第七章 固体的结构与性质.docVIP

第七章　固体的结构与性质 物质通常呈气、液、固三种聚集态。固体物质又分为晶体和非晶体。自然界中大多数固体物质是晶体。本章主要介绍晶体物质的结构及其与物理性质的关系。 7-1　晶体和非晶体 7-1-1　 与非晶体相比较，晶体通常有如下特征。 1. 有一定的几何外形 从外观看，晶体一般都具有一定的几何外形。如图7-l 所示，食盐晶体是立方体，石英(SiO2)晶体是六角柱体，方解石(CaCO3)晶体是棱面体。 非晶体如玻璃、松香、石蜡、动物胶、沥青、琥珀等，因没有一定的几何外形，所以又叫无定形体。 有一些物质(如炭黑和化学反应中刚析出的沉淀等)从外观看虽然不具备整齐的外观，但结构分析证明，它们是由极微小的晶体组成的，物质的这种状态称为微晶体。微晶体仍然属于晶体的范畴。 2．有固定的熔点 在一定压力下将晶体加热，只有达到某一温度(熔点)时，晶体才开始熔化；在晶体没有全部熔化之前，即使继续加热，温度仍保持恒定不变，这时所吸收的热能都消耗在使晶体从固态转变为液态，直至晶体完全熔化后温度才继续—上升，这说明晶体都具有固定的熔点，例如常压下冰的熔点为0℃。非晶体则不同，加热时先软化成粘度很大的物质，随着温度的升高粘度不断变小，最后成为流动性的熔体，从开始软化到完全熔化的过程中，温度是不断上升的，没有固定的熔点，只能说有一段软化的温度范围。例如松香在50～70℃之间软化，70 3．各向异性 一块晶体的某些性质，如光学性质、力学性质、导热导电性、机械强度、溶解性等，从晶体的不同方向去测定时，常常是不同的。例如云母特别容易按纹理面(称解理面)的方向裂成薄片；石墨晶体内，平行于石墨层方向比垂直于石墨层方向的热导率要大4～6倍，电导大5千倍。晶体的这种性质称为各向异性。非晶体是各向同性的。 晶体和非晶体性质上的差异，反映了两者内部结构的差别。应用X射线研究表明，晶体内部微粒(原子、离子或分子)的排列是有次序的、有规律的，它们总是在不同方向上按某些确定的规则重复性地排列，这种有次序的、周期性的排列规律贯穿于整个晶体内部(微粒分布的这种特点称为远程有序)，而且在不同方向上的排列方式往往不同，因而造成晶体的各向异性。非晶体内部微粒的排列是无次序的、不规律的。如图7-2为石英晶体和石英玻璃(非晶体)中微粒排列示意图。 图7-2 石英晶体与硅石玻璃结构特点示意图 7-1-2 　 1. 晶格 为了便于研究晶体中微粒(原子、分子或离子)的排列规律，法国结晶学家布拉维(A.Bravais)提出:把晶体中规则排列的微粒抽象为几何学中的点；并称为结点。这些结点的总和称为空间点阵。沿着一定的方向按某种规则把结点连结起来，则可以得到描述各种晶体内部结构的几何图像──晶体的空间格子(简称为晶格)。图7-3为最简单的立方晶格示意图。 图7-3 晶体、晶格与晶胞 按照晶格结点在空间的位置，晶格可有各种形状。其中立方体晶格具有最简单的结构；它可分为三种类型(见图7-4) 2．晶胞 在晶格中，能表现出其结构的一切特征的最小部分称为晶胞。如果某晶体的晶格如图7-3所示，那么图中每一个最小的平行六面体均为该晶体的晶胞。NaCl晶体的晶胞如图7-5所示。 7-1-3　 晶体可分为单晶体和多晶体两种。单晶体是由一个晶核(微小的晶体)各向均匀生长而成的，其晶体内部的粒子基本上按照某种规律整齐排列。例如：单晶、冰糖、单晶硅就是单晶体。单晶体要在特定的条件下才能形成，因而在自然界较少见(如宝石、金刚石等)，但可人工制取。通常所见的晶体是由很多单晶颗粒杂乱地聚结而成的，尽管每颗小单晶的结构是相同的，是各向异性的，但由于单晶之间排列杂乱，各向异性的特征消失，使整个晶体一般不表现各向异性，这种晶体称为多晶体。多数金属和合金都是多晶体。 根据晶格结点上粒子种类及粒子间结合力不同，晶体又可分为离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体等基本类型。 7-1-4 非晶体物质 简言之，非晶体物质是指结构无序(近程可能有序)的固体物质。玻璃体是典型的非晶固体，所以非晶固态又称玻璃态。重要的玻璃体物质有四大类：氧化物玻璃(简称玻璃)、金属玻璃、非晶半导体和高分子化合物。 玻璃体整体质地均匀，拉伸而成的玻璃纤维其强度大于尼龙纤维。由玻璃纤维织的布，被热溶性塑料粘结成的玻璃钢，可用以制造质轻、耐腐蚀、无磁性的管道、容器。 晶体与非晶体之间并不存在不可逾越的鸿沟。在一定条件下，晶体与非晶体可以互相转化，例如把石英晶体熔化并迅速冷却，可以得到石英玻璃。涤纶熔体若迅速冷却，可得无定形体；若慢慢冷却，则可得晶体。由此可见，晶态与非晶态是物质在不同条件下形成的两种不同的固体状态。从热力学角度说，晶态比非晶态稳定。 7-1-5　 有些有机物质的晶体熔化后在一定温度范围内微粒分布部分地保留着远程有序性，因而部分地仍具有各向异性，这种介于液