材料科學基礎-§2-2 常見的晶體結構ppt課件

2-2常見的晶體結構,1.原子半徑和離子半徑原子半徑或離子半徑的概念根據(jù)波動力學的觀點，原子或離子圍繞核運動的電子在空間形成一個電磁場，其作用范圍可視為球形。這個球形的大小可視為原子或離子的體積，球的半徑即為原子半徑或離子半徑。原子或離子有效半徑的概念原子或離子在晶體結構中處于相接觸時的半徑。這種狀態(tài)下，離子或原子間的靜電吸引和排斥作用達到平衡。,一.晶體化學基本原理,1,有效半徑的確定金屬晶體兩個相鄰原子中心距的一半。離子晶體一對相鄰接觸的陰、陽離子的中心距為離子半徑之和。共價晶體兩個相鄰鍵合離子的中心距為兩離子的共價半徑之和。,原子或離子半徑是晶體學中的重要參數(shù)原子或離子半徑大小對結構中質點排列方式影響很大。原子或離子半徑的概念并不十分嚴格，一種原子在不同的晶體中，與不同的元素相結合，其半徑可能發(fā)生變化。離子晶體中存在極化，常是電子云向正離子方向移動，導致正離子的作用范圍變大，而負離子作用范圍要變小。共價鍵的增強和配位數(shù)的減少都可使原子或離子間距離縮短，從而相應使半徑減少。,2,2.球體緊密堆積原理球體最緊密堆積的基本類型單一質點的等大球體最緊密堆積，如純金屬晶體。幾種質點的不等大球體的緊密堆積，如離子晶體。等大球體的最密堆積等大球體的最緊密排列平面有如圖的形式。在A球的周圍有六個球相鄰接觸，每三個球圍成一個空隙。其中一半是尖角向上的B空隙，另一半是尖角向下的C空隙，兩種空隙相間分布。,3,B,C,4,六方緊密堆積,5,面心立方緊密堆積,6,密堆積層間的兩類空隙,四面體空隙：一層的三個球與上或下層密堆積的球間的空隙。,八面體空隙：三層六個球空間排列形成的球間的空隙。,7,八面體空隙多面體和四面體空隙多面體,8,不等大球體的緊密堆積對不等大球體堆積，可看成較大的球體作等大球體的密堆積，而較小的球按其大小，充填在八面體或四面體空隙中，形成不等大球體的緊密堆積。這種堆積方式，在離子晶體構造中相當于半徑較大的陰離子作密堆積，半徑較小的陽離子充填于空隙中。在實際晶體中，陽離子的大小不一定無間隙地充填在空隙中，當陽離子的尺寸稍大于空隙，將會略微“撐開”陰離子堆積。當陽離子的尺寸較小，填充在陰離子空隙內有余量。這兩種結果都將對晶體結構及性能產生影響。,9,3.原子和離子的配位數(shù)（CoordinationNumber,CN）,金屬材料：一個原子周圍與它直接相鄰結合的原子個數(shù)，常稱為原子配位數(shù)。12、8。離子晶體材料：一個離子周圍與它直接相鄰結合的所有異號離子個數(shù)，常稱為離子配位數(shù)。8、6、4。共價鍵晶體：由于方向性和飽和性，因此其配位數(shù)不符合緊密堆積原則，CN較低（4、3）。高分子材料：質點配位情況非常復雜，很難定義。,10,配位多面體是指物質結構中，與某個質點構成配位關系而相鄰結合的各個質點中心連線所構成的多面體。該質點處于配位多面體的中心位置，而配位質點的中心處于配位多面體的頂角上。,幾種典型的配位形式及其相應的配位多面體,11,正、負離子半徑比與陽離子配位數(shù)及配位多面體形狀,12,4.Pauling規(guī)則,Pauling第一規(guī)則在正離子周圍，形成一個陰離子配位多面體，正離子處于中心位置，負離子處于多面體的頂角；正、負離子的間距決定于它們的半徑之和，而離子的配位數(shù)則取決于它們的半徑之比，與離子的價數(shù)無關，也稱多面體規(guī)則。,Pauling第二規(guī)則在穩(wěn)定的離子晶體結構中，一個陰離子從所有相鄰接的陽離子分配給該陰離子的靜電鍵強度的總和，等于陰離子的電荷數(shù)。靜電價規(guī)則。,13,Pauling第三規(guī)則在晶體結構中，每個配位多面體以共頂方式連接，共棱連接，特別是共面連接方式存在時，會使結構的穩(wěn)定性降低。,四面體或八面體相互連接情況,R1R2R3=10.580.33,R1R2R3=10.710.58,14,Pauling第四規(guī)則在一個含有多種陽離子的晶體中，電價高而配位數(shù)小的那些陽離子所形成的配位多面體不傾向于相互直接連接。,Pauling第五規(guī)則在一個晶體結構中，本質不同的結構組元的種類，傾向于最少，也稱節(jié)約規(guī)則。,15,二.典型金屬的晶體結構,面心立方結構fcc：FaceCentredCubic,體心立方結構bcc：BodyCentredCubic,密排六方結構hcp：HexgonalClosePacking,16,體心立方面心立方密排六方,17,18,原子半徑與晶格常數(shù),體心立方面心立方密排六方,19,20,21,22,23,體心立方中原子排列,在體心立方晶格中密排面為110，密排方向為,24,面心立方中原子排列,在面心立方晶格中密排面為111，密排方向為,25,密排六方中原子排列,26,密排六方面心立方（0001）+0001（111）+111,密排堆垛,體心立方（110）+110,27,28,29,30,31,密排六方晶格八面體間隙,密排六方晶格四面體間隙,32,三.常見無機化合物的晶體結構,1.NaCl型AB型最常見的晶體構型,晶胞中離子的個數(shù):,晶格:面心立方,配位比:6:6,同類材料：MgO、CaO、SrO、BaO、MnO、CoO、NiO等。,33,NaCl結構中的正離子配位多面體,34,2.CsCl型結構,晶胞中離子的個數(shù)：,(紅球Cs+,綠球Cl-),晶格：簡單立方,配位比：8:8,同類材料：CsBr、CsI、TlCl、NH4Cl等。,35,CsCl型結構,36,3.-ZnS（閃鋅礦）和-ZnS（釬鋅礦）型結構,晶胞中離子的個數(shù):,-ZnS,晶格:面心立方配位比:4:4(紅球Zn2+,綠球S2-),37,S,-ZnS釬鋅礦結構,38,半徑比規(guī)則：,NaCl的R+/R-=95Pm/181Pm=0.52配位數(shù)6CsCl的R+/R-=163Pm/181Pm=0.90配位數(shù)8ZnS的R+/R-=74Pm/184Pm=0.40配位數(shù)4,39,4.CaF2（螢石）型結構,CaF2的晶體結構,立方晶系面心立方格子z=4,40,CaF2晶體結構,41,5.TiO2（金紅石）型結構,TiO2(金紅石)的結構,四方晶系簡單四方點陣z=2ao=0.459nmco=0.296nm,42,金紅石（TiO2）,板鈦礦（TiO2）,43,銳鈦礦（TiO2）,44,6.CaTiO3（鈣鈦礦）型結構,通式：ABO3A二價（或一價）B四價（或五價）,立方晶系（高溫時）簡單立方格子ao=0.385nmz=1,正交晶系（600C）簡單正交格子PCmm空間群ao=0.537nm，bo=0.764nm，co=0.544nmz=4,45,立方晶系,正交晶系,46,CaTiO3立方晶體結構,47,鈣鈦礦結構的通式為ABO3,以CaTiO3為例討論其結構:,Ca2+,O2-,Ti4+,48,配位關系的分析:,可以看出:Ca的CN=12Ti的CN=6O的CN=2+4=6,49,7.MgAl2O4（尖晶石）型結構,尖晶石顏色極其豐富，但主要為紅色、藍色、綠色、紫色、橙紅、橙黃、褐色、黑色，其中重要顏色為紅色和藍色。,通式：AB2O3,50,歷史上最為著名的兩顆尖晶石是“鐵木爾紅寶石”和“黑太子紅寶石”，“鐵木爾紅寶石”重361ct，深紅色，可能來源于阿富汗，這顆著名的尖晶石自1612年以來被譽為東方的“世界貢品”。被稱為“黑太子紅寶石”重約170ct，產于緬,甸鑲于英王冠中前方明顯的位置。經專家評這顆著名的紅色尖晶石的價值約55萬美元。還有一些著名的尖晶石珍藏于不同的國家。