Transcript 化学与社会第6章 - 化学系

太原师范学院化学系
Taiyuan Normal University
第 6 章
晶体结构与晶体材料
化学与社会
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6.1 晶体的结构特点
晶体是由原子或分子按照一
定的周期性规律重复排列而成的
固体物质。
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NaCl晶体
1）晶胞
——晶体的一个基本结构单元，
无数的晶胞在空间规则地重复排列
就形成晶体。
立方晶胞
注：NaCl这种表示方法只是一个化学式，整块NaCl
晶体是个巨大的分子，把它看成一个分子是不对的。
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2）晶胞参数
——规定晶胞的大小和形状。
a = b =c，  
z
   90o的晶胞为立
方晶胞。
c
x
 
a 
b
y
NaCl：a = 562.8
pm。
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3）结构基元
——晶体中作周期性规律重复排列的那部分内
容，是晶体中重复排列的基本单位。
条件：化学组成相同、空间结构相同、排列取
向相同、周围环境相同。
晶胞中含一个结构基元的为素晶胞，含两个或
两个以上结构基元的称复晶胞。
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面心立方
NaCl
体心立方
金属钨
简单立方
CsCl
6.2 晶体的基本性质
晶体的基本性质由晶体的周期性结构决定。
性
质
a. 均匀性、各向异性（晶体中沿不同的方向，原子
或分子排列的情况不同，表现为不同方向呈现的性质不
同）。
b. 具有确定的熔点。
c. 具有对称性。
d. 能使X射线产生衍射。
非晶态物质不具有上述性质。
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6.3 晶体的对称性与晶系
对称性普遍存在于自然界。
自然界中的
对称性
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两个p轨道构成的  成键轨道和  反键轨道
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6.3.1
晶体的宏观对称性
1）旋转轴
对称元素，绕旋转轴可做旋转操作。
对称操作: 旋转
每次操作都能产生一个和原
来图形等价的图形，通过一次或
几次操作使图形完全复原。
H1
O
H2
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例： 3次轴的对称操作
120 o
120 o
n次旋转轴记为n ， n  2 ；

α 为基转角（规定为逆时针旋转）
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注
晶体宏观外形中存在的旋转轴有1、2、3、4、6
次旋转轴，不存在5次轴和大于6次的旋转轴。
2）对称面
对称元素，借对称面可
做反映操作。对称面也称镜
面，常用m表示。
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H2O
y
3）对称中心
对称元素，通过对称中心可
做倒反操作，常用i表示。
有无对称中心对晶体的性质
有较大影响。
i
x
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4）反轴
前三种对称元素所做的对称操作都是简单操作；如果
连续做两个简单操作就成为复合操作。
反轴：旋转倒反的复合操作，记为n。
反轴也只有1、2、3、4、6五种。其中只有4是独立存
在的。
晶体中独立存在的宏观对称元素有8种：1、2、
3、4、6、4、m、i。
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6.3.2
7个晶系
按宏观对称性，可将晶体划分为7类，称为7个
晶系。
划分依据：根据特征对称元素（对称性最高的
对称元素）进行划分。
若要判断一个晶体属何种晶系，先要找出该晶
体的全部对称元素，再根据特征对称元素就可找到
归属。
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7个晶系及其特征对称元素
晶
系
特 征 对 称 元 素
立方晶系
4个3次轴
六方晶系
1个6次轴
四方晶系
1个4次轴
三方晶系
1个3次轴
正交晶系
3个互相垂直2次轴，或2个互相垂直对称面
单斜晶系
1个2次轴，或1个对称
面
无
三斜晶系
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6.4 晶体材料
6.4.1
石英晶体与压电材料
压电效应
把晶体切成薄片，薄片受压后在两个面上分别产生正
电荷和负电荷，这就是晶体的压电效应。
没有对称中心的晶体叫非中心对称晶体，只有非中心
对称晶体可能有压电效应。
利用压电效应可判断晶体的对称性。
石英晶体没有对称中心，是很好的压电材料。
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6.4.2
1
钛酸钡晶体与非线性光学材料
非线性光学效应
当光通过某种晶体后产生频率为入射光两倍的光，这
种现象即非线性光学效应。
产生非线性光学效应的晶体叫非线性光学晶体。
要求：非中心对称晶体。
2
钛酸钡晶体
分子式：BaTiO3。高温时，属立方晶系；温度降低时
为四方晶系。
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立方晶胞顶角有个TiO6
Ba
Ti
O
八面体基团，有对称中心，
无非线性光学性能。
温度降低时，晶胞发生
畸变，转变为四方晶系，无
对称中心，四方BaTiO3是非
线性光学晶体。
用途：对高强度的激光光源进行调频、调相等，优
良的压电、铁电等重要功能晶体材料。
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6.4.3
BGO晶体材料
——化合物Bi4Ge3O12的简称。
特点：无色透明，在光和X射线辅照下，室温有
很强的发光性能，是新一代闪烁晶体材料。
用途：探测X射线、 射线和石油勘探等。
BGO晶体属立方晶系，晶胞中有4个Bi4Ge3O12分
子。Bi3+周围有6个GeO4四面体。
作为闪烁晶体，对BGO晶体的纯度要求极高。
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6.5 晶体缺陷
知识点
理想晶体是指晶体中的原子、分子完全按照严
格的周期性重复排列得到的晶体。实际晶体偏离理
想的周期性重复排列的现象，称为晶体缺陷。
对晶体材料来说，晶体缺陷非常重要。有的晶
体需克服晶体缺陷，更多的晶体需人们有计划、有
目的地制造晶体缺陷以造就各种性能的晶体材料。
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1
ZnS晶体与蓝色荧光粉
材料：掺杂了AgCl的ZnS晶体。 立
方
机制：掺杂0.0001%的AgCl后，
破坏了ZnS晶体的周期性结构，使杂
质原子周围的电子能级与Zn2+、S2-周
围的不同。
用途：在阴极射线激发下，可放
六
方
出荧光，做彩色电视荧光屏中的蓝色
荧光粉。
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单晶硅、锗和信息材料
2
——性能优异的半导体材料。
a.
Si
P型半导体
单晶硅是金刚石结构，每个硅原
子外层有8个电子。

Si
Ga 
Si

Si
机制：掺杂镓后，Ga外层只有7个电子，产生了空穴。
相邻的Si原子价层上电子可移动到空穴，而又留下一个
空穴，这相当于空穴在移动。
这种由空穴迁移导电的称为P型半导体。
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b.
N型半导体
机制：掺杂As后，As外层有9个
价电子，多出了一个电子可以激发到
导带而导电。
Si


Si  As 
Si

Si
这种由电子移动导电的称为N型半导体。
c.
P-N结
若将单晶硅的一端掺Ga，另一端掺As，则掺Ga部分
形成P型半导体，掺As部分形成N型半导体。N型和P型半
导体的结合处称为P-N结。
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作用：使电流单向导通，是个整流器，可将交流
电转变为直流电，使电流从P-N结的P区流向N区。
用途：做晶体管（将光信号转变为电信号，且把
光电流放大）、集成电路。
习题：
课后1. 2. 3. 4. 5.
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