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1、 常见九种典型的晶体结构 1金属单质结构 2氯化铯结构 3CaI2结构 4萤石结构 5食盐结构 6闪锌矿结构 7金刚石结构 8钙钛矿结构 9层状硅酸盐结构 1金属单质结构 1 立方面心结构 空间群 Fm3m 相当于等大球立方最紧密堆积 属于该结构的物质主要有 铝 铜 金 银 铂 铅等单质 2 六方结构 空间群 P63 mmc 相当于等大球六方最紧密堆积 属于该结构的物质主要有 Os Ru Re Zn等单质 3 立方体心结构 空间群 Im3m 为非最紧密堆积方式 属于该结构的物质主要有 T V W La Ce Pr Nd Yb Eu Ti U Ba Sr K Na Ca Mg等单质 值得指出的是
2、 部分元素的单质可以在不同条件下形成不同的结构 或者可以有不同的结构状态共存 如单质铁 铁 Iron alpha 奥氏体 立方体心 铁 Iron gama 马氏体 立方面心 铁 Iron Epsilon 六方结构 2氯化铯 CsCl 结构 空间群 Pm3m 立方原始格子 阴离子分布在晶胞的8个角顶 阳离子充填在其所形成的立方体空隙中 立方体共面连接 具有该结构的物质主要有 KCl NaCl TiCl RbF CsN NbN NbO AgI TiTh等物质 3CaI2结构 空间群 P 3m 三方原始格子 在单位晶胞中 阳离子分布在8个角顶 阴离子分布中由上下各3个阳离子构成的正三方柱中 并间隔地
3、在上半部的中心和下半部的中心 因此 该结构也可以理解为 阴离子做六方最紧密堆积 阳离子填充在间隔一层的全部八面体空隙中 具有该种结构的物质主要有 VCl2 PbI2 GeI2 PtO2 ToBr2 RhTe2 TiS2 TiSe2 TiTe2 SnS2 MnI2 NiTe2 PdTe2 PtS2 CdI2 MgI2 CaI2 CoBr2 FeBr2 FeI2 ZrS2 ZrSe2 MnBr2等 具有反CaI2结构的物质有 Ag2F B2O Ni2C 4萤石结构 空间群 Fm3m 立方面心结构 Ca分布于晶胞的角顶及面心 F分布在晶胞8等分之后每个小立方体的中心 萤石结构可以理解为 Ca2 做立
4、方最紧密堆积 F 充填在其中全部的四面体孔隙中 N个球最紧密堆积有2N个四面体空隙 所以Ca F 1 2 故得其分子式为CaF2 萤石晶胞中存在平行于 111 面的离子堆积层 因此 萤石具有 111 完全解理 阳离子配位四面体的连接 共棱联结形成的萤石结构 晶胞中由8个 FCa4 共棱连接而成 而且四面体的每根棱都被共用了 阴离子配位立方体 全部共棱形成萤石结构 CaF8 配位立方体沿3维方向相间排列而成 反萤石型结构 球键图阳离子四面体配位阴离子立方体配位 反萤石型结构可看作 阴离子做立方最紧密堆积 阳离子充填在全部的四面体空隙中 5石盐结构 空间群 Fm3m 立方面心格子 具有NaCl型结
5、构的部分物质 表9 4与石盐等结构的物质 111 200 220 6闪锌矿结构 空间群F 43m 立方面心格子 Zn分布于晶胞的角顶及面心 如果把晶胞8等分 S分布于间隔的小立方体的中心 闪锌矿的晶体结构 球键图 左 配位多面体连接图 右 结构中 S2 和Zn2 配位数都是4 配位多面体都是四面体 四面体共角顶相联 从图可看出 SZn4 四面体 ZnS4 四面体也是一样 共角顶联成的四面体基元层与 111 方向垂直 由于S2 和Zn2 都呈配位四面体 所以闪锌矿只用一种配位多面体结构形式表达 S和Zn互换是一样的 如果将闪锌矿结构中的Zn和S都变成C 则结构变成金刚石结构 Fd3m 具有闪锌矿
6、型结构的物质 7金刚石结构 等轴晶系 空间群Fd3m 立方面心结构 金刚石的晶体结构中 碳原子分布在角顶和面心 以及把晶胞八等分之后 半数交替的小立方体中心 金刚石的晶体结构可以看成是半数的C作立方最紧密堆积 蓝球 另外一半C相间地充填在其中的四面体孔隙中 红球 而构成的 该晶体是典型的原子晶体 每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成强的共价键 键长为0 155nm 键角为109 28 16 即C的配位数4 配位多面体是四面体 碳 碳配位四面体在三维空间共角顶相联 形成最坚强的晶体结构 如果金刚石晶胞沿一个L3立起来 金刚石似乎显示出层状结构特征 虽然不是很特征 但金刚石的确平行 111
7、 存在中等解理 由于C C键的键能大 347kJ mo 价电子都参与了共价键的形成 使得晶体中没有自由电子 所以金刚石是自然界中最坚硬的固体 熔点高达3550 金刚石及其等结构物质比较 8钙钛矿结构 空间群 Pm3m 立方面心结构 Ca 角顶 O 面心 Ti 体心 TiO6 八面体共角顶连接 Ca填充在其间的空隙中 Ca为12次配位 5 具有钙钛矿结构的物质 更有意义的是具有钙钛矿衍生结构的物质 如PbTiO3 1 Pb O键长不相等 中间的4个为2 80A 下面的4个为2 51A 上面的4个为3 24A 2 TiO6 八面体中 Ti亦不在中心位置 以上两个原因导致晶体的对称降低 由原来的立方
8、原始格子降低为四方原始格子 空间群Pm3m P4mm 从而晶体具有了极性 具有极轴 这是导致其铁电性的最根本原因 Spinel AB2O4 MgAl2O4 空间群Fd3m 立方面心结构 8尖晶石结构 Mg 8a 0 50 50 5Al 16d 0 1250 1250 125O 32e 0 2640 2640 264 结构中 O2 作立方最紧密堆积 阳离子A 二价 占据1 8的四面体空隙 AO4 四面体在结构中间隔地成层分布 在同一层内 临近的四面体的顶点相互反向 阳离子B 三价 占据1 2的八面体空隙 形成 BO6 八面体 BO6 八面体亦成层分布 间隔性地 一个层的八面体全部被占据 一个层的
9、半数八面体被占据 后者和 AO4 四面体同层 在 111 方向 由 BO6 八面体单纯构成的层与由 AO4 四面体和 BO6 八面体共同组成的层交替排列形成了尖晶石结构 尖晶石通式是A2 B3 2O4 表示二价阳离子A占据了晶胞四面体空隙 三价阳离子B占据八面体空隙 此即尖晶石结构 代表是尖晶石 MgAl2O4 当结构中的四面体空隙被B3 占据 而八面体空隙则被B3 和A2 各占一半 即有分子式B3 A2 B3 2O4时 这种结构叫做反尖晶石结构 代表物质磁铁矿 Fe3 Fe2 Fe3 2O4 当结构中四 八面体孔隙被A2 和B3 无序占据时 叫混合尖晶石结构 代表晶相是镁铁矿 Fe Mg 3
10、O4 具有尖晶石型结构的部分物质 LiMn2O4锂电材料 9层状硅酸盐结构 四面体层 T 和八面体层 O T层 SiO4 共3个角顶成六方网层 第4个角顶 活性氧 朝向同一方向 在六方网孔中心 与活性氧同高度处存在一个OH 半径1 3A O层两个T层活性氧相向 错开一定距离做紧密堆积 阳离子充填八面体孔隙 形成O层 或 一边是T层的顶点氧和羟基 另一边为一层羟基 三八面体型结构和二八面体型结构当每个六方网孔下的3个八面体空隙 一共是 6价 被三个 二价 阳离子充填时 整个结构称作三八面体型结构 当3个八面体空隙被两个 三价 阳离子充填时 则结构称作二八面体型结构 三八面体结构的O层 每个配位离
11、子被三个八面体共用 分给每个八面体阳离子 1 3价 6个总和为 2价 因此每个八面体样子只能为 2价 每个配位离子被两个八面体共用 分给每个八面体样子 1 2价电荷 6个共 3价 因此八面体阳离子为 3价 二八面体结构的O层 结构单元层及基本类型T层和O层的不同堆积方式构成了层状结构硅酸盐的结构单元层 1 1型 TO型 1层T层和1层O层 代表矿物是高岭石 2 1型 TOT型 2层T层夹1层O层 代表矿物是滑石 层间域结构单元层之间的空间叫层间域 层间域可以完全空置 也可以被其它物质充填 如离子 分子 水和有机物等 滑石结构云母结构 高岭石 kaolinite 八面体阳离子在每层占据同样的位置
12、 7 17 7 20A 0 00 0 65 2 22 3 37 4 30 7 17 按实际离子半径得到的1 1层型结构 7 17 7 20A 实际上高岭石的层间域是没有空隙的 八面体表面离子分布 四面体片层间的表面离子分布 实际高岭土的片状颗粒 宽2 厚0 1 0 2 注意上下层面的离子分布及特征 蒙皂石族 Smectite 15A蒙皂石 Ca2 携带大量水分子 15A 5 5 6A Ca2 携带大量水分子 层电荷的来源 1 来源于四面体片的Al Si替代 这时 与配平电荷的层间阳离子距离较近 称之为 近电 记为Xt 2 来源于八面体片的Mg Al替代 这时 于配平电荷的层间阳离子距离较远 称之为 远电 记为Xo 层电荷的分布 在晶胞所示范围内 每个单面只有 0 33价的电荷 平均每个基底氧携带电荷约为 0 055价 天然蒙皂石的层间主要为Ca2 要达到电荷平衡 1个Ca2 要配平约3个晶胞的底面积 约在半径为6 75A的圆面积上 1个Ca2 配平的电荷范围 按原子的实际半径 则为如下分布 而Ca2 的半径只有1 0A 因此层间区域要含大量的极性水分子 进行电荷的传递 从而达到结构的电荷平衡 在柱撑蒙脱石 如羟基铝柱撑 每个阳离子柱 集团 为 7价 约需平衡10 6个单位晶胞的电荷 即相当于半径为13 04A的圆 羟基铝柱撑蒙脱石结构示意 18A 8 5 20A
