《高中化學(xué)競賽 第三章 固體結(jié)構(gòu)和固體的性能課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中化學(xué)競賽 第三章 固體結(jié)構(gòu)和固體的性能課件.ppt（57頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

第三章固體結(jié)構(gòu)和固體的性能 3 2離子晶體 3 1晶體的結(jié)構(gòu)和類型 3 3原子晶體和分子晶體 3 4金屬晶體 3 5混合型晶體 3 6晶體缺陷和非化學(xué)計量化合物 3 7非晶體的結(jié)構(gòu) 3 8固體的結(jié)構(gòu)與性能 固體 分為晶體和非晶體兩大類 3 1晶體的結(jié)構(gòu)和類型 晶體的特征 1 有整齊規(guī)則的幾何外形 2 具有各向異性 3 有一定的熔點 晶格與晶胞 晶胞 晶格與晶胞的示意動畫 3 1晶體的結(jié)構(gòu)和類型 根據(jù)晶胞的特征 可以劃分成七個晶系 表3 1七個晶系的性質(zhì) 3 1晶體的結(jié)構(gòu)和類型 14種布拉維晶格的結(jié)構(gòu)示意圖 1 3 1晶體的結(jié)構(gòu)和類型 14種布拉維晶格的結(jié)構(gòu)示意圖 2 3 1晶體的結(jié)構(gòu)和類型 布拉格父子是唯一一對子承父業(yè) 父子倆合作研究同一項目 又共同獲得諾貝爾獎的英國科學(xué)家 由于布拉格父子用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)的成功 他們共享了1915年的諾貝爾物理學(xué)獎 3 1 2晶體的類型 表3 2四類晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)特征 3 2離子晶體 一 離子鍵的形成 形成條件 兩元素原子的電負(fù)性差值 例如 典型的金屬元素 S區(qū)金屬 與典型的非金屬 鹵素 O S 化合 3 2 2幾種典型的離子晶體 以AB型離子晶體為例 常見的有三類典型的離子晶體 1 CsCl型 晶格 簡單立方 配位比 8 8 CsCl晶格動畫 類似晶體結(jié)構(gòu)的還有CsBr CsI等 3 2 2幾種典型的離子晶體 2 NaCl型 晶格 面心立方 配位比 6 6 NaCl晶格動畫 類似結(jié)構(gòu)的還有NaF AgBr BaO等 3 2 2幾種典型的離子晶體 3 ZnS型 晶格 面心立方 配位比 4 4 ZnS晶格動畫 類似結(jié)構(gòu)的還有AgI ZnO等 3 2 3離子半徑和配位比 1 離子半徑 假設(shè)晶體中正 負(fù)離子是相互接觸的圓球 測得正 負(fù)原子核間距 然后相對于氟負(fù)離子或氧負(fù)離子的半徑為起點求得其他離子的半徑 如 實驗測得NaF的d 231pm 已知 離子半徑的變化規(guī)律 1 同一周期自左向右 陽離子半徑下降 因為正電荷上升 核對電子的引力增加 陰離子半徑略下降 因為負(fù)電荷上升 核對電子的引力下降 2 同一族自上而下 離子半徑增加 因為電子層數(shù)增加 3 同一種元素 陰離子半徑 原子半徑 陽離子半徑 離子半徑與配位比的關(guān)系 穩(wěn)定存在的離子晶體 應(yīng)使離子晶體內(nèi)正 負(fù)離子盡可能緊密排列 自由空間應(yīng)盡量小些 NaCl晶體 6 6配位 三角形ABC是等腰直角三角形 離子半徑與配位比的關(guān)系 1 當(dāng) 2 當(dāng) 配位數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)? 8 離子半徑與配位比的關(guān)系 3 當(dāng) 配位數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)? 4 半徑比規(guī)則 離子半徑與配位比的關(guān)系 例 根據(jù)Mg2 和O2 的半徑數(shù)據(jù) 推測MgO的配位數(shù) Mg2 的半徑r 65pm O2 的半徑r 140pm 半徑比 所以 MgO的配位數(shù)為6 應(yīng)用半徑比規(guī)則注意點 1 只適用于AB型離子晶體 2 實驗值與理論值不一定十分吻合 以實驗為主 如AgI 按半徑比規(guī)則配位數(shù)為6 實際為4 因為離子間存在強烈的極化變形 3 2 4晶格能 1 晶格能U 定義 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 破壞1mol離子晶體使它變?yōu)闅鈶B(tài)正離子和氣態(tài)負(fù)離子所需吸收的能量 2 晶格能U與物理性質(zhì) 一般晶格能越大 該晶體越穩(wěn)定 熔 沸點越高 硬度越大 3 晶格能U的計算 玻恩 朗德公式 玻恩 朗德公式 正 負(fù)離子半徑和 單位 pm 式中 Z1 Z2 正 負(fù)離子電荷數(shù)的絕對值 A 馬德隆常數(shù) 由晶體構(gòu)型決定 NaCl型 1 748 CsCl型 1 763 ZnS型 1 638 n 玻恩指數(shù) 見表3 7 kJ mol 1 影響晶格能最重要的因素 1 電荷2 離子半徑 3 2 5離子的極化和變形 按半徑比規(guī)則 AgI的配位數(shù)為6 但實驗證實為4 因為離子間存在強烈的極化變形 離子極化示意動畫 3 2 5離子的極化和變形 極化力 離子對其他離子產(chǎn)生的作用力稱為極化力 1 正離子的電荷越高 半徑越小 極化力越大 影響極化力的因素 2 電荷相同 半徑相似的不同離子 極化力取決于離子的外層電子構(gòu)型 8電子構(gòu)型 9 17電子構(gòu)型 18或18 2電子構(gòu)型 Na Mg2 Ca2 Fe2 Co2 Mn2 Cr3 Cu Sn2 Ag Pb2 3 2 5離子的極化和變形 變形性 離子被極化而發(fā)生變形的性質(zhì) 影響變形性的因素 1 負(fù)離子的電荷越高 半徑越大 變形性越大 2 最外層為18電子構(gòu)型或最外層有d電子的正離子 變形性也比較大 一般正離子的半徑小 極化力大 變形性較小 而負(fù)離子的半徑大 極化力小而變形性卻較大 所以當(dāng)正 負(fù)離子相互作用時 通?？紤]正離子對負(fù)離子的極化作用以及負(fù)離子的變形 3 2 5離子的極化和變形 離子極化對化學(xué)鍵型的影響 離子鍵 過渡鍵型 共價鍵 3 2 5離子的極化和變形 離子極化對化合物性質(zhì)的影響 1 由于化學(xué)鍵型的改變 正 負(fù)離子電子云相互重疊 導(dǎo)致鍵長變短 晶體向配位數(shù)小的晶型轉(zhuǎn)化 2 使晶體在水中的溶解度降低 3 使晶體的熔點下降 4 使晶體的顏色加深 3 3原子晶體和分子晶體 一 原子晶體 金剛石晶胞結(jié)構(gòu)示意圖 名貴的金剛石 金剛石中碳原子采取sp3雜化 互相以sp3雜化軌道重疊成共價鍵 形成包括整個晶體的大分子 呈正四面體 3 3原子晶體和分子晶體 二 分子晶體 CO2晶體結(jié)構(gòu)圖 蒽分子晶體結(jié)構(gòu)圖 3 4金屬晶體 金屬原子和離子浸泡在電子的海洋中 金屬晶體中的金屬鍵是一種特殊的共價鍵 改性共價鍵 晶體中金屬原子和離子共享的電子不屬于某幾個原子 而是屬于整個晶體 是非定域的自由電子 3 4 1金屬鍵 金屬的改性共價鍵理論可以解釋金屬的特性 1 金屬有電阻 能導(dǎo)電 自由電子的定向運動 產(chǎn)生導(dǎo)電性 自由電子運動中受核的引力 產(chǎn)生電阻 2 金屬有導(dǎo)熱性 自由電子運動中與原子核不斷碰撞 產(chǎn)生熱能的交換 3 優(yōu)良的機械加工性能 自由電子的連接使金屬晶體形成密堆積結(jié)構(gòu) 原子間可相互滑動 不足 不能解釋不同金屬導(dǎo)電能力的不同 3 4 2金屬晶體的緊密堆積結(jié)構(gòu) 1 六方緊密堆積 hcp 六方緊密堆積動畫 配位數(shù) 12 空間利用率 74 3 4 2金屬晶體的緊密堆積結(jié)構(gòu) 2 面心立方緊密堆積 ccp 面心立方緊密堆積動畫 配位數(shù) 12 空間利用率 74 3 4 2金屬晶體的緊密堆積結(jié)構(gòu) 3 體心立方緊密堆積 bcc 體心立方緊密堆積動畫 配位數(shù) 8 空間利用率 68 3 5混合型晶體 晶格結(jié)點間存在兩種或兩種以上作用力類型的晶體稱為混合型晶體 2s 2p C原子 激發(fā) 2s 2p 雜化 sp2雜化軌道 2pz 例如 石墨的結(jié)構(gòu) 同一平面上的C原子用未雜化的2pz軌道形成一個大 鍵 相鄰C原子平面之間通過分子間力連接 3 5混合型晶體 石墨晶體結(jié)構(gòu)示意圖 石墨晶體結(jié)構(gòu)示意動畫 六方氮化硼晶體結(jié)構(gòu)示意動畫 3 5混合型晶體 六方BN結(jié)構(gòu)示意圖 3 6晶體缺陷和非化學(xué)計量化合物 一 點缺陷 1 肖特基缺陷 晶格結(jié)點上的某些原子或離子產(chǎn)生空位 離子空位是正 負(fù)離子按計量比同時空位 肖特基缺陷動畫 弗倫克爾缺陷動畫 3 6 1點缺陷 2 弗倫克爾缺陷 晶格結(jié)點上的某些原子或離子發(fā)生位移 從而留下空位 雜質(zhì)取代點缺陷動畫 3 6 1點缺陷 3 雜質(zhì)缺陷 雜質(zhì)原子進(jìn)入晶體后引起的缺陷 分為間隙式 雜質(zhì)原子半徑小 和取代式 電負(fù)性接近 雜質(zhì)原子半徑相差不大 線缺陷示意圖 3 6 2線缺陷 3 6 3面缺陷 a 單成分集合 面缺陷示意圖 b 多成分集合 化學(xué)計量化合物 在以分子形式存在的化合物中 分子內(nèi)各元素原子的個數(shù)成簡單的整數(shù)比 且不會改變 如 BaSO4 CO2等 非化學(xué)計量化合物 在某些晶體中 由于晶體缺陷使各元素原子的個數(shù)不是簡單的整數(shù)比 也稱非整比化合物 由于Fe具有多種氧化值而形成的非化學(xué)計量Fe 1 x S 3 6 4非化學(xué)計量化合物 由于Cl 離子空位而形成的非化學(xué)計量NaCl 1 x 由于Li 離子的進(jìn)入而形成的非化學(xué)計量Li sNi2 1 2sNi3 sO 3 6 4非化學(xué)計量化合物 Y Ba Cu O晶體結(jié)構(gòu)示意圖 3 6 4非化學(xué)計量化合物 磁懸浮現(xiàn)象 磁懸浮現(xiàn)象 上海浦東的磁懸浮列車 3 7非晶體的結(jié)構(gòu) 石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖 石英玻璃結(jié)構(gòu)示意圖 一 固體的電性 導(dǎo)體 溫度升高 電導(dǎo)率減小 半導(dǎo)體 溫度升高 電導(dǎo)率增大 絕緣體 一般情況下 電導(dǎo)率隨溫度變化不大 3 8固體的結(jié)構(gòu)與性能 1 能帶理論的基本要點 1 固體中價層原子軌道可以組合成分子軌道 能量相近的分子軌道的集合稱為 能帶 2 能帶中各分子軌道能量差很小 電子很容易在能帶中發(fā)生躍遷 3 8 1固體的電性和能帶理論 3 相鄰兩能帶間的能量范圍稱為 能隙 或 禁帶 在禁帶中不能填充電子 4 完全被電子占據(jù)的能帶稱為 滿帶 電子在滿帶中無法移動 不能導(dǎo)電 5 部分被電子占據(jù)的能帶稱為 導(dǎo)帶 電子在導(dǎo)帶中很容易發(fā)生躍遷 能導(dǎo)電 6 由原子的價電子軌道組合而成的能帶稱為 價帶 價帶可以是滿帶也可以是導(dǎo)帶 但能量比價帶低的各能帶一般都是滿帶 7 完全未被電子占據(jù)的能帶稱為 空帶 如禁帶不太寬 電子吸收能量躍遷到空帶后即成為導(dǎo)帶 或者空帶和滿帶重疊也形成了導(dǎo)帶 m 2個 3s 分子軌道 m 2個 3s分子軌道上填有m個電子 金屬Na由m個Na原子組成 3 8 1固體的電性和能帶理論 Na的滿帶連著空帶 中間沒有禁帶 電子很容易從滿帶躍遷到空帶 所以Na可以導(dǎo)電 3 8 1固體的電性和能帶理論 半導(dǎo)體和絕緣體能帶動畫 3 8 2納米材料 1 納米材料的基本概念 納米 nm 實際上是一種計量單位 1納米是1米的十億分之一 相當(dāng)于十個氫原子一個挨一個排起來的長度 人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個納米 納米材料具有兩個不同于其他材料的重要標(biāo)志 1 組成材料的顆粒尺寸在1 100納米左右 介觀尺度 2 顆粒的小尺寸導(dǎo)致材料具有新特性 3 8 2納米材料 碳納米管是一種長度和直徑之比很高的纖維 它韌性極高 兼具金屬性和半導(dǎo)體性 強度比鋼高100倍 而重量只有鋼的1 6 科學(xué)家們已經(jīng)研制成功了世界上最小的碳管 這種小小的圓柱體直徑僅為0 4納米 納米碳管可用于儲氫 氫氣的儲存濃度可以達(dá)到一個極高的水平 碳納米管 3 8 2納米材料 2 納米材料的基本特征 1 小尺寸效應(yīng) 由于納米顆粒的尺寸與光波波長 物質(zhì)波波長接近 所以其聲 光 電磁 熱力學(xué)等特性與宏觀系統(tǒng)有明顯的差別 如 納米金屬粒子由于對光的反射極低 所以均呈黑色 且尺寸越小 顏色越黑 納米鉑粉 金粉 銀粉均為黑色 納米金屬顆粒可用于紅外隱身技術(shù) 高效率的光電轉(zhuǎn)換材料 通常性況下陶瓷是脆性材料 因而限制了它的應(yīng)用范圍 而納米陶瓷卻變成了韌性材料 在常溫下能彎曲 不怕摔 堅固無比 3 8 2納米材料 2 表面效應(yīng) 由于納米顆粒的尺寸小 導(dǎo)致顆粒比表面積增大 裸露在表面的原子所占的比例增大 3 8 2納米材料 2 表面效應(yīng) 表面原子所處力場不平衡 裸露在表面的原子仿佛處于 沸騰 狀態(tài) 化學(xué)活性很高 吸附氣體的能力很強 如 納米金屬在空氣中會燃燒 無機納米顆粒在空氣中會吸附大量氣體 并發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 所以可制成高效催化劑 如用于加氫的鈀 碳催化劑等 3 量子尺寸效應(yīng) 隨著納米顆粒的尺寸減小 導(dǎo)致顆粒中連續(xù)的能帶分裂為分立的能級 能級間的間距隨顆粒尺寸的減小而增大 如 金屬通常是導(dǎo)體 但納米金屬顆粒卻是絕緣體 3 8 2納米材料 3 納米材料的應(yīng)用 納米材料的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域 與人們的生活密切相關(guān) 被譽為 跨世紀(jì)的新材料