材料科学基础第三章典型晶体结构.答案

NaCl型结构在三维方向上键力分布比较均匀，因此 其结构无明显解理（晶体沿某个晶面劈裂的现象称 为解理），破碎后颗粒呈现多面体形状。
类似于NaCl型晶体结构的晶体较多，只是晶胞 参数不同而已。
常见的NaCl型晶体都是碱土金属氧化物和过渡 金属的二价氧化物。化学式可写为MO，其中M2＋ 是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了 NaCl中钠离子和氯离子的位置。这些氧化物有很 高的熔点，尤其是MgO（矿物名称方镁石），其 熔点高达2800℃左右，是碱性耐火材料镁砖中的 主要晶相。
反萤石型结构 ：在萤石型结构中正、负离子位置全部互换，并没 有改变结构形式，只是正、负离子位置对调。如Na2O
结构-性能关系：CaF2熔点较低，用作助熔剂/作晶核剂。 质点间 键力较NaCl强 硬度稍高（莫氏4级），熔点1410C，在水中 溶解度小。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体
连接方式
0,100
50
0,100
75 50
25 0,100
25 0,100
50
75
50
0,100
与金刚石晶胞的对比 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、-ZnS（纤锌矿）型结构 （AB type）
六方晶系，简单六方格子
C
50
0,100
晶胞在（001）面的投影图
晶胞中由几套等同点？
在坐标为000和坐标为1/4 1/4 3/4 的 原 子 的 环 境 是 不 同 的 ， 它们不能独立抽象为一类等同 点，这是两类等同点。最后， 它的布拉维格子仍为面心立方 格子。
这种结构可以看成是由2个面 心立方布拉维格子穿插而成： 这2个面心立方格子（图中的 灰色和红色点）沿体对角线相 对位移动a/4<111>。
Cl
Na
等同点的分布：
NaCl型结构可以想象为 2套等同点构成的fcc点阵 互相穿插，每套等同点由 一种离子构成，每套等同 点占据另一套等同点的八 面体间隙位置。
思考题：为什么晶胞 中原子数不同都属于 一个空间格子？
表示方法：
球体紧密堆积法
Cl
Na
坐标法或投影图
配位多面体及其连接方式： 钠离子的配位数为6，构成 了Na-Cl八面体。NaCl结 构就是由Na-Cl八面体共 棱的方式相连而成的。
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
S
1
8
等同点：
1
4套等同点。这种结构可 2
3
想象为Zn及S各自构成密排 8
120
六方格子，这两个格子个
沿 c 轴 错 开 3c/8 。 即 每 个 点 阵占据另一点阵的四面体
: S(O) : Zn
间隙位置。它仍为六方原
4. -ZnS（闪锌矿）型结构 （AB type） 点群：
空间群：
配位数： 晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况： • 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结 构可以看作是Zn离子处在 由S离子组成的面心立方点 阵的4个四面体间隙中，即 有一半四面体间隙被占据， 上层和下层的Zn离子的位 置交叉错开。
同质多晶: 化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下
生成不同的晶体结构的现象，称为同质多晶现象。当 外界条件改变时，各变体之间就要发生结构转变，称 为同质多晶转变。
类质同晶: 在晶体结构中,原有原子或离子被其性质相似的
离子或原子代替,但是并没有引起键性、晶体结构的 变化,把这种现象称为类质同晶现象。
6. CaF2（萤石）型结构
（AB2 type）
点群： 立方晶系；面心立方格子 空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙分布：
CaF2晶体结构
结构特点： • 8个F-之间形成“空洞”，结构比较开放 • 形成负离子填隙 • 负离子扩散 • 萤石型结构负离子填隙和扩散是主要机制
等同点：
共有三套等同点。这种结构可以看作是两套F离子 处在由Ca离子组成的面心立方格子的四面体间隙中。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体相 连的方法。
萤石结构的解理性：在﹛111﹜面上存在着相互毗邻的同号负离 子层，因静电斥力导致晶体平行于﹛111﹜方向发生解理，故萤
石常呈八面体解理。 常见萤石型结构的晶体是一些四价离子M4+的氧化物MO2，如ThO2， CeO2，UO2，ZrO2（变形较大）等。 立方ZrO2属萤石型结构：常被用作测氧传感器探头、固体氧化物燃 料电池中的电解质材料等，被称作固体快离子导体,就是因为ZrO2 晶体中具有氧离子扩散传导的机制。
另外，再按第二规则来确定Cl-离子的配位数CN- 。S＝1/6， Z-＝1， CN-＝6，即每个Cl-离子同时与6个Na+离子形成离子键。 这也符合NaCl的结构特点。
Cl
Na
3. CsCl型结构（AB type）
点群： 等轴晶系； 空间群符号： 晶胞中分子数: 结构特点
Cs+
Cl
同型结构的晶体:CsBr, CsI, NH4Cl等
小结
• CsCl和NaCl是典型的离子晶体 • 符合Pauling规则。
• ZnS晶体不是完全离子键，向共价键过渡 • Zn2+18个外层电子，极化力高，S2-极化率较高 • 较明显的离子极化，改变了正、负离子之间的 距离和键性 • 但尚未引起晶体结构类型的根本改变。
• ZnO晶体结构中Zn2+的配位数应该为6，本应 属于NaCl型结构。 • 实际上，由于离子极化的结果，r+/r-值下降， 配位数和键性都发生了变化 • Zn2+的配位数为4，结构类型与理论预期的结 构不同 • 充分体现了极化性能对晶体结构的影响。
<111>晶向方向相切
等同点： 配位数：
例3-3. 铯与氯的离子半径分别为0.167nm, 0.181nm , 试
求其 和η? 已知：Cs,Cl的相对原子质量分别是
132.90543,35.5
思考：氯化 钠中晶体常 数与离子半 径的关系？
讨论：CsCL是一个离子化合物，对这类计算，应使用 离子半径而不能使用原子半径。
4）石墨型结构
六方晶系 六方原始格子
石墨晶体结构（虚线范围为单位晶胞）
晶胞中有几个原子？
❖ 在晶胞不同位置的原子由不同数目 的晶胞分享：
1. 顶角原子 1/8 2. 棱上原子 1/4 3. 面上原子 1/2 4. 晶胞内部 1
同结构类型的物质：人工合成六方氮化硼
石墨的结构特征：C原子成层 状排列，每一层中C原子排列 成六方环状，每个C原子与周 围3个C原子成共价键结合，层 中C原子的距离为0.142nm，层 与层之间依靠分子键结合，层 间距为0.335nm。
晶体结构的描述通常有三种方法：
1）坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这 种采用数值化方式描述晶体结构是最规范化的。为了 方便表示晶胞，还可以采用投影图，即所有的质点在 某个晶面（001）上的投影。
2）球体紧密堆积法：与坐标法相比，以球体堆积的 方法来描述晶体结构，则相对直观，有助于理解。
3）配位多面体及连接方式法：适用于结构比较复杂 的晶体，如硅酸盐晶体结构，对于结构简单的晶体， 反而不一定适合。
C60分子图
应用：
据报道，对C60分子进行掺杂，使C60分子在其 笼内或笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍 生物，例如C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原 子掺进C60分子的笼内，就能使其具有超导性能。 再有C60H60这些相对分子质量很大地碳氢化合物热 值极高，可做火箭的燃料等等。
并且堆积方式也类似于fcc点阵，…AA’BB’CC’AA’BB’CC’……。
虽然金刚石结构属于fcc的结构，
但它的堆积致密度却很低，只
有0.34。最近邻原子中心距离是
a[111]/4，所以原子半径
一
晶胞有8个原子，故结构的
致密度η为：
与金刚石属于同一种类型结构的物质： 硅、锗、灰锡、人工合成立方氮化硼等。
第三章 金属与无机 材料的结构
材料科学基础
3.3.2 典型晶体的结构
目的：学习无机材料中一些典型的晶体结构和硅 酸盐晶体结构，同时探讨晶体的化学组成、晶体的结 构以及它们与性能的关系。
不同的晶体物质具有不同的密度、硬度、颜色、 光泽等等性质，除了与物质的化学成分有关外，另一 个重要因素就是具有不同的晶体结构，即晶体结构中 质点的排列方式（位置，相互间的间距等）不同。
单壁碳纳米管的结构示意图
力学性能:由于碳纳米 管 中 碳 原 子 采 取 SP2 杂 化，相比SP3杂化，SP2 杂化中S轨道成分比较 大，使碳纳米管具有高 模量、高强度。
传热性能:碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具 有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换 性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低， 通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的 热传导材料。
1、单质碳的晶体结构
1）富勒烯
富勒烯是碳的一类空间有限 的笼状结构的总称，也称为球碳。 如C60、C70、C84…..C240等。
C60分子是以什么样的结构 而能稳定呢？Kroto等认为C60 是由60个碳原子组成的球形32 面体，即由12个五边形和20个 六边形组成，只有这样C60分子 才不存在悬键。
思考：为什么介于 C-C单键和C=C双
键之间？
石墨的许多物理性质与晶体结构密切相关，性能 具有鲜明的各向异性：
1、层间作用力较弱，层间易于滑动，层平行的方向 有完整的解离性，所以很软，是良好的固体润滑剂， 是制作铅笔的好材料；是石墨形成多种多样的石墨夹 层化合物的内部结构根源。