无机材料物理化学复习

第一章 晶体结构

1晶体定义

内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体，也就是说，晶体是具有格子构造的固体。 2晶体的基本性质

固定的熔点 各向异性 自限性 稳定性 对称性 均匀性 晶面角守恒定律 3非晶体的概念

内部质点排列不规则，不具有长程有序，不具格子构造，不能自发形成规则多面体外形的无定形体。

4结晶作用的基本方式

气→固结晶作用 升华结晶

液→固结晶作用 从溶液中结晶、从熔体中结晶

固（1）→固（2）结晶作用 多晶转变、再结晶、固溶体的离析、固相反应结晶作用、重结晶、反玻璃化作用

一般来说，晶格能越高，离子间结合越牢固，其硬度越大，熔点越高，热膨胀系数越小。 5结晶化学定律（哥希密特）：晶体的结构取决于构成其质点的大小关系、数量关系和极化

性能。

6 最紧密堆积原理：质点之间的作用力使它们之间距离最小，空间最小。

（1）等径球体的密堆

由四个球组成 由六个球组成

（2）不等径球体的密堆

较大的球做紧密堆积，较小的球进入大球堆积所形成的空隙中。

在离子晶体中，通常负离子半径要比正离子大，所以负离子通常做近似的紧密堆积，而正离子来填隙。

7配位数（CN ）和配位多面体 配位数（CN ）：

在晶体结构中，一个原子（离子）周围相邻结合的同种原子（异号离子）的个数。

％晶胞体积积

一个晶胞内球占的总体空间利用率＝100⨯⎩⎨

⎧等如：质点所组成的化合物。不等径球体密堆：不同等、、：点组成的单质晶体。如等径球体密堆：同一质

球体密堆NaCl Au Cu Ag ％。％，空隙率空间利用率立方密堆—排列六方密堆—排列等径球体密堆95.2505.74............⎭⎬⎫⎩⎨⎧ABCABC ABAB ⎩⎨⎧八面体空隙四面体空隙空隙⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨

⎧离子密堆，正离子填隙不等径球体的密堆：负个八面体空隙有个四面体空隙有个球（质点）密堆个八面体空隙一个球周围有个四面体空隙一个球周围有等径球体密堆n n n 268

配位多面体：

在晶体中，一个原子或离子与最邻近的配位原子或离子组成的多面体。

影响配位数的因素

温度、压力、阳离子类型、极化性能、r阳/r阴；

对典型的离子化合物，在通常的温度和压力下，阳离子的配位数主要取决于r阳/r阴。8鲍林（Pauling）规则

1.第一规则：配位多面体规则

2.第二规则：静电价规则

3.第三规则：多面体连接的规则

4.第四规则：不同种类正离子配位多面体间连接规则

5.第五规则：节约规则

9典型无机化合物的晶体结构

结构单元：周期性结构具有最小的重复单元。

负离子作最紧密堆积

NaCl （面心立方）氯离子作面心立方密堆积，钠离子填入所有的八面体。每个钠离子周围有6个氯离子，每个氯离子周围有6个钠离子

反萤石（Na2O）氧离子作面心立方密堆积，钠离子填充立方密堆积中的所有的四面体。

闪锌矿（β-ZnS）硫离子作面心立方密堆积，锌离子填入其中的四面体空隙。N个硫离子

密堆积应该有2N四面体空隙，Zn ：S=1 ：1，即锌离子填入一半的四面体空隙。

纤锌矿（α-ZnS）硫离子作六方密堆积，锌离子填入一半的四面体空隙。

金红石（TiO2）氧离子作六方密堆积，钛离子填入1/2 八面体空隙

刚玉（α-Al2O3）氧离子作六方密堆积，铝离子填入2/3 八面体空隙

负离子作简单立方堆积

CsCl （简单立方）氯离子作简单立方堆积，铯离子进入氯离子立方堆积空隙

萤石（CaF2）氟离子作简单立方堆积，钙离子填充了1/2氟离子立方堆积空隙

钙钛矿（CaTiO3）Ti体心，Ca顶角，O面心。钙离子与氧离子共同形成立方密堆积，钛离子填充在钙离子与氧离子立方密堆积形成的1/4 八面体空隙

尖晶石（MgAl2O4）氧离子作面心立方密堆积，镁离子填充立方密堆积中的1/8 四面体空隙，铝离子填充1/2四面体空隙

晶体结构与性质的关系1.硬度2.熔点3.热膨胀性4.解理

10硅酸盐晶体结构

第二章晶体结构缺陷

1点缺陷的名称：填隙原子，空位，杂质原子

2点缺陷的分类：热缺陷，杂质缺陷，非化学计量结构缺陷

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

-

=

kT

E

N

n

s

2

ex p

热缺陷（温度高于0 K ，吸收能量发生热振动）

弗伦克尔缺陷：如果离开平衡位置的原子进入晶格的间隙位置，成为填隙原子。

空位和间隙原子同时出现，晶体体积不变，密度也不变。

肖特基缺陷：如果离开平衡位置的原子迁移至晶体表面的正常格点位置上，而

晶体内仅有空位，没有等量的间隙原子。仅有空位存在，晶体体积膨胀，密度下降，正离子空位与负离子空位同时存在。

杂质缺陷：由外来原子进入原有晶体点阵而产生的结构为杂质缺陷。与温度无关，

只取决于溶解度

非化学计量结构缺陷 （电荷缺陷）

固溶体：

在固态条件下，一种组分内“溶解”了其它组分而形成的单一、均匀的晶态固体。 （填隙型，置换型）

取代离子的尺寸越相近，越容易形成固溶体，半径相差越大，溶解度越小

固溶体的研究方法

用x 射线结构分析测定晶胞参数，并测试SS 的密度和光学性能来判别SS 的类型。

非化学计量化合物

把原子或离子的比例不成简单整数比或固定的比例关系的 化合物称为非化学计量化合物。

非化学计量化合物的类型

• 1.金属离子过剩，形成阴离子缺位

——材料是n 型半导体。

• 2.金属离子过剩，形成阳离子填隙 • ——材料是n 型半导体。

• 3.阴离子过剩，形成阴离子填隙 • 如：UO2→UO2+x （氧化气氛）

• 由于结构中引入电子空穴，这种材料是p 型半导体。 • 4.阴离子过剩，形成阳离子空位 • 如：FeO ↔Fe1-xO （氧化气氛）

• 由于结构中引入电子空穴，这种材料是p 型半导体。

()O i Al

O Al O O Ti TiO a 3223

22

+''+−−→−∙O Al Al O Al O V Ti iO T 633322+'''+−−→−∙

()

O O Th ThO O V a C CaO b ++''−−→−∙∙2O

i Th ThO O Ca a C CaO 222

++''−−→−∙∙()

O Mg Mg MgO O

V Y O Y c 3232+''+−−→−∙O

i

Mg MgO O O Y

O Y 2232+''+−−→−∙()

O O Zr ZrO O

V l A O Al d 32232++'−−→−∙∙O

i

Zr ZrO O Al

l A O Al 632232++'−−→−∙∙∙