固体化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、固体化学基础赵新华北京师范大学.9.第1页参考书1 无机材料化学(上册)曾人杰,厦门大学出版社,年。2 固体化学导论,苏勉曾,北京大学出版社。3 固体化学及其应用,苏勉曾等译,复旦大学出版社。4 固态化学,吕孟凯,山东大学出版社。第2页目录第零章 绪言1 物质流动性和固体性2 晶体宏观特征3 晶体微观特征4 非晶体宏观特征5 非晶体微观特征第一章 凝聚系统相图及其应用1 相,相变与晶型转变2 可逆与不可逆晶型转变3 SiO2晶型转变4 晶型转变控制5 凝聚态二元系统相图6 三元系统相图介绍及其应用第3页第二章 晶体结构对称性1 晶体对称性两个基本原理2 晶体宏观对称元素和对称操作3 晶体学点群
2、4 晶体点群与晶体物理性质 5 晶系与晶体空间点阵形式6 晶体微观对称元素7 晶体空间群8 晶体结构表示与应用第4页第三章 结晶化学1 化学键与晶体结构2 金属结构类型3 离子型化合物结构模型4 离子型结构普通标准5 主要离子型化合物结构类型6 能够归结为密堆积结构复杂化合物7 非键电子效应第5页第四章 缺点化学1 实际晶体中缺点2 点缺点热力学基础3 点缺点分类与表示4 色心及其应用5 缺点反应及缺点反应方程式书写标准6 热缺点平衡浓度第6页第五章 固溶体和非化学计量化合物1 固溶体定义与分类及固溶反应方程式书写标准2 影响置换固溶体固溶度原因 3 置换式固溶体生成机制4 非化学计量化合物5
3、 非化学计量化合物表征第7页第六章固态材料制备1 单晶生长2 固体扩散3 固相-固相反应与烧结4 薄膜材料制备5 超细微粉制备第七章 固态物质表征1 衍射技术2 显微镜技术3 热分析技术4 光谱技术5 固体磁共振技术第8页第零章 绪言0-1 物质流动性和固体性固体:分子或原子处于完全确定平衡位置作热振动。含有确定形状和稳定结构即固体性。气体:分子或原子不停地,自由地作长距离运动即流动性。无确定体积和形状液体:有一定体积但无确定形状第9页路径(1)以足够低冷却速度降温,准平衡态路径(2)以足够快冷却速度降温,非平衡态第10页 0-2 晶体宏观特征(1)自范性:F(晶面数)+V(顶点数)=E(晶棱
4、数)+2晶面夹角(或交角)守恒定律第11页(2)晶体均匀性,起源于晶体中原子排布周期性规则,宏观观察中分辨不出微观不连续性。(3)物理性质异向性(4)稳定性,晶体有固定熔点。(5)对称性第12页 0-3 晶体微观特征(1)晶体点阵结构晶体结构=点阵+结构基元一维点阵,结构基元:(-CH2)2第13页二维点阵,结构基元:B(OH)32点阵参数a,b,第14页NaCl结构类型晶胞点阵参数:a,b,c,第15页晶体微观特征为:短程有序,长程也有序,含有点阵结构。第16页(2)晶体衍射性质:(a)在晶体中原子间距和x射线波长含有相同数量级,晶格作为次级光源,辐射光,相干散射相互叠加,在某一方向上电磁波
5、得到加强现象叫作衍射;对应方向叫衍射方向,是衍射线偏离入射线角度;在衍射方向上前进波叫衍射波。第17页(b)劳厄方程=AD-CB=acosh-acoso=a(cosh-coso)=h (h=0,1,2.)h为波程差所含波长倍数。第18页次生波源x射线为球面波,以a为轴线,和a呈h角圆锥面各个方向均满足衍射条件。当o=90o,h=0,1,2,3.时,发生如右图衍射。第19页推广到三维空间点阵(a,b,c,)劳厄方程a(cos-coso)=hb(cos-cos o)=kc(cos-cos o)=l(h,k,l=0,1,2.)第20页(c)布拉格方程 h,k,l:整数第21页(b)多晶x射线衍射多晶
6、样品取向随机地聚在一起,衍射图形为以出射x射线为轴心,张角为4hkl衍射圆锥,其截面为一个衍射圆。第22页多晶X射线衍射试验方法摄影法衍射仪法第23页 0-4 非晶体宏观特征(1)只有玻璃转化温度,无熔点。(2)没有规则多面体几何外型,能够制成玻璃体,丝,薄膜等特殊形态。(3)物理性质各向同性。(4)均匀性起源于原子无序分布统计性规律,无晶界。第24页0-5 非晶体微观特征(a)长程无序第25页衍射为弥散晕和宽化衍射带第26页(b)短程有序双体概率分布函数:g(r)=r/o;o=N/V第27页例:石英玻璃结构r(Si-O)=1.62;r(O-O)=2.65第28页第一章凝聚态系统相图及其应用
7、1-1 相、相变与晶型转变同质多晶或同质多相与晶型转变介稳态与势垒、稳定态第29页第30页 1-2 相变热力学在相变平衡温度和压力下:G=H-T S=01 一级相变(不连续相变):自由能对温度或压力一阶偏导数出现不连续相变定义为一级相变:第31页一级相变热力学函数随温度改变第32页含有一级相变特征固体,当加热经过其相变点时,DTA曲线出现吸热峰。一级相变体积不连续改变引发密度不连续改变;熵不连续改变反应在相变点焓变不连续改变。在G1=G2温度Tc处,G=0两相共存第33页2 二级相变(连续相变)吉布斯自由能二阶偏导数不连续为特征:等压热容;压缩系数;热膨胀系数改变不连续为特征第34页在二级相变
8、时焓(a),热容(b),长程有序参数(c),自由能(d)随温度改变第35页 1-3 相律与相图1 相律:f=C-+2变量为温度和压力单组分体系相图:C=1 f=3-=1,f=2=2,f=1=3,f=0严格地说,平衡相图只能表示一级相转变第36页2 凝聚态系统相律唯一变量为温度f*=C-+1C=1,=1f*=1=2f*=0BaTiO3晶型转变第37页 1-4 可逆与不可逆晶型转变GU-TS(1)可逆晶型转变Ttr:晶型转变温度TmI:晶型I熔点TmII:晶型II熔点可逆晶型转变特点:Ttr TmI TmI TmII阶段转变定律第39页 1-5 SiO2晶型转变(1)重构式与位移式晶型转变一级配位
9、二级配位位移式晶型转变:仅二级配位发生改变重构式晶型转变:一级配位发生改变第40页重构式与位移式晶型转变第41页(2)SiO2晶型转变高温:相;低温:相,相;一级相变;二级相变。第42页(3)SiO2压力、温度相图实线:热力学稳定态虚线:热力学介稳态相之间为一级相变相与相,相与相之间为二级相变第43页-石英易过热,直到1873K熔融。冷却时,若非足够慢,在非平衡态,相易转变为相.。介稳态相,相动力学稳定。第44页(4)晶型转变体积效应克-克方程:H0:从低温向高温摩尔晶型转变热;V0:热膨胀;V1.0时,六方稳定t0;Sw0第265页3 点缺点分类与表示本征缺点:物理缺点,热缺点,缺点浓度与温
10、度成正比,化学计量缺点;(1)弗仑克尔(Frankel)缺点:缺点对Ag Ag=Agi+V Ag自填隙原子第266页缺点产生和复合是动态平衡过程,在一定温度下到达平衡浓度。正、负离子半径差异较大,共价性较强晶体易形成弗仑克尔(Frankel)缺点:如:AgCl,AgBr,AgI。第267页萤石(CaF2)和反萤石(Na2O)结构易形成填隙阴离子Fi和空位:FF=Fi+VF或填隙阳离子Nai和空位:NaNa=Nai+VNa第268页(2)肖特基(Schottky)缺点热缺点,体相原子向表面或界面扩散过程。NaCl(b)=Na(f)+Cl(f)+VCl(b)+VNa(b)空位缺点对高温碱金属卤化物
11、晶体中。第269页(3)化学缺点:杂质缺点在一定温度下有一定固溶度取代型固溶体填隙型固溶体第270页杂质缺点使晶体结构局部畸变,产生空位,引发原子价态改变。第271页(4)缺点表示无缺点状态:0晶格结点空位:VM,VX填隙原子:Ai,Xi错位原子:在AB中,AB,BA取代原子:在MX中NM电子缺点:e,h带电缺点:VM,VX,Ai,Xi,AB,BA ,NM(n-m)第272页 4 色心及色心应用(1)产生色心机理F心VX+e第273页V心VM+h 第274页化合物氟化物 氯化物溴化物max颜色max颜色max颜色Li224/388黄绿459橙色Na344/459橙色539紫红K459橙色563
12、紫色620蓝绿Rb620蓝绿689蓝绿AX色心光谱数据第275页(3)色心类型(缺点缔合)色心名称 形成符号中心阴离子空位VXF中心阴离子空位缔合电子VX+eF中心F中心缔合电子VX+2eV1中心阳离子空位缔合空穴VM+h V2中心相邻两个阳离子空位缔合两个孔穴2VM+2h FA中心杂质阳离子A缔合阴离子空位VX+AB第276页(4)色心应用光学材料着色,宝石着色色心激光晶体光敏材料,光致变色材料:信息存放与读写。380nm680nm第277页5 缺点反应及缺点反应方程式书写标准反应物由生成缺点主成份物质组成箭头表示反应方向箭头上表示基质化学式生成物主要由缺点组成第278页质量守恒,电荷平衡生
13、成物阴,阳离子子晶格格位数比值与基质子晶格格位数比值不变。比如:当少许CaCl2掺入NaCl晶体中,Ca2+离子占据Na+位置,写出缺点反应方程式。第279页6 热缺点平衡浓度(格位浓度:ni/N)(1)Frankel缺点第280页Frankel缺点生成焓(以一个缺点活化能为主)化合物 Hf(J)10-19AgCl 2.564 154kJ/molAgBr 1.923-AgI 1.122AgCl在熔点456oCFrankel缺点浓度0.6%第281页(2)Schotky缺点(对MX生成一对空位活化能)设Hs=200kJ/molT/K DG DV/cm-3300 3.8710-18 7.26 10
14、 4500 3.5710-11 6.67 10 11700 3.4510-8 6.47 10 14900 1.5710-6 2.94 10 16第282页第283页化合物反应生成能10-19/JAgBrAgAg Agi+VAg1.76BeO0 VBe+VO 9.61MgO0 VMg+VO 9.61NaCl0 VNa+VCl 3.523.84LiF0 Vli+VF3.84 4.23CaO0 Vca+VO 9.61CaF2FF VF+Fi3.68 4.49CaCa Vca+Cai 11.20 Vca+2VF8.81UO2OO VO +Oi4.81UU VU+Ui 15.20 VU+2VO 10.3
15、第284页(3)影响热缺点浓度原因生成能增加一个数量级,缺点浓度由10-7减小到10-54温度增加1100oC,缺点浓度增加105倍不一样结构类型,生成不一样缺点活化能不一样。经典NaCl晶体形成肖特基缺点,氧化物晶体形成肖特基缺点浓度低。萤石型晶体形成阴离子添隙弗仑克尔缺点第285页作业用缺点符号表示以下原子点缺点和离子点缺点:含有CaF2结构ZrO2中弗仑克尔(Frankel)缺点;含有岩盐结构MgO中肖特基(Schottky)缺点。第286页作业P183(5)第287页第五章 固溶体和非化学计量化合物一 固溶体定义和分类及固溶反应书写标准1 固溶体定义:在固态条件下一个组元因“溶解”了其
16、它组元而形成单相晶态固体。第288页2 固溶体分类连续固溶体,比如:Mg1-xNixO0 x 1有限固溶体Mg1-xCaxO0 x 0.05Ca1-xMgxO0 x 0.05第289页置换型固溶体主晶格:基质取代缺点:溶质:(Al2-yCry)O3CrAl取代几率为y第290页填隙固溶体Pd(Hx)I填隙能力多孔八面体四面体沸石金红石TiO2MgO空位固溶体(化合物)第291页3 固溶体特点单相体系,溶质混溶于基质,与基质含有相同结构固溶体结构发生畸变,所以生成缺点能级固溶体组成在较大范围内是能够改变,性质随组成改变。比如MgO(ss):(Mg1-2xSix)O和Mg2SiO4。第292页3
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