晶体结构10.doc

晶体结构 人们通常所遇到的物质除稀有气体外，都不是以单原子的形式出现，而是由原子与原子相互化合所形成的分子或晶体的形式出现。分子或晶体中的原子不是简单地堆砌在一起，而是存在着强烈的相互作用，化学上把这种分子或晶体中微粒（原子、离子或电子）间的相互作用力叫做化学键。本文着重介绍晶体的基本类型、金属晶体的三种紧密堆积、简述同素异构转变，以及合金的固溶体和金属化合物两种基本类型。 §1晶体的基本类型 物质通常呈气、液、固三种聚集状态，固体又可分成晶体和非晶体两种，大多数固体物质是晶体。晶体在工程材料中占十分重要的地位。 黄铜矿 黄铁矿石英 一、晶体和非晶体 晶体都具有固定的熔点，将晶体加热只有达到一定温度（熔点）时才开始融化，在没有全部融化以前，继续加热，温度不在上升，这时所供给的热量都用于使晶体从固态变为液态。 非晶体没有固定熔点，如玻璃、沥青、松香等，在加热过程中逐渐变软，开始流动，最后变成液体。金属因其晶体结构比较简单，很难阻止其结晶过程，故通常得不到非晶态固体，但采用特殊的制备方法可获得非晶态的金属和合金。而液态金属则几乎总是非晶体 。 另外晶体的某些物理性质如解理（沿某一平面裂开现象）、光性质、导热性等，从不同方向去测定时常是不同的，晶体的这种性质叫各向异性。非晶体是各向同性的。晶体和非晶体所以有这些性质上的差异主要是由内部结构决定的。应用x射线研究晶体的结果表明，组成晶体的微粒（离子、原子或分子）有规则的、周期性的排列在空间的一定点上，这些点的总和叫晶格（或点阵）。而组成非晶体的微粒在空间的排列是不规则的。在晶格上排有微粒的那些点叫晶格的结点。 晶体有单晶和多晶的区别，由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体称为单晶体。在单晶体中，原子都是按同一取向排列的。一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体；现在也能够人工培育制造出多种单晶体，如半导体工业用的单晶硅和锗。激光技术中用的红宝石和镱铝石榴石，以及金属或合金单晶等。但是金属材料通常是由许多不同位向的小晶体所组成，称为多晶体。 金属单晶体a）和多晶体b）结构示意图 这些小晶体往往呈颗粒状，不具有规则的外形，故称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界(晶界是单晶体区别与多晶体的主要特征)。下图为纯铁的显微组织，可看到晶粒和晶界。 工业纯铁的显微镜组织 各晶粒位向示意图 多晶体材料一般不显示出各向异性，这是因为它包含大量的彼此位向不同的晶粒，虽然每个晶粒有异向性，但整块金属的性能则是它们性能的平均值，故表现为各向同性，这种情况称为伪各向同性或假等向性。在某些条件下，如定向凝固、特定的轧制退火等，使各晶粒的位向趋于一致。则其异向性又会显示出来。 二、四种基本晶体 按照晶格结点上微粒间作用力的性质，可将晶体分成以下四种基本类型： 1．离子晶体 食盐晶簇 在离子晶体的晶格结点上交替地排列着正离子和负离子。在正、负离子间有静电引力（离子键）作用着。如：氯化钠。属于离子晶体的物质通常有活波金属的盐类和氧化物。离子晶体的特性是有较大的硬度与熔点，延性和展性很小，熔融后能导电，很多离子晶体易溶于极性溶剂如水中。 2．原子晶体 金刚石 在原子晶体的晶格结点上排列着原子，原子之间有共价键联系着。属于原子晶体的物质，单质中除金刚石外，还有可做半导体元件的单硅和鍺。在化合物中如碳化硅、砷化镓、二氧化硅等也是原子晶体。原子晶体的延性和展性很小。由于晶体中没有离子，固态、融融态都不易导电。但是，某些原子晶体如Si、Ge等还是可以作为优良的半导体材料。 3．分子晶体 在分子晶体的晶格结点上排列着分子，在分子之间有分子间力作用着。许多非金属单质、非金属元素所组成的化合物以及绝大部分的有机化合物，都能形成分子晶体。由于分子间力较弱，分子晶体的硬度较小，熔点较低。分子晶体是由电中性的分子组成的，固态和熔融态都不导电。例：二氧化碳属分子晶体（俗名干冰），晶格结点上排列着CO2分子， -79℃时即升华。 4．金属晶体 在金属晶体的晶格结点上排列着原子和正离子，在这些离子、原子之间，存在着从金属原子脱落下来的电子。这些电子不是固定在某一离子的附近，而是在整个晶体中自由地运动，叫做自由电子。当电子从原子脱落下来时，原子就变成正离子，但当电子与正离子结合时，又变成了原子。由于自由电子的运动而引起金属晶体中微粒间的联结叫做金属键。 金属键——电子云 当大量金属原子结合在一起构成金属晶体时，金属原子失去外层电子 变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为整个金属所共有，构成 电子云，金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由 电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属 晶体。这种结合方式（