第二章 第二节 常见的晶体结构

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第二节 常见的晶体结构
一、晶体化学基本原理
1、原子或离子半径 、
(1)理论半径:在原子或离子中,围绕核运动的电子在空间形成一个电 )理论半径:在原子或离子中, 磁场,其范围可视为球体,球的的半径就是原子或离子半径。 磁场,其范围可视为球体,球的的半径就是原子或离子半径。 (2)有效半径:晶体结构中原子或离子处于相接触时的半径,相同的离 )有效半径:晶体结构中原子或离子处于相接触时的半径, 子形成不同的键合时有效半径不同。 子形成不同的键合时有效半径不同。 (3)有效半径的确定 ) 金属晶体:两个相邻原子中心距的一半。 金属晶体:两个相邻原子中心距的一半。 离子晶体:一对相邻的阴、阳离子的中心距为离子半径之和。 离子晶体:一对相邻的阴、阳离子的中心距为离子半径之和。 共价晶体:两个相邻键合离子的中心距为两离子的共价半径之和。 共价晶体:两个相邻键合离子的中心距为两离子的共价半径之和。
2、球体精密堆积原理 、
最紧密堆积原理: 最紧密堆积原理: 在晶体结构中, 在晶体结构中,质点之间趋向于尽可能的相互靠近以占有 最小空间; 最小空间; 使彼此间的作用力达到平衡状态,以达到内能最小, 使彼此间的作用力达到平衡状态,以达到内能最小,使晶 体处于最稳定状态; 体处于最稳定状态; 离子晶格和金属晶格中其化学键均无方向性和饱和性, 离子晶格和金属晶格中其化学键均无方向性和饱和性,且 内部质点可视为球体; 内部质点可视为球体; 因此,从几何学的角度来看, 因此,从几何学的角度来看,金属原子或离子之间的相互 结合,可视为球体的紧密堆积。 结合,可视为球体的紧密堆积。 适用范围:典型的离子晶体和金属晶体。 适用范围:典型的离子晶体和金属晶体。
结构简单化法则, (5)鲍林第五规则 结构简单化法则,其内容是:“在 )鲍林第五规则──结构简单化法则 其内容是: 同一晶体中,组成不同的结构基元的数目趋向于最少” 同一晶体中,组成不同的结构基元的数目趋向于最少”。 例如,在硅酸盐晶体中,不会同时出现 例如,在硅酸盐晶体中,不会同时出现[SiO4]四面体和 四面体和 [Si2O7]双四面体结构基元,尽管它们之间符合鲍林其它 双四面体结构基元, 双四面体结构基元 规则。这个规则的结晶学基础是晶体结构的周期性和对 规则。 称性,如果组成不同的结构基元较多, 称性,如果组成不同的结构基元较多,每一种基元要形 成各自的周期性、规则性,则它们之间会相互干扰, 成各自的周期性、规则性,则它们之间会相互干扰,不 利于形成晶体结构。 利于形成晶体结构。
4.鲍林规则 鲍林规则
1928年,鲍林(L.Pauling)归纳了关于离子晶格的五 年 鲍林( ) 条规则,称为鲍林规则( 条规则,称为鲍林规则(Pauling‘s rules): ): 配位多面体规则, (1)鲍林第一规则 配位多面体规则,其内容是:“在离 )鲍林第一规则──配位多面体规则 其内容是: 子晶体中,在正离子周围形成一个负离子多面体, 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, 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” 于离子半径比”。第一规则实际上是对晶体结构的直观描 晶体是由[NaCl6]八面体以共棱方式连接而成。 八面体以共棱方式连接而成。 述,如NaCl晶体是由 晶体是由 八面体以共棱方式连接而成
正离子配位数与正、 表2-3 正离子配位数与正、负离子半径比之间的关系
r+ r−
0. 000~0.155 0.155~0.225 0. 225~0.414 (0.414~0.732) ) 0. 414~0.732 (0.645~1.000) ) 0.732~1.000 1.000 正 离 子 配位多面体形状 配位数 2 3 4 4 6 8 8 12 哑铃形(直线形) 哑铃形(直线形) 平面三角形或四面体形 四面体形 四方平面形 八面体形 四方反棱柱形 立方体形 立方八面体形 复七面体形 实例 干冰 CO2 B2O3、CdI2 SiO2、GeO2 NaCl、MgO、TiO2 、 、 CsCl、ZrO2、CaF2 、 Cu Cs
3.原子和离子配位数 原子和离子配位数
配位数(coordination number ) :一
个原子(或离子)周围同种原子(或异号离子) 个原子(或离子)周围同种原子(或异号离子)的数 目称为原子(或离子)的配位数,用CN来表示。 目称为原子(或离子)的配位数, 来表示。 来表示
配位多面体(coordination 配位多面体(
质点堆积方式:
根据质点的大小不同, 根据质点的大小不同,球体最紧密堆积方式分为等径 球和不等径球两种情况。 球和不等径球两种情况。 等径球在一个平面内的最紧密堆积只有一种方式。 等径球在一个平面内的最紧密堆积只有一种方式。每 个球与6个球相接触,形成第一层(球心位置标记为 ), 个球与 个球相接触,形成第一层(球心位置标记为A), 个球相接触 所示。 如图2-40所示。并在球体之间形成两套数目相等、指向 所示 并在球体之间形成两套数目相等、 相反的弧线三角形空隙(其位置分别极为 和 ), ),两种 相反的弧线三角形空隙(其位置分别极为B和C),两种 空隙相间分布。 空隙相间分布。
电价规则指出: (2)鲍林第二规则 电价规则指出:“在一个稳定的离 )鲍林第二规则──电价规则指出 子晶体结构中, 子晶体结构中,每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻 正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和, 正离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
S=
正离子电荷数 Z + 正离子配位数 n
二、典型金属的晶体结构
1.原子紧密堆积方式 原子紧密堆积方式
面心立方结构( 面心立方结构(face-centered cubic lattice) ) 体心立方结构( lattice) 常见金属晶体结构 体心立方结构(body-centered cubic lattice) 密排六方结构(hexagonal close-packed lattice) )
最紧密堆积中空隙的分布情况: 最紧密堆积中空隙的分布情况:
每个球体周围有8个四面体空隙和 个八面体空隙 每个球体周围有 个四面体空隙和6个八面体空隙, 如 个四面体空隙和 个八面体空隙, 或图1-7所示 图1-6或图 所示。 或图 所示。 n个等径球最紧密堆积时,整个系统四面体空隙数为 个等径球最紧密堆积时,整个系统四面体空隙数为2n 个等径球最紧密堆积时 个,八面体空隙数为n个。 八面体空隙数为n个 采用空间利用率(原子堆积系数)来表征密堆系统总空 采用空间利用率( 原子堆积系数) 隙的大小。其定义为:晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。 隙的大小 。其定义为:晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。 两种最紧密堆积的空间利用率均为74.05%,空隙占整个空 , 两种最紧密堆积的空间利用率均为 间的25.95%。 。 间的
以任一原子或离子为中心, polyhedron):以任一原子或离子为中心,将其周 围与之呈配位关系的原子或异号离子的中心联线所形 成的几何图形。 成的几何图形。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
晶体结构中正、负离子的配位数的大小由结构中正、 晶体结构中正、负离子的配位数的大小由结构中正、 负离子半径的比值来决定, 负离子半径的比值来决定 , 根据几何关系可以计算出正 离子配位数与正、负离子半径比之间的关系, 离子配位数与正 、 负离子半径比之间的关系 , 其值列于 表2-3。因此,如果知道了晶体结构是由何种离子构成的, 。因此,如果知道了晶体结构是由何种离子构成的, 则从r 则从 +/r-比值就可以确定正离子的配位数及其配位多面 体的结构。 体的结构。
则负离子电荷数
Z = ∑ Si
i

。 =
Z ∑n i i
+ i
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。 这一规则说明了一个阴离子应与几个阳离子相联而使阴、 这一规则说明了一个阴离子应与几个阳离子相联而使阴、阳 离子电价达到平衡, 故也称之为电价规则 。 如 : 对于 对于NaCl 离子电价达到平衡 , 故也称之为电价规则。 晶体, 的电价为1,八面体配位,故配位数为6。 晶体,Na+的电价为 ,八面体配位,故配位数为 。Na+至 Cl-间的静电键强度为 Na+=1/6。而Cl的电价为 ,为使电价 间的静电键强度为S 的电价为1, 。 的电价为 平衡, 每个Cl 应与6个 相联, 平衡 , 每个 - 应与 个 Na+ 相联 , 即 6×(1/6)=1。 因此 , Cl× 。 因此, 应为6个 八面体的公共角顶。 应为 个[NaCl6]八面体的公共角顶。 八面体的公共角顶
图2-41 (a)ABCABC…层序堆积 层序堆积 —面心立方密堆积 面心立方密堆积
(b)ABAB……的层序堆积 的层序堆积 —六方密堆积 六方密堆积
两种三层堆叠方式
ABA: 第三层位于第一层 正上方
ABC: 第三层位于一二层间隙
最紧密堆积的空隙: 最紧密堆积的空隙:
由于球体之间是刚性点接触堆积,最紧密堆积中仍 由于球体之间是刚性点接触堆积, 然有空隙存在。从形状上看,空隙有两种: 然有空隙存在 。从形状上看, 空隙有两种:一种是四面 体空隙, 由 4个球体所构成 , 球心连线构成一个正四面 个球体所构成, 体空隙 , 个球体所构成 另一种是八面体空隙, 个球体构成, 体 ; 另一种是八面体空隙 , 由 6个球体构成 , 球心连线 个球体构成 形成一个正八面体。 形成一个正八面体。 显然,由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。 显然 , 由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。
多面体组连规则, ( 3) 鲍林第三规则 ) 鲍林第三规则──多面体组连规则 , 其内容 多面体组连规则 在一个配位结构中,共用棱, 是:“在一个配位结构中,共用棱,特别是共用 面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价, 面的存在会降低这个结构的稳定性。其中高电价, 低配位的正离子的这种效应更为明显” 低配位的正离子的这种效应更为明显”。
不同配位多面体连接规则, (4)鲍林第四规则 不同配位多面体连接规则,其内容 )鲍林第四规则──不同配位多面体连接规则 是:“若晶体结构中含有一种以上的正离子,则高电价、 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” 低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势”。 例如,在镁橄榄石结构中,有[SiO4]四面体和 四面体和[MgO6]八 例如,在镁橄榄石结构中, 四面体和 八 面体两种配位多面体,但Si4+电价高、配位数低,所以 面体两种配位多面体, 电价高、配位数低, [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, 四面体之间彼此无连接 它们之间由[MgO6]八面 八面 体所隔开。 体所隔开。
图2-45 面心立方结构
图2-46 密排六方结构
图2-47 体心立方结构
2.原子的配位数与间隙 原子的配位数与间隙
图2-40 球体在平面上的最紧密堆积
面心立方最紧密堆积和六方最紧密堆积
球体在空间的堆积是按照ABAB……的层序来堆积。 的层序来堆积。 球体在空间的堆积是按照 的层序来堆积 这样的堆积中可以取出一个六方晶胞, 这样的堆积中可以取出一个六方晶胞,称为六方最紧密堆 积,见图2-41 (a) 。 ) 另一种堆积方式是按照ABCABC……的堆积方式 。 的堆积方式。 另一种堆积方式是按照 的堆积方式 这样的堆积中可以取出一个面心立方晶胞, 这样的堆积中可以取出一个面心立方晶胞,称为面心立方 最紧密堆积。 面心立方堆积中, 最紧密堆积 。 面心立方堆积中 , ABCABC……重复层面 重复层面 平行于( 平行于(111)晶面,见图2-41(b)。 )晶面, ( ) 两种最紧密堆积中, 两种最紧密堆积中,每个球体周围同种球体的个数均 为12。 。
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