四面体间隙数课件

3-3 无机非金属材料的结构和组成无机非金属材料的结构和组成Composition&Structure of Inorganic-nonmetalic MaterialsComposition&Structure of Inorganic-nonmetalic MaterialsSimple Crystalline StructurecomputethetheoreticaldensitySilicate Crystalline Structures and Noncrystalline StructureCeramicsCarbon and its Polymorphic Compounds3-3无机非金属材料的结构和组成Composition13-3无机非金属材料的结构和组成无机非金属材料的结构和组成Composition&Structure of Inorganic-nonmetalic Materials3-3-1 组成和结合键组成和结合键1.组成组成广义：除有机物和金属以外。常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料组分组分components：硅酸盐类氧化物类，氮、碳（不含H）。2.结合键结合键bondingtype离子键离子键正负离子、键强度高、紧密堆积、无方向性，金属氧化物，氧化镁、氧化铝共价键共价键 共用电子对、有方向性如金钢石、混合键混合键（离子、共价），大多数。混合键-离子键和共价键之间的过渡。元素电负性的大小，。Chapter33-3无机非金属材料的结构和组成Chapter323、离子半径与配位数离子半径与配位数IonicRadiiandCoordinationNumberTable 3.33、离子半径与配位数Table3.33Table 3.4Table3.443-3-2无机非金属材料中的无机非金属材料中的简单晶体结构简单晶体结构 Simple Crystalline StructureAX-TYPE CRYSTAL STRUCTURESAmXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURESAmBnXp-TYPE CRYSTAL STRUCTURESSection3.63-3-2无机非金属材料中的简单晶体结构AX-TYPECR5 面心立方面心立方四面体间隙数四面体间隙数：每晶胞：8每原子：8/4=2间隙大小（半径）间隙大小（半径）=3a/4R=0.225R八面体间隙数八面体间隙数：每晶胞：1(体)+1/412(棱)=4每原子：4/4=1间隙大小（半径）间隙大小（半径）=a/2R=0.414R面心立方6 体心立方体心立方（bcc）八面体间隙数：八面体间隙数：四面体间隙数：四面体间隙数：每晶胞：每晶胞：1/26(面)+1/412(棱)=641/26(面)=12每原子：6/2=3每原子：12/2=6间隙大小（半径）间隙大小（半径）间隙大小（半径）间隙大小（半径）=a/2R=0.633R=5a/4R=0.291R=a/2R=0.154R7AXAmXpAmBnXpAXAmXpAmBnXp8四面体间隙数课件9Table 3.5Table3.5101.单晶硅单晶硅立方晶系、共价晶体、sp3杂化，8个原子几种典型晶体结构几种典型晶体结构1.单晶硅几种典型晶体结构112.氯化钠与氯化铯氯化钠与氯化铯AX-TYPESodium chloride(Rock salt)and Cesium chloride正负离子半径比正负离子半径比 配位数配位数Na+/Cl-0.5246正八面体配位Cs+/Cl-0.9338立方体配位Figure 3.5Figure 3.62.氯化钠与氯化铯AX-TYPEFigure12FIGURE 3.31FIGURE3.31133.氟化钙氟化钙Fluorite(CaF2)AmXp-TYPEF:8*1/812*1/46*1/21=8Figure 3.83.氟化钙Fluorite(CaF2)144.面心立方面心立方ZnS和六方和六方ZnS极性共价键Zn-SZnS44-面心立方面心立方ZnSS配位数4、位于面心立方点上Zn配位数4、位于四面体间隙AX-TYPEFigure 3.74.面心立方ZnS和六方ZnSAX-TYPEFigur15六方六方ZnS四面体间隙数课件16四面体间隙数课件175.钙钛矿钙钛矿晶体CaTiO3AmBnXp-TYPE立方晶系立方晶系Ca2+立方体顶角配位数12 O2-面心配位数6，Ti4+体心配位数6位于八面体间隙TiO68-八面体Ti4+八面体中心5.钙钛矿晶体CaTiO3AmBnXp-T186尖晶石尖晶石型晶体(MgAl2O4AB2O4)O2-面心立方密堆立方晶系立方晶系A2+填充在四面体间隙B3+填充在八面体间隙单位晶胞单位晶胞包含8个分子，A8B16O32形成64个四面体空隙、填充率1/832个八面体空隙、填充率1/2A块块中A2+填充1/4的四面体间隙共2个、4*2=8B块块中B3+填充八面体间隙共4个、4*4=16(棱、心棱、心）共棱共棱小块的结构相同，共面共面小块的结构不同6尖晶石型晶体(MgAl2O4AB2O4)19四面体间隙数课件20四面体间隙数课件21反尖晶石反尖晶石 B(AB)O4 Al(MgAl)O4 四面体间隙四面体间隙 八面体间隙八面体间隙 反尖晶石22四面体间隙数课件23nthenumberofformulaunits1withintheunitcellACthesumoftheatomicweightsofallcationsintheformulaunitAAthesumoftheatomicweightsofallanionsintheformulaunitVCtheunitcellvolumeNAAvogadrosnumber,6.0231023formulaunits/molCalculation of DensitySection3.7nthenumberofformulauni24EXAMPLE PROBLEM 3.6Onthebasisofcrystalstructure,computethetheoreticaldensityforsodiumchloride.Howdoesthiscomparewithitsmeasureddensity?SOLUTIONn4，FCClatticesEXAMPLEPROBLEM3.625experimentalvalue：2.16g/cm3.experimentalvalue：2.16g/263-3-3硅酸盐晶体结构硅酸盐晶体结构 Silicate Crystalline Structures结构基础SiO44-四面体四面体，Si4+中心，O2-顶。两个邻近四面体之间共顶共顶相连，不共棱或面。不共棱或面。Silicon-OxygenTetrahedron3-3-3硅酸盐晶体结构SilicateCrystall27排列方式排列方式5种：络阴离子团络阴离子团岛状岛状：4个O，非桥氧原子。SiO4 4-联岛Si2O76-排列方式5种：28组群状组群状：2个O，非桥氧原子，连成环状。Si3O9 6-链状链状：2个O，线形。单链1 Si2O6 4-双链1 Si4O11 6-组群状：2个O，非桥氧原子，连成环状。Si3O929层状层状：1个O2 Si2O5 2-架状架状:0个O，如石英。3 SiO2 层状：1个O30Layered Silicates kaolinite clay.LayeredSilicates31粘土（高岭土）粘土（高岭土）SiO2层层 铝酸盐层铝酸盐层粘土（高岭土）SiO2层32粘土加水粘土加水粘土加水33四面体间隙数课件34四面体间隙数课件35四面体间隙数课件362：1型型层层状状的的硅硅酸酸盐盐矿矿物物的的晶晶体体结结构构是是由由两两层层硅硅氧氧四四面面体体之之间间夹夹着着一一层层铝铝（镁镁）氧氧（羟羟基基）八八面面体体构构成成的的晶晶层层，晶晶层层之之间间存存在在范范德德华华力力，晶晶层层内内的的四四面面体体和和八八面面体体可可以以有有广广泛泛的的类类质质同同象象替替代代，如如四四面面体体中中Si4+被被Al3+,Ti4+,P5+替替代代，八八面面体体中中Al3+被被Mg2+,Fe2+,Fe3+,Ni2+,Zn2+,Mn2+替替代代，从从而而使使晶晶层层带带负负电电荷荷。水水合合阳阳子子（Na+,K+,Ca2+,Mg2+）可可占占据据层层间间域域以以电电荷平衡。荷平衡。各各种种有有机机阳阳离离子子（如如烷烷基基阳阳离离子子）可可以以通通过过离离子子交交换换反反应应来来置置换换粘粘土土矿矿物物层层间间原原有有的的水水合合阳阳离离子子，从从而而使使通通常常亲亲水水的的粘粘土土矿矿物物表表面面疏疏水水化化，降降低低了了表表面面能能改改善了矿物与聚合物间相容性。善了矿物与聚合物间相容性。2：1型层状的硅酸盐矿物的晶体结构是由两层硅氧四面体之间夹着37蒙脱土（蒙脱土（Montmorillonite)是膨润土的有效成份，其理论结构式为（1/2Ca,Na)x(Al2-xMgx)(Si4O10)(OH)4nH2O，属2：l型层状硅酸盐，其四面体和八面体之间共用氧原子形成约0.96nmx100nmx100nm高度有序的准二维晶片。晶 胞 表 面 积 为 2x0.515x0.89nm2,晶 胞 重（700-800）g/mol,比表面积高达（700800)m2/g).吸附阳离子有Na+,Ca2+,Mg2+等蒙脱土（Montmorillonite)是膨润土的有效成份，38四面体间隙数课件39四面体间隙数课件40四面体间隙数课件413-3-4无机非金属材料的无机非金属材料的非晶体结构非晶体结构 Noncrystalline Structure-Amorphous1.无机玻璃无机玻璃的组织结构组织结构Texture主要成份主要成份：SiO2、Na2O、K2O、CaO、MgO、Al2O3。键合形式键合形式：离子键、共价键，及其混合键。慢冷结晶形成：熔体急冷(粘度大)无定形（玻璃结构），无规网络network无规网络与高分子不同无规网络与高分子不同Section3.203-3-4无机非金属材料的非晶体结构Section3.2042固体为三维网状，无定形，加热熔融，反复使用。硅酸盐熔体结构模型示意图硅酸盐熔体结构模型示意图固体为三维网状，无定形，加热熔融，反复使用。硅酸盐熔体结构模43二氧化硅网络结构示意图二氧化硅网络结构示意图网网络络外外体体氧氧化化物物和和中中间间体体氧氧化化物对玻璃结构的影响物对玻璃结构的影响SilicaCrystal SilicaGlass网体氧化物：网体氧化物：SiO2,B2O3,P2O5,GeO网体外氧化物：网体外氧化物：Na2O,K2O,CaO,BaO中间体氧化物：中间体氧化物：MgO,ZnO,Al2O3二氧化硅网络结构示意图网络外体氧化物和中间体氧化物对玻璃结44SiO2%升高，共价键成分增多膨胀系数降低耐热玻璃钢化玻璃石英玻璃Y=4（Y结构参数结构参数桥氧原子的平均数桥氧原子的平均数）硅酸盐玻璃Y2 结构参数结构参数Y对玻璃性质的影响对玻璃性质的影响玻璃组成玻璃组成Y值值熔融温度，熔融温度，膨胀系数膨胀系数107 7Na2O.2SiO231523146P2O531573140Na2O.SiO221323220Na2O.P2O521373220X+Y=ZX+Y/2=RX=2R-ZY=2Z-2RX 非桥氧非桥氧Y 桥氧桥氧Z 氧氧R 氧硅比氧硅比R=5:2,X=1,Z=4,Y=3SiO2%升高，共价键成分增多452.凝胶及凝胶材料凝胶及凝胶材料gel(1)凝胶的特性凝胶的特性无流动性、有弹性和强度有机和无机(2)凝胶的结构凝胶的结构线性排列网状结构（板棒搭接）线性大分子-微晶区线性大分子-化学交联-网状刚性凝胶弹性凝胶（3）凝胶材料凝胶材料水硬性-水泥气硬性-石膏2.凝胶及凝胶材料gel463-3-5陶瓷陶瓷 Ceramics1.类型类型多晶多相聚集体（金属、类金属与非金属）特种陶瓷特种陶瓷（金属氧化物）陶器硅酸盐陶瓷硅酸盐陶瓷跖器瓷器2.显微结构（组织结构）显微结构（组织结构）Texture晶相晶相（晶界）：晶粒，影响性能的主要因素玻璃相玻璃相：由离子多面体短程有序而长程无序排列而成的三维网状结构，包裹在晶粒周围，起黏结作用，含量1535%排列无规则（烧结时形成）。作用：将分散的晶粒粘结在一起。降低烧结温度拟制晶体长大，以及填充气孔空隙等。气相气相:烧结中残留气体（气孔）。影响性能。保留气相，则比重小，绝热。3-3-5陶瓷Ceramics473-3-6碳化合物及其结构碳化合物及其结构 Carbon and its Polymorphic Compounds1.石墨石墨 Graphite碳的同素异构体碳的同素异构体六方晶体粒晶几到几十微米的片状结构。结构示意图：面内C-C1.42埃，共价结合层间C-C3.40埃，物理键合应用：润滑、导电。人造石墨：焦油胶粘剂，石油焦炭成型后，粘接，在2000C以上的高温下处理制成石墨。3-3-6碳化合物及其结构482。炭黑炭黑 Carbon black炭黑几个（3-7个）芳香组缩合碳环平面重叠而成的微晶体。颜料和填料，轮胎补强天然气、油脂等高含碳量有机化合物进行不完全烧洁（碳没有完全氧化）。2。炭黑Carbonblack493.碳纤维碳纤维CarboneFiber结构的基本单元为石墨层片结构的基本单元为石墨层片。乱层石墨微晶，微晶（头-头）连接形成碳纤维。制备：原料：PAN纤维粘胶纤维沥青纤维（主要）空气中预氧化200300C环化碳化（惰性气体）脱氢石墨化石墨晶体3.碳纤维CarboneFiber504、金刚石金刚石：钻石，Diamond碳同素异构体碳同素异构体，立方晶系晶胞中8个碳原子，sp3杂化高硬度物理性能天然金刚石金刚石薄膜硬度，kgf/mm2100009000-10000体积模量，Gpa440-590杨氏模量，Gpa1200接近天然金刚石热导率，W/cm.K(300K)201020纵波声速，m/s18000密度，g/cm33.62.83.5折射率(590nm)2.412.4透光性225nm25m接近天然金刚石电阻率，.cm10161012禁带宽度，eV5.55.54、金刚石：钻石，物理性能天然金刚石金刚石薄膜硬度51四面体间隙数课件525、C60：巴基球，富勒烯：巴基球，富勒烯，FullerenesRohlfing等人1984年发现，Kroto等人1996年获诺贝尔化学奖碳同素异构体碳同素异构体60（或70）个碳原子组成的空心圆球，如同足球，12个正五边形，20个正六边形的32面体1.455埃1.391埃直径约7.1-10埃球体进入晶格，a=14.17埃5、C60：巴基球，富勒烯，Fullerenes53四面体间隙数课件54四面体间隙数课件556、碳纳米管：碳纳米管：巴基管巴基管BuckTube碳同素异构体碳同素异构体全 部 由 碳 六 边 形 组 成 的 中 空 管，单 层 与 多 层（同 轴 套）图直径，0.6（10个六边形围成）-几十纳米长度，10-1000纳米6、碳纳米管：巴基管BuckTu56四面体间隙数课件57