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3
（3）共价键
使用共用电子产生的化学结合方式称为共价键。 同种原子间形成的共价键，共用电子对不偏向任 何一个原子，成键原子都不显电性，这种键称为 非极性键。例如H2、Cl2、N2等。 由于不同原子的电负性不同，共用电子对偏向电 负性大的原子，电负性大的原子就带部分负电 荷，电负性小的原子就带部分正电荷，这样的键 称为极性键。 配位键：共价键中的共用电子是由同一个原子所共 用。
结合键的定义：粒子（原子，离子或分子） 之间的相互作用。 作用的驱动力：降低系统能量。 由于相互作用时的，原子外层电子发生 的变化不一样，由此产生不同类型的结合 键。主要分为五种。
范德华键 共价键 离子键 金属键 氢键
主价键（化学键）
次价键（物理键）
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2
（1）金属键：金属中自由电子和金属离子之间的键合。 金属原子的结构特点就是外层电子数较少，不 超过3个，容易脱离原子核的束缚成为自由电 子，而原子成为正离子。金属靠正离子和自由 电子的库伦引力结合在一起，这种结合方式称 为金属键。 特点：1 电子共有化 2 既无饱和性又无方向性 特征：具有良好的导电和导热性，具有光泽和不 透明性，塑形和结晶性好。
（4）四面体间隙
① 四面体的构成：两体心原子及其棱边两原子构成一个四 面体（非正四面体，但间隙中心距四原子等距离 a）。 ② 间隙位置：各棱中点连线的1/4 或3/4 处。 ③ 间隙位置坐标：(a/4，a/4，0 ) ④ 单胞内间隙个数: 24×(1/2)＝12（个）
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2.3.3 金属晶体 （1）结构 金属键的结合没有方向性，都是选择密堆密 度高，对称性好，配位数高的晶体结构类型。 绝大金属都是选择能满足这个“三高”的晶体 结构:fcc,bcc,hcp Bcc:钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 α-铁(α-Fe, <912℃) Fcc:铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、 银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912℃～1394℃) Hcp:镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。
2.2
晶体学基本概念
了解晶体结构类型及相关的概念 （如空间点阵、阵点，晶胞等等） 了解晶面指数和晶向指数 不同晶体所具有的晶体结构类型
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2.2.1 晶体与非晶体
材料结构决定材料的性能。 材料是由原子聚集在一起构成。根据原子聚集 时，排列是否有规则性，我们一般把固体材料分 为晶体和非晶体。
了解晶体和非晶体的区别？ 晶体是原子（或分子、离子）在三维 空间中有规则、周期性重复排列的物质。 特点：排列是长程有序的。 非晶体是组成物质的原子、分子的空间 晶体的主要特征： 排列不呈现周期性和平移对称性的物质。 有固定的几何外形、有 特点：排列是短程有序，长程无序的。 确定的熔点、有各向异 13 性。
第二章 材料的结构和 缺陷化学理论及应用
上海应用技术学院材料科学与工程学院
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2.1 元素及结合键
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1
2.1.1 元素及其性质
元素的原子通过化学键结合，不同元素由于电子结 构不同，形成的化学键倾向也不一样。而元素的电 子结构的周期性变化，体现在周期表中也有相应的 变化规律。
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2.1.2 原子间的键合—影响固体材料的性质
补充：晶胞的几何特征（基本概念） 原子数：每个晶胞中可能含有几个原子。 配位数（CN）：每一个原子周围最近邻 的原子数。
Bcc: 原子数：2 配位数：8
Fcc: 原子数：4 配位数：12
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hcp: 原子数：6 配位数：12
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原子半径 ：晶胞中原子排列密度最大的方 向上相邻原子之间距离的一半称为原子半 径。 致密度（K）：一般用来形容原子排列的紧 密程度。
离子键的结合力较大，外层电子被牢固的 束缚在离子的外围，所以离子晶体的硬度和强 度高，热膨胀系数小，导电性很差。 无色透明，因为可见光很难激发外层电子， 因此离子晶体往往呈现无色透明状。 在外力的作用下，离子之间失去电的平衡而 使离子键破坏，宏观上表现材料具有很大的脆 性。 陶瓷材料大部分为离子晶体。
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（2）离子键：由异性电荷之间的吸引力产生。 常发生在活泼金属和过渡金属元素之间。 一个易失去电子，一个易得到电子。
大部分金属氧化物，盐，陶瓷材料等都是离子键结 合。 特点：作用力强，无方向性和有饱和性限制。 特征：高熔点，高强度，高硬度，低膨胀系数，塑形 较差等，固态下不导电，熔融状态下离子迁移导电。
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（3） bcc中的八面体间隙
① 八面体的构成：两体心原子 ② 间隙位置：各条棱的中点处及各面的面心。 ③ 间隙 位置坐标：坐标为 （1/2，1/2，0） ④ 单胞内间隙个数: 八面体间隙个数为 6×(1/2)+12×(1/4) ＝6（个）
氯化铯晶体
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C 闪锌矿型（ZnS） S2- 分布于单位晶胞的角顶及面心 ，呈面心立 方结构， Zn2+充填于半数的四面体空隙中 。
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D 萤石和反萤石结构

又称氟化钙型结构。属等轴晶系面心立方结构。AB2型离子晶 体。其中阳离子a(如Ca2+)呈立方密堆积，阴离子b(如F-)填充 在四面体空隙中，面心立方点阵对角线的1/4和3/4处。阴、 阳离子的配位数分别为4和8。阳、阴离子半径比R2+/R>0.732。这类结构的化合物有二氧化锆、二氧化铀、二氧化 铯和PrO2等一些重金属化合物和含有大金属离子的氟化物， 如BaF2，PbF2，SrF2，CaF2等。
2.2.2 晶格、晶胞和晶格参数
（1）什么是空间点阵？ 把晶体中的原子、分子等抽象为一个几何点，这个 点我们称之为阵点或结点。 阵点在空间形成的周期性规则排列叫做空间点阵。 （2）晶格和晶胞 用假想的直线将阵点连接起来，所构成的几何框架 我们称之为晶格。 晶格中的最小重复单元称之为晶胞。
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晶胞选取的三大原则： 1 要能充分反映空间点阵的对称性。 2 α，β，γ要尽可能为直角。 3 体积应尽可能小（但不一定是最小）。
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反萤石结构：是A2B型离子晶体，其结构中 阴离子b(如O2-)呈立方密堆积，阳离子 a(如Na+)填充在四面体空隙中。阴、阳离 子的配位数分别为8和4。阴、阳离子的这 种排列方法恰恰与萤石结构相反，故名为 反萤石结构。属反萤石结构的化合物有氧 化钠、氧化钾和这些金属的硫属化合物等。
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（2）离子晶体的特性：
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2.3 晶体材料的结构
原子是通过结合键聚集排列在一起，根据结合键 的种类，晶体结构也分为不同类型。
离子晶体 共价晶体
晶体类型
金属晶体 分子晶体
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2.3.1 离子晶体
离子晶体的结构规则
1．负离子配位多面体规则 2．电价规则 3．负离子多面体共用顶、棱和面的规则 4．不同种类正离子配位多面体间连接规则
K
晶胞中原子数所占体积 晶胞体积比
面心立方晶胞的致密度：0.74 体心立方晶胞的致密度：0.68（思考？）
24
12
密排面和密排方向 • 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上 原子排列方式和排列密度不一样。 • 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶 面为{110}, 称为密排面; 原子密度最大 的晶向为<111>, 称为密排方向。 • 在面心立方晶格中, 密排面为{111}, 密 排方向为<110>。
8
4
性质特征： 由于方向性，原子之间的相对位置 不允许改变，因此共价键材料的塑性 很差。 结合力很大，所以熔点和硬度较高 等等。
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（4）范德华键（分子键） 具有稳定电子结构的原子或分子靠偶极的 感应和吸引力作用而成的结合力称为范德 华键。 特点：属于物理键，没有方向性和饱和性。 但也影响物质的性质。许多中性分子和有 机化合物都是靠此结合成为固体的。
（3）晶面族与晶向族
原子排列等同但彼此不平行的晶面，用{hkl}表示。
同理，原子排列等同但彼此不平行的晶向பைடு நூலகம்用<uvw> 表示。
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2.2.5 晶面间距 具有相同密勒指数的 两个相邻平行晶面之 间的距离称为晶面间 距，用dhkl表示。
d hkl
a h 2 k 2 l2
21 图 立方晶格的几个晶面示意图
a 以任意晶胞的三条棱为坐标轴，以点阵常数 a、 b、c为单位长度 b 找出某晶面在三坐标轴上的截距 c 取三个截据的倒数，并化为最小整数 d 用( )表示，此就为晶面指数（hkl）
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（2）晶向指数的确定
a 以晶胞三棱边为坐标轴，以晶格常数为单位长度 b 在通过原点的晶向上任选一点，写出该点的三个 坐标轴 C 化为最小整数，用[uvw]表示。
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(2)特性： 由于存在大量的自由电子，因而具有 良好的导电性和导热性。 没有方向性和饱和性，金属发生变形 时，金属键并不受到破坏，所以金属具 有良好的塑性。 自由电子能吸收可见光，被激发跃迁到 较高的能级，因此它并不透明。
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2.3.4 分子晶体 (1) 结构 结合过程中，没有电子的得失，共有或 共有化，原子之间靠很弱的分子力结合 的晶体为分子晶体。 分子键能改变材料的性能。如聚氯乙稀 （PVC塑料）。 (2) 性能： 熔点低，硬度低，热膨胀系数高，有良 好的绝缘性。
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2.2.3 晶系
有14种点阵，分为七大晶系。称之为布拉维点阵。 其中立方晶系（a=b=c、 α=β=γ=90º）最为重要。
三种典型立方晶体结构
简单立方
体心立方
面心立方