物质的结构和材料的性质(化学物质结构与性质)

导语：工科化学（二四）：物质结构和材料性质

3.4晶体缺陷 陶瓷和复合材料

在前面我们讲了原子轨道和分子轨道，这里所说的原子轨道和分子轨道，并不是原子和分子的轨道，而是原子和分子中的电子“轨道”。由于电子位置的飘忽不定，电子“轨道”实际上是电子的分布概率，具体参照3.1章节中电子云的相关知识。

3.4.1固体能带理论

能带理论：由众多原子的原子轨道叠加形成结合态轨道时，将形成众多的成键轨道和反键轨道以及电子不能出现的禁区。这些轨道和禁区的能级间距都很小，故而几乎是连续的能带。所有电子依次填入相应的能带中，填充电子后的能量最高的满带称为价带，能量最低的空带称为导带，不能出现电子区域叫做禁带。

导体与绝缘体在结构化学上的差别

每种固体都有自己的禁带，禁带的大小决定了导电性，金属的禁带一般都是消失的。

绝缘体和半导体

绝缘体：禁带过大，导致电子无法从价带传动到导带

半导体：

本征半导体：禁带较小，少量电子可以穿过禁区进入导带

N/P半导体：由于掺杂富/缺电子杂质，禁带中出现富余电子或者缺失电子，增加了禁带的导电功能。举例：在金刚石中，每个碳原子与另外4个碳原子以共价键结合在一起，由于每个电子都成键了，所以，金刚石是不导电的，现在我们把其中的一个碳原子换成了氮原子，由于氮原子周围有5个价电子，而只有4个与其他碳成化学键，就有一个多余的电子成为游离电子，电子的移动就产生了电流，从而成为导体，这种叫做N型半导体。如果用硼原子替换掉其中一个碳原子，就造成了硼原子周围缺少一个电子，其他的电子朝着这个方向移动，也会形成电流，这种叫做P型半导体。

N型半导体示意图

没有绝对的绝缘体，在外界条件较大时，绝缘体也会变成导体。空气是绝缘体，但在巨大电压下，空气也会导电，雷雨天的闪电就是空气导电的实例

3.4.2晶体的缺陷和晶体材料

3.4.2.1晶体的缺陷

理想晶体：在三维空间内点阵周期性排列并且无限延伸的晶体称为理想晶体，现实中理想晶体很少，只能在较小单位内形成理想晶体（单晶）

原因：非整比化合物是主流，其次是晶格中的原子/分子/离子也是在一定范围内振动的。

缺陷根据其部位不同，分为：点缺陷/线缺陷/面缺陷/体缺陷

晶体缺陷的影响：力学性质/电学性质/光学性质/催化剂性能

3.4.2.2人工晶体

实际利用的晶体多是人工晶体，主要有光学晶体、压电晶体、激光晶体等（都是无机晶体）

1)光学晶体：主要是红外技术，也有紫外技术，主要是卤代金属盐

2)压电晶体：

压电效应：晶体在受到外力时，由于形变导致与力垂直方向的平面上出现电荷。

没有对称中心的晶体都有压电性，代表物质：酒石酸钾钠、磷酸二氢铵

3)激光晶体：能产生激光的晶体，组成部分：基质晶体（氧化铝/氟化钙等）和激活粒子（过渡金属离子）

3.4.3陶瓷材料

性能：耐高温，大部分绝缘性良好，可以根据其烧结技术和掺杂材料形成不同功能的陶瓷.

传统陶瓷：传统工艺制备，代表：景泰蓝、唐三彩

结构陶瓷：掺杂高熔点的物质，进行高温（1000℃以上）烧结，代表：日本京瓷

导电陶瓷：掺杂冶金粉末，代表：中南大学粉冶院

磁性材料：掺杂顺磁性物质，制造隐身涂层材料，吸收长波电磁波

气敏陶瓷：气敏半导体，代表：SnO2气敏元件

材料专业中的无机非金属材料专业，很多都是研究陶瓷材料的。

3.4.4复合材料

将两种或者两种以上性质不同的物质加以优化组合而形成的一种多相固体新材料

分为两类组分：主材料起粘结作用，增强体起增强作用

自然界物质多为复合材料

可以是晶体与晶体复合，也可以是晶体与非晶体复合，复合材料都是混合物，非单一化合物

下一节我们讲化学反应与能源

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