1、第第 3 章章 晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Crystal Structure晶晶 體體非晶體非晶體原子核原子核電電 子子分分 子子物物 質(zhì)質(zhì)原原 子子化學(xué)鍵化學(xué)鍵分子分子間作間作用力用力氣氣 態(tài)態(tài)液液 態(tài)態(tài)固固 態(tài)態(tài)化學(xué)鍵化學(xué)鍵粒子排列的有序程度粒子排列的有序程度 本章教學(xué)要求本章教學(xué)要求3了解晶體結(jié)構(gòu)對物質(zhì)性質(zhì)的影響了解晶體結(jié)構(gòu)對物質(zhì)性質(zhì)的影響1了解晶體和非晶體的宏觀特征了解晶體和非晶體的宏觀特征2了解晶體的微觀特征及基本類型了解晶體的微觀特征及基本類型3.1.1 3.1.1 晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性3.1.2 3.1.2 晶體的微觀結(jié)構(gòu)晶體的微觀結(jié)構(gòu)3.1.3 3.1.3 單晶體和多晶體單晶體和

2、多晶體3.1 晶體的基本知識晶體的基本知識3.1.13.1.1晶體的宏觀特性晶體的宏觀特性晶體：晶體： 一定的幾何外形一定的幾何外形 固定的熔點(diǎn)固定的熔點(diǎn) 各向異性各向異性非晶體：非晶體： 無一定的幾何外形無一定的幾何外形 無固定的熔點(diǎn)無固定的熔點(diǎn) 各向同性各向同性 424POHNH2SiO金剛石金剛石季季戊戊四四醇醇晶體具有晶體具有規(guī)則的幾何構(gòu)形規(guī)則的幾何構(gòu)形，這是晶體最明，這是晶體最明顯的特征，同一種晶體由于生成條件的不顯的特征，同一種晶體由于生成條件的不同，外形上可能差別，但晶體的晶面角同，外形上可能差別，但晶體的晶面角（interfacial anglt）卻不會改變。）卻不會改變。鉆石

3、鉆石晶體晶體玻璃玻璃非晶體非晶體晶體都有晶體都有固定的熔點(diǎn)固定的熔點(diǎn)，非晶體在加熱時卻，非晶體在加熱時卻是先軟化，后粘度逐漸小，最后變成液體。是先軟化，后粘度逐漸小，最后變成液體。min/tCTO/.p .m3. 晶體表現(xiàn)晶體表現(xiàn)各向異性各向異性，例如熱、光、電、，例如熱、光、電、硬度等常因晶體取向不同而異；而非晶體硬度等常因晶體取向不同而異；而非晶體則為各向同性。則為各向同性。例：云母沿層狀結(jié)構(gòu)方向易被剝離例：云母沿層狀結(jié)構(gòu)方向易被剝離 石墨層內(nèi)導(dǎo)電率比層間高一萬倍石墨層內(nèi)導(dǎo)電率比層間高一萬倍宏觀上判斷晶體與非晶體，應(yīng)綜合以上三方面宏觀上判斷晶體與非晶體，應(yīng)綜合以上三方面的特點(diǎn)來考察，單從一

4、方面進(jìn)行判斷是不充分的特點(diǎn)來考察，單從一方面進(jìn)行判斷是不充分的。的。為什么晶體與非晶體上存在如此大的差異？為什么晶體與非晶體上存在如此大的差異？內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同（結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)）（結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)）如何探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)？如何探測內(nèi)部結(jié)構(gòu)？衍射實驗衍射實驗（X-ray衍射）衍射）從熱力學(xué)的角度看從熱力學(xué)的角度看晶體一般都具有最低能量，因而較為穩(wěn)定；非晶晶體一般都具有最低能量，因而較為穩(wěn)定；非晶體一般能量較高都處于介穩(wěn)或亞穩(wěn)態(tài)。體一般能量較高都處于介穩(wěn)或亞穩(wěn)態(tài)。晶體和非晶體之間無絕對界線晶體和非晶體之間無絕對界線同一物質(zhì)在不同條件下既可形成晶體，又可形成同一物質(zhì)在不同條件

5、下既可形成晶體，又可形成非晶體，彼此之間在一定條件下可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。非晶體，彼此之間在一定條件下可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。關(guān)于晶體與非晶體關(guān)于晶體與非晶體3.1.2 3.1.2 晶體的微觀結(jié)構(gòu)晶體的微觀結(jié)構(gòu)1. 晶格晶格(lattice) 組成晶體的粒子有規(guī)則地排列在空間的一定組成晶體的粒子有規(guī)則地排列在空間的一定的點(diǎn)上，這些點(diǎn)的總和的點(diǎn)上，這些點(diǎn)的總和晶格晶格（或點(diǎn)陣）（或點(diǎn)陣） 晶格在空間的排列呈現(xiàn)出有晶格在空間的排列呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性規(guī)律的周期性。排有粒子的點(diǎn)稱為晶格的結(jié)點(diǎn)。排有粒子的點(diǎn)稱為晶格的結(jié)點(diǎn)。直線點(diǎn)陣直線點(diǎn)陣平面點(diǎn)陣平面點(diǎn)陣平面格子平面格子空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣空間格子空間格子（晶格）（晶格）2

6、. 晶胞晶胞(unit cell) 在晶格中，能表現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)一切特征的最小在晶格中，能表現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)一切特征的最小部分稱為部分稱為晶胞晶胞。晶胞是充分反映晶體對稱性的基晶胞是充分反映晶體對稱性的基本結(jié)構(gòu)單位，其在三維空間本結(jié)構(gòu)單位，其在三維空間有規(guī)則地重復(fù)排列有規(guī)則地重復(fù)排列便便組成了晶格（晶體）。組成了晶格（晶體）。晶格晶格 晶胞晶胞（平行六面體）（平行六面體）質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn) 晶胞的大小和形狀由六個參數(shù)決定，稱為晶胞的大小和形狀由六個參數(shù)決定，稱為晶胞參晶胞參數(shù)數(shù)或點(diǎn)陣參數(shù)?；螯c(diǎn)陣參數(shù)。a、b、c不一定相等也不一定垂直不一定相等也不一定垂直3. 晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)(unit cell paramete

7、r) 按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種晶系晶系晶系晶系邊長邊長角度角度實例實例立方晶系立方晶系a=b=c=90巖鹽巖鹽(NaCl)四方晶系四方晶系a=bc=90白錫白錫六方晶系六方晶系a=bc=90=120石墨石墨三方晶系三方晶系a=b=c=90(90單斜硫單斜硫三斜晶系三斜晶系a b c重鉻酸鉀重鉻酸鉀注：對稱性從上到下逐漸降低注：對稱性從上到下逐漸降低bac立方立方abc四方四方bac正交正交cba三方三方六方六方bacabc單斜單斜bac三斜三斜與晶系對應(yīng)的晶胞與晶系對應(yīng)的晶胞 簡單格子（簡單格子（P）：僅在單位平行六面體的：僅在單位平行六面體的8個頂角個頂角

8、上有結(jié)點(diǎn)；上有結(jié)點(diǎn)； 底心格子（底心格子（C）：除：除8個頂角上有結(jié)點(diǎn)外，平行六個頂角上有結(jié)點(diǎn)外，平行六面體上、下兩個平行面的中心各有一個結(jié)點(diǎn)；面體上、下兩個平行面的中心各有一個結(jié)點(diǎn)； 體心格子（體心格子（I）：除：除8個頂角上有結(jié)點(diǎn)外，平行六個頂角上有結(jié)點(diǎn)外，平行六面體的體心還有一個結(jié)點(diǎn)；面體的體心還有一個結(jié)點(diǎn)； 面心格子（面心格子（F）：除：除8個頂角有結(jié)點(diǎn)外，平行六面?zhèn)€頂角有結(jié)點(diǎn)外，平行六面體的體的6個面的面心上都有一個結(jié)點(diǎn)。個面的面心上都有一個結(jié)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)在晶胞上的分布類型質(zhì)點(diǎn)在晶胞上的分布類型六方H三方R四方P四方I立方P立方I立方F三斜Pb單斜P單斜C正交P正交C正交F正交I七個晶系

9、中又包含十四種晶七個晶系中又包含十四種晶格格單晶體單晶體：由一個晶核（微小的晶體）各向均勻生長而成由一個晶核（微小的晶體）各向均勻生長而成的晶體。其內(nèi)部的粒子基本上是按照某種規(guī)律的晶體。其內(nèi)部的粒子基本上是按照某種規(guī)律整齊排列的。整齊排列的。多晶體多晶體：由多個單晶體顆粒雜亂地聚結(jié)而成的晶體。由由多個單晶體顆粒雜亂地聚結(jié)而成的晶體。由于單晶體的雜亂排列，使晶體的各向異性消失。于單晶體的雜亂排列，使晶體的各向異性消失。3.1.3 3.1.3 單晶體和多晶體單晶體和多晶體金屬晶體金屬晶體離子晶體離子晶體原子晶體原子晶體3.2 晶體的基本類型晶體的基本類型分子晶體分子晶體混合晶體混合晶體 根據(jù)晶體中

10、質(zhì)點(diǎn)以及質(zhì)點(diǎn)之間的作用力，根據(jù)晶體中質(zhì)點(diǎn)以及質(zhì)點(diǎn)之間的作用力，可以把晶體分為：可以把晶體分為： 金屬晶體中金屬原子是通過金屬鍵結(jié)合金屬晶體中金屬原子是通過金屬鍵結(jié)合在一起的。金屬正離子進(jìn)行堆積排列，而所在一起的。金屬正離子進(jìn)行堆積排列，而所有的自由電子則通過靜電力把正離子有的自由電子則通過靜電力把正離子“膠合膠合”起來，這種起來，這種”膠合膠合“作用就是作用就是金屬鍵金屬鍵。3.2.1 金屬晶體金屬晶體 金屬晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上排列著金屬晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上排列著金屬原子金屬原子，晶格，晶格結(jié)點(diǎn)間以結(jié)點(diǎn)間以金屬鍵金屬鍵相結(jié)合；相結(jié)合； 金屬鍵金屬鍵沒有方向性、飽和性沒有方向性、飽和性，金屬晶體的結(jié)

11、構(gòu)可，金屬晶體的結(jié)構(gòu)可以看作等徑圓球的密堆積；以看作等徑圓球的密堆積； 金屬晶體中金屬原子的金屬晶體中金屬原子的配位數(shù)高配位數(shù)高； 不同的金屬單質(zhì)，可能有不同的晶格類型，同種不同的金屬單質(zhì)，可能有不同的晶格類型，同種金屬在不同的溫度下，也可能發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)金屬在不同的溫度下，也可能發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變。變。金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 如果將等徑園球在一平面上排列，有兩種排布方如果將等徑園球在一平面上排列，有兩種排布方式，如圖：按（式，如圖：按（a）圖方式排列，園球周圍剩余）圖方式排列，園球周圍剩余空隙最小，空隙最小，稱為稱為密置層密置層；按（；按（b）圖方式排列，）圖方式排列，剩余的空隙較大

12、，稱為剩余的空隙較大，稱為非密置層非密置層。由密置層按一。由密置層按一定方式堆積起來的結(jié)構(gòu)稱為定方式堆積起來的結(jié)構(gòu)稱為密堆積結(jié)構(gòu)密堆積結(jié)構(gòu)。ab密置層與非密置層密置層與非密置層金屬晶體中粒子的排列方式常見的有三種金屬晶體中粒子的排列方式常見的有三種 體心立方密堆積體心立方密堆積面心立方最密堆積面心立方最密堆積六方最密堆積六方最密堆積( (a a) )( (b b) )( (c c) ) 三三種種類類型型密密堆堆積積的的晶晶胞胞金屬晶體的性質(zhì)金屬晶體的性質(zhì)1. 有金屬光澤有金屬光澤, ,對光不透明對光不透明2. 具有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)具有較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)3. 較大的硬度較大的硬度, ,較好的延展性

13、較好的延展性4. 具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力 離子晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上交替排列著正負(fù)離離子晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上交替排列著正負(fù)離子，正負(fù)離子間以子，正負(fù)離子間以離子鍵離子鍵相結(jié)合。相結(jié)合。離子晶體的堆積方式也采取緊密堆積方式離子晶體的堆積方式也采取緊密堆積方式各離子周圍排列的是帶異號電荷的離子各離子周圍排列的是帶異號電荷的離子3.2.2 離子晶體離子晶體陰離子：大球，密堆積，形成空隙。陰離子：大球，密堆積，形成空隙。陽離子：小球，填充空隙。陽離子：小球，填充空隙。規(guī)則：陰陽離子相互接觸；配位數(shù)大，穩(wěn)定。規(guī)則：陰陽離子相互接觸；配位數(shù)大，穩(wěn)定。（1 1）離子晶體的熔點(diǎn)較高，硬度較

14、大，難揮發(fā)）離子晶體的熔點(diǎn)較高，硬度較大，難揮發(fā)（2 2）離子晶體在溶于水或熔融時，可以導(dǎo)電）離子晶體在溶于水或熔融時，可以導(dǎo)電（3 3）離子晶體一般較脆）離子晶體一般較脆（4 4）離子晶體物質(zhì)一般較易溶于水）離子晶體物質(zhì)一般較易溶于水離子晶體的性質(zhì)離子晶體的性質(zhì)三種典型的離子晶體三種典型的離子晶體NaCl型型晶胞中離子的個數(shù)：晶胞中離子的個數(shù)：個：414112 Na個：4216818 Cl晶格：面心立方晶格：面心立方配位比：配位比：6:66:6(紅球紅球：Na+ , 綠球綠球：Cl-)CsCl型型晶胞中離子的個數(shù)：晶胞中離子的個數(shù)：個： 1 Cs個：1818 Cl-(紅球紅球：Cs+ , 綠

15、球綠球：Cl-)晶格：簡單立方晶格：簡單立方配位比：配位比： 8:8晶胞中離子的個數(shù)：晶胞中離子的個數(shù)：個： 4 Zn2個：4818216 S-2ZnS型型(立方型立方型)晶格：面心立方晶格：面心立方(紅球紅球：Zn2+ , 綠球綠球：S2-)配位比：配位比：4:4 原子晶體中晶格結(jié)點(diǎn)上排列著原子，晶格結(jié)原子晶體中晶格結(jié)點(diǎn)上排列著原子，晶格結(jié)點(diǎn)間以共價鍵結(jié)合。點(diǎn)間以共價鍵結(jié)合。 原子晶體具有熔點(diǎn)高、硬度大的特點(diǎn)。3.2.3 原子晶體原子晶體原子晶體的結(jié)構(gòu)：原子晶體的結(jié)構(gòu)：原子晶體的性質(zhì)：原子晶體的性質(zhì)：金剛石的晶體結(jié)構(gòu)金剛石的晶體結(jié)構(gòu)金剛石的晶胞金剛石的晶胞石英的晶體結(jié)構(gòu)與晶胞石英的晶體結(jié)構(gòu)與

16、晶胞SiO 在分子晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上排列著分子，晶在分子晶體中，晶格結(jié)點(diǎn)上排列著分子，晶格結(jié)點(diǎn)以微弱的分子間力結(jié)合。格結(jié)點(diǎn)以微弱的分子間力結(jié)合。分子晶體物質(zhì)一般熔點(diǎn)低，硬度小，易揮發(fā)。分子晶體物質(zhì)一般熔點(diǎn)低，硬度小，易揮發(fā)。3.2.4 分子晶體分子晶體的結(jié)構(gòu)：分子晶體的結(jié)構(gòu)：分子晶體的性質(zhì)：分子晶體的性質(zhì)：干冰及其晶胞干冰及其晶胞離子晶體離子晶體原子晶體原子晶體分子晶體分子晶體金屬晶體金屬晶體粒子粒子正、負(fù)離子正、負(fù)離子原子原子分子分子金屬原子、金屬原子、正離子正離子結(jié)合力結(jié)合力離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵分子間力分子間力金屬鍵金屬鍵熔、沸點(diǎn)熔、沸點(diǎn) 高高很高很高低低高高硬度硬度硬硬很硬很硬軟軟硬

17、硬機(jī)械性能機(jī)械性能脆脆很脆很脆弱弱有延展性有延展性導(dǎo)電、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 良好（熔良好（熔融及水溶液）融及水溶液）非導(dǎo)體非導(dǎo)體非導(dǎo)體非導(dǎo)體良好良好實例實例NaCl， KCl金剛石、金剛石、SiCCO2， I2 W， Ag， Cu晶體類型小結(jié)晶體類型小結(jié) 晶體內(nèi)晶格結(jié)點(diǎn)之間存在兩種或兩種以晶體內(nèi)晶格結(jié)點(diǎn)之間存在兩種或兩種以上的作用力，這種晶體就稱為上的作用力，這種晶體就稱為混合晶體混合晶體。3.2.5 混合晶體混合晶體層狀晶體（石墨、云母、黑磷）層狀晶體（石墨、云母、黑磷）鏈狀晶體（石棉）鏈狀晶體（石棉）層狀晶體層狀晶體 石墨石墨C為為sp2雜化，同一平面的雜化，同一平面的C形成離域大形成離域

18、大 鍵鍵沿層面導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力好沿層面導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力好熔點(diǎn)高，性質(zhì)穩(wěn)定熔點(diǎn)高，性質(zhì)穩(wěn)定兼具原子晶體、金屬晶體和分子兼具原子晶體、金屬晶體和分子晶體特征晶體特征pm142pm340鏈狀晶體鏈狀晶體 石棉石棉是鎂、鐵、鈣硅酸鹽礦是鎂、鐵、鈣硅酸鹽礦物的總稱。鏈內(nèi)硅氧原子間物的總稱。鏈內(nèi)硅氧原子間為帶共價性的離子鍵，鏈狀為帶共價性的離子鍵，鏈狀陰離子之間通過相隔較遠(yuǎn)的陰離子之間通過相隔較遠(yuǎn)的金屬陽離子以離子鍵相結(jié)，金屬陽離子以離子鍵相結(jié)，因此鏈間結(jié)合力比鏈內(nèi)結(jié)合因此鏈間結(jié)合力比鏈內(nèi)結(jié)合力弱，故解離時易形成纖維。力弱，故解離時易形成纖維。非晶體、準(zhǔn)晶體、液晶、納米材料、非晶體、準(zhǔn)晶體、液晶、納米材料、等

19、離子體等等離子體等3.2.6 物質(zhì)的其它聚集形態(tài)物質(zhì)的其它聚集形態(tài)非晶體非晶體 非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性特點(diǎn)，而非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性特點(diǎn)，而是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明膠等等。非晶體不具有晶體物質(zhì)的共性，膠等等。非晶體不具有晶體物質(zhì)的共性，某些非晶態(tài)物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì)。某些非晶態(tài)物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì)。準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體 準(zhǔn)晶體是準(zhǔn)晶體是1984年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體

20、所應(yīng)有的平移對稱性，因而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。液液 晶晶 “液晶液晶”被發(fā)現(xiàn)至今約一百多年，但近二十多年來才被發(fā)現(xiàn)至今約一百多年，但近二十多年來才獲得了迅速的發(fā)展，這是因為液晶材料的獲得了迅速的發(fā)展，這是因為液晶材料的光電效應(yīng)光電效應(yīng)被被發(fā)現(xiàn)，因而被廣泛地應(yīng)用在需低電壓和輕薄短小的顯發(fā)現(xiàn)，因而被廣泛地應(yīng)用在需低電壓和輕薄短小的顯示組件上，因此它一躍成為一熱門的科學(xué)研究及應(yīng)用示組件上，因此它一躍成為一熱門的科學(xué)研究及應(yīng)用的主題。目前己被廣泛使用于電子表，計算器和計算的主題。目前己被廣泛使用于電子表，計算器和計算機(jī)顯示屏幕上，液晶逐漸成為機(jī)顯示屏幕上，液晶逐漸成為顯示工業(yè)上不可或缺的顯示工業(yè)上不可或缺的重要材料重要材料。 它的力學(xué)性質(zhì)像液體，可以自由