稀土 离子和二价碱土金 属离子在A位的不 等价取代，导致B 位的铜产生Cu2+和 Cu+的混合价态， 离域的载流子沿层 Ca 状的CuO面输运而 产生超导现象，成 为空穴型的高温超 导体。
此方法的缺点:
反应温度过高(大于 1400 ℃)；
消耗能量大；
反应过程难于控制；
结晶化学简介(陈春华).
Trigonal (R) a=b=c α=β=γ ≠90o < 120o
晶体结构的描述：
晶胞：高度抽象，但不够形像（3-D结构特征)。 3-D结构描述方法： ¾ 等径球密堆 (close packing) ：导向因素是结构中球形粒子 堆积密度最大化。金属结构描述（hcp，fcc，bcc等） ¾ 配位多面体堆积 (space-filling polyhedra) ：强调结构中阳 离子与阴离子的配位关系，3D堆砌配位多面体（离子晶体、 共价键晶体结构描述）。 ¾ 价键网络 (covalent network) ：突出中心原子与相邻原子 之间的价键连接关系（共价键晶体结构描述）。
2rA−O t= , 1 < t ≤ 1.06 2rB −O
Case III： 12配位A离子更小，但满足：
t=
2 R A− O 2 RB − O
, 0 .85 ≤ t < 0 .9
——稳定的正交或单斜结构。
如果 t<0.85 或 t > 1.06, ABO3将不再呈钙钛矿型结构。 例如：LiNbO3和FeTiO3，结构为O=-hcp，两种阳离子 都是6配位，占据2/3的八面体空隙。
第 3 章：结晶化学(回顾)
第1节：几个基本概念
1. 晶体（Crystal）：原子、离子、分子三维周期排 列所构 成的集合体。 2. 点阵、晶格 (Lattice) 、格点( Lattice point) 点阵、 3. 晶胞（Unit cell）： The smallest repeatingunit which shows the full symmetry of the crystal structure.格位 (Lattice site)原子坐标(a,b,c)晶面指数[ h k l ]晶向指数(h k l） 4. 晶体的宏观对称性：7个晶系，14种平移群，32点群 5. 晶体的微观对称性：230 space groups 6. 结构： Structure and Texture
材料化学导论第6章-固体的磁性和磁性材料
96第6章 固体的磁性和磁性材料§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念6.1.1 固体的磁性质某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。
这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。
因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。
它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。
我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。
在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。
图6.1就说明这些情形。
(b)(d)(c)图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性a 抗磁性b 铁磁性c 反铁磁性d 亚铁磁性磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。
6.1.2 磁学基本概念1．物质在磁场中的行为97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。
如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：B = H + 4πI 6.1.1导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = HB = 1 + 4πK 6.1.2 K = HI 6.1.3 摩尔磁化率χ为χ= dM κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。
根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。
济南大学化学类专业导论
专业导论专业化学类班级化学1107学生xxx学号201x0222xxx任课教师罗川南、任皞、盛永丽成绩二O一二年一月四日一、应用化学专业方向（35分）1. 济南大学化学化工学院的我院应用化学专业培养目标是什么？答：本专业培养德、智、体全面发展，人文素质与科学素养深厚，基础扎实、实践能力强、具备创新精神的高级复合性应用人才。
毕业生可在研究部门、高新技术产业、大型企业、环保、医药、质检等部门胜任化学、化工及相关学科领域的科研、开发、原料及生成过程质量控制、产品分析、教学以及管理等工作。
2. 济南大学化学化工学院的应用化学专业特色及优势什么？专业特色：①以分析化学为基础，在工业分析和应用电化学专业方向上培养具有扎实的理论基础和较强应用开发能力的专业人才。
②根据自身的特点和培养目标，提出：“实基础、重专业、突特色、强能力、高素质”的人才培养模式。
③在专业教学中突出学生实践能力的培养，实施大学生创新计划和本科生导师制，开展第二课堂活动，创新成果显著。
专业优势：①工业分析与应用电化学特色方向形成了特色人才培养模式。
②以学科建设与省级特色专业带动专业发展，以学科发展支撑专业建设。
③在专业建设中形成了一支有省级学术带头人和专业特聘教授负责制的、富有创新的、高素质的专业师资队伍。
3. 对应用化学专业学生有些什么要求？答：本专业学生主要学习化学方面的基础知识、基本理论、基本技能以及相关的工程技术知识，受到基础研究和应用基础研究方面的科学思维和科学实验训练，具有较好的科学素养，具备运用所学知识和实验技能进行应用研究、技术开发和科技管理的基本技能。
毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1. 掌握数学、物理、化学等方面基本理论、基本知识；掌握无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、结构化学、仪器分析、化工原理的基础知识、基本原理和基本实验技能；2. 熟练掌握一门外语，能较顺利地阅读本专业的外文资料且有一定的听、说、读、写能力；掌握中外文献资料查询与检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；3. 具有较好的科学素养，具备运用所学理论知识和实验技能进行应用研究、技术开发、教学和科技管理的基本能力；具有一定的创新精神和独立获取新知识的能力；具有一定的设计实验、创造实验条件进行实验的能力；归纳、整理、分析实验结果、撰写论文、参与学术交流的能力；4.了解化学理论前沿、应用前景、最新发展动态以及与应用化学相关产业的发展状况；了解国家关于科学技术、化学相关产业、知识产权等方面的政策和法规；5.了解相近专业的一般原理和知识；6.具有一定的计算机文化、技术及应用基础，较熟练掌握计算机的一般操作。
表面物理化学01
表面及表面科学
固体材料及其表面 固体材料是指能承受应力的刚体材料，在室温下其原子在相对的固定位置上 振动。从物质结构形态上看，可分为晶体、非晶体。晶体中的分子、原子、 离子在三维空间呈周期性规则排列，存在长程的几何有序。非晶体包括玻璃 金属(非晶态金属)、玻璃、非晶态半导体和某些高分子聚合物。其内部分子、 原子、离子在三维空间排列无长程序，因化学键的作用，在1 2nm内，原 子间距和成键键角等有一定特征，即所谓的短程序。 工程技术普遍使用固体材料。如果按其在工程技术中所起的作用来分，可 分为结构材料和功能材料两类。结构材料以力学性能为主用来制造工程构 件，机械零件，工具、模具以及机械装备中的大型件等等；而功能材料是 利用该材料的各种物理化学特性及对各种外界环境条件下的敏感反应，以 实现能量转换、信息处理或某些特殊的力学性能的材料。常用来制备各种 仪器、设备中具有独特功能的关键部件。
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有： 1.气-液界面
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
表面和界面(surface and interface)
4.固-固界面
“God made solids, but surfaces were the work of the devil !”。
_____Wolfgang E. Pauli (泡利)
本课程主要内容
物质表面 固－液界面与润湿 固－固界面与粘附 表面的蒸发和凝聚 固体表面吸附 固体表面扩散 表面化学反应 表面电子结构 薄膜制备技术和薄膜材料的应用 表面改性与功能材料 表面研究方法及应用
固体化学
第零章 绪言 1 物质的流动性和固体性 2 晶体的宏观特征 3 晶体的微观特征 4 非晶体的宏观特征 5 非晶体的微观特征 第一章 凝聚系统相图及其应用 1 相，相变与晶型转变 2 可逆与不可逆晶型转变 3 SiO2的晶型转变 4 晶型转变的控制 5 凝聚态二元系统相图 6 三元系统相图简介及其应用
§ 0- 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, , ,
• 晶体的微观特征为：短程有序，长程也 有序，具有点阵结构。
第零章
绪言
• §0-1 物质的流动性和固体性 • 固体：分子或原子处于完全确定的平衡 位置作热振动。具有确定的形状和稳定 的结构即固体性。 • 气体：分子或原子不停地，自由地作长 距离运动即流动性。 • 无确定的体积和形状 • 液体：有一定的体积但无确定的形状
途径（1）以足够低的冷却速度降温，准平 衡态 途径（2）以足够快的冷却速度降温，非平 衡态
（4）晶型转变的体 积效应 • 克-克方程：
重构式转变 温度/K 体积效 应/% 1273 +16.0 1273 1273 +15 .4 +15 .5
• • V>0：热膨胀； V<0; 热收缩.
dp H dt TV H>0:从低温向高温的摩尔晶型转变热；
位移式转变 温度 /K 体积效 应/% +0 .82 +0 .2 +0 .2
• 2 请在SiO2系统相图中，分别找出2个可 逆晶型转变和2个不可逆晶型转变的例子， 并说明理由。 • 3 试根据SiO2系统相图说明（1）为什么 在自然界中最常见的SiO2变体是-石英？ （2）为什么在火山口附近可以找到已经 存在了几万年的鳞石英和方石英？
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人类社会文明程度是与合成及使用的材料先进程度密切相关的。
3. 固体物质的分类
从原子排列的有序程度：晶体、非晶体 从原子之间结合力（化学键）：离子晶体、共价（原子）晶体、 金属晶体、分子晶体
NaCl离子晶体
InSb共价晶体
金属晶体
Ar分子晶体
第二章 固体化学的理论基础 1. 固体-晶体与非晶体 • 物质的流动性和固体性 • 固体：分子或原子处于完全确定的平衡 位置作热振动。具有确定的形状和稳定 的结构即固体性。 • 气体：分子或原子不停地，自由地作长 距离运动即流动性。 • 无确定的体积和形状 • 液体：有一定的体积但无确定的形状
第九章 固体化学中的实验方法 1. 固体物质的提纯方法 2. 固体物质的组成分析 3. 固体物质的结构分析 4. XRD技术简介
第十章 离子电导和固体电解质 第十一章 固体的电性质和能带理论简介 第十二章 光性质：发光与激光
第十三章 固溶体 第十四章 相图基础 第十五章 有机固体化学简介
1. 固体化学的任务
第一章 绪论
固体化学是研究固体物质的制备、组成、结构和性质的科学，是物 理科学的一个分支。在工程技术上是固体科学的一个领域，与 固体物理、材料工程学、陶瓷学、矿物冶金学等相互融合，构 成现代固体科学技术，担负着解决新材料的科学技术问题。 固体化学与材料科学：理论基础与实际应用相结合幻灯片 9
固体化学与固体物理 固体物理侧重研究构成固体的原子、离子及电子的运动和相互作用， 提出理论模型，阐明固体的结构和物性。固体化学则侧重实际 固体的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成和晶体结构， 研究固体中的缺陷及其对物质的物理和化学性质的影响。探索 固体物质作为材料应用的可能性。 固体化学研究内容广泛，包括化学合成、结构、热力学、电光磁等 理论和实验方面的研究。Journal of Solid State Chemistry
三维点阵、结构基元：NaCl
点阵参数： NaCl结构类型的晶胞 a, b, c, , ,
• 晶体的微观特征为：短程有序，长程也有序， 具有点阵结构。
a1 a2 R=2a1+2a2
2.2 晶向、晶面和表示法
设想在晶格中任取一点O作为原点，并以基失a、b、c 为 轴建立坐标系，于是在此通过原点的晶列上，沿晶向方 向任一格点A的位失为R=α a + β b + γ c 则晶向就用 α、β、γ来表示，写成[ α β γ ]。标志晶向的 这组数成为晶曾，北京大 学出版社。 • 2、固体化学及其应用，A.R.West著， 苏勉曾等译，复旦大学出版社。 • 3、材料化学导论，唐小真，高等教 育出版社。
第一章 绪论 1. 固体化学的任务 2. 固体物质的分类
目录
第二章 固体化学的理论基础 1. 固体-晶体与非晶体 2. 晶体的微观结构
[2 1 0] a2 a1 [1 1 0]
[2 1 0]
[1 2 0]
由于晶体具有对称性，有对称性联系着的那些晶向可以 方向不同，但它们的周期却相同，因而是等效的，这些 等效晶向的全体可用尖括号< α β γ >来表示。如[100]、 [010]、[001]及其相反晶向就可以用<100>表示。
固体化学中基本化学问题
在化学家参与新材料研制和推出之前，新材料的研制基本上采用各 种尝试法——把各种组分依照无理论指导的配比加成，再根据性能 要求来取舍。我们知道，每种材料的特定结构决定它的特定功能和 用途。它们的原始基础在于构成它们的分子结构，而实际功能则还 取决于由分子构成的宏观物质的状态和结构。化学在研究开发新材 料中一个作用就是用化学理论和方法研究功能分子以及由功能分子 构筑的材料的结构和功能关系，使人们能够设计新型材料。另外合 成化学提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计 结构的材料。在20 世纪后期有两个动向： 一是具有特定功能的先进材料变得越来越重要；二是高级材料对于 特殊物理性质和材料的高级结构的依赖性增加。因此，未来固体化 学发展的基本问题有以下两方面：
2. 晶体的微观特征
2.1 空间点阵
空间点阵
空间点阵是实际晶体结构的数学抽象，是一种空 间几何构图。它突出了晶体结构中微粒排列的周 期性这个基本特点。
结构基元
晶体结构-空间点阵
• 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,
气体 液体
降温
固体
途径（1）以足够低的冷却速度降温，准平衡态 途径（2）以足够快的冷却速度降温，非平衡态
1.1 晶体的宏观特征 （1）规则的几何外形
所有晶体均自发的形成封闭的几何多面体外形，表 明晶体内部结构是规则的。晶体的结晶形貌除了与 晶体结构有关以外，还受晶体生长条件影响。
（2）晶面角守恒：
第三章 离子键和离子晶体 第四章 共价键和原子晶体
第五章 金属键和金属晶体
第六章 固体中的点缺陷及缺陷化学 1. 缺陷的分类机表示符号 2. 缺陷的化学表达式 3. 非整比化合物 第七章 固体中的扩散 1. 固体中的扩散机理 2. 空位扩散、自扩散和互扩散 3. 扩散和离子电导 第八章 固体表面化学 1. 表面的热力学性质及比表面自由能估算 2. 表面扩散、蒸发、吸附、凝聚 3. 表面化学反应
晶面夹角（或交角）守恒定律
晶体的自范性 F(晶面数）+V（顶点数） = E (晶棱数） +2
（3）晶体有固定的熔点。
晶体的熔化有固定熔点，而 非晶体的熔化过程是随着温 度升高逐渐完成的
（4）物理性质的异向性
云母
玻璃
1.2 晶体-非晶体之间的转化
非晶态向晶态转化：热力学亚稳态，自发进行； 克服能垒。从非晶态向晶态的转变带有突变的特 征，伴随体积和热量变化。
1. 分子结构—分子聚集体高级结构—材料结构—理化 性能—功能之间的关系 掌握这些关系便可以减少盲目性，增加命中率。还需要 建立测定高级结构的方法，研究理化性能和功能与高级 结构的关系。 2. 合成功能分子与构筑高级结构的理论与方法的研究 如何构筑有序的高级结构是一个新的合成化学问题。或 是在合成结构单元的时候，如何能够自组装成为所需的 高级结构；或是在获得功能分子之后，再组装为材料。