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1、4.5 固体物质的分类和宏观特征,1、固体的分类,固体,晶体(crystal),单晶体多晶体,无定型固体(amorphous solid),2、晶体的特征,(1)具有规则的几何外形,晶面角守恒定律,(2)有固定的熔点,(3)各向异性,(4)晶体内部粒子的周期性排列及其理想的外 形都具有特定的对称性,4.6 晶体的微观点阵结构,1、晶体与空间点阵,NaCl的晶体结构,晶体内部的结构单元（分子、原子、原子团或离子等）在空间作有规则的周期性排列，构成空间点阵（晶格）(crystal lattice),2、晶胞(unit cell),构成晶体的平行六面体的最小的基本单元称为晶胞。,整个晶体是由晶胞无间
2、隙地堆砌而成。,晶胞参数(unit cell parameters),构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c（称为晶轴）及三个夹角、称为晶胞参数。它们决定了晶胞的大小和形状。,晶胞的分类 晶系,晶系 晶轴 轴间夹角 实例 立方 a=b=c=900 Cu,NaCl 四方 a=b c=900 Sn,SiO2 正交 a=b c=900 I2,BaCO3 三方 a=b=c=900 As,Al2O3 a=b c=900，=1200 单斜 a b c=900，900 KClO3 三斜 a b c 900 K2CrO7 六方 a=b c=900，=1200 Mg,CuS,立方晶系(a=b=c,=900),简单
3、立方型 体心立方型 面心立方型,4.7 金属晶体,1、金属键(Metallic bond),(1)自由电子气模型,在金属晶体中，金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子(freeElectrons)。金属借助这些自由电子与金属离子之间的作用力而结合成晶体，此作用力则称为金属键。,（2）能带理论（Energy band theory),（1）由于晶体中原子之间的相互作用，而使 原子某个轨道的能级分裂成一组能量非 常相近的能级，称为能带。一个能级中所含能级的数量与晶体中原 子的个数相同。,(2)电子在能带中的排布仍然遵守能量最低原 理、泡利原理和
4、洪特规则。,(3)能级分为满带、导带和空带：全部被电子充满的能带称为满带。部分被电子充满的能带称为导带。在电 场的作用下，导带中的电子可以从较低能 级跃迁到较高能级，形成电流。没有电子的能带称为空带。,(4)能带之间的区域称为禁带。禁带宽度：金属：01eV 半导体：5 eV,空 带,金属,半导体,绝缘体,2、晶体类型及结构,（1）简单立方堆积,（2）体心立方堆积,（3）面心立方堆积,（4）六方密堆积,4.8 离子晶体(ionic crystal),1、离子晶体的性质,具有较高的熔点和沸点；大多数固体不导电；一般易溶于极性溶剂,决定晶格类型的因素：离子所带电荷的数量；正、负离子的半径；离子的极化
5、。,2、离子半径与晶体结构的关系,离子在空间排布时，在满足电中性和能量最低原理的前提下，每个离子周围将尽可能多地排列异电荷离子,配位数：每个离子周围邻接的异电荷离子的数目。,+,+,+,半径比 r+/r-,0.414(0.2250.414)(0.414 0.732)(0.732 1),配位数 4 6 8,晶体构型 ZnS型 NaCl型 CsCl型,3、几种简单的离子晶体类型,(1)CsCl 型（简单立方晶型）：,(2)NaCl型（面心立方晶型）,(3)ZnS型（面心立方晶型）:,4、离子极化对晶体结构的影响,离子的极化(polarization of ions)在外电场的作用下，离子最外层的电
6、子云发生变形，称为离子的极化。,当带相反电荷的离子相互接近时，会互相引起极化作用，但一般正离子的极化能力大于负离子，而负离子由于极化而产生的电子云的变形大于正离子。,影响离子极化能力的因素,离子半径越小，所带电荷数越多，极化能 力越强；,(2)与最外层电子构性有关 极化能力：18，18+2，2 9 17 8,影响离子变形性的因素,(1)离子半径越大，变形性越大,(2)负离子价数越高，变形性越大；正离子价数越高，变形性越小。,离子极化对晶体结构和性质的影响,离子的极化使离子键向共价键转化，使晶体的结构和性质向共价化合物转变（如熔点和沸点降低，在水中的溶解度减小，颜色发生变化等）,4.9 原子晶体
7、和分子晶体,在晶体中，原子以共价键相互连接而组成晶格点阵，晶体构型取决于共价键的性质（方向性和饱和型），一般比离子型晶体配位数低，硬度和熔点比离子晶体高，溶解度和延展性差。,1、原子晶体（共价晶体 covalent crystals),2、分子晶体（molecular crystals),在晶体中，分子通过分子间作用力而构成晶格点阵，形成晶体。分子性晶体一般也采取紧密堆积方式，配位数较大，熔点和沸点都较低，固态及液态均不导电。,3、混合键型晶体,石墨：,同层碳原子：3个键（sp2杂化轨道）-共价键 1个大键（p自由电子）-金属键不同层碳原子：分子间力,4.10 晶体缺陷(crystal def
8、ect),具有完整空间点阵结构的晶体称为理想晶体。,晶体结构偏离理想点阵结构的现象称为晶体缺陷。,缺陷种类,点缺陷线缺陷面缺陷体缺陷,4.11 现代材料,1、液晶(liquid crystal),1881年，奥地利植物学家F.Reinitzer发现:胆甾醇苯甲酸酯C6H5CO2C27H45加热时，在419 452K之间熔化成为混浊的，光学、电学性质各向异性液体，称为液晶。,液晶的相变,固体 液晶 液体,熔点,清亮点,液晶分子的特点：大多为含有极性基团的棒状有机化合物活或聚合物分子。,应用：显示材料，检测,2、富勒烯,1、相和相变,系统内物理性质及化学性质完全均匀的一部分称为一相。,H2O(l)
9、,糖水,糖水,糖,均相系统（homogeneous system),多（复、非均）相系统heterogeneous system,4.11 相变及相图(Phase transition and phase diagrams),相平衡,若在一个多相系统中，各相的组成及数量均不随时间而变化，则称该系统处于相平衡,相变：体系从一种相向另一种相的转变，或指物质从一相向另一相的转移（通常也就是物质的聚集态的变化）。,对纯物质而言，相平衡的温度与压力互为依赖关系。,相图：描述体系的相态随温度、压力及组成变化的图称为相图。,相图可以从理论计算得到，但更多的是从实验获得。相图是研究多相体系性质的重要工具。,1
10、.Phase diagrams of one-component systems,O,A,B,C,G,L,S,p,T,OA,OB,OC:-两相线,OA:L-G 平衡线OB:L-S 平衡线OC:S-G 平衡线,O:三相点(273.16 K,610 Pa),C:临界点(647 K,22.06 Mpa),水的冰点:在101.325kPa下,被空气所饱和了的水的凝固点(273.15K)。,水的三相点:纯水三相平衡的温度。,H2O(l),H2O(g),H2O(s),H2O(l),H2O(s),空气,P=101.325 kPa,临界现象,2000,4000,6000,P/atm,T,冰的相图,S(正交硫)
11、,S(单斜硫),L,G,p,T,硫的相图,4.11 现代材料,1、液晶(liquid crystal),1881年，奥地利植物学家F.Reinitzer发现:胆甾醇苯甲酸酯C6H5CO2C27H45加热时，在419 452K之间熔化成为混浊的，光学、电学性质各向异性液体，称为液晶。,液晶物质的相变,固体 液晶 液体,熔点,清亮点,液体 向列相 近晶相A 近晶相B,胆甾相,热致型液晶分子的结构特点：大多为含有极性基团的刚性棒状有机化合物或聚合物分子。,应用：显示材料（LCD)，,溶致型液晶 由符合一定结构要求的化合物（如双亲分子）与溶剂（如水）组成的有序体系。,双亲分子：由憎水基团（非极性基团）
12、和亲水基团（极性基团）构成的分子,如：C12H25SO3Na,2、C60的发现和Fullerene化学,1996年，Robert.F.Curl,Harold.W.Kroto,Richard E Smalley 因发现C60而获诺贝尔化学奖,发现C60的装置(1985,828-9,11),C60的结构,由60个碳原子构成的球形32面体，由12个五边形和20个六边形组成；每个碳原子以sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子连结，剩余的P轨道在C60的外围和内腔形成球面键。,包括在内的所有含有偶数个碳原子所形成的分子称为Fullerene,C60OsO4(C2H5)3P2Pt6C60,C60的化合物,3、纳
13、米材料和纳米结构,尺度范围在1 100nm（10-7 10-9 m）之间的材料，称为纳米材料。,氮化硅纳米丝,-Al2O3TiO2,纳米结构的特殊性质：,（1）量子尺寸效应：当体系尺寸下降到某一数值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续能级（能带）变为离散能级，能级间隙变宽的现象，称为量子尺寸效应。,（2）表面效应 由于纳米材料具有巨大的表面积，因此体系具有巨大的表面能和表面活性。,纳米材料的应用：,纳米陶瓷：具有良好的韧性，在180 0C下弯曲而不断裂，“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”。,纳米半导体材料：光电化学电池的电极（纳米晶电极）纳米传感器 纳米稀土材料（发光材料，永磁材料）分子电子器件和纳米器件,纳米催化剂 加氢、脱氢反应催化剂 光解催化剂,高能储氢材料,生物医学应用 细胞分离（早期遗传缺陷诊断，早期癌 症诊断）磁性纳米粒子作为药物载体的“靶向药物”,传统材料的改性,正象20世纪70年代微电子技术产生的信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。Armstrong(IBM首席科学家）,纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。钱学森,
