常见的晶体结构.ppt

常见的晶体结构常见的晶体结构 典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构 典型金属的晶体结构是最简单的晶体结典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质，使典型金属的晶体构。由于金属键的性质，使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶体是面心立方、体心立方和密排六方金属晶体是面心立方、体心立方和密排六方三种晶体。三种晶体。1、面心立方结构（、面心立方结构（FCC，A1型）型）（1）密堆积情况：）密堆积情况：原子以原子以ABCABC的方式堆积，的方式堆积，面心立方紧密堆积面心立方紧密堆积 （111）面为密排面。）面为密排面。原子分布在立方体的原子分布在立方体的8个顶点与个顶点与6个面心上。个面心上。（2）原子分布：）原子分布：晶胞含有：晶胞含有：4个八面体空隙个八面体空隙 8个四面体空隙；个四面体空隙；（3）单位晶胞原子数目：）单位晶胞原子数目：单位晶胞原子数：单位晶胞原子数：n=4；（4）原子的空间坐标：）原子的空间坐标：（5）原子半径与点阵常数：）原子半径与点阵常数：晶胞的晶胞的3个棱边长度（个棱边长度（a、b、c）与原子半径）与原子半径r之之间的关系，可由简单的几何知识求出。间的关系，可由简单的几何知识求出。面心立方结构（面心立方结构（a=b=c）：）：（6）配位数：）配位数：CN=12 K=0.74（8）密度：）密度：（7）致密度（堆垛密度）：）致密度（堆垛密度）：A1型结构：型结构：-Fe、铝、铜、镍、铅、金、银、铂、铝、铜、镍、铅、金、银、铂等等例：已知铜是面心立方结构的金属，其原子半径例：已知铜是面心立方结构的金属，其原子半径为为0.1278nm，相对原子质量为，相对原子质量为63.54g/mol。求铜的。求铜的原子密度。原子密度。2、体心立方结构（、体心立方结构（A2型）型）（1）密堆积情况：）密堆积情况：原子以原子以ABAB的方式堆积，的方式堆积，体心立方近似密堆积，体心立方近似密堆积，（110）面为密排面。）面为密排面。原子分布在立方体的原子分布在立方体的8个顶点与个顶点与体心上。体心上。（2）原子分布：）原子分布：晶胞含有：晶胞含有：2个八面体空隙个八面体空隙 4个四面体空隙；个四面体空隙；（3）单位晶胞原子数：）单位晶胞原子数：单位晶胞原子数：单位晶胞原子数：n=2；（4）原子的空间坐标：）原子的空间坐标：（5）原子半径与点阵常数：）原子半径与点阵常数：体心立方结构（体心立方结构（a=b=c）：）：（6）配位数：）配位数：A2型结构：型结构：-Fe、铬、钨、钼、钒、铌、铬、钨、钼、钒、铌、钛和钛和 锆锆等等CN=8致密度：致密度：K=0.68（7）致密度（堆垛密度）：）致密度（堆垛密度）：3、密排六方结构（、密排六方结构（A3型）型）（1）密堆积情况：）密堆积情况：原子以原子以ABAB的方式堆积，的方式堆积，六方紧密堆积，六方紧密堆积，（0001）面为密排面。）面为密排面。12个原子分布在六方晶胞的个原子分布在六方晶胞的顶点、顶点、2个原子处于上下底心、个原子处于上下底心、3个原子在六方晶胞体内。个原子在六方晶胞体内。（2）原子分布：）原子分布：晶胞含有：晶胞含有：6（2）个八面体空隙；）个八面体空隙；12（4）个四面体空隙；）个四面体空隙；（3）单位晶胞原子数：）单位晶胞原子数：六方晶胞原子数：六方晶胞原子数：Z=6；单位晶胞原子数：单位晶胞原子数：Z=2；（4）原子的空间坐标：）原子的空间坐标：（5）原子半径与点阵常数：）原子半径与点阵常数：密排六方结构（密排六方结构（a=b=c）：）：（6）配位数：）配位数：A3型结构：铍、镁、镉、型结构：铍、镁、镉、钛和钛和 锆锆等等CN=12致密度：致密度：K=0.74（7）致密度（堆垛密度）：）致密度（堆垛密度）：1、金刚石结构、金刚石结构 常见共价晶体的晶体结构常见共价晶体的晶体结构立方晶系立方晶系（2 2）碳原子位于立方体的）碳原子位于立方体的8 8个个顶点，顶点，6 6个面心及立方体内个面心及立方体内4 4个个小立方体的中心。小立方体的中心。（1）金刚石金刚石是面心立方格子是面心立方格子（3）单位晶胞原子数：）单位晶胞原子数：n8（5 5）每个碳原子周围都有）每个碳原子周围都有四个碳，碳原子之间形成共四个碳，碳原子之间形成共价键，价键，CNCN4 4（4）晶胞内各原子的空间坐标：）晶胞内各原子的空间坐标：000，0，0 ，0 ，金刚石结构：金刚石结构：Si、Ge、灰锡、灰锡-Sn、人工合成的立方氮化硼人工合成的立方氮化硼BN2、石墨结构、石墨结构六方晶系六方晶系 石墨结构中：层内碳原子以共价石墨结构中：层内碳原子以共价键相连，键相连，CN3，三角形配位；层，三角形配位；层间碳原子则以分子键相连。间碳原子则以分子键相连。石墨结构为碳原子成层状石墨结构为碳原子成层状排列，每一层中碳原子成六方排列，每一层中碳原子成六方环状排列。环状排列。石墨型结构：人工合成的六方氮化硼石墨型结构：人工合成的六方氮化硼BN根据数量关系（化学式）：根据数量关系（化学式）：AX型、型、AX2型、型、A2X3型、型、ABO3型、型、AB2O4型型常见的无机化合物：常见的无机化合物：NaCl型、型、CsCl型、型、-ZnS型、型、-ZnS型、型、CaF2型、型、TiO2型、刚玉（型、刚玉（Al2O3）型、）型、CaTiO3型、型、尖晶石（尖晶石（MgAl2O4）型）型 常见无机化合物晶体结构常见无机化合物晶体结构离子晶体离子晶体 晶体结构分析：晶体结构分析：离子半径、电中性、阴离子多面体之间的连接离子半径、电中性、阴离子多面体之间的连接（1）密堆积情况：）密堆积情况：Cl-离子面心立方堆积；离子面心立方堆积；Na+离子填充八面体空隙；离子填充八面体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=4；晶胞中：晶胞中：4个八面体空隙个八面体空隙 8个四面体空隙；个四面体空隙；Na+离子填充全部八面体空隙离子填充全部八面体空隙1、NaCl型结构型结构立方晶系立方晶系（2）质点坐标：）质点坐标：晶胞常数：晶胞常数：a0=2(r+r)（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：因为：因为：所以，所以，Na+的配位数为的配位数为CN=6，Cl-的配位数的配位数CN=6形成形成NaCl6八面体共棱连接八面体共棱连接NaCl型：型：MgO、CaO、SrO、BaO、MnO、FeO、CoO、NiO等等2、CsCl型结构型结构（1）密堆积情况：）密堆积情况：Cl-简单立方堆积；简单立方堆积；Cs+离子填充立方体空隙；离子填充立方体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=1；立方晶系立方晶系晶胞常数：晶胞常数：CsCl型：型：CsBr、CsI、TlCl、NH4Cl（2）质点坐标：）质点坐标：或（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：（1）密堆积情况：）密堆积情况：S2-离子面心立方堆积；离子面心立方堆积；Zn2+离子填充四面体空隙；离子填充四面体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=4；晶胞中：晶胞中：4个八面体空隙个八面体空隙 8个四面体空隙；个四面体空隙；Zn2+离子填充离子填充1/2四面体空隙四面体空隙3、闪锌矿型结构（、闪锌矿型结构（-ZnS）立方晶系立方晶系（2）质点坐标：）质点坐标：（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：r+/r0.436 0.414，理论上，理论上，CN6，实际上，实际上，CN=4，四面体配位四面体配位 闪锌矿型：闪锌矿型：-SiC，Be、Cd、Hg等的硫化物、等的硫化物、硒化物和碲化物，硒化物和碲化物，CuCl 等等（1）密堆积情况：）密堆积情况：S2-离子六方紧堆积；离子六方紧堆积；Zn2+离子填充四面体空隙；离子填充四面体空隙；单位晶胞分子数：单位晶胞分子数：Z=2；晶胞中：晶胞中：2个八面体空隙个八面体空隙 4个四面体空隙；个四面体空隙；Zn2+离子填充离子填充1/2四面体空隙四面体空隙4、纤锌矿型结构、纤锌矿型结构(-ZnS)六方晶系六方晶系（2）质点坐标：）质点坐标：其中，其中，u0.875（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：Zn2与与 S2的配位数均为：的配位数均为：4闪锌矿与纤锌矿的结构区别：闪锌矿与纤锌矿的结构区别：ZnS4四面体层的配置情况不同四面体层的配置情况不同纤锌矿型：纤锌矿型：BeO、ZnO、AlN、CdS、GaAs等等（1）密堆积情况：）密堆积情况：Ca2 离子面心立方堆积；离子面心立方堆积；F离子填充八面体空隙；离子填充八面体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=4；晶胞中：晶胞中：4个八面体空隙个八面体空隙 8个四面体空隙；个四面体空隙；F离子填充全部四面体空隙离子填充全部四面体空隙5、萤石（、萤石（CaF2）型结构）型结构立方晶系立方晶系（2）质点坐标：）质点坐标：晶胞常数：晶胞常数：（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：r/r0.975，CNCa8 CNF4CaF8FCa4 萤石型（萤石型（RO2）：）：反萤石型（反萤石型（R2O）：）：ZrO2、ThO2、CeO2、VO2、BaF2等等Li2O、Na2O、K2O.（1）密堆积情况：）密堆积情况：O2-离子近似六方紧密堆积；离子近似六方紧密堆积；Ti4+离子填充离子填充1/2八面体空隙；八面体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=2；晶胞中：晶胞中：2个八面体空隙个八面体空隙 4个四面体空隙；个四面体空隙；6、金红石（、金红石（TiO2）型结构）型结构四方晶系四方晶系（2）质点坐标：）质点坐标：u0.31（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：r/r0.44，CNTi6CNO3TiO6TiO2型：型：GeO2、SnO2、PbO、MnO2（1）密堆积情况：）密堆积情况：Ca2和和O2 作面心立方堆积；作面心立方堆积；Ti4+离子填充离子填充1/4八面体空隙；八面体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=1；晶胞中：晶胞中：4个八面体空隙个八面体空隙 8个四面体空隙；个四面体空隙；7 7、钙钛矿（、钙钛矿（CaTiOCaTiO3 3）型结构）型结构立方晶系立方晶系（2）质点坐标：）质点坐标：（3）配位数与配位多面体：）配位数与配位多面体：Ti4+：r/r0.436，CNTi6Ca2+：r/r0.96，CNCa12O2：CNO68、MgAl2O4尖晶石型结构尖晶石型结构立方晶系立方晶系O2 面心立方堆积；面心立方堆积；Mg2+离子填充离子填充1/8四面体空隙；四面体空隙；Al3+离子填充离子填充1/2八面体空隙；八面体空隙；晶胞分子数：晶胞分子数：Z=8；8个个Mg、16个个Al、32个个O尖晶石型晶体结构中多面体连接方式尖晶石型晶体结构中多面体连接方式 正尖晶石：二价阳离子正尖晶石：二价阳离子A填充于四面体空隙，填充于四面体空隙，三价阳离子三价阳离子B填充于八面体空隙的叫正尖晶石。填充于八面体空隙的叫正尖晶石。反正尖晶石：二价阳离子反正尖晶石：二价阳离子A填充于八面体空隙，填充于八面体空隙，三价阳离子三价阳离子B一半填充四面体空隙，另一半填充在一半填充四面体空隙，另一半填充在八面体空隙中称为反尖晶石。八面体空隙中称为反尖晶石。AB2O4无机化合物结构与鲍林规则（无机化合物结构与鲍林规则（Paulings rule）氧化物晶体及硅酸盐晶体大都含有一定成分的离子键，氧化物晶体及硅酸盐晶体大都含有一定成分的离子键，因此，在一定程度上可以根据鲍林规则来判断晶体结构的稳因此，在一定程度上可以根据鲍林规则来判断晶体结构的稳定性。定性。1928年，鲍林根据当时已测定的晶体结构数据和晶格年，鲍林根据当时已测定的晶体结构数据和晶格能公式所反映的关系，提出了判断离子化合物结构稳定性的能公式所反映的关系，提出了判断离子化合物结构稳定性的规则规则鲍林规则。鲍林规则共包括五条规则。鲍林规则。鲍林规则共包括五条规则。n鲍林第一规则鲍林第一规则配位多面体规则，其内容是：配位多面体规则，其内容是：“在在离子晶体中，在正离子周围形成一个负离子多面体，离子晶体中，在正离子周围形成一个负离子多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比配位数取决于离子半径比”。第一规则实际上是对晶。第一规则实际上是对晶体结构的直观描述，如体结构的直观描述，如NaCl晶体是由晶体是由NaCl6八面体八面体以共棱方式连接而成。以共棱方式连接而成。n鲍林第二规则鲍林第二规则电价规则指出：电价规则指出：“在一个稳定的离子晶在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差子分配给这个负离子的静电键强度的总和，其偏差 1/4价价”。静电键强度静电键强度 S=，则负离子电荷数则负离子电荷数 。电价规则有两个用途：电价规则有两个用途：其一，判断晶体是否稳定；其一，判断晶体是否稳定；其二，判断共用一个顶点的多面体的数目。其二，判断共用一个顶点的多面体的数目。在在CaTiO3结构中，结构中，Ca2+、Ti4+、O2-离子的配位数分别为离子的配位数分别为12、6、6。O2-离子的配位多面体是离子的配位多面体是OCa4Ti2，则，则O2-离子的电荷数为离子的电荷数为4个个2/12与与2个个4/6之和即等于之和即等于2，与，与O2-离子的电价相等，故晶体结构是稳定的。离子的电价相等，故晶体结构是稳定的。一个一个SiO4四面体顶点的四面体顶点的O2-离子还可以和另一个离子还可以和另一个SiO4四面体相四面体相连接（连接（2个配位多面体共用一个顶点），或者和另外个配位多面体共用一个顶点），或者和另外3个个MgO6八面体八面体相连接（相连接（4个配位多面体共用一个顶点），这样可使个配位多面体共用一个顶点），这样可使O2-离子电价饱和。离子电价饱和。n鲍鲍林林第第三三规规则则多多面面体体共共顶顶、共共棱棱、共共面面规规则则，其其内内容容是是：“在在一一个个配配位位结结构构中中，共共用用棱棱，特特别别是是共共用用面面的的存存在在会会降降低低这这个个结结构构的的稳稳定性。其中高电价，低配位的正离子的这种效应更为明显定性。其中高电价，低配位的正离子的这种效应更为明显”。假设两个四面体共顶连接时中心距离为假设两个四面体共顶连接时中心距离为1，则共棱、共面时各为，则共棱、共面时各为0.58和和0.33。若是八面体，则各为。若是八面体，则各为1，0.71和和0.58。两个配位多面体连。两个配位多面体连接时，随着共用顶点数目的增加，中心阳离子之间距离缩短，库仑接时，随着共用顶点数目的增加，中心阳离子之间距离缩短，库仑斥力增大，结构稳定性降低。因此，结构中斥力增大，结构稳定性降低。因此，结构中SiO4只能共顶连接，而只能共顶连接，而AlO6却可以共棱连接，在有些结构，如刚玉中，却可以共棱连接，在有些结构，如刚玉中，AlO6还可以共面还可以共面连接。连接。n鲍林第四规则鲍林第四规则不同配位多面体连接规则，其内容是：不同配位多面体连接规则，其内容是：“若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低若晶体结构中含有一种以上的正离子，则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势”。例。例如，在镁橄榄石结构中，有如，在镁橄榄石结构中，有SiO4四面体和四面体和MgO6八面八面体两种配位多面体，但体两种配位多面体，但Si4+电价高、配位数低，所以电价高、配位数低，所以SiO4四面体之间彼此无连接，它们之间由四面体之间彼此无连接，它们之间由MgO6八面体八面体所隔开。所隔开。n鲍鲍林林第第五五规规则则节节约约规规则则，其其内内容容是是：“在在同同一一晶晶体体中中，组组成成不不同同的的结结构构基基元元的的数数目目趋趋向向于于最最少少”。例例如如，在在硅硅酸酸盐盐晶晶体体中中，不不会会同同时时出出现现SiO4四四面面体体和和Si2O7双双四四面面体体结结构构基基元元，尽尽管管它它们们之之间间符符合合鲍鲍林林其其它它规规则则。这这个个规规则则的的结结晶晶学学基基础础是是晶晶体体结结构构的的周周期期性性和和对对称称性性，如如果果组组成成不不同同的的结结构构基基元元较较多多，每每一一种种基基元元要要形形成成各各自自的的周周期期性性、规规则则性性，则则它它们们之之间间会会相相互互干干扰扰，不不利利于于形形成晶体结构。成晶体结构。