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晶体典型结构类型

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晶体结构类型 典型结构类型 典型晶体结构类型 晶体典型结构类型 典型晶体结构 晶体结构种类
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第四章第四章 晶体的典型结构类型晶体的典型结构类型 1 概述 (1)组成---结构---性能之间的关系 (2)与晶体结构有关的因素 F (X) = (晶体化学组成,晶体中质点的相对大小,极化性能) 2 结构类型 需表述下列内容: (1)晶系 (2)组成部分 (3)配位数CN (4)晶胞中结构单元数目及位置 Z=? (5)格子形式 2.1 2.1 NaCINaCI型结构型结构 矿物名称:石盐。 化学式为:NaCI CI - Na+ --- Na+ 离子位于面心格子的结点位置上, CI—离子也 位于另一套这样的格子上,后一个格子与前一个格 子相距1/2晶棱的位移。 结构描述: (1)立方晶系,a=0.563nm,Z=4 (2)Na+ CI—离子键,NaCI为离子晶体. (3)CN+ = CN- =6 (4)--- CI—离子按立方最紧密堆积方式堆积, Na+离子充 填于全部八面体空隙。 --- Na+ 离子的配位数是6 ,构成Na--CI八面体。NaCI 结构是由Na--CI八面体以共棱的方式相连而成 Na+ NaClNaCl结构〔结构〔NaClNaCl 6 6 〕〕八面体的连接方式八面体的连接方式 CI - 结点的坐标为: 4 CI— : 000, 1/2 1/2 0 , 1/2 0 1/2 , 0 1/2 1/2 4 Na+ : 1/2 1/2 1/2 ,00 1/2 , 0 1/2 0 , 1/2 0 0 (5)立方面心格子CI-、 Na+各一套 (6)同结构晶体有:MgO、CaO、SrO、BaO、FeO、CoO 石盐石盐 2.2 2.2 金刚石晶体结构金刚石晶体结构 化学式为: C 晶体结构为:立方晶系,a=0.356nm 空间格子: C原子组成立方面心格子 C原子位于立方面心的所 有结点位置和交替分布在 立方体内的四个小立方体 的中心 键型: 每个C原子周围有四个C 碳原子之间形成共价键 形成: 自然界形成+实验室合成 性质: 金刚石是硬度最大的矿物 具有半导体的性能和极好 的导电性 与金刚石结构相同的有: 硅、锗、灰锡、合成的立 方氮化硼等 2.3 石墨结构石墨结构 化学式: C 晶体结构:六方晶系(2H), a= 0.146nm , c=0.670nm 三方晶系(3R) 结构表现:C原子组成层状排 列,层内C原子成 六方环状排列,每 个碳原子与三个相 邻的碳原子之间的 距离为0.142nm, 层与层之间的距离 为0.335nm 石墨的多型石墨的多型 键型:层内为共价键,层间为分子键 性质:碳原子有一个电子可以在层内移动,平行于层的方向 具有良好的导电性。石墨的硬度低,熔点高,导电性 好。 石墨与金刚石属同质多像变体。 2.4 2.4 氯化铯型结构氯化铯型结构 晶体化学:Cs Cl 晶体结构:立方晶系,a=0.411nm Z=1 空间格子:Cs Cl是原始格子 Cl-离子 Cs+离子 配位多面体:在空间以共面形 式连接。 离子坐标: Cl- 000 Cs+1/2 1/2 1/2 类似的晶体:CsBr,CsI, NH4Cl等 Cl-离子处于立方 原始格子的八个 角顶上,Cs+离子 位于立方体的中 心(立方体空隙) CN+=CN-=8, 单位晶胞中有一个 Cl-和一个Cs+ 2.5 2.5 闪锌矿型结构闪锌矿型结构 化 学 式:β-ZnS 晶体结构:立方晶系,a=0.540nm;Z=4 空间格子:立方面心格子,S2-离子呈立方最紧密堆积,位于 立方面心的 结点位置,Zn2+离子交错地分布于1/8 小立方体的中心,即1/2 的四面体空隙中。 结构投影图:(俯视图)用标高来表示,0-底面;25- 1/4;50-1/2;75 -3/4。(0-100;25- 125;50-150是等效的) 配位数: CN+=CN-=4;极性共价键,配位型共价 晶体。 配位多面体: 〔ZnS4〕四面体,在空间以共顶方式相连接 属于闪锌矿型结构晶体有: β-SiC;GaAs;AlP;InSb等。 2.6 2.6 纤锌矿型结构纤锌矿型结构 化学式: α-ZnS 晶体结构: 六方晶系; a=0.382nm;c=0.625nm;Z=2 质点坐标: S2-: 000;2/3 1/3 1/2 Zn2+:00u ; 2/3 1/3 (u-1/2) 空间格子: S2-按六方紧密堆积排 列 Zn2+充填于1/2的四面 体 空隙,形成六方格子。 配位数: CN+=CN-=4 多面体: 〔ZnS4〕四面体共顶连接 键型: Zn、S为极性共价键 属纤锌矿型结构的晶体有: BeO;ZnO;AlN等。 2.7 2.7 萤石型结构萤石型结构 化学式: CaF2 晶体结构:立方晶系,a=0.545nm,Z=4 空间格子: Ca2+位于立方面心的结点位置,F-位于立方体 内八个小立方体的中心,即Ca2+按立方紧密堆积 的方式排列, F-充填于全部四面体空隙中。 配位数: CN+=8;CN-=4 多面体: 简单立方体 连接形式: 〔CaF8〕之间以共棱形式连接 晶胞组成: Ca2+ =8×1/8+6×1/2=4; F- =4+4=8 性质: 八面体空隙全部空着—空洞—负离子扩散 属于萤石结构的晶体有: BaF2;PbF2;CeO2;ThO2;UO2;低温ZrO2(扭曲、变形) 2.8 2.8 反萤石结构反萤石结构 晶体结构:其结构与萤石完全相同,只是阴阳离子的位置完 全互换, 即阳离子占据的是F-的位置,阴离子占 据的是Ca2+ 的位置 配位数: CN+=4;CN-=8 晶胞组成:阴离子 =8×1/8+6×1/2=4 阳离子 =4+4=8 属于反萤石结构的晶体有: Li2O;Na2O;K2O等 2.9 2.9 金红石型结构金红石型结构 化学式: TiO2 晶体结构: 四方晶系,a=0.459nm;c=0.296nm;Z=2 格子类型:四方原始格子。Ti4+位于结点位置,体心的属另一 套格子。O2-处在一些特殊位置上, 质点坐标:Ti4+ :000;1/2 1/2 1/2; O2- : uu0; (1-u)(1-u)0; (1/2+u)(1/2-u)1/2; (1/2-u)(1/2+u)1/2 晶体结构:O2-可看成是变形 六方密堆积,Ti4+ 离子填充1/2的八面 体空隙 配位数: CN+=6;CN-=3 多面体: 〔TiO6〕八面体 连接方式:Ti-O八面体以共 棱方式连接成链, 链与链之间以共顶 方式相连。 与金红石结构相同的晶体有: SnO2;PbO2; MnO2;MoO2; WO2;MnF2; MgF2;VO2 2.10 碘化镉型结构碘化镉型结构 化学式: CdI2 晶体结构:三方晶系 a=0.424nm;c=0.684nm; Z=1 空间格子:Cd2+离子占有六方原始格子的结点位置,I-离子 交叉分布于三个Cd2+离子三角形中心的上下方; 相当于两层I-离子中间夹 一层Cd2+离子,构成 复合层。 配位数: CN+=6;CN-=3 键性: 复合层于复合层之间为范德华力,呈层状结构层 内Cd-I为具有离子键的共价键,键力较强。 属于碘化镉型结构的晶体: Ca(OH)2;Mg(OH)2;CdI2;MgI2 2.11 2.11 刚玉型结构刚玉型结构 化学式: α-Al2O3 晶体结构:三方晶系;a=0.514nm,α=55°17′;Z=6 (菱面体晶胞) 空间格子:O2-离子按六方密堆积的方式排列,形成ABAB…重 复的规律, Al3+离子充填于2/3的八面体空隙,其分 布具一定的规律,即离子之间的距离保持最远。 键性:具有离子键性质的共价键。 性质:H=9;熔点为2050 ℃ 。是构成高温耐火材料和高绝缘电 陶瓷的主要物相。 属于刚玉型结构的晶体: α-Fe2O3;Cr2O3;Ti2O3;V2O3;FeTiO3 ;MgTiO3 BBABAABABAAB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ···················· D E F D E F 2.12 2.12 钙钛矿型结构钙钛矿型结构 钙钛矿结构的通式为ABO3 ,以CaTiO3为例讨论其结构: Ca2+ O2- Ti 4+ 配位关系的分析配位关系的分析: : 可以看出: Ca的CN=12 Ti的CN=6 O的CN=2+4=6 结构的描述结构的描述 (1) 钙钛矿在高温时属立方晶系,在降温时,通过某个特定 温度后将产生结构的畸变使立方晶格的对称性下降. (2 ) CaTiO3为离子晶体 (3) Ca的CN=12 Ti的CN=6 O的CN=2+4=6 (4) CaTiO3的结构可看成有和半径较大的离子共同组成立方 紧密堆积,离子充填于1/4的八面体空隙中。其Z=4 (5) 结点坐标为: Ca2+ 000 , 001 ,010 , 100 ,110 ,011 ,101 , 111 O2- 0 1/2 1/2 , 1/2 0 1/2 , 1/2 1/2 0 ,1 1/2 1/2 ,1/2 1 1/2 ,1/2 1/2 1 Ti 4+ 1/2 1/2 1/2 (6) 立方面心格子 2.13 2.13 方解石型结构方解石型结构 化学式: CaCO3 晶体结构: 三方晶系;Z=4 空间格子:〔CO3〕2-按近似于立方密堆积的形式排列,变 形后,形成菱形面心格子。 配位数: CN+=6;CN+=3 性质: H=3,透明(冰州石)— 半透明,D=2.6, 随温度其标型特征发生变化。 同结构的晶体: Ca2+可被Mn2+、Fe2+、Sr2+、Pb2+、Ba2+代 替,形成类质同像。 Na-Cl Ca-CO3 沿L3压扁至101°55′ 变形 C-O-Ca键: SC=4/3=1.3 ;Sca=2/6=0.3 —集团 CaCO3 结构 2.14 尖晶石型结构尖晶石型结构 化学式: 通式AB2O3 ;MgAl2O4 晶体结构: 立方晶系,a=0.808nm,Z=8 空间格子: O2-是按立方密堆积的形式排列。二价离子A充 填1/8 四面体空隙,三价离子B充填于1/2八面 体空隙(正尖晶石结构)。 多面体: 〔MgO4〕、〔AlO6〕八面体之间是共棱相连, 八面体与四面体之间是共顶相连。 2.15 反尖晶石型结构反尖晶石型结构 反尖晶石结构: 结构中二价阳离子与三价阳离子充填的空隙 类型相反,即形成了反尖晶石结构。可用晶 体场理论来解释。 决定结构的因素:正型与反型由阳离子的八面体的择位能来 决定。 用途: 广泛应用的是铁氧体磁性材料,同时在陶 瓷颜料中也常用到。 海碧: CoAl2O4 合成温度:1200 ℃ 孔雀蓝: 〔(Co、Zn)0(Cr、Al)2O3〕 合成温度:1300 ℃ 铬铝桃红: 〔ZnO、(Al、Cr)2O3〕 合成温度:1200 ℃ 《陶瓷釉料》—杜海清
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