普通化学课件(地质工程)-1.3晶体结构

第三节 晶体结构一、晶体的特征,1规整的几何外形和周期性的晶格结构规整的几何外形是晶体内部原子、分子或离子等微观粒子有规则排列的宏观表现。若把晶体内部的微观粒子抽象成几何学上的点，它们在空间有规则的排列所成的点群称为晶格，或称为点阵。2具有确定的熔点3具有各向异性的特征。例如云母，特别容易裂成薄片，石墨不仅容易分层裂开，而且其导电率在平行于石墨层的方向比垂直于石墨层的方向要大得多。晶体在不同方向上具有不同的物理、化学性质，这种特性称为各向异性。非晶体则是各向同性的。,晶格,二、晶体的基本类型,按照晶格结点上粒子的种类及其作用力的不同，从结构上可把晶体分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体四种基本类型。,离子晶体 原子晶体 金属晶体 分子晶体 晶格点微粒 正、负离子 原子 金属原子或离子 分子微粒间作用力 离子键 共价键 金属键 分子间力 熔点、沸点 较高 高 一般较高,部分低 低硬度 较大 大 一般较大,部分小 小延展性 差 差 良 差导电性 水溶液或熔融态易导电 绝缘体 良导体 绝缘体 实例 NaCl等离子化合物 金刚石 金属单质 干冰、冰,1离子晶体,在离子晶体的晶格结点上交替排列着正离子和负离子，正、负离子通过离子键相互结合。由于离子键没有饱和性和方向性。因此，在空间因素允许的条件下，正离子将与尽可能多的负离子接触，负离子与尽可能多的正离子接触，形成不等径圆球的紧密堆积，此时体系处于能量最低、结构最稳定的状态。活泼金属的盐类和氧化物的晶体都属离子晶体。例如，氯化钠、溴化钾，氧化镁，碳酸钙晶体等等。,2、离子晶体,点阵：面心立方晶系：立方晶系配位数：6：6,点阵：简单立方晶系：立方晶系配位数：8：8,点阵：面心立方晶系：立方晶系配位数：4：4,对于简单的AB型来说：三种晶格形式,晶体配位数：晶体中与一个微粒最邻近的其他微粒的数目 最简单的AB型离子晶体中三种典型的晶体结构类型：CsCl型晶胞形状为正立方体，属于简单立方体心晶格;NaCl型晶胞形状也为立方体，属于简单立方面心晶格; ZnS型晶胞形状也为立方体，属于简单立方面心晶格; 晶体的离子半径比规则,离子半径比与晶体结构类型的关系,离子晶体常表现出以下一些共性：具有较高的熔点、沸点和硬度，但比较脆，延展性差；在熔融状态或在水溶液中时，因此具有优良的导电性，但在固体状态几乎不导电，导热性也差。由于组成离子晶体的离子电荷、离子半径和离子的价层电子结构的不同，晶体的性质也有明显的差别。例如，MgO和CaO这两种典型的离子晶体，离子的电荷数相等，但镁离子的离子半径（66pm）比钙离子的半径（99pm）小，Mg2+离子对O2离子的作用比Ca2离子强，因而氧化镁的晶格更加牢固，具有更高的熔点和更大的硬度（熔点：MgO 2852，CaO 2614 ）。,2原子晶体,以中性原子作为组成晶体的基本微粒，占据晶格的结点位置，彼此间以共价键相互结合成晶体，就称为原子晶体。以典型的金刚石晶体为例，每个碳原子能形成4个sp3杂化轨道，最多可与4个碳原子形成共价键，组成正四面体，每个碳的配位数为4。碳原子构成的四面体在空间上重复排列，即组成了金刚石晶体结构。属于原子晶体的物质并不多。C、Si、Ge 等单质是原子晶体，周期系的第A、A、A族元素之间形成的化合物也常形成原子晶体，如SiC、GaAs、SiO2、BN等。,碳原子,金刚石 的晶体结构模型,Si,o,二氧化硅的晶体结构,天然金刚石和石英,石英晶体,原子晶体一般具有很高的熔点和很大的硬度，在工业上常被选为磨料或耐火材料。金刚石的熔点可高达3550，是所有单质中最高的，硬度也很大，是所有物质中最硬的。 无论固态或熔融态都不能导电，所以一般是电绝缘体。但某些原子晶体如Si、Ge等，在高温下可表现出一定的导电性，是优良的半导体材料。,3分子晶体（molecular crystal）,在分子晶体的晶格结点上排列着分子（极性分子或非极性分子），分子之间以范德华力或氢键相结合（分子内的原子之间则以共价键结合）。由于范德华力没有方向性和饱和性。分子组成晶体时可作紧密堆积。但共价键分子本身具有一定的几何构型，所以分子晶体一般不如离子晶体堆积得紧密。,冰,C60结构图,C纳米管,由于分子间力比共价键、离子键弱得多，分子晶体一般具有较低的熔点、沸点和较低的硬度；这类晶体无论在固态或是在熔化时都不导电。只有当极性很强的分子所组成的晶体，如HCl晶体等，溶解在水中，才会因电离而导电。大部有机化合物和CO2，SO2，HCl，H2，Cl2，N2等绝大多数共价化合物以及稀有气体元素Ne，Ar，Kr，Xe等在低温下形成的晶体都是分子晶体。,4金属晶体（metallic crystal）,金属原子只有少数的价电子能用于成键，价电子的数量不足以使金属晶体中原子间形成正常的共价键或离子键。因此，金属在形成晶体时倾向于组成极为紧密的结构，即密堆积，使每个原子拥有尽可能多的相邻原子（通常是8或12个原子），从而形成“少电子多中心”键。,金属原子密堆积的结构形式，已为X射线衍射结果所证实。在金属中最常见的紧密堆积方式有三种。 立方最密堆积：这种堆积方式中可找出面心立方晶胞，每个原子配位数为12。 六方最密堆积：这种堆积方式可划出六方晶格，每个原子配位数也为12。 体心立方密堆积：这种堆积方式中可找出体心立方晶胞。,（a）六方最密堆积,（b）立方最密堆积,（c）体心立方密堆积,金属晶体中的紧密堆积方式,在金属晶体中，由于自由电子的存在和晶体的紧密堆积结构，使金属具有以下一些共同性质： 金属光泽：金属中的自由电子很容易吸收可见光，使金属晶体不透明，当被激发的电子跳回低轨道时又可发射出各种不同波长的光，因而具有金属光泽。 良好的导电性：金属的导电性与自由电子的流动有关。在外加电场的影响下，自由电子将在晶体中定向流动，形成电流。不过，在晶格内的原子和离子不是静止的，而是在晶格结点上作一定幅度的热振动，这种振动对电子的流动起着阻碍的作用，同时，正离子对电子具有吸引力，这些因素产生了金属特有的电阻。受热时原子和离子的振动加强，电子的运动受到更多的阻力，因此，一般随着温度升高，金属的电阻增大。, 良好的导热性：金属的导热性也与自由电子的运动密切相关。电子在金属中运动，会不断地与原子或离子碰撞而交换能量。因此，当金属的某一部分受热时，原子或离子的振动得到加强，并通过自由电子的运动把热能传递到邻近的原子和离子，很快使金属整体的温度均一化。因此，金属具有良好的导热性。 良好的机械性能：金属的紧密堆积结构，允许在外力下使一层原子相对于相邻的一层原子滑动而不破坏金属键，这使金属显示良好的延展性等机械性能的原因。,5混合键型晶体_过渡性晶体,还有相当多的晶体是由不同的键型混合组成的，称为混合键型晶体，或混合型晶体。 混合型晶体的典型例子是石墨晶体 。,石墨晶体中既有共价键又有金属键的作用，而层间结合又是靠范德华力，因此石墨是混合键型晶体。因此，石墨既有金属光泽，在层平面方向又有很好的导电性和导热性。且由于层间结合力较弱，容易滑动，兼有金属晶体和分子晶体的特性。,石墨的层状结构,石墨,每个C原子以SP2杂化轨道与周围3个C的SP2杂化轨道以共价键形成正六角形平面,每个C原子还有一个未参加杂化的P电子，这些互相平行的P轨道可以互相重叠形成遍及整个平面层的离域大键,层内C-C以共价键相结合,相似于原子晶体,而层与层分子间力相似于分子晶体,而大键使其具有许多性能.,晶体的基本类型 离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体 晶格结点上的粒子 阴、阳离子 中性原子 中性分子 金属原子阳离子结点上粒子间作用力 离子键 共价键 分子间力(氢键) 金属键有无独立分子 无 无 有