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同的尺寸数量级来改善材料性能。混合价与功能性
晶体结构通常涉及两方面信息:在单个晶胞中原子的对称性和
排列,以及原子问的键合。从热力学上看,系统的焓是由原子间的
键合决定的,而熵是由晶体的原子排列决定的,热力学规律选择稳
定的相,而键合对相的稳定性有很大的影响。单元素有一定的电子
排列,当几种不同的元素形成分子时,这个原子团的电子结构不同
于它原来的元素,这是因为原子中的价电子转移和/或分配共有。
通常价电子对键合是最关键的;价电子的分布和运动通常以分子轨
道来描述。这些价态和分子轨道与分子的功能特性相呼应。配位场
理论描述原子团簇的分子结构。
当几种元素结合形成晶态固体,在其中原子或原子群(或分子)
键合形成具有特定对称性的三维结构时,固体的性能取决于原子或
原子团的电子结构以及它们的空间分布。分子轨道理论和键结构理
论常被用来阐明结构与性能间的关系。基于电子能带结构,无机材
料可分为导体、半导体和绝缘体。若使晶体结构变化,使带隙减小
或受限,就有从绝缘体变为导体的可能。可通过改变原子的空间分
布(如键角、键长以及原子排列的对称性)或是化学组成(如从化学
计量的变为非化学计量的)可改变其晶体结构。所有这些变化均涉
及结构变化,它与材料的性能紧密相关。
无机材料的许多功能特性是由在结构单元中有混合价的元素决
定的,混合价意味着在一化合物中某元素有两个或多个不同的价态
。价混合是指在一化合物中不同元素有不同的价,但每一种仅有一
个价。在基本元素周期表中,有40种元素能形成混合价化合物;过
渡族含d一态电子的元素和镧系元素就是典型的例子。现代无机化
学表明,任何元素的氧化状态都可在特定的状况下改变,很多氧化
物功能材料含有具有混合价的元素,这是功能材料与结构材料的典
型区别。本书是有关含有混合价元素,如过渡元素和稀土元素的化
合物的结构演化的著作。
混合价化学概念涉及到设计与合成具有特殊的光、电或磁学特
性的新的化合物的途径。对功能材料敏感特性的研究总是基于有趣
的、新的混合价化合物的构想与合成,高温超导化合物的发现是混
合价化学令人瞩目的成功的例子。我们相信,探索混合价化合物的
可能结构以及它们的演变行为可导致合成新型功能材料的许多途径
。
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