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1、第二章 晶体结构【例2-1】计算MgO和GaAs晶体中离子键成分的多少。【解】查元素电负性数据得，则MgO离子键GaAs离子键由此可见，MgO晶体的化学键以离子键为主，而GaAs则是典型的共价键晶体。【提示】除了以离子键、共价键结合为主的混合键晶体外，还有以共价键、分子间键结合为主的混合键晶体。且两种类型的键独立地存在。如，大多数气体分子以共价键结合，在低温下形成的晶体则依靠分子间键结合在一起。石墨的层状单元内共价结合，层间则类似于分子间键。正是由于结合键的性质不同，才形成了材料结构和性质等方面的差异。从而也满足了工程方面的不同需要。【例2-2】NaCl和MgO晶体同属于NaCl型结构，但Mg
2、O的熔点为2800, NaC1仅为80l，请通过晶格能计算说明这种差别的原因。【解】根据：晶格能（1）NaCl晶体：N06.0231023个/mol，A1.7476，z1z21，e1.61019库仑，r00.1100.1720.282nm2.821010m，m/F，计算，得：EL752.48 kJ/mol（2）MgO晶体：N06.0231023个/mol，A1.7476，z1z22，e1.61019库仑，r00.0800.1320.212 nm2.121010m，m/F，计算，得：EL3922.06 kJ/mol则：MgO晶体的晶格能远大于NaC1晶体的晶格能，即相应MgO的熔点也远高于 Na
3、C1的熔点。【例2-3】根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，但是金刚石的空间利用率很低，只有34.01%，为什么它也很稳定？【解】最紧密堆积的原理只适用于离子晶体，而金刚石为原子晶体，由于C-C共价键很强，且晶体是在高温和极大的静压力下结晶形成，因而熔点高，硬度达，很稳定。（金刚石结构属于立方晶系，碳原子的配位数为4，在三维空间形成架状结构，刚性非常大）【例2-4】证明：对于一个密排面中的每个原子，在两个密排面之间有两个四面体空隙和一个八面体空隙。【解】根据密堆积中四面体和八面体空隙出现的规律，在两层密排面之间，每个原子周围有四个四面体空隙和三个八面体空隙。同时，该原子也与上层原子
4、形成密排堆积。故每个原子周围相邻的四面体空隙数为248；八面体空隙数236个。因四面体空隙由4个原子（或球）构成，八面体空隙由六个原子构成，故平均属每一个原子的四面体空隙数NT1/4 82个，而八面体空隙数为NO 1/6 61个。【例2-5】指出等径球面心立方堆积中的八面体和四面体空隙位置，并计算其空间利用率。【解】参阅教材图2-17（b），等径球单位面心立方晶胞内球体数目为81/861/24个，则八面体空隙数为4个，分别位于：体中心和每条棱的中点。位于棱中点的八面体空隙位置共有12个，但属于单位晶胞的仅为1/4，即121/43个，加上体心1个，单位晶胞中共有4个八面体空隙。四面体空隙数为24
5、8，分别位于：单位晶胞的4条体对角线上，每条体对角线1/4和3/4位置处为2个四面体空隙位置，每个四面体空隙由顶角球与其相邻的三个面心球围成。若球体半径为r，晶胞参数为a，则，即，于是：空间利用率（堆积系数）【提示】采用同样方法可以计算出六方密堆积的PC亦为0.7405。通过比较晶体空间利用率的大小，可以判断晶体宏观物理性质密度、折射率等的相对大小，建立起结构和性质之间的相互关系。【例2-6】有一个面心立方结构的晶体，密度为8.94 g/cm3，计算其晶胞参数和原子间距。【解】设该晶体的原子相对质量为M，晶胞体积为V。在面心立方紧密堆积晶胞中，原子数为n4。据此可求得：晶胞体积nm3晶胞参数n
6、m在面心立方密堆积中原子半径r与晶胞参数之间有如下关系：则：原子间距nm【例2-7】 对于AX型化合物，当正、负离子为1价时，大多数为离子化合物；正负离子为2价时，形成的离子化合物减少，ZnS即为共价型化合物；正负离子为3价、4价时，则形成共价化合物，如AlN、SiC等，试解释原因。【解】对于1价正离子而言，最外层只有1个电子，很容易失去，其电负性比较小；对于1价负离子而言，最外层有7个电子，很容易得到1个电子而形成满壳层结构，其电负性比较大。两种1价离子形成化合物时因电负性相差较大，故多形成离子化合物。随价态升高，正离子极化能力增强，负离子极化率增大，形成化合物时，极化效应很强。加之两元素之
7、间电负性差值减小，故共价键成份增加，形成的为共价化合物。【例2-8】临界半径比的定义是：密堆的负离子恰好互相接触，并与中心的正离子也恰好接触的条件下，正离子与负离子半径之比。即出现一种形式配位时，正离子与负离子半径比的下限。计算下列各类配位时的临界半径比：（1）立方体配位；（2）八面体配位；（3）四面体配位；（4）三角形配位。【解】（1）立方体配位在（110）面上正负离子正好接触。则体对角线长为： 且 故得：立方体配位的临界半径比 （2）八面体配位为中间层正负离子接触，可得 （3）已知正四面体的夹角为10928，可得： （4）三角形配位，有：【例2-9】MgO具有NaCl结构。（1）画出 Mg
8、O在（111）、（110）和（100）晶面上的离子排布图，计算每种晶面上离子排列的面密度，并指出四面体及八面体空隙的位置；（2）根据O2半径为 0.132nm和 Mg2半径为 0.080nmn，计算MgO晶体的空间利用率及密度。【解】（1）MgO在（111）、（110）和（100）晶面上的原子排布图如图2-1所示。面排列密度的定义为：在该面上接触球体所占的面积分数。图2-1 MgO在（111）、（110）和（100）晶面上的原子排布 （111）晶面上排布的全是O2，个数为每个O2的截面积nm2nm（111）晶面面积nm2则：（111）晶面离子的面排列密度（110）面上离子排列个数为：，每个Mg
9、2的截面积为nm2（110）晶面面积nm2则：（110）晶面离子的面排列密度（100）面上离子排列个数：,（100）晶面面积nm2则：（100）晶面离子的面排列密度四面体空隙在处，故在上述三个晶面上无四面体空隙位置，为悬空。八面体空隙位在图2-1中（110）和（100）晶面上可见，即Mg2所占位置。（2）单位晶胞中离子个数， 单位晶胞中离子所占体积nm3单位晶胞晶胞体积cm3则：MgO晶体的空间利用率MgO晶体的密度g/cm3【例2-10】钙钛矿（CaTiO3）是ABO3型结构的典型，属Pmna。它是由Ca原子和Ti原子的正交简单格子各一套，O原子的正交简单格三套，相互穿插配置组成其结构晶胞。
10、若以Ca原子的格子作为基体，Ti原子的简单格子错位a+b+c插入，而三套O原子的格子分别配置于（O）、（O）、（O）。(1)画出钙钛矿的理想晶胞结构。（提示：单位晶胞中含一个分子CaTiO3）。(2)结构中离子的配位数各为若干？(3)结构遵守胞林规则否？【解】（1）钙钛矿的理想晶胞结构略。（2）结构中各离子的配位数为：，（3）即：在CaTiO3结构中，O2离子周围最邻近的是四个Ca2和二个Ti4正离子，所以O2离子的两价负电荷被价强度为的四个CaO键与价强度为的2个TiO键所抵消，结构保持电中性，故符合鲍林第二规则静电价规则。【例2-11】在实验中，从一种玻璃熔体中结晶出层状晶体，经X射线衍射
11、图谱鉴定，它们是单相，即只有一种晶体结构，而化学分析结果表明，它具有复杂的化学式：KFAIF3BaOMgOAl2O35MgSiO3，请说明：（1）这与滑石、白云母（钾云母）或叶腊石哪一类晶体有关；（2）这个晶体是在滑石中进行了何种置换而形成的。【解】（1）滑石，白云母及叶蜡石均属21复网层结构，它们的结构式分别为：滑石 白云母 叶腊石可看出：滑石是21层状结构三八面体型；叶腊石是21层状结构二八面体型；白云母可视为原叶腊石结构中硅氧四面体层中有四分之一Si4被Al3取代（产生多余的负电荷），而铝氢氧八面体层中有1/2的OH被F取代，为保持电中性，层间进入K。目前结晶出的片状晶体，据化学分析所得
12、的化学式可写成相应的结构式为：，可见，在层间存在K，Ba2，层间有Al3取代了Si4，故将其归于与白云母有关的晶体。（2）成分中含有Mg2，恰是21层状结构三八面体型，因而可认为此片状晶体的原型是滑石结构，即看成为滑石结构中硅氧层有1.5/4的Si4被Al3取代，多余的负电荷由K与Ba2进入层间而中和；在铝氢氧八面体层中的OH全部为F所取代。【例2-12】Si和Al原子的相对质量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO4和Al2O3的密度相差很大（分别为2.65g/cm3和3.96g/cm3），试计算SiO2和Al2O3堆积密度，并用晶体结构及鲍林规则说明密度相差大的原因。【解】（1
13、）计算SiO2堆积系数，计算中（四配位），（二配位）每cm3中含SiO2分子数个/cm3即个/cm3，个/cm3每cm3中Si4和O2各自所占体积为：则 SiO2晶体中离子堆积系数0.00440.45560.46（2）计算Al2O3堆积系数，计算中（六配位），（三配位）每cm3中含Al2O3分子数个/cm3即个/cm3，个/cm3每cm3中Al3和O2各自所占体积为：则Al2O3中离子堆积系数0.04450.61620.6607由于Al2O3粒子堆积系数0.6607大于SiO2晶体中离子堆积系数，故Al2O3密度大于SiO2。从鲍林规则可得, Al2O3中Al3配位数为6，Al3填充O2六方密
14、堆中八面体空隙的。而SiO2晶体中，Si4为高电价低配位，Si4配位数为4，Si4仅填充结构中四面体空隙的，SiO四面体以顶角相连成骨架装结构，堆积疏松，空隙率大，故密度低。【提示】SiO2堆积密度为0.46，表明结构有相当开放的空间，大多数简单原子（氦除外）必须以离子形式将进行扩散。因此，它们带的电荷妨碍它们在室温下进行剧烈地运动。【例2-13】石墨、云母和高岭石具有相似的结构。说明它们结构区别及由此引起的性质上的差异。【解】石墨、云母和高岭石均具有层状结构，但层的形状及层间情况各不相同。石墨的每层基面上的碳原子有强的定向共价键结合在一起形成六角形排列，层与层之间由微弱的范德华力键合，使石墨结构具有很强的方向性，表现出垂直于层方向的线膨胀系数比层平面方向大27倍。云母具有复网层状（2:1层状）结构，
