第五章晶体结构分析
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第五章 晶体结构安徽师范大学化学与材料科学学院§51晶体的点阵理论晶体具有按一定几何规律排列的内部结构,即晶 体由原子(离子、原子团或离子团)近似无限地、在三 维空间周期性地呈重复排列而成。
这种结构上的长 程有序,是晶体与气体、液体以及非晶态固体的本 质区别。
晶体的内部结构称为晶体结构。
1. 晶体的结构特征(1)均匀性(2) 各向异性(3) 自发形成多面体外形(4) 具有确定的熔点(5) 对称性(6) X射线衍射2.周期性下面两个图形均表现出周期性:沿直线方向,每 隔相同的距离,就会出现相同的图案。
如果在图形 中划出一个最小的重复单位(阴影部分所示),通 过平移,将该单位沿直线向两端周期性重复排列, 就构成了上面的图形。
最小重复单位的选择不是唯一的,例如,在图(a) 中,下面任何一个图案都可以作为最小的重复单位。
点的位置可以任意指定,可以在单位中或边缘的任 何位置,但一旦指定后,每个单位中的点的位置必须 相同。
如,不论点的位置如何选取,最后得到的一组点在空间 的取向以及相邻点的间距不会发生变化。
3.结构基元在晶体中,原子(离子、原子团或离子团)周期性地重 复排列。
上面我们在图形找出了最小的重复单位,类似 的,可以在晶体中划出结构基元。
结构基元是指晶体中 能够通过平移在空间重复排列的基本结构单位。
【例1】一维实例:在直线上等间距排列的原子。
一个原子组成一个结构基元,它同时也是基本的化学组成单位。
结构基元必须满足如下四个条件:化学组成相同;空间结构相 同;排列取向相同;周围环境相同。
【例2】一维实例:在伸展的聚乙烯链中,CH2CH2组成一个 结构基元,而不是CH2。
【例3】二维实例:层状石墨分子,其结构基元由两个C原子组 成(相邻的2个C原子的周围环境不同)。
结构基元可以有不同的选法,但其中的原子种类和数目应保 持不变。
课题19晶体结构与性质学习任务1晶体常识与晶体的组成和性质一、晶体与非晶体1.晶体与非晶体的比较2.得到晶体的途径(1)熔融态物质凝固。
(2)气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。
(3)溶质从溶液中析出。
3.晶胞(1)概念:描述晶体结构的基本单元。
(2)晶体中晶胞的排列——无隙并置无隙:相邻晶胞之间没有任何间隙。
并置:所有晶胞都是平行排列、取向相同。
二、晶体的组成与性质(一)四种类型的晶体1.分子晶体分子间通过分子间作用力结合形成的晶体,此类晶体熔、沸点低,硬度小。
2.共价晶体原子通过共价键相互结合形成的晶体,整块晶体是一个三维的共价键网状(立体网状)结构;其物理性质的突出特点是高硬度、高熔点、高沸点。
3.离子晶体(1)阴、阳离子通过离子键结合而成的晶体,此类晶体的熔、沸点较高。
(2)配位数:指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目,晶体阴离子、阳离子的配位数之比等于组成中的阴离子与阳离子数目的反比。
4.金属晶体(1)含义:金属原子通过金属键形成的晶体,金属单质形成的晶体就是金属晶体。
(2)金属键的形成:晶体中金属原子脱落下来的价电子形成遍布整块晶体的“电子气”,被所有原子所共用,从而把所有的金属原子维系在一起;金属键无饱和性、方向性。
(3)金属晶体的物理性质及解释(二)四种晶体类型的比较石墨属于混合型晶体,但因层内原子之间碳碳共价键的键长为1.42×10-10m,比金刚石中碳碳共价键的键长(1.54×10-10 m)短,所以熔、沸点高于金刚石。
(三)晶体熔、沸点的比较1.不同类型晶体熔、沸点的比较(1)不同类型晶体的熔、沸点高低的一般规律:共价晶体>离子晶体>分子晶体。
(2)金属晶体的熔、沸点差别很大,如钨、铂等熔、沸点很高,汞、铯等熔、沸点很低。
2.同种类型晶体熔、沸点的比较(1)共价晶体原子半径越小,键长越短,键能越大,熔、沸点越高,如金刚石>碳化硅>硅。
晶面间距与晶格常数第五章 晶体的质点堆积与缺陷¾ 密堆积原理 ¾ 配位数和配位多面体 ¾ 化学键和晶格类型¾ 晶体的缺陷晶体化学晶体化学:研究晶体结构和晶体化学组成与其性质之间的关系和规律性的分支学科。
材料科学:晶体结构=空间点阵+基元Na+Cl-•晶体结构中的质点(阵点或基元)可以是原子、离子 或分子。
•晶体化学主要阐述这些质点的特性:离子类型、离子 和原子半径等; •讨论质点在组成晶体结构时的相互作用和规律:离子 或原子相互结合时的堆积方式和配位形式、键和晶格 类型。
z 理论半径:将原子或离子的电子云分布视为球形,其半 径为原子或离子的理论半径。
• 原子在形成化学键时,总要有一定程度的轨道重叠,而且 与不同的原子分别成化学键时,原子轨道重叠的程度又各 有不同,因此单纯地把原子半径理解成原子最外层电子到 原子核的距离是不严格的。
z 有效半径:以键长数据为基础,由实验方法得到的原子或 离子的半径,称为原子或离子的有效半径。
共价半径、金 属半径、范德华半径。
• 原子或离子半径的影响因素:价态、配位数、电子自旋态• 原子和离子半径的大小,特别是相对大小对晶体结构中的质 点的排列方式影响很大。
其对理解和阐明晶体结构类型的变化、 晶体化学组成的变异以及有关物理性质的变化都是非常重要的。
元素的原子半径和共价半径原子或离子半径的基本规律原子或离子半径的影响因素:价态、配位数、电子自旋态z 同种元素原子半径: 共价半径 < 金属原子半径 z 同种元素离子半径:阳离子半径小于原子半径,价态高半径小; 阴离子半径大于原子半径,负价高半径大; 氧化态相同,配位数高半径大; z 同族元素: 原子和离子半径随周期数增加而增大 z 同周期元素: 原子和离子半径随Z的增加而减小 z 从周期表左上到右下对角线上,阳离子半径近于相等 z 镧系和锕系:阳离子半径随Z增加而略有减小 z 通常, 阳离子半径都小于阴离子半径。
第五章 成核(晶体生长热力学)系统处于平衡态——系统吉布斯自由能最小单元复相系统平衡态——系统中诸相的克分子吉布斯自由能相等多元复相系统平衡态——任一组元在共存的诸相中化学势相等 亚稳态(亚稳相) ——新相能否出现,如何出现(相变动力学要回答的第一问题)——新相成核新相自发长大——系统吉布斯自由能降低,驱动力与生长速度的关系(相变动力学回答的第二个问题)亚稳相向新相转变:1. 新、旧相结构差异微小,变化程度小、空间大,转变在空间上连续,时间不连续。
2. 变化程度大、空间变化小,转变在空间不连续,时间方面连续。
系统中出现新相机率相等——均匀成核 系统中某些区域优先出现新相——非均匀成核§1. 相变驱动力过饱和溶液、过冷熔体均属亚稳相。
驱动力所作之功: G X fA ∆-=∆VGf ∆∆-= 单位体积晶体引起系统吉布斯自由能的降低(负号表示降低)单原子体积为Ωs ,吉布斯自由能降低Δg,则:s g f Ω∆-= 有时Δg 也称相变驱动力饱和比==0/p p α 饱和比==0/C C α饱和度=-=1ασ对汽相生长:s s s kT kT p p kT f Ω≈Ω=Ω=//ln /)/ln(0000σα溶液生长:s s s kTkT C C kT f Ω≈Ω=Ω=σαln )/ln(0熔体生长: ms T Tl f Ω∆=l=£0/N 0 单原子熔化潜热§2. 亚稳态系统吉布斯自由能存在几个最小值,最小的极小值为稳定态。
其他较大的极小值为亚稳态。
亚稳态在一定限度内是稳定的。
亚稳态总要过渡到稳定态 亚稳态→稳定态存在能量势垒 §3. 均匀成核1. 晶核形成能和临界尺寸sf sr g rr G γππ23434)(+∆⋅Ω=∆或sfi A g i i G γ⋅+∆⋅=∆)()(3/2)(i i A ⋅=η η形状因子i 个原子,体积为V(i)=i Ωs立方体,边长a , 则V=a 3, 面积为A=6a 2=6V 2/33/23/26)(i i A s⋅Ω=∴ s i i V Ω=)(因此,立方体: 3/26sΩ=η; 球体:3/23/1)36(sΩ=πη旋转椭球体:3/22/1222/1222/122223/13/1)])/1(1)/1(1ln()/1(2[)43(sr y r y r y r y r y Ω---+⋅-+=πη普通表达式:sfr i g i i G ⋅⋅+∆⋅=∆3/2)(ηr<r* 自动消失(胚团) r>r* 自发长大(核)r(i)Δ对ΔG(i)求极值:gr r s sf ∆Ω=2* 或:3]32[*gr i sf ∆=η对球形晶核:33332*gr i ssf∆Ω⋅=π将r*或i*代入Δg 表示式,可得:2322*3/163/*4g r r i G sfs sf ∆Ω=⋅=∆ππ2333/2*27/43/*gr i r G sfsf ∆==∆ηη晶核形成能为界面能的1/3. 2. 界面结构对ΔG(i)的影响 粗糙界面生长: 连续生长光滑界面生长:不连续生长,核长大i 增加ΔG(i)变化不连续 3. 复核起伏和成核率 单相起伏: 单纯密度起伏复相起伏: 产生胚团的起伏(亚稳相、平衡相) 单位体积内胚团数为:]/)(exp[)(kT r G n r n ∆-≈ ]/)(exp[)(kT i G n i n ∆-≈]/ex p[)(kT G n r n **∆-≈]/ex p[)(kT G n i n **∆-≈成核率: 单位时间内能发展成为宏观晶体的晶核数(I)]/ex p[*kT G Bn I ∆-=B:核晶捕获流体中原子或分子的机率iΔG*= 0.7l sf自由能与胚团原子数的关系ΔΔG*= 0r(i)胚 团 分 布 规 律n (r )或n (i )对汽相生长:2*2/14)2(rmkT P B ππ⋅=-]]/[ln 316exp[]/ln 2(4)2(203332202/1p p T k r p p kT mkT nP I s s Ω-Ω⋅=∴-πγππ熔体生长: v 0为熔体原子的振动频率]/ex p[0kT q v B ∆-=])(316exp[)exp(222320T kTl T r kT qnv I m s ∆Ω-⋅∆-=π §4. 非均匀成核 1. 平衬底上球冠成核sfsccf r r r Cos m -==θ23)1)(2(3m m r V s -+=π)1(22m r A sf -=π )1(22m r A sc-=π)()(cf sc sc sc sf sf ssr A r A r A g V r G ⋅-⋅+⋅+∆⋅Ω=∆ 当)(sc sc sf sf cf scr A r A r A ⋅+⋅≥⋅时,成核不必克服势垒,可自发进行。
第五章 晶体结构一、单项选择题(每小题1分)1、NaCl 晶体的结构基元是( )A 、一个N a +B 、一个正当晶胞C 、一个Na +和一个Cl -D 、4个N a +和一个Cl -2、有一AB 型离子晶体,若γ+/γ- =0.57,则正离子的配位数为( )A 、4B 、6C 、8D 、123、某正交晶系的晶胞参数为a=500pm 、b=1000pm 、c=1500pm ,有一晶面在三个晶轴上的截长都是3000pm ,则该晶面的晶面指标为( )A 、(321)B 、(632)C 、(236)D 、(123)4、AgF 属于NaCl 型晶体,一个晶胞中含有多少个Ag +?( )A 、6B 、4C 、2D 、15、晶体的宏观对称操作的集合可以划分为多少个点群?( )A 、8B 、32C 、14D 、76、已知金属Cs 为具有立方体心的晶胞,则其配位数为( )A 、12B 、8C 、6D 、47、立方晶系中,下列哪种点阵型式不存在?( )A 、立方PB 、体心IC 、底心CD 、面心F8、根据正当单位选取原则,下列各组平面格子属于正当格子的组是( )(1)正方的带心格子 (2)六方带心格子(3)平行四边形的带心格子 (4)矩形带心格子A 、(1)(3)(4)B 、(1)(2)(4)C 、(4)D 、(1)(3)9、空间点阵中下列形状不存在的是( )A 、立方IB 、四方C C 、四方ID 、正交C10、已知某金属的晶体结构属A 3型堆积,其原子半径为r ,则其晶胞的边长b 、c 等于( )A 、b=2r ,c=42r/3B 、b=c=4r/3C 、b=4r/3,c=4r/2D 、b=c=4r/211、由实验确定Cu 属于立方面心结构,晶胞参数为a ,则Cu-Cu 键长等于( )A 、2a/4B 、2a/2C 、3a/4D 、3a/212、已知钨属立方晶系,晶胞参数a=315.7pm ,密度ρ=1.9×104kg/m 3,分子量m=183.92,由此可推测该晶体是( )A 、立方PB 、立方IC 、立方FD 、立方C13、等经圆球作A 2型堆积,其密置列方向在( )A 、aB 、bC 、cD 、a+b+c14、KBr 晶体中K +的半径135pm ,KBr 的键长为328pm ,其负离子配位多面体的形状为( )A 、直线型B 、正方形C 、四面体D 、八面体15、有一AB 晶胞、其中A 和B 原子的分数坐标为A (0,0,0),B (21,21,21),属于什么点阵?( )A 、立方体心B 、立方面心C 、立方底心D 、简单立方16、(211)晶面表示了晶面在晶轴上的截距为( )A 、2a 、b 、cB 、a 、2b 、2cC 、a 、b 、cD 、2a 、b 、2cE 、2a 、2b 、c17、理想晶体不可能属于下列哪些点群?( )A 、D 3hB 、D 5hC 、D 4h D 、D 6h18、在A 1型等经圆球密堆积中,密置层为( )A 、(100)面B 、(110)面C 、(111)面D 、(210)面19、链型聚乙烯的结构基元包括( )A 、1C ,2HB 、2C ,4H C 、3C ,6HD 、2C ,3H20、下列空间点阵的性质的论述哪条不对?( )A 、空间点阵不论如何取法,素单位体积不变。
B 、空间点阵只可取出一平行六面体素单位。
C 、空间点阵只可分解为一组平行且间距相等的平面点阵。
D 、抽取的平面点阵间距越大,则素单位面积越大。
21、对于金刚石晶体结构,下面叙述何者不对( )A 、类似于立方ZnS 型结构B 、晶胞中含有4个碳原子C 、空间利用率仅34.01%D 、属A 4堆积方式22、某晶体属于立方晶系,一晶面截x 轴21a ,y 轴于31b ,z 轴于41c ,则该晶面的指标为( )A 、(364)B 、(234)C 、(2,123) D 、(468)23、根据宏观对称要素知道某晶体质D 2h 点群,由此可判断此晶体属于什么晶系( )A 、四方B 、立方C 、正交D 、单斜24、假设有一AB 晶体,属于正交底心,每个晶胞中有两个A 原子和2个B 原子,若A原子的坐标是(0,0,0),(21,21,0),一个B 原子的坐标是(41,41,21),则另一个B 原子的分数坐标应是( )A 、(21,21,0)B 、(21,0,21)C 、(21,21,21)D 、(43,43,21)25、有一AB 4型晶体,属立方晶系,每个晶胞中有一个A 和4个B ,1个A 的坐标是(21,21,21),4个B 的坐标分别是(0,0,0),(21,21,0)(21,0,21),(0,21,21),此晶体的点阵型式是( )A 、立方PB 、立方IC 、立方FD 、立方C26、NaCl 晶体属于下列哪种点阵型式( )A 、立方PB 、立方IC 、立方FD 、立方C27、C S C 1晶体属于下列哪里点阵型式( )A 、立方PB 、立方IC 、立方FD 、立方C28、按正当格子的要求,空间点阵可划分为几种形式( )A 、3B 、7C 、32D 、1429、正交晶系有几种点阵形式( )A 、1B 、2C 、3D 、430、单斜晶系有几种点阵形式( )A 、1B 、2C 、3D 、431、四方点阵的两种型式为( )A 、P 、IB 、P 、FC 、C 、FD 、I 、F32、石墨属于( )型晶体A 、金属晶体B 、分子晶体C 、混合键型晶体D 、共价键型晶体二、多项选择题(每小题2分)1、下面不属于正当单位的平面格子是( )A 、正方格子B 、六方格子C 、带心六方格子D 、带心平方四边形E 、带心矩形格子2、四方晶系中下列哪种点阵形式不存在( )A 、四方PB 、四方C C 、四方ID 、四方F3、关于NaCl 晶体下列说法不正确的是( )A 、属立方面心点阵B 、属On 点群C 、结构基元为一个晶胞D 、N a +的周围有六个Cl -E 、属中级晶族4、关于单斜晶系下面描述正确的是( )A 、a ≠b ≠cB 、α=γ=90°≠βC 、a=b ≠cD 、α=β=γE 、α=β=γ=90°5、晶体中不存在的宏观对称元素为( )A 、3B 、4C 、5D 、6E 、76、金属晶体属最密堆积方式的有( )A 、A 1堆积B 、A 2堆积C 、A 3堆积D 、A 4堆积7、关于最密堆积下面叙述不正确的是( )A 、每个球的配位数为12B 、空间判用率为68.02%C 、球数:四面体空隙数:八面体空隙数均1:2:1D 、每个结构基元包括两个球8、关于离子晶体正离子的配位数下面叙述正确的是( )A 、由正离子半径决定B 、由负离子半径决定C 、由正、负离子半径比决定D 、r +/r - 越大配位数越大E 、r +/r - 越大配位数越小9、关于CsCl 晶体下面叙述不正确的是( )A 、可划出立方体心点阵B 、属立方P 点阵C 、配位比为6:6D 、结构基元为一个CsClE 、分数坐标为(0,0,0)(21,21,21)10、下面关于金刚石的叙述不正确的是( )A 、属原子晶体B 、属共价键型晶体C 、碳原子采取sp 3杂化D 、一个晶胞包含4个碳原子E 、属立方P 点阵三、填空题(每小题1分)1、晶体的坐标轴x 、y 、z 分别和向量 平行。
2、为了研究方便,常选 单位,即正当单位。
3、晶体结构可表示为:晶体结构= 。
4、没有四方C 点阵形式,因为四方C 可以化为 。
5、只含有一个点阵点的单位称为 。
6、一个素晶胞含有一个 。
7、晶体按理想外形的对称性,可划分为 晶系。
8、某金属采取A 3型密堆积,其晶体的点阵形式为 单位格子的点阵点数,每个晶胞中含有原子。
9、CO2晶体中存在哪些键型。
10、链状聚乙烯分子可抽象为一直线点阵,每个点阵点中含有个C-C键和个C-H键。
11、从CsCl晶体中能抽出点阵,结构基元是,所属晶系的特征对称元素是。
12、原子按六方最密堆积排列,原子在六方晶胞中的分数坐标为。
13、属于立方晶系的点阵有。
14、属四方晶系的点阵有。
15、晶体宏观对称元素可有、、、四种类型。
16、晶体宏观外形中的对称元素进行一切可能的组合,可得个空间点阵形式。
17、在A1型堆积中,球数:正四面体空隙数:八面体空隙数= 。
18、实验测得r Ca2+=99pm,r S2- =184pm,推测CaS晶体中Ca2+周围由S2+构成配位多面体,配位数是。
19、立方晶系国际记号中位序方向为。
20、最密堆积的空间占有率为。
四、判断对错并说明理由(每小题2分)1、在平面点阵中,按平移向量可划出多种平面点阵单位。
()2、在平面点阵中,按平移向量可划出多种正当格子。
()3、晶体中,一个晶胞就是一个结构基元。
()4、晶体外形的宏观对称元素中的对称轴的轴次只限于n=1,2,3,4,6。
()5、立方晶系有立方P、I、F、C四种点阵形式。
()6、A1堆积和A3堆积堆积方式不同,但具有相同的空间占有率。
()7、在A3堆积中,晶胞中有两个球,即两个结构基元。
()8、C S C1晶体属立方I点阵。
()9、离子晶体的配位数,取决于正负离子的比例。
()10、石墨和金刚石均属共价型原子晶体。
()五、简答题(每小题5分)1、何谓点阵(严格定义)?2、何谓结构基元?3、何谓晶胞的两个基本要素?各用什么表示?4、何谓晶面指标?5、在空间点阵中为什么没有立方底心点阵?6、在空间点阵中为什么没有四方面心点阵?7、按正当格子的要求,空间正当格子只有七种形状,十四种型式。
请分别写出它们的名称?8、为什么石墨可用作润滑剂?9、晶体的宏观对称元素有哪几种?10、为何A3型金属延展性较差?六、计算题(每小题5分)1、求立方P的晶面间距?2、金属钠晶体为体心立方点阵,a=429pm,求(1)Na的原子半径。
(2)金属Na的密度。
3、KCl属于NaCl型晶体,实验测得KCl的晶胞参数a=6.28pm,且已知cl-半径为181pm,求k+半径。
4、石墨的层状结构如图所示,已知C-C键长为142pm,从中抽取正当格子,计算两素向量的长度a、b,每个正当格子含有几个C原子,2个C-C键?5、已知金属N i为A1型结构,原子间最近接触距离为249.2pm,试计算立方晶胞的边长以及金属N i的密度。
6、NaH具有N a Cl结构,立方晶胞参数a=488pm,已知N a+半径为98pm,推算负离子H-的半径。
7、已知MgS和MnS的晶胞参数具有相同的数值520pm,所以是负负离子接触,而正负离子不接触。
CaS(a=567pm)为正负离子接触而负负离子不接触,试求S2-和C a2+的离子半径各是多少?8、B e2+离子半径为34pm,S2-半径为184pm,问BeS晶体中每个Be2+周围有几个配位的S2-,配位多面体的构型是什么?。