1.7 常见的晶体结构

蜘蛛丝蛋白的结构
很多蛋白在高浓度时都形成纤维状结构，但蜘蛛网蛋白（有高度重复片段，侧面为非重复性末端区域）却有不同行为。

它们在存放于高浓度时具有非常好的可溶性，但可根据需要转化成极为坚固的纤维。

使这一点成为可能的分子机制尚不清楚，但本期Nature上两篇结构研究论文提供了新线索。

Askarieh等人发表了来自一种名为“Euprosthenops australis”的织网蜘蛛的一个拖丝蛋白“蜘蛛丝蛋白”的N-端区域的1.7X-射线晶体结构。

该结构显示了这种高度保守的区域何以能够通过防止蜘蛛丝蛋白的过早积累、以及通过在pH值降低时沿蜘蛛丝伸出管触发聚合反应来调控蜘蛛丝的组装。

Hagn等人确定了来自常见园蛛科蜘蛛“Araneus diadematus”的拖丝蛋白“丝心蛋白-3”的C-端NR区域的溶液结构。

他们观察到了该蛋白的存储和组装形式之间由化学或机械刺激激发的一个构形切换。

离子晶体1．能结合实例描述离子键的成键特征及其本质。

2．能解释和预测同类型离子化合物的某些性质。

3．能描述常见类型的离子化合物的晶体结构。

4．会运用模型和有关理论解释不同类型离子化合物的晶胞构成。

一、离子键1.概念：阴、阳离子之间通过静电作用形成的化学键，叫做离子键。

2.成键微粒：阳离子和阴离子。

①阴离子可以是单核离子或多核离子，如Cl-、O2-、H-、O22-、OH-、SO42-等。

②阳离子可以是金属离子(如K+、Ag+、Fe3+)或铵根离子（NH4+）。

3.实质：离子键的本质是一种静电作用。

静电作用包括静电吸引力和静电排斥力。

当这些作用达到平衡后，即形成稳定的离子化合物。

①阴、阳离子之间的静电引力使阴、阳离子相互吸引，阴、阳离子的核外电子之间、原子核之间的静电斥力使阴、阳离子相互排斥。

②当阴、阳离子之间的静电引力和静电斥力达到平衡时，阴、阳离子保持一定的平衡间距，形成稳定的离子键，整个体系达到能量最低状态。

4.特征：离子键没有方向性和饱和性。

阴、阳离子在各个方向上都可以与相反电荷的离子发生静电作用，即没有方向性；在静电作用能够达到的范围内，只要空间允许，一个离子可以同时吸引多个带相反电荷的离子，即没有饱和性。

因此，以离子键结合的微粒倾向于形成紧密堆积，使每个离子周围尽可能多地排列带异性电荷的离子，从而达到稳定结构。

5.形成条件：一般应满足两种元素的电负性之差大于1.7这一条件，即活泼的金属与非金属之间通常能形成离子键。

6.影响因素：离子晶体中离子半径越小，离子所带电荷越多，离子键越强。

二、离子合物与离子晶体1.离子合物：(1)由离子键形成的化合物叫离子化合物。

【特别提醒】有的离子化合物只含有离子键，有的离子化合物中既含有离子键又含有共价键。

(2)离子液体与离子化合物的区别①表示的物质范围不同：离子化合物是指所有的离子化合物，而离子液体所对应的是部分子化合物。

②组成不同：离子化合物对所含的阴、阳离子没有更具体的要求，而离子液体中的大多数含有体积很大的阴、阳离子。

《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。

本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。

二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。

初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。

2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。

难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。

•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。

第一篇 金属材料与热处理众所周知，生产中使用的材料的发展将人类生活的时代划分为石器时代（公元前10万年）、青铜器时代（公元前3000年）、铁器时代（公元前1000年）、水泥时代（公元0年）、钢时代（1800年）、硅时代（1950年）以及人工合成新材料时代（1990年）。

在所有材料当中金属材料占有较大比重，而作为金属材料主体的钢铁材料的发展在一定程度上推动着一个国家的科学技术发展。

仅以日本和英国为例，二战后，1952年，日本钢产量为700万吨，而英国为1700万吨；1962年，日本钢产量猛增到2755万吨，而英国只有2500万吨；日本钢铁业的发展推动了其汽车工业和其他使用钢铁材料的产业的飞速发展，并使其工业地位与美国及欧洲等发达国家并驾齐驱。

金属材料包括纯金属及其合金，是由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特征（如导电性、导热性、延展性等）的重要工程材料。

在十七世纪的科学革命和十八、十九世纪的工业革命时期，人们对它的认识仍是非理性的，主要停留在工匠、艺人的经验技术的水平上。

为了更有效地使用金属材料，需要了解其内部的结构及影响金属材料性能的各种因素，掌握提高或改善其性能的途径。

金属材料与热处理这一篇就是阐述各种金属材料的共性基础知识，从金属材料的组织结构出发，研究金属材料的结构与其外在性能的关系及如何改善和提高其自然属性和性能。

第一章 金属的晶体结构和结晶金属材料固态下通常都是晶体（金属晶体），原子呈规则排列，这是由金属键的特征所决定的。

研究金属及其合金的内部结构，即研究金属中原子的相互作用和结合方式，原子的聚集状态和分布规律，各种晶体的特点和彼此的差异，实际金属中的各种晶体缺陷，是金属材料研究的必要手段。

因此在第一章我们首先学习金属的晶体结构和结晶方面的一些基础知识，为进一步学习金属材料及热处理打好基础。

1.1 金属的晶体结构1.1.1 晶体与非晶体固态物质按其内部原子（或分子）的聚集状态而分为晶体和非晶体两大类，其根本区别在于晶体中的质点（原子、离子或分子）在空间作有规则的排列，即相同的质点，在空间有周期性地重复出现，这称为长程有序排列（或远程有序排列）；而非晶体内部的质点排列不规则，至多有些局部的所谓短程有序排列（或近程有序排列）。

极性增大非极性共价键 极性共价键 离子键 第6讲 晶体结构【竞赛要求】晶胞。

原子坐标。

晶格能。

晶胞中原子数或分子数的计算及化学式的关系。

分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。

配位数。

晶体的堆积与填隙模型。

常见的晶体结构类型，如NaCl 、CsCl 、闪锌矿（ZnS ）、萤石（CaF 2）、金刚石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。

点阵的基本概念。

晶系。

宏观对称元素。

十四种空间点阵类型。

分子的极性。

相似相溶规律。

分子间作用力。

范德华力。

氢键。

其他分子间作用力的一般概念。

【知识梳理】一、离子键理论1916 年德国科学家Kossel(科塞尔)提出离子键理论。

（一）离子键的形成1、形成过程 以 NaCl 为例：（1）电子转移形成离子 Na －e ˉ= Na + Cl + e ˉ= Cl ˉ相应的电子构型变化：2s 22p 63s 1 → 2s 22p 6 ；3s 23p 5 → 3s 23p 6分别达到 Ne 和 Ar 的稀有气体原子的结构，形成稳定离子。

（2）靠静电吸引，形成化学键，体系的势能与核间距之间的关系如图所示：注：横坐标——核间距r 。

纵坐标——体系的势能 V 。

纵坐标的零点——当 r 无穷大时，即两核之间无限远时，势能为零。

下面来考察 Na + 和 Cl ˉ彼此接近时，势能V 的变化。

图中可见：r >r 0时，随着 r 的不断减小，正负离子靠静电相互吸引，V 减小，体系趋于稳定。

r = r 0 时，V 有极小值，此时体系最稳定，表明形成了离子键。

r < r 0 时，V 急剧上升，因为 Na + 和 Cl ˉ彼此再接近时，相互之间电子斥力急剧增加, 导致势能骤然上升。

因此，离子相互吸引，保持一定距离时，体系最稳定，即为离子键。

2、离子键的形成条件（1）元素的电负性差要比较大△X > 1.7，发生电子转移，形成离子键；△X < 1.7，不发生电子转移，形成共价键。