中南大学第1章+晶体结构2014.11.pdf

第1章 晶体结构 •结晶化学基本原理（重点） •结合键与材料性能的关系（重点） •无机非金属单质晶体结构（难点：鲍林规 则及应用） •无机化合物晶体结构 •硅酸盐的晶体结构 1.1 结晶化学基本原理 •化学键与混合键 • 离子键与晶格能 • 固体能带理论 1.1 化学键与混合键 从基本粒子谈起： • 物质—分子—原子—原子核+ 电子 • 微观粒子：原子、电子、光子、声子 （有能量无质量） ；夸克、中微子、希格斯玻色子 （能解释粒子为什么有 质量）等；基本粒子300多种。 微观粒子和宏观物体有什么区别？ • 微观粒子和宏观物体的区别 (1)宏观物体同时具有确定的坐标和动量，可用牛顿力学描述 ；微观粒子没有确定的坐标和动量，需用量子力学描述。 (2) 宏观物体有连续可测的运动轨道，可追踪各个物体的运 动轨迹来加以分辨；微观粒子具有概率分布的特性，不可 能分辨出各个粒子的轨迹。 (3) 宏观物体可处于任意的能量状态，体系的能量可以为任 意的、连续变化的数值；微观粒子只能处于某些确定的能 量状态，能量的改变量不能取任意的、连续变化的数值， 只能是分立的，即量子化的。 (4) 不确定度关系对宏观物体无实际意义，微观粒子遵循不 确定度关系。 • 介观粒子：直径处于纳米量级的粒子，如纳米材料，常常 表现出既不同于宏观物体，又不同于微观粒子的特性。 • 粒子相互作用—化学键—决定晶体类型—材料性能 结构 • 量子理论、化学键理论、点阵理论——结构化学内容 • 材料化学：从原子、分子量级出发，关注原子- 电子相互 作用、化学键特点对材料晶体结构和性能的影响。 1.原子结构 • 原子 原子核和电子 电中性 • 电子 负电性，电荷量1.6×10-19库仑/ 电子 电子绕原子核运动，具有特定的能态—轨道，每个轨道（能级）上只能 2 1 容纳两个电子(1s 2s ) 轨道与轨道之间存在间隙，就是电子的能量分布不连续。 固体中的电子状态：定域，离域，介于定离域之间：d轨道成键 元素性质 • 元素周期表左端的元素（77种金属元素）易于电离，成正离 子 过渡族金属  受内层的电子屏蔽效应的作用，原子价有可变性，Fe2＋，Fe3＋ 2 2 6 2 6 6 2 (1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s )  与其它原子相互作用时可以表现出某些独特的性质(d,f族元素,发 光、催化)  作为辅助元素在改善常用的金属材料性能有良好效果(稀土) • 元素周期表右上方的元素（非金属元素）易于共有或接受电 子成为负离子，是负电性的（吸引电子的能力—— 电负性） 无机材料：由金属元素和非金属元素组成，金属材料— 由金属 元素构成。 2. 原子键合 • 材料是由大量粒子组成，凝聚态（液 态和固态）下，材料中粒子间的距离小， 粒子之间产生的相互作用力使粒子结合 在一起，形成了结合键； • 结合键：原子（离子或分子）间的作用 力。 • 材料的许多性能在很大程度上取决于结 合键大小 • 根据结合键可将材料分为离子晶体、共 价晶体、金属晶体、分子晶体 结合键类型 • 化学键 依靠外层电子转移或形成电子对形成稳定的电子结构，使原子相互结 合起来 结合力较强，或称主价键、一次键 包括离子键、共价键、金属键 • 物理键 依靠分子间引力或原子之间的偶极吸引力结合而成 结合力较弱，或称二次键 包括分子键和氢键 如何描述化学键？ • 离子键—离子模型：能量状态具有较强的局域特性， 相应的能带较窄，电子之间的排斥作用较强。 • 共价键—经典价键理论：两原子靠近时其电子云重叠， 形成化学键。 —分子轨道理论：当原