晶体化学基本原理2014
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第二章晶体化学基本原理
第⼆章晶体化学基本原理第⼆章晶体化学基本原理思路：晶体质点的种类（化学组成）→晶体质点的位置（晶体结构）→晶体质点之间的相互作⽤（键型、电负性、极化、配位等对晶体结构的影响）第⼀节晶体结构的键合⼀、晶体中键的形式（晶体结构中，质点之间的结合⼒称为键）：化学键：原⼦或离⼦结合成为分⼦或晶体时，相邻原⼦或离⼦间的强烈吸引作⽤称为化学键。
⼆、化学键的类型：由不同键型组成的物质在性质上有很⼤差别。
是什么因素决定了形成某种物质时键的类型呢？仍然是组成该物质各原⼦的电⼦构型。
电⼦构型不同的原⼦其第⼀电离能I和亲和能Y不同。
通常将I+Y称作原⼦的电负性，⽤来量度原⼦对成键电⼦吸收能⼒的相对⼤⼩，⽤X（=I+Y）表⽰。
具体⽤两个元素的电负性差值X⼤⼩来定量确定物质的键型。
即电负性（X）⼤⼩可衡量电⼦转移的情况，因⽽可⽤来判断化学键的键型。
原⼦的X越⼤，越易得到电⼦形成负离⼦，当X ⼤于2后，呈⾮⾦属性，其组成了⼤部分⽆机材料；原⼦的X越⼩，越易失去电⼦形成正离⼦，当X⼩于2后，呈⾦属性，其组成了⾦属材料。
（1）离⼦键（P16）：其⾮⾦属原⼦容易得到电⼦的倾向也反映在它们的电负性数值⾼上，凡是X值相差⼤的不同种原⼦作⽤形成离⼦键，⼀般在4.0-2.1之间。
注意离⼦键⽆饱和性和⽅向性。
（2）共价键：凡是X值较⼤的同种或不同种原⼦组成共价键。
共价键有饱和性和⽅向性。
（3）范德⽡尔斯键（P16）：分⼦间由于⾊散、诱导、取向作⽤⽽产⽣的吸引⼒的总和。
属于分⼦键（分⼦间较弱的相互作⽤⼒）。
（4）氢键（P16）：是⼀种特殊的键合。
也属于分⼦键。
氢键键⼒ > 范德华键键⼒；其分⼦晶体的结构单元是分⼦，分⼦内的原⼦以共价键结合，⽽分⼦与分⼦之间以范德华键结合。
（5）⾦属键（P17）：原⼦的X越⼩，越易失去电⼦，X⼩于2，呈⾦属性。
即凡是X值都较⼩的同种或不同种原⼦组成⾦属键，被给出的电⼦形成⾃由电⼦⽓，⾦属离⼦浸没其中。
注意⾦属键⽆饱和性和⽅向性。
《晶体化学原理》PPT课件
正方型堆积
体心立方晶胞
由密堆积方式产生的结构----六方密堆积 和立方密堆积结构
在三维空间中，两个密堆积层, 使其接触 的最有效方式是把一层中的每个球放在另一 层中三个球之间的凹陷处，例如放在图中的 B或C处。
A
A
A
A
B
B
B
C
C
C
C
A
A
A
A
A
B
B
B
B
C
C
C
A
A
A
A
第二层中的原子可以占据B或C位置， 但两者不能都被占，也不能被混合占据。 假定B位置被占，则如下图：
第三部分 晶体化学原理
晶体密度，单位晶胞内容
晶体的密度: 单位体积晶体的质量。 在已知晶体的结构类型及晶胞常数的前 提下，可以计算出晶体的密度。
晶体密度为D ，则:
质量 式量
FW
D = —— = ———— = ———————
体积 摩尔体积 式单位体积 N
此处 N是 Avogadro常数。若一个单位晶 胞的体积为 V，含 Z个式单位，则
A
A
A
A
B
B
B
B
C
C
C
A
A
A
A
六方密堆积的第二层
B
B
B
C
C
C
C
BCBCBCB
ABABABABAB… Or
ACACACACAC...
六方密堆积的第三层
B
B
B
C
C
C
C
B
B
B
B
C
C
C
ABABABABAB… Or
化学晶体学原理
化学晶体学原理化学晶体学是研究晶体的组成、结构和性质的学科。
晶体是由原子、离子或分子有序排列形成的周期性结构，具有独特的物理、化学和光学性质。
本文将介绍化学晶体学的基本原理。
一、晶体的组成晶体通常由一个或多个化学元素或化合物组成。
元素晶体由同一种元素构成，如金属晶体中的金属原子。
化合物晶体由两种或多种不同的元素组成，如晶体中的盐类或矿物。
二、晶体的结构晶体的结构由原子、离子或分子的有序排列决定。
最简单的晶体结构是周期性排列的平面方阵，该结构称为简单晶格。
晶格是晶体中最基本的重复单位，通过平移重复堆积可以构成整个晶体。
晶格的类型取决于晶体的组成和结构。
晶体的结构可以通过X射线衍射、电子显微镜和光学显微镜等技术进行研究。
三、晶体的性质晶体的物理性质包括硬度、熔点、导电性和透明度等。
晶体的化学性质包括反应性和化学组成等。
晶体的硬度取决于其结构和成分。
一些晶体具有高硬度，如金刚石晶体，可以用于切割和磨削。
晶体的熔点是指晶体从固态到液态转变的温度。
不同晶体的熔点因其结构和成分而异。
晶体的导电性取决于其中的离子或电子。
具有导电性的晶体被称为导体，而不能导电的晶体被称为绝缘体。
晶体的透明度取决于其结构和成分。
一些晶体可以透过光线传播，被称为透明晶体，而另一些晶体则不透明。
四、晶体的应用晶体在许多领域有着广泛的应用。
晶体的光学性质使其在激光器、光纤通信和液晶显示器等领域发挥重要作用。
晶体的电学性质使其在电子器件中被广泛应用，如二极管和晶体管。
晶体的力学性质被应用于声波和压电传感器等领域。
此外，晶体还常用于材料科学、药物研究和催化剂开发等领域。
结论化学晶体学的原理涉及晶体的组成、结构和性质。
了解晶体的原理有助于我们理解晶体的特性以及应用。
通过研究和应用晶体学，我们可以开发出更多新材料和新技术，推动科学的发展和进步。
参考文献：1. Giacovazzo, C. (2002). Fundamentals of Crystallography. Oxford: Oxford University Press.2. McKie, D. (2009). Introduction to Crystallography. Malden, MA: Wiley-Blackwell.。
晶体化学原理
金属单质的晶体结构中 即相当于等大球体的最密堆积方式， 金属单质的晶体结构中，即相当于等大球体的最密堆积方式，如 Au/Cu/Pt为CCP，Zn/Ir/Os 为HCP。 为 ， 。 23
3.四面体空隙与八面体空隙 3.四面体空隙与八面体空隙
3.1四面体空隙 四面体空隙(Tetrahedral Void, T.V ) \四面体配位 四面体配位.avi 四面体空隙 四面体配位 • 个球体包围之中的空隙， 处于 4 个球体包围之中的空隙，4 个球体中心之联线恰好 形成一个四面体。 形成一个四面体。四面体空隙为未穿透两层的空隙
第二节 原子半径与离子半径
• 在晶体结构中，原子和离子的大小具有重要的几何意义， 在晶体结构中，原子和离子的大小具有重要的几何意义， 对晶体结构有着重要的影响。为键参数之一。 对晶体结构有着重要的影响。为键参数之一。 • 根据波动力学的观点，在原子或离子中，围绕核运动的电 根据波动力学的观点，在原子或离子中， 子在空间形成一个电磁场，其作用范围可看成是球形的， 子在空间形成一个电磁场，其作用范围可看成是球形的， 这个球的范围被认为是原子或离子的体积， 这个球的范围被认为是原子或离子的体积，球的半径即为 原子半径或离子半径－－绝对半径－ 原子半径或离子半径－－绝对半径－与电子构型有关 －－绝对半径 • 在晶体结构中 ， 都采用原子或离子的 有效半径 ： 指离子或 在晶体结构中，都采用原子或离子的有效半径 有效半径： 原子在晶体结构中处于相接触时的半径 这时离子或原子 原子在晶体结构中处于 相接触时的半径，这时 离子或原子 相接触时的半径， 间的静电吸引和排斥作用达到平衡。 间的静电吸引和排斥作用达到平衡。 离子化合物、 离子化合物、共价化合物和金属单质等不同晶体的有效半 径有不同定义。 径有不同定义。 15
3.四面体空隙与八面体空隙 3.四面体空隙与八面体空隙
3.1四面体空隙 四面体空隙(Tetrahedral Void, T.V ) \四面体配位 四面体配位.avi 四面体空隙 四面体配位 • 个球体包围之中的空隙， 处于 4 个球体包围之中的空隙，4 个球体中心之联线恰好 形成一个四面体。 形成一个四面体。四面体空隙为未穿透两层的空隙
第二节 原子半径与离子半径
• 在晶体结构中，原子和离子的大小具有重要的几何意义， 在晶体结构中，原子和离子的大小具有重要的几何意义， 对晶体结构有着重要的影响。为键参数之一。 对晶体结构有着重要的影响。为键参数之一。 • 根据波动力学的观点，在原子或离子中，围绕核运动的电 根据波动力学的观点，在原子或离子中， 子在空间形成一个电磁场，其作用范围可看成是球形的， 子在空间形成一个电磁场，其作用范围可看成是球形的， 这个球的范围被认为是原子或离子的体积， 这个球的范围被认为是原子或离子的体积，球的半径即为 原子半径或离子半径－－绝对半径－ 原子半径或离子半径－－绝对半径－与电子构型有关 －－绝对半径 • 在晶体结构中 ， 都采用原子或离子的 有效半径 ： 指离子或 在晶体结构中，都采用原子或离子的有效半径 有效半径： 原子在晶体结构中处于相接触时的半径 这时离子或原子 原子在晶体结构中处于 相接触时的半径，这时 离子或原子 相接触时的半径， 间的静电吸引和排斥作用达到平衡。 间的静电吸引和排斥作用达到平衡。 离子化合物、 离子化合物、共价化合物和金属单质等不同晶体的有效半 径有不同定义。 径有不同定义。 15
晶体化学基本原理PPT课件
界半径比（r+/r-）有关.
60
例：以NaCl晶体为例，求八面体配位时的r+/r-
.
61
阳离子的配位数与阴阳离子半径比 的关系：
干冰CO2 B2O3
.
62
（三）离子极化
离子极化是指离子在外电场作用下，改 变其形状和大小的现象。
静电键S强＝正度离子电＝荷Z数
正离子配位n 数
.
63
1、极化过程
被极化：自身被极化
这样才能形成极性分子和一个裸露的质子15晶体中亓种键型的比较离子键共价键金属键静电库仑力共用电子对静电库仑力分子间力特点无方向性无饱和性方向性饱和性无方向性无饱和性无方向性无饱和性饱和性方向性晶体性质离子晶体nacl共价晶体clsio金属晶体cufe分子晶体干冰co2h2o熔点高硬度大导电性能差膨胀系数熔点高硬度大导电性能差良好的导电性导热性延展性塑混合键在材料中单一结合键的情况并丌是很多大部分材料的原子结合键往往是丌同键的混合
.
45
5）空间利用率（堆积系数、堆积密度、致密度）
一般采用空间利用率（堆积系数）来表征 密堆系统总空隙的大小。其定义为：晶胞中原 子体积与晶胞体积的比值。
堆积系数V V0
Z 4r3
3 a03
例：求面心立方紧密堆积时的致密度。
.
46
（3）体心立方堆积
体心立方堆积比较简单、对称性高， 是金属中常见的三近种似密原排子面堆为积：方（式11之0）一面。
空隙C
.
38
.
39
6n 6
.
40
.
41
.
42
.
43
2）空隙分布
每个球周围有8个 四面体空隙；
第三章晶体化学原理知识分享
正方型堆积
体心立方晶胞
由密堆积方式产生的结构----六方密堆积 和立方密堆积结构
在三维空间中，两个密堆积层, 使其接触 的最有效方式是把一层中的每个球放在另一 层中三个球之间的凹陷处，例如放在图中的 B或C处。
A
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A
第二层中的原子可以占据B或C位置， 但两者不能都被占，也不能被混合占据。 假定B位置被占，则如下图：
A
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A
A
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C
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A
A
六方密堆积的第二层
B
B
B
C
C
C
C
BCBCBCB
ABABABABAB… Or
ACACACACAC...
六方密堆积的第三层
B
B
B
C
C
C
C
B
B
B
B
C
C
C
ABABABABAB… Or
ACACACACAC...
➢在密堆积结构中每个球与12个其它球接触
，每个球的配位数=12。
问题：在下列正方形中能放进多少球？
1
7
7
问题：在下列正方形中能放进多少球？ 答案:方式A=52+8/2球 方式B=49球
结论：六角形的堆积方式更有效。
在二维空间有两种堆积球的方式： ➢方式A(密堆积方式)：每个球X,被6个球 Y包围,每个球的配位数=6,形成密堆积层 。 ➢方式B(正方型堆积方式)：每个球X，被 4个球Y包围，配位数=4，不是密堆积层 。
1.1 晶体化学基本原理
三角形凹坑中 (2)所有原子处于同一形式的三角形凹
坑中
第三层密排面――两种放法
第一种――异号堆积
第三层原子处于第一层原子的正上方， 相应的第四层原子处于第二层原子的正上方， 如此不断延续，堆积顺序为 ABAB… ，而构 成六方密堆(hexagonal closed packed, hcp)
第二种――同号堆积 第三层原子处于第一层面未被填充 的三角形凹坑的位置上方，相应第四层处 于第一层的正上方，堆积顺序为 ABCABC…，而获得面心立方密堆(fcc)
二、原子半径和离子半径
有效半径定义：有效半径是指离子或
原子在晶体结构中处于相接触时的半
径。
可见对于一定的离子，有一定的半径， 晶体中的离子间距，就近似地等于所 组成的离子半径之和
离子晶体中，相邻接触的阴阳离子的中心距 即为它们的离子半径之和。 共价晶体中，两个相邻键合原子的中心距， 即为这两个原子的共价半径之和。 金属晶体中，两个相邻原子中心距的一半， 就是金属原子的半径。离子或原子半径是晶 体化学中最基本的参数之一，对晶体结构有 重要影响。
负离子的电价 ； S＝Z＋/CN＋；
鲍林第二规则(电价规则)
根据电价规则：
Z
Z i Si (CN )i i i
例， NaCl 的配位数为 6， Cl － 的－ 1价正好被 6个 静电键强度S＝1/6的Na＋抵消 规则意义： 判断晶体结构稳定性、估计键强、分析复杂离子晶 体结构（如：确定共顶的配位多面体数目）
鲍林第三规则
(负离子配位多面体共棱共面规则 ）
在一个配位结构中，公用棱，特别是公用 面的存在会降低这个结构的稳定性。对于 电价高、配位数小的阳离子，这个效应特 别显著，并且当阴、阳离子半径比值接近 于该配位多面体的下限值时，这个效应更
坑中
第三层密排面――两种放法
第一种――异号堆积
第三层原子处于第一层原子的正上方， 相应的第四层原子处于第二层原子的正上方， 如此不断延续，堆积顺序为 ABAB… ，而构 成六方密堆(hexagonal closed packed, hcp)
第二种――同号堆积 第三层原子处于第一层面未被填充 的三角形凹坑的位置上方，相应第四层处 于第一层的正上方，堆积顺序为 ABCABC…，而获得面心立方密堆(fcc)
二、原子半径和离子半径
有效半径定义：有效半径是指离子或
原子在晶体结构中处于相接触时的半
径。
可见对于一定的离子，有一定的半径， 晶体中的离子间距，就近似地等于所 组成的离子半径之和
离子晶体中，相邻接触的阴阳离子的中心距 即为它们的离子半径之和。 共价晶体中，两个相邻键合原子的中心距， 即为这两个原子的共价半径之和。 金属晶体中，两个相邻原子中心距的一半， 就是金属原子的半径。离子或原子半径是晶 体化学中最基本的参数之一，对晶体结构有 重要影响。
负离子的电价 ； S＝Z＋/CN＋；
鲍林第二规则(电价规则)
根据电价规则：
Z
Z i Si (CN )i i i
例， NaCl 的配位数为 6， Cl － 的－ 1价正好被 6个 静电键强度S＝1/6的Na＋抵消 规则意义： 判断晶体结构稳定性、估计键强、分析复杂离子晶 体结构（如：确定共顶的配位多面体数目）
鲍林第三规则
(负离子配位多面体共棱共面规则 ）
在一个配位结构中，公用棱，特别是公用 面的存在会降低这个结构的稳定性。对于 电价高、配位数小的阳离子，这个效应特 别显著，并且当阴、阳离子半径比值接近 于该配位多面体的下限值时，这个效应更
《晶体化学基本原理》课件
离子晶体的分类
硬球离子型离子晶体
由大离子和小离子组成，大离子占主导地位。
软球离子型离子晶体
由等离子体和空穴组成，空穴占主导地位。
极性离子型离子晶体
由带电离子和偶极子组成，带电离子占主导地位。
离子半径与离子电荷数的关系
1
离子电荷数增加
晶体对应的阴、阳离子半径变小。
2
同族元素
在一个族中，随着原子序数变大，离子半径增加，电荷数不变。
离子半径比影响晶胞型
离子半径比越大，晶胞型越接近立方晶胞。
晶格常数Biblioteka 1简单离子晶体晶格大小
离子晶体晶格受到离子半径和电荷等因素的影响。
2
晶体间的作用力
原子和晶格之间相互作用力主要包括范德华力、电子云重叠力以及离子键。
3
晶体缺陷
晶体缺陷包括点缺陷和面缺陷，是晶体研究中的常见现象。
晶格间隙及其含义
离子晶体间隙
3
不同族元素
原子序数相同时，离子的电荷数越大，离子半径越小。
简单离子晶体的构造
氯化钠晶体
由Na+和Cl-等离子体以离子键相连结构。
氧化镁晶体
由Mg2+和O2-等离子体以离子键相连结构。
氟化钙晶体
由Ca2+和F-等离子体以离子键相连结构。
离子半径比的重要作用
离子半径比影响晶体构造
当离子半径比R+/R- > 1.732时，构成等离子体的元素将不能构成简单离子晶体或准离子晶 体。
离子晶体组成的晶格中，离子半径比大于0.414的离 子会在晶格的空隙处产生六个三角形的间隙。
半导体晶体的间隙
半导体晶体由硅、锗等元素构成，晶格结构复杂， 具有较小的间隙，可放置杂质原子实现硅酋宾。
晶体化学基本原理
线缺陷
线缺陷是指晶体中的裂纹、位错等连续的几何畸变，这些缺陷对晶体的机械性能和传热性能产生影响。
面缺陷
面缺陷是指晶体表面或界面上的缺陷，如晶界、相界等。面缺陷对晶体的光学、电学和热学性质产生影响。
晶体缺陷
04
CHAPTER
晶体物理性质
折射率
双折射
色散
光吸收
光学性质
晶体对不同偏振方向的光具有不同的折射率，导致光线在晶体中传播时发生偏转。
压电效应
某些晶体在受到压力或拉伸时，会在其表面产生电荷，称为压电效应。
介电常数
反映晶体电介质极化性质的物理量，与晶体的微观结构密切相关。
热电效应
当温度梯度作用于晶体时，会在其两端产生电压，称为热电效应。
热导率
反映晶体导热性能的物理量，与晶体的结构和温度梯度有关。
相变温度
某些晶体在特定温度下会发生相变，改变其内部结构，从而改变其热学、光学和电学等性质。
药物研发
晶体化学原理在药物研发中有着重要的应用，如药物晶型的筛选和优化，以及药物作用机制的研究等。
生物医学应用
THANKS
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共价键
详细描述
总结词
金属键是晶体中金属原子之间通过自由电子形成的化学键。
总结词
金属键的形成是由于金属原子之间的电子流动性，使得金属原子之间形成稳定的电子云分布。金属键具有方向性和饱和性，其强度与金属原子的半径和电子流动性有关。
详细描述
金属键
VS
分子间作用力是晶体中分子或原子之间的相互作用力，包括范德华力和氢键等。
晶胞是晶体结构的基本单元，通过重复晶胞可以形成整个晶体。
晶体结构基础
由金属原子或金属离子通过金属键结合形成的晶体。
晶体结构
有效半径：是指离子或原子在晶体结构中处于相接触时的半径。在这 种状态下，离子或原子间的静电吸引或排斥作用达到平衡。 1、离子晶体：在离子晶体中，一对相邻接触的阴、阳离子的中心距，
即为该阴、阳离子的离子半径之和。
2、共价晶体：在共价化合物晶体中，两个相邻键合原子的中心距， 即为这两个原子的共价半径之和。
规则四：在一个含有不同阳离子的晶体中，电价高而配位 数小的阳离子，不趋向于相互共有配位多面体的要素。 规则五（节约规则）：即在一个晶体结构中，本质不同的 结构组元的种类，趋向于为数最少。本质不同的结构组 元，是指在性质上有明显差别的结构方式。
举例：
① Mg2[SiO4](镁橄榄石结构)
② 石榴石（Ca3Al2Si3O12）结构分析：
A
C
B
1 6
5
2
A
3
4
C B
A
配位数 12 。 ( 同层 6， 上下层各 3 ) 面心立方紧密堆积的前视图
ABC ABC 形式的堆积，
为什么是面心立方堆积？
我们来加以说明。
C B A
这两种堆积都是最紧密堆积，空间利用率为 74.05%。以面心立方紧密堆积为例：
设圆球的半径为r，在（111）面为密排面，如图所示。所以单位晶胞立方 体的边长 a 2 2r 在面心立方的晶胞中包含有四个这样的圆球，所以：
Z S + CN
+ Z Z - Si ( ) + i CN i i
+
因此，静电价规则写成数学表达式为：
作用：分析离子晶体结构的稳定性，通过计算每个阴离子 所得到的静电键强度的总和，如果与其电价相等，则表 明电价平衡，结构稳定。
举例：① CaF2属于萤石型结构，Ca2+的配位数为8，故CaF键的静电键强度为S=2/8=1/4，每个F-与四个Ca2+形成
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1.2.1 决定离子晶体结构的基本因素
Ⅰ.质点的相对大小 Ⅱ.晶体中质点的堆积
Ⅲ.配位数与配位多面体
Ⅳ.离子极化
Chapter1 Structure of Materials
36
Ⅰ质点的相对大小—原子半径及离子半径
原子半径
孤立态原子半径：从原子核中心到核外电子的几率密度趋向于 零处的距离，亦称为范德华半径。 结合态原子半径：当原子处于结合状态时，根据x-射线衍射可 以测出相邻原子面间的距离。对于金属晶体，则定义金属原子 半径为：相邻两原子面间距离的一半。
值。两种最紧密堆积的空间利用率均为 74.05% ，空隙占
整个空间的25.95%。
Chapter1 Structure of Materials
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
46
空隙数量 n个球堆积时
四面体空隙数＝n×8/4＝2n个
八面体空隙数＝n×6/6＝n个 空间利用率（堆积密度） 球体积 空间利用率 ＝ 一定空间体积 例：求立方紧密堆积时的空间利用率。
Comparison
方石英
Comparison
衍射强度
石英玻璃
石英凝胶
2θ(°)
Curve of X-ray Diffraction
Chapter1 Structure of Materials
27 6
一、晶体的基本概念
内部的结构基元 （原子、离子或原子基团）在三维 空间以一定周期性重复排列的固体，或者说晶体是具有格 子构造的固体。
16
将闪烁晶体与光电倍增管或光电二极管耦合 制成的探测仪器是核医疗成像设备中的重要组成 部分。 在这里, 闪烁晶体好比一个“ 光源” ,它把 吸收到的能量转化成衰减时间为纳秒或微秒级的 脉冲光。这些脉冲光的强度与辐照在晶体上的能 量成正比, 它们被光探测器接收后转化为相应的 电信号。 这些电信号经过处理和分析后即可显示被测对 象的结构或功能特征。 正因为有了这些闪烁晶体，人体内成像才成为 可能，极大的提高了医学水平的发展。
5
化学组成 组织结构
Relation ship
合成 与 加工
材料性能
材料应用
Chapter1 Structure of Materials 6
1.1 晶体学基本概念
晶体与非晶体
固态物质
晶体
原子或分子 聚集状态 不同
非晶体
Chapter1 Structure of Materials
7
无机非金属材料包含非常广泛，仅 选取其中的晶体材料与大家讨论。 晶体材料中人们最熟悉的是作为装 饰品的金刚石、水晶等 （钻石恒久远 一颗永留传）。
Chapter 1
无机非金属材料晶体结构
（硅酸盐材料晶体结构）
Chapter1 Structure of Materials
1
工程上，根据固体中结合键的特点将材 料分为__、 ___、 ___和___四大类。
金属材料广泛的应用在国民经济生活的 各个领域，各位同学耳熟能详。现在给 大家介绍另外一个与金属材料并列的领 域：无机非金属材料。
含钬－镁－锌三种金属的准 晶体的正十二面体外型
Chapter1 Structure of Materials
4
本章内容
1.1 晶体学基本概念 1.2 离子晶体结构基础 1.3 硅酸盐结构 1.4 晶体的物理性质与结构关系 1.5 固溶体与同质多象现象
Chapter1 Structure of Materials
1）六方紧密堆积：
按ABABAB……的顺序堆积，球体在空间的分布与空 间格子中的六方格子相对应。例：金属锇Os、铱Ir……
六方最紧密堆积
Chapter1 Structure of Materials
41
2）立方紧密堆积：
按ABCABC……的顺序堆积，球体在空间的分布与空 间格子中的立方格子相对应。例：Cu、Au、Pt
Chapter1 Structure of Materials
37
离子半径
每个离子周围存在的球形力场的半径即是离子半径。对于离 子晶体，定义正、负离子半径之和等于相邻两原子面间的距离，可 根据x-射线衍射测出。 确定正、负离子半径的确切数据，有两种方法，其一是哥希 密特（Goldschmidt ）从离子堆积的几何关系出发，建立方程所计 算的结果称为哥希密特离子半径（离子间的接触半径）。其二是鲍 林（ Pauling ）考虑了原子核及其它离子的电子对核外电子的作用 后，从有效核电荷的观点出发定义的一套质点间相对大小的数据， 称为鲍林离子半径。
Chapter1 Structure of Materials
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晶体的定向和晶面符号
crystal orientating & crystallographic symbols
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晶体定向的概念 整数定律 晶体定向的原则 晶系的定向法则 晶面符号 晶棱符号 晶带定律和晶带符号
晶体
原子或原子团、离子或分子在空 按一定规律呈周期性地排列构成
长程有序
非晶体
Concepts
Long-range order
原子、分子或离子无规则地堆积在 一起所形成
长程无序Long-range disorder
短程有序short-range order
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1.2 离子晶体结构基础
离子键： 无方向性， 也无饱和性
离子晶体： 紧密堆积结构
2.3.2.2 Inorganic nonmetallic crystal materials
限制： （1）正负离子半径不等； （2）同号之间排斥
Chapter1 Structure of Materials
34 7
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四面体空隙由4个球组成，每个球参与8个四面体空隙的组成。 八面体空隙由6个球组成，每个球参与6个四面体空隙的组成
n个球堆积时
四面体空隙数＝n×8/4＝2n个 八面体空隙数＝n×6/6＝n个
Chapter1 Structure of Materials
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最紧密堆积中空隙的分布情况：
采用空间利用率（原子堆积系数）来表征密堆系统总 空隙的大小。其定义为：晶胞中原子体积与晶胞体积的比
供给欧洲核子研究中心的钨酸铅闪烁晶体
欧洲核子研究中心对钨酸铅晶体进行装配
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欧洲核子研究中心的强子对撞机直径8.6Km，周长 27Km，是当前世界上最先进的大型科研设备之一。
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该对撞机中，粒子速流可达到光速的99.99%
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毕业于麻省理工大学的理论物理学博士，半条命系列的主角，把地球从联合军手中拯救出 来的希望，可以说是个典型的英雄类主人，也是游戏中唯一一个从来不说话的角色。 25
Chapter1 Structure of Materials
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Ⅱ晶体中质点的堆积
最紧密堆积原理：
晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。
球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此 即球体最紧密堆积原理。 适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。 等径球体的最紧密堆积：晶体由一种元素 球体的紧密堆积 组成，如Cu、Ag、Au 不等径球体的最紧密堆积：由两种以上元 素组成，如NaCl、MgO
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目前用作医疗成像的闪烁晶体主要有
碘化铯晶体
碘化铯晶体
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硅酸镥晶体
铝酸钇晶体
铝酸钇晶体
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说到闪烁晶体，锗酸铋（BGO）和钨酸铅（PWO） 是两种值得强调的晶体，我国在这两种晶体的生长技 术方面，居于世界前列。
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黄色锗酸铋BGO晶体
白色BGO晶体
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钨酸铅（PWO）是用在2008年9月10日正式运作的 欧洲核子中心强子对撞机上的高能粒子探测器。
离子晶体的结构特征
离子晶体包括具有络合离子的的晶体。如方解石（碳酸 钙）。 1、由于离子键无方向性、饱和性，所以配位数高，堆积较
密。
2、离子晶体结构可以近似归结为不等大球的堆积问题。 3、负离子是堆积的主体，较小的正离子安插在空隙中，正 离子的配位数取决于正负离子半径之比。
Chapter1 Structure of Materials 35
Chapter1 Structure of Materials
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晶体的空间格子构造：
结点－ 空间格子中的点 行列－ 结点在一维方向上的排列。空间格子中任意两 个结点连接的方向就是一个行列方向。行列中相邻结点 间的距离称为该行列的结点间距 。
Chapter1 Structure of Materials
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面网－ 结点在平面上的分布构成面网 。 空间格子中，不在同一行列上的任意三个结点就可联 成一个面网。 一个二维的面网上，单位面积内的结点数目称为面网 密度。 任意两个相邻面网的垂直距离称为面网间距。
Chapter1 Structure of Materials
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平行六面体 －空间格子中的最小单位 ，由六个两两平 行且大小相等的面组成。 晶体的空间格子结构可以看成是有无数个平行六面体 在三维空间毫无间隙的重复堆积。
立方紧密堆积
Chapter1 Structure of Materials 42
（2）最紧密堆积 1）空隙形式 四面体空隙： 八面体空隙： 2）空隙数量 每个球周围有8个四面体空隙 每个球周围有6个八面体空隙
Chapter1 Structure of Materials
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Chapter1 Structure of Materials
Chapter1 Structure of Materials 39
1. 等径球体的紧密堆积
（1）堆积方式 六方紧密堆积