金属晶体结构密堆积的几种常见形式ppt课件
晶体的堆积方式(课堂PPT)
第五章 晶体的堆积方式
• 原子和离子都占有一定的空间，在某种程度上近似可将其视 为具有一定大小的球体。
四面体和八面体公用顶点、棱、面的情况
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两个规则的MX4和两个规则的MX6连接时M-M间距离
21
Pauling 规则
第四规则
结构中存在多种正离子，高价和低配位数的正离子配位多 面体倾向于不公用几何元素。
CaO12
TiO6
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Pauling 规则
第五规则 结构中实质上不同的原子种类数尽可能少。即相同的原子 尽可能处于相同的环境。 以石榴石为例，Ca3Al2Si3O12
• 原子或离子之间的相互结合，从几何的角度，在形式上可视 为球体间的堆积。
• 晶体具有最小的内能性，原子和离子相互结合时，相互间的 引力和斥力处于平衡状态，这就相当于球体间作紧密堆积。
球体紧密堆积原理
球体最紧密堆积的基本类型 ① 单一质点的等大球体最紧密堆积，如纯金属晶体。 ② 几种质点的不等大球体的紧密堆积，如离子晶体。
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静电价计算
对于理想的CaTiO3结构 Ca2+与12个O2-配位，SCa= 2/12 = 1/6 Ti4+与6个O2-配位，STi= 4/6 = 2/3 O2-周围有4个Ca2+和2个Ti4+ ，ZO= 4 SCa + 2 STi= 2
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Pauling 规则
第三规则（多面体连接规则） 在一个配位结构中，配位多面体公用棱，特别是公用面， 会使结构的稳定性降低；正离子的价数越高、配位数越小， 这一效应越显著；在正负离子半径比达到配位多面体的最 低极限，这一效应更为显著。
六方密堆积PPT课件
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【资料】
金属之最
熔点最低---- 汞 密度最小---- 锂 硬度最小---- 铯 延性最好---- 铂 最活泼 ---- 铯
熔点最高---- 钨 密度最大---- 锇 硬度最大---- 铬 展性最好---- 金 最稳定 ---- 金
不同的金属在某些性质方面，如密度、硬 度、熔点等又表现出很大差别。这与金属原子 本身、晶体中原子的排列方式等因素有关。
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金属的延展性
++ + +++ + + ++ +
+++ ++ + + + ++
位错
+++ + ++ + + ++ ++++ +++ + +++ +
自由电子 + 金属离子
金属原子
12
AB……的重复方式，
A
A
既镁型。
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探究 密置层在三维空间里的紧密接触的几种堆积方式
A
A
C BC
第一层
A B A
A
C
B
第二层
A 第三层
第三层推上去时，若 在第一、二层凹隙之 上，即C的位置，就成 为ABC ABC ABC……的重复,即铜 型
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密置层在三维空间里的紧密堆积方式
金属晶体的三种密堆积方式
金属晶体的三种密堆积方式金属晶体的三种密堆积方式中，原子排列的密堆积方式是指原子在三维空间中紧密排列，以使得晶体的空间利用率达到最大。
密堆积方式可以有效影响金属的密度、强度、硬度等物理性质，因此在材料科学和固体物理中具有重要意义。
通常，金属晶体的密堆积方式主要分为以下三种：面心立方堆积（FCC）、六方最密堆积（HCP）和体心立方堆积（BCC）。
一、面心立方堆积（FCC）面心立方堆积（Face-Centered Cubic, FCC）是一种常见的密堆积方式，其中每个立方体的面上都有一个原子，且每个顶点上也有一个原子。
FCC结构可以看作是由许多面心立方单元重复堆积而成，其代表性金属包括铜（Cu）、铝（Al）、银（Ag）和金（Au）等。
1. 结构特点：在FCC结构中，每个原子都有12个最近邻原子，即配位数为12。
该结构单胞中包含4个原子（8个顶点上的原子分别与相邻单元共享，6个面的原子与邻近单元共享），堆积因子达到0.74，即约74%的空间被原子占据，属于最密堆积结构。
2. 性质：FCC结构由于其紧密的堆积方式，具有较高的塑性和延展性。
因此，FCC金属在室温下一般较易发生滑移，从而产生延展变形。
例如，铜和铝具有良好的延展性，易于加工成型。
3. 堆积方式：在面心立方堆积中，原子在平面上形成紧密的六边形排列，层间顺序为ABCABC 的排列模式。
这意味着每三层后结构重复，形成周期性排列。
4. 应用：FCC结构的金属由于其良好的延展性和抗冲击性，常用于制造电线、金属薄膜和结构材料等。
二、六方最密堆积（HCP）六方最密堆积（Hexagonal Close-Packed, HCP）是一种与面心立方相似的密堆积方式，但其晶体结构为六方柱体，且具有不同的堆积顺序。
HCP结构的代表性金属包括镁（Mg）、钛（Ti）、锌（Zn）和钴（Co）等。
1. 结构特点：在HCP结构中，原子的配位数同样为12，说明其紧密度与FCC相似。
《六方最密堆积》课件
纳米技术
纳米技术是一种新兴的技术领域，它 涉及到纳米尺度上的材料、器件和系 统等，六方最密堆积在纳米技术中也 有着重要的应用。例如，在制造纳米 材料和纳米器件时，六方最密堆积可 以提高材料的结晶度和纯度，从而获 得更好的性能和稳定性。
稳定性
六方最密堆积的稳定性高于简单 立方堆积，因为它能更好地抵抗
外界压力和温度变化。
应用领域
简单立方堆积在某些塑料和合金 中有所应用，而六方最密堆积在 需要高强度和稳定性的材料中更
为常见。
与体心立方堆积的比较
原子排列
体心立方堆积的原子排列 较为紧密，但层间排列不 如六方最密堆积紧凑。
稳定性
六方最密堆积的稳定性略 高于体心立方堆积，因为 它具有更好的对称性和适 应性。
边形填充周围空间。
模型特点
该模型具有高度的对称性和规则性 ，展现出优美的几何形态。
模型应用
六方最密堆积的几何模型在材料科 学、晶体结构等领域有广泛应用。
空间填充方式
01
02
03
空间填充原理
六方最密堆积的空间填充 方式基于几何学原理，通 过合理排列大、小六边形 ，实现空间的高效利用。
填充规则
大六边形占据中心位置， 小六边形围绕大六边形紧 密排列，形成有序的结构 。
03
与其他堆积方式相比，六方最密堆积的空间利用率更高，这使
得它在材料科学等领域具有重要的应用价值。
03
六方最密堆积的应用
晶体结构
晶体结构是物质的基本排列方式，六方最密堆积在晶体结构 中有着广泛的应用。例如，在金属材料中，六方最密堆积是 一种常见的晶体结构，它可以提高材料的硬度和强度，从而 提高金属制品的耐磨性和耐腐蚀性。
第二章晶体结构(紧密堆积2)
0.123+0.172=0.295 0.277 0.018 0.715 NaCl NaCl 6
极化包括：主极化和被极化 在离子晶体中，一般阴离子半径较大，易于变形 而被极化，而主极化能力较低。阳离子半径相对较小， 当电价较高时其主极化作用大，而被极化程度较低。
五、鲍林规则
（1）在正离子的周围形成一负离子配位多面体， 正离子、负离子间的距离取决于半径之和，而配 位数取决于半径比。
正离子多面体之间倾向于不公用几何元素。
（5）晶体中，本质不同的结构组元的种类，倾向于 为数最少。(节省规则）
在一晶体结构中，晶体化学性质相似的不同离子，将尽 可能采取相同的配位方式。
总结：
鲍林规则由离子晶体结构中归纳出来的，符合于大多数离
子晶体结构。对理想晶体结构有用。但它不完全适用于过
渡金属化合物的离子晶体，更不适用非离子晶体，对于这 些晶体的结构，还需用晶体场和配位场理论说明。
1.6 晶体场理论和配位场理论
一、晶体场理论基础
所谓晶体场就是指晶格中由阳离子周围的配位体—与阳离 子成配位关系的阴离子或负离子指向中心阳离子的偶极分 子——所构成的一个静电场。
图1－五个d轨道的空间分布
二、d轨道的晶体场分裂
图1－正八面体络合的d轨道
t=4/9 o
四面体和八面体配位中过渡金属离子d轨道的相对
3+
影响因素：
1.正、负离子半径比 2.温度 3.压力 4.离子极化
四、 离子极化
在离子晶体中，通常把离子视作刚性的小球，这是 一种近似处理，这种近似仅在典型的离子晶体中误差较
小。实际上，在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生
的电场，必然要对另一个离子的电子云产生吸引或排斥 作用，使之发生变形，这种现象称为极化。
金属晶体的四种堆积模型总结
金属晶体的四种堆积模型总结Metal crystals can be classified into four main stacking models: Close-packed cubic (FCC), Close-packed hexagonal (HCP), Body-centered cubic (BCC), and Simple cubic (SC). These models represent different ways in which metal atoms arrange themselves in a crystal lattice. Close-packed cubic structures have atoms arranged in layers of repeating ABCABC... pattern, giving them high packing efficiency.金属晶体可以分为四种主要的堆积模型：密堆立方（FCC）、密堆六方（HCP）、体心立方（BCC）和简单立方（SC）。
这些模型代表了金属原子在晶格中排列的不同方式。
密堆立方结构中，原子按照重复ABCABC...模式排列在不同层中，使得具有较高的填充效率。
Close-packed hexagonal structures, on the other hand, consist of layers with an ABAB... stacking sequence. This type of arrangement gives rise to a compact structure with a hexagonal unit cell. Body-centered cubic structures have atoms arranged in a simple cubic lattice with an additional atom at the center of the cube. This arrangement provides good mechanical properties due to thepresence of the central atom, which enhances the strength of the crystal lattice.另一方面，密堆六方结构由具有ABAB...堆叠序列的层组成。
晶体化学PPT课件
第二种则是第三层球堆积在既不重复第一层也不重 复第二层球的位置上。即按ABCABC……三层重复一 次的规律重复堆积。 则球体在空间的分布与空间格子中的立方面心格子 一致。此种方式的堆积称之为立方最紧密堆积。
立方最紧密堆积
X
三层重复 ABCABCABC.... 最紧密堆积面（111）
金属键不具有方向性和饱和性，晶格 做最紧密堆积，具有较高的配位数。
由于自由电子的存在，晶体为良导体， 不透明，高反射率，金属光泽，有延展性， 硬度一般较小。
4. 分子晶格－分子键
在分子晶格中，存在着中性分子，在分 子内部通常为共价键结合，分子之间为相 当弱的分子间力所联系。这是由于分子电 荷分布不均匀而形成偶极，从而在分子间 形成了电性引力。
离子晶格遵守下列规则：
1） 在阳离子周围，形成一个阳离子配位多 面体，阴阳离子间距取决于它们的半径之和， 而配位数取决于它们的半径之比。
2） 阳离子的电价为周围的阴离子的电价所 平衡。
3） 当配位多面体共棱，特别是共面时，会 降低晶体结构的稳定性。对高电价配位数的 阳离子，这个效应更明显。
4） 在晶体结构中，有几种阳离子存在时， 电价高、半径小、配位数低的阳离子趋向于 远离。在晶体结构中，晶体化学上不同的部 分趋向于最小限度。
晶体化学
一、晶体结构的紧密堆积原理
球体的最紧密堆积
晶体结构
球体堆积 Why ?
具有一定有效半径的离子或原子
刚性小球
金属键和离子键都没有方向性和饱和性 晶体中原子或离子的化合遵循内能最小的原则
单元素晶体 等大球体 化合物 不等大球体
1、等大球体的最紧密堆积（方式一）
A B
注意： 第三层球的堆积位 置有两种（A或B）
常见九种典型的晶体结构_图文
4 萤石结构
空间群：Fm3m，立方面心结构。 Ca分布于晶胞的角顶及面心；F分布在晶胞8等分 之后每个小立方体的中心。
萤石结构可以理 解为：Ca2+ 做立 方最紧密堆积，F充填在其中全部的 四面体孔隙中。N 个球最紧密堆积有 2N个四面体空隙 ，所以Ca:F= 1:2 ，故得其分子式为 CaF2。
α-铁（Iron-alpha） ---（奥氏体） --立方体心 γ-铁（Iron-gama） --（马氏体）--立方面心 ε-铁（Iron- Epsilon） --六方结构
2 氯化铯(CsCl)结构
空间群：Pm3m，立方原始格子。
阴离子分布在晶胞的8个角顶，阳离子充填 在其所形成的立方体空隙中。立方体共面连 接。
如果金刚石晶胞沿一个L3立起来，金刚石似乎显示出层状结 构特征，虽然不是很特征，但金刚石的确平行{111}存在中等 解理。
由于C-C键的键能大（347 kJ/mo），价电子都参与了共价 键的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中 最坚硬的固体，熔点高达3550 ℃。
金刚石及其等结构物质比较
具有该结构的物质主要有：KCl, NaCl, TiCl, RbF, CsN, NbN, NbO, AgI, TiTh等物质。
3 CaI2结构
空间群：P-3m，三方原始格子。
在单位晶胞中，阳离子分布在8个角顶，阴离子分 布中由上下各3个阳离子构成的正三方柱中，并间 隔地在上半部的中心和下半部的中心。
闪锌矿的晶体结构：球键图(左)、配位多面体连接图(右)
结构中，S2- 和Zn2+配位数都是4，配位多面体都 是四面体。四面体共角顶相联。
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六方密堆积
.
➢ 二维平面堆积方式
I型
II 型
非密置层
行列对齐四球一空 非最紧密排列
.
密置层
行列相错三球一空 最紧密排列
② 密置层：
沿二维空间伸展的等径圆球的最密堆积形式叫密置层，它只有一种排列方 式。（如图2）在密置层中每个球都与周围六个球紧密接触，配位数为6，三个球
形成一个三角形空隙，因此每个球分摊两个三角形空隙。
金属晶体结构密堆积的几种常见形式
等径圆球的最密堆积模型
金属原子的最外层电子在金属晶体中是自 由移动的，而金属离子用等经圆球的最密堆 积模型来进行堆积，形成金属晶体的骨架。 自由移动的电子象一种带负电荷的粘合剂将 这种堆积粘合在一起。这种自由电子我们用 三维势箱模型和电子能带理论进行处理。本 节课我们专门讨论怎样用等径圆球的密堆积 模型来形成这种骨架。
积___高____，碱金属和Fe属于这种堆积方式。68%
.
(1).密置层在三维空间堆积 b、六方最密堆积
第一层 ：
.
第二层 ： 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将 球对准1，3，5 位。 ( 或对准 2，4，6 位，其情形是一 样的 )
，
12
6
3
54
12
6
3
54
A
B
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式。
得到的是体心立方堆积，如碱金属和Fe等。 .
(2).非密置层的堆积方式
b、体心立方堆积
②体心立方堆积 将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴 中，并使非密置层的原子稍稍分离。这种堆积方 式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一 个原子在立方体的__顶__角____，另一个原子在立方 体的__中__心______，其空间的利用率比简单立方堆
a、简单立方堆积
.
相邻非密置层原子的原子核在 ___同__一__直_线__上____的堆积，空间 利用率太低，只有金属_P_o___采 用这种堆积方式。
形成简单立方晶胞，空间利用率较低52％ ，金 属钋（Po）采取这种堆积方式。
.
这是非密置层另一种堆积方式，将上层金属填入 下层金属由球 方点密作 格阵置为 子，层一 。正抽个
当出结
. 图2：等径圆球的密置层
金属晶体的原子堆积模型 1．二维空间模型 (1)非密置层
配位数为_4__，如图所示：
.
(2)密置层 配位数为__6__，如图所示：
.
➢ 三维空间堆积方式
(1).非密置层的堆积方式
.
Ⅲ.六方密堆积 镁、锌、钛等属于六方堆积
第一种： 将第三层球对准第一层的球
A
12
6
3
B
54
A
B
于是每两层形成一个 周期，即 AB AB 堆积方 式，形成六方紧密堆积。
A
上图是此种六方 紧密堆积的前视图
配位数 12 ( 同层 6. ，上下层各 3 )
金属晶体的原子空间堆积模型3
• 六方密堆积（镁型）
.
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