一、课程名称：晶体化学基础
二、课程代码：MCHE30350
三、学时和学分：40学时，2.5学分
四、适用专业：材料化学
五、预修课程：结构化学、无机化学
六、使用教材
[1] 梁栋材，《X射线晶体学基础》第二版，科学出版社，2006；
[2] 钱逸泰，《结晶化学导论》第三版，中国科学技术大学出版社，2005
七、参考书目: Richard J. D. Tilley, 《Crystals and Crystal Structrue》, John Wiley & Sons，LTD；2006
八、课程描述
晶体化学是研究晶体在原子水平上的结构理论，揭示晶体的化学组成、结构和性能之间的内在联系以及相关原理的物理化学分支学科。结晶化学是固体化学、无机非金属材料等课程的基础。晶体化学是材料化学专业本科生选修课程，课程系统的学习晶体结构的对称性、典型无机晶体功能材料的结构和晶体结构的测定方法。考虑到材料化学专业的培养方向，本课程在内容的选材上突出了实用性。选择了几何结晶学，X-射线结晶学，结晶化学基本规律及典型无机晶体功能材料的结构等为主要内容，使学生通过上述内容的学习，为深入学习有关材料课程打下基础。
九、教学目标
1. 教学目标
《晶体化学基础》是材料化学专业的一门专业选修课，它与《无机化学》、《结构化学》、《材料化学》、《固体化学》等诸多类似课程有一定的交叉，但又有自己相当完善的体系，是一门相当古老的经典的学科。它一般包括几何结晶学、晶体化学、典型晶体结构类型三大部分。该课程首先使学生对固体材料中最基本的组成部分—晶体的相关特征有基本的了解，为相关的后续材料化学相关课程如《材料科学基础》、《无机材料化学》、《材料表征测试技术》等课程提供必要的预备知识。通过整理和提炼实践工作中的问题，综合运用所学知识分析并解决问题，培养在实际工作中发现问题的敏感性、分析问题的科学性、处理问题的有效性。逐步培养学生的探索精神和创新能力，培养具有竞争优势的创新创业人才。
2. 教学环节对人才培养目标的贡献
① 通过对晶体化学基础的学习，使学生了解晶体化学的基本理论知识和实验技能，学会从晶体化学的理论、观点、方法来解决科学与实践中的热点问题，并揭示晶体的化学组成、结构和性能之间的内在联系以及相关原理的晶体化学分支学科，并深刻理解结构决定性能这一基本原理；
② 通过晶体化学课程的教学活动，把培养学生的科学观、社会观、价值观结合起来，全面提高学生的科学素养，培养出基础扎实、知识面宽、具有开拓创新能力的跨世纪人才。
③ 通过模块化的课程内容结构，构筑学生晶体化学的基本理论框架，并结合工程技术、科技发展及社会热点论题组织教育内容，充分反映科技最新进展。
④ 培养学生进行唯物主义辩证思维的能力。
3. 知识贡献和课时安排
章节名称 |
知识贡献 |
教学要求 |
学时 |
第一部分 晶体结构的周期性 |
1.1 晶体结构的周期性 1.2 晶体空间点阵与晶格 1.3 晶体的其它一些性质 |
1. 了解点阵，点阵单位，晶胞等概念； 2. 掌握划分晶胞的方法。 |
2 |
第二部分 晶体的宏观对称性 |
2.1 面角恒等定律 2.2 晶体的投影 2.3 晶体的对称原理 2.3.1 对称的概念 2.3.2宏观对称元素 2.4 对称元素的组合 2.4.1 不派生高次轴的对称元素的组合 2.4.2 只包含一个高次轴的对称元素的组合 2.4.3 高次轴与对称面垂直相交 2.5 晶体所有可能的组合 2.5.1 具有不多于一个高次轴的对称组合 2.5.2 具有一个以上高次轴的对称轴的组合 2.5.3 具有一个以上高次轴的对称轴与对称面的组合 2.6 晶体的定向及晶系 2.6.1 晶带与晶带轴 2.6.2 晶体的定向 2.6.3 晶系的划分 2.7 晶面指数与晶棱指数 2.7.1晶面指数 2.7.2 晶棱指数 2.7.3 晶棱指数和晶面指数的关系 2.8 等效晶系 2.8.1 一般位置等效点系和特殊位置等效点系 2.8.2 点群中国际符号的取向 2.8.3 等效点系坐标的推导 2.8.4 等效点系的等效点的数目和坐标 2.9 单形与复形 2.9.1 单形 2.9.2 复形 |
1. 掌握晶面、晶向等基本概念及其表示方法； 2. 了解布拉维规则和晶面的表示方法； 3. 了解晶体的宏观对称元素及取对称操作的内容； 4. 掌握晶体的对称性定理和晶体的划分情况（国际符号，七个晶系，十四种空间点阵形式，32点群及其相互关系； 5. 掌握等效点系的推导。 |
8 |
第三部分 晶体的微观对称性 |
3.1 微观空间的平移 3.1.1 周期平移 3.1.2 平移对称操作 3.1.3 非初基平移 3.2 微观空间对称元素 3.2.1 微观空间对称元素的特点 3.2.2 滑移对称面 3.2.3 螺旋对称轴 3.2.4 各种螺旋轴的等效点系坐标 3.3 微观空间对称元素与周期平移的组合 3.3.1非高次轴的微观对称元素与周期平移组合 3.3.2 四次轴与周期平移的组合 3.3.3 三次轴与周期平移的组合 3.3.4 六次轴与周期平移的组合 3.4 微观空间对称元素的组合 3.4.1微观空间对称元素组合的一般特性 3.4.2 对称轴与对称面垂直相交 3.4.3 对称面与对称面相交 3.4.4 二次轴与二次轴的组合 3.4.5 二次轴与对称面不垂直相交 3.5 14种布拉维格子 3.5.1 单位格子的选择、初基格子和非初基格子 3.5.2 14种布拉维格子 3.5.3 三方晶系的R点阵 3.6 微观空间对称元素与非初基平移的组合 3.6.1 对称中心与非初基平移的组合 3.6.2 对称面与非初基平移的组合 3.6.3 非初基格子中的d滑移对称面 3.6.4 二次轴与非初基平移组合 3.6.5 四次对称轴与非初基平移的组合 3.6.6 在立方晶系中的三次对称轴 3.7 空间群的推导 3.7.1 坐标系原点的选择原则 3.7.2 空间对称群的国际符号 3.7.3 230种空间群的推导原则 3.7.4 坐标轴的对换及轮换与空间群符号的变换 3.7.5 三斜晶系及单斜晶系的空间群 3.7.6 正交晶系的空间群 3.7.7 四方晶系的空间群 3.7.8 六方晶系的空间群 3.7.9 三方晶系的空间群 3.7.10 立方晶系的空间群 3.7.11 从空间群的国际符号推导等效晶系 |
1. 了解基本微观对称元素及其表示方法； 2. 了解微观对称元素与周期平移的组合规则； 3. 理解微观空间对称元素的组合规则； 4. 理解布拉维格子的意义； 5. 理解微观空间对称元素与非初基平移的组合 6. 以C2v为例，掌握典型空间群的推导过程；并会绘制其投影图。 |
8 |
第四部分 晶体的X射线衍射 |
4.1 X射线的性质和产生 4.2 X射线与物质的相互作用 4.3 X射线衍射理论 4.3.1劳厄方程 4.3.2 布拉格方程 4.3.3 衍射强度和晶胞中原子的分布 4.4 X射线衍射仪 4.5 晶体点阵的测定 4.6 X射线衍射分析 4.6.1 定性分析 4.6.2 定量分析 4.7 晶体结构分析 4.7.1 单晶结构分析 4.7.2 粉晶结构分析 |
1. 掌握衍射方向、Laue方程及Bragg方程； 2. 了解衍射强度及结构因子等概念； 3. 了解系统消光的概念，理解相关消光规律； 4. 掌握立方晶系、四方晶系粉末线的指标化， 5. 熟练掌握立方晶系X射线物相分析、确定晶胞参数、点阵形式； 6. 了解实际图谱的解析方法 |
6 |
第五部分 结晶化学概论 |
5.1 等径球的密堆积 5.1.1 六方和立方密堆积 5.1.2 空间利用率 5.1.3 多层堆积 5.1.4 原子半径 5.2 不等径球的密堆积 5.2.1 最密堆积中的空隙类型 5.2.2 离子晶体的堆积 5.2.3 离子半径比对结构的影响 5.3 分子的堆积 5.4 密堆积理论和空间群理论 5.4.1 球最密堆积的空间群 5.4.2 分子堆积的空间群 5.4.3 晶体在219种空间群的分布 |
1. 了解金属晶体密堆积的类型和特点； 2. 理解等径圆球密堆积原理及其在金属晶体中的应用（A1，A3型）。 |
6 |
第六部分 金属的结晶化学 |
6.1 能带理论 6.1.1 倒易点阵和衍射条件 6.1.2 布里渊区 6.1.3 能带理论 6.1.4 金属、半金属、半导体和绝缘体 6.2 金属健 6.2.1 金属健 6.2.2 金属氢 6.2.3金属、半金属、半导体和绝缘体的相互转变 6.3 单质的结构 6.3.1 金属元素的结构 6.3.2 非金属元素的结构 6.4 金属固溶体 6.4.1 金属固溶体 6.4.2 中间相 6.4.3 间隙固溶体 |
1. 理解晶体金属键的本质和金属半径的概念； 2. 了解能带理论； 3. 掌握固溶体的有关知识。 |
4 |
第七部分 离子键与共价键 |
7.1 离子晶体 7.1.1 离子键 7.1.2 晶格能及其应用 7.1.3 配位数对晶体中离子半径的影响 7.2 共价键 7.2.1 共价键 7.2.2 共价半径 7.2.3 杂化轨道理论 7.3 结晶化学定律 7.3.1结晶化学定律 7.3.2 离子大小与晶体结构 7.3.3 离子的极化 7.3.4 极化对晶体结构的影响 7.4 鲍令规则 7.5 离子键与共价键的相互过渡 |
1. 掌握鲍林定律； 2. 了解常见的离子晶体类型（NaCl，CsCl，立方ZnS，六方ZnS，CaF2，TiO2）结构型式； 3. 了解离子晶体点阵能的理论计算方法； 4. 理解离子的堆积规则； 5. 了解典型共价化合物：金刚石的结构；CaF2型晶体结构，钙钛矿型晶体结构特点。 |
8 |
十、教学方法
本课程以讲授为主，配以适当的课堂练习、课外作业。课程内容涉及无机非金属材料、x射线衍射、金属材料、结构化学等内容，本课程主要针对晶体材料化学，如果与上述几门课程有重复的而且学生比较好掌握的内容则从简讲述。
1. 在《晶体化学基础》理论课教学中重视研究性学习、探究性学习、协作学习等现代教育理念在教学中的应用，倡导启发式教学和研究性学习，不断探索教学方法，通过设计课堂提问、课堂讨论、查阅资料、撰写小论文等形式，充分调动学生在教学活动中的主动性和积极性，促进学生积极思考，使学生由被动地接受知识到主动地获取知识，并尝试用晶体化学的理论知识解释生活、生产、科研中的相关问题和现象，促进学生学习能力的发展。
2. 在《晶体化学基础》理论课教学中重视教育新技术的应用和教学方法的改革，充实丰富《晶体化学基础》的CAI课件和电子教案，在教学实践中灵活运用多媒体辅助教学，充分发挥CAI课件知识密集、交叉性、智能化等特点，扩大学生的知识面；利用多媒体电子课件生动、形象地体现教学内容，有效调动学生积极参与学习，促进学生积极思考，提高学生的自学能力，使他们的学习方法和思维特征能跟上信息时代的步伐，取得了良好的教学效果。
3. 在实践中，以《晶体化学》学科前沿，撰写小论文，让学生深入理解结构决定材料性能这个原理。
十一、考核及成绩评定方式
由平时成绩（作业、包括小论文、出勤、课堂讨论）、考试组成。
在《晶体化学基础》理论课教学中，结合每章教学内容布置1次作业。作业全批全改，成绩登记在记分册上；考试为120分钟闭卷考试，考题中基础性知识题目占60%-70%，综合性题目占20%-30%，提高性题目占10%，总分100分。课程总成绩中，出勤占10%，作业、小论文及查阅资料的成绩占20%，考试成绩占70%。
大纲制定人：法焕宝
大纲审核人：李杨
制定时间：2014-10
