《单晶结构分析》PPT课件
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单晶结构解析
2012-8-26
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•XS计算结果的评估
材料科学与化学工程学院
# 直接法，RE越小越好，一般大于0.3，就预示 着不成功，可以尝试用Patterson法来解
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材料科学与化学工程学院
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材料科学与化学工程学院
2012-8-26
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2012-8-26
xs、xl、refine产生的文件 记录xs、xl、refine过程和结果的文件 XP中做的图形文件 晶体学信息文件 结构因子文件 记录仪器型号、晶体外观等的文件
晶体结构报表文件
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材料科学与化学工程学院
name.hkl name.p4p
name.res
改名
SHELXTL程序运行图 XPREP name.hkl
重设原 始晶胞 的晶格 类型
材料科学与化学工程学院
判断晶格类型：
3910 Reflections read Lattice exceptions: P N (total) = 0 N(int>3sigma)= 0 Mean intensity = 0.0 Mean int/sigma = 0.0 Select Option [P]: from file ylid.hkl; mean A B C I 1948 1951 1981 1945 1890 1878 1918 1881 109.2 106.3 103.4 111.7 27.8 26.7 28.0 27.7 (I/sigma) = F Obv 2940 2596 2843 2514 106.3 108.5 27.5 27.8 27.80 Rev All 2604 3910 2524 3780 110.3 108.8 27.7 27.8
单晶XRD分析2015 2
单晶XRD分析2015 2
浓度 C
当溶液浓度增加达到 过饱和状态时，溶质 将以固体的形式从溶 液中析出
固体溶液
固体析出涉及两个过程： ① 形成晶核； ② 晶核进一步长大；
产生大量微晶； 微晶易团聚； 粉末状； 沉淀过程
晶体内部易产生缺陷； 容易包裹母液；
二者速率合适方可
单晶培养条件 需要摸索； 细心调控条件； 具有很强经验性
单晶XRD分析2015 2
小分子
三维结构
精确的键长 120° 键角数据
活性位点的形 状和化学结构
蛋白质的三维结构/ 折叠
蛋白质晶体结构
单晶XRD分析2015 2
化学晶体学 Chemical Crystallography
➢ 确定分子立体结构 • 确定新的无机和金属有机化合物结构的主要技术 • 广泛应用于有机物的结构尤其是立体结构的确定 • 有机物/天然产物/药物分子的绝对构型确定 ➢ 确定分子结构参数 • 键长 +/- 0.001 Å • 键角 better than 0.1 度 • 扭曲角 0.1 度 ➢ 研究化学键性质 ➢ 理解固体化合物性质 • 建立构效关系 • 变温/变压实验理解相变/热膨胀和其他物理性质的分子基础
2
Solve the structure
研究对象：一切可以结晶的物质
+
chemistry judgement
单晶XRD分析2015 2
X射线源-产生X射线
测角仪-晶体定位平台
检测器(CCD, CMOS) -特殊设计的数码 相机 - 拍摄X射线照片
单晶XRD分析2015 2
Converts To
Green light
单晶XRD分析2015 2
单晶结构分析
文件结束命令
3.其它文件
晶体结构报表文件 4.INS文件的建立和更新 结构解析和精修的过程，是ins文件建立和不 断更新的过程，这主要是下列过程实现的： xprep、xshell—refine、xl、xp、edit、copy
res lst plt cif fcf pcf tex
xs、xl、refine产生的文件
常用的凝胶有：硅酸钠、四甲氧基硅胶、明 胶和琼脂等
5)水热法或溶剂热法 (hydrothermal method and solvothermal method) 特别难溶的化合物可用此法，重要的技巧是 控制好温度 6) 升华法(sublimation) 能长出好的晶体，但应用较少。
5. 晶体的挑选和安置
1) 晶体的挑选 必须选择在同一晶核上长成的单晶体。能够 满足单晶结构分析的晶体，须达到如下标准：
a）单晶的外貌 品质好的晶体，应该外形规整，有光泽的表面， 颜色和透明度一致，没有裂缝和瑕疵。
应该是一个完整的个体，不应有小卫星晶体 或微晶粉末附着。 不是孪晶。
b）单晶的大小
大小是一个重要因素。理想的尺寸取决于：晶 体的衍射能力和吸收效应程度（决定于晶体所含元 素的种类和数量）；所用射线的强度和探测器的灵 敏度（仪器的配臵）
晶体的安置方法
a
b
c
d
a 将晶体粘在玻璃毛上的正确做法 b 将晶体上包上一层胶等保护晶体 c 将晶体装在密封的毛细玻璃管中 d 将晶体粘在玻璃毛上的不正确做法
二 用SHELXTL程序进行结构分析
一) SHELXTL文件 1. 文件名 一般，同一结构，所有文件都用相同的名 （不能超过８个字符），只是扩展名不同 2. 两个必要文件(由XPREP程序产生) *.hkl文件: 所有的衍射点，每一点一行。 格式为：h k l F2 σ (F2)
单晶结构分析课件.
TITL ylid in P2(1)2(1)2(1) /标题 CELL 0.71073 5.9647 9.0420 18.4029 90.000 90.000 90.000 /波长及单胞参数 ZERR 4.00 0.0005 0.0008 0.0017 0.000 0.000 0.000 /Z值及参数偏差 LATT –1 /晶格(1:P；2:I；3:R；4:F；5:A；6:B；7;C) /对称心(有心：正值；无心：负值) SYMM 0.5-X, -Y, 0.5+Z /对称操作码，忽略SYMM x,y,z SYMM -X, 0.5+Y, 0.5-Z SYMM 0.5+X, 0.5-Y, -Z SFAC C H O S /原子类型 UNIT 44 40 8 4 /原子个数 TREF /直接法 HKLF 4 /衍射点形式 END
R(int) | Fo2 Fo2 (m ean) | / [ Fo2 ] R( sigm a) [ ( Fo2 )] / [ Fo2 ]
直接法在处理有心空间群时，有时可能失败，此时可把空间群 降低成无心结构但最后必须把它转化成有心结构，或者可使用 Patterson法。在有超过Na的重原子存在的条件下，Patterson法 可以给出较好的结果。其方法是：*．INS文件中删除TREF， 输入PATT。重新输入命令XS name。不过Patterson不进行结构 修正，也没有很好的表征参数。*程序默认的是TREF直接法。
(二)结构解释-XS
运行命令: xs name
它要求存在 name.ins 及 name.hkl 两个文件，并将产生 name.res 文件，在name.res文件中，XS自动按照所给的原子种类把最强的 峰命名为最重的原子，并把后续的峰按照其强度进行可能的命名， 同时还进行结构修正，产生更多的差Fourier峰。在某些情况下XS 结果是极其准确的，它可以直接得到大部分结构 (直接法)，而这 些结构在后续的差Fourier峰中都未必看的更清楚。 评 判 直 接 法 结 果 的 好 坏 ： 主 要 参 考 Rint( 一 般 小 于 0.6),CFOM(一般小于0.1)和RE(Eo与Ec的差，一般小于0.3)的值。
单晶结构解析
两个必要文件(由XPREP程序产生) name.hkl, name.ins
结构解析和精修的过程，是ins文件建立和不断更新的过程， 这主要是下列过程实现的:XPREP、XS、XL、XP
其它文件
res lst plt cif fcf pcf tex
xs、xl、refine产生的文件 记录xs、xl、refine过程和结果的文件 XP中做的图形文件 晶体学信息文件 结构因子文件 记录仪器型号、晶体外观等的文件
画图
XCIF
打印表格
二、数据处理--XPREP
运行步骤：
1.从name.hkl文件(若存在)或name.raw文件中读入衍射 点；2.从name.p4p或键盘获得单胞参数及误差 3.判断晶格类型 4.寻找最高对称性
5.确定空间群
6.输入分子 7.建立 name.hkl和 name.ins
* XPREP的主要功能和应用
读入、更改、 •单击进入XPREP程序 合并衍射数据 •根据程序的提示输入晶胞参数 •选择可能的晶格 程序则显示以下菜单： 计算显示 Patterson截面 寻找更高 的对称性 确定或输 入已知的 空间群
[D] Read,Modify or Merge DATDSETS [P] Contour PATTERSON Secions [H] Search for HIGHER mertric symmetry [S] Determine or input SPACE GROUP
•XS计算结果的评估
# 直接法，RE越小越好，一般大于0.3，就预示 着不成功，可以尝试用Patterson法来解
N
O
C u (N O )2 3
+
O N
E tO H
《单晶结构分析》课件
中子衍射法：利用中子束照射晶体，分析 衍射图谱，确定晶体结构
同步辐射法：利用同步辐射照射晶体，分 析衍射图谱，确定晶体结构
电子显微镜法：利用电子显微镜观察晶体 表面，确定晶体结构
原子力显微镜法：利用原子力显微镜观察 晶体表面，确定晶体结构
03
单晶结构分析的实验技 术
X射线衍射技术
应用：分析晶体结构，确定 晶体的晶系、晶胞参数等
电子信息：单晶结构分析在电子信息领域的应用广泛，但需要解决半导体 器件、集成电路等难题
能源环境：单晶结构分析在能源环境领域的应用前景广阔，但需要解决新 能源材料、环境污染治理等难题
数据分析与模拟计算的挑战与机遇
数据量巨大：需要处理和分析大量数据
计算复杂度高：模拟计算需要大量的计算资源和时间
准确性要求高：模拟结果需要与实际结果高度吻合
原理：利用X射线与晶体相 互作用，产生衍射现象
实验步骤：样品制备、X射 线源选择、衍射数据采集、
数据处理
优点：分辨率高，可分析多 种晶体结构，广泛应用于材
料科学、化学等领域
电子显微镜技术
原理：利用电子束扫描样品表面，通过电子束与样品相互作用产生的信号来获取样品 的形貌和结构信息
特点：分辨率高，可以观察到纳米级别的样品结构
数据分析和模拟计算将共同 推动单晶结构分析的发展和
应用
跨学科合作与交流的加强
单晶结构分析与其他学科的交叉融合 跨学科合作在单晶结构分析中的应用 单晶结构分析在跨学科研究中的作用 加强跨学科合作与交流对单晶结构分析发展的影响
06
单晶结构分析的挑战与 展望
实验技术的局限性
实验条件：需要严格的实验 条件和环境控制
环境科学：单晶结 构分析在环境科学 中的应用，如污染 物检测、环境污染 治理等
同步辐射法：利用同步辐射照射晶体，分 析衍射图谱，确定晶体结构
电子显微镜法：利用电子显微镜观察晶体 表面，确定晶体结构
原子力显微镜法：利用原子力显微镜观察 晶体表面，确定晶体结构
03
单晶结构分析的实验技 术
X射线衍射技术
应用：分析晶体结构，确定 晶体的晶系、晶胞参数等
电子信息：单晶结构分析在电子信息领域的应用广泛，但需要解决半导体 器件、集成电路等难题
能源环境：单晶结构分析在能源环境领域的应用前景广阔，但需要解决新 能源材料、环境污染治理等难题
数据分析与模拟计算的挑战与机遇
数据量巨大：需要处理和分析大量数据
计算复杂度高：模拟计算需要大量的计算资源和时间
准确性要求高：模拟结果需要与实际结果高度吻合
原理：利用X射线与晶体相 互作用，产生衍射现象
实验步骤：样品制备、X射 线源选择、衍射数据采集、
数据处理
优点：分辨率高，可分析多 种晶体结构，广泛应用于材
料科学、化学等领域
电子显微镜技术
原理：利用电子束扫描样品表面，通过电子束与样品相互作用产生的信号来获取样品 的形貌和结构信息
特点：分辨率高，可以观察到纳米级别的样品结构
数据分析和模拟计算将共同 推动单晶结构分析的发展和
应用
跨学科合作与交流的加强
单晶结构分析与其他学科的交叉融合 跨学科合作在单晶结构分析中的应用 单晶结构分析在跨学科研究中的作用 加强跨学科合作与交流对单晶结构分析发展的影响
06
单晶结构分析的挑战与 展望
实验技术的局限性
实验条件：需要严格的实验 条件和环境控制
环境科学：单晶结 构分析在环境科学 中的应用，如污染 物检测、环境污染 治理等
第十二章 课时4 晶体结构的分析与计算 课件 2021届高三一轮复习化学(共68张PPT)
a＝ 3 4ρ×·N6A4，面对角线为 2a，面对角线的14为 Cu 原子 半径 r＝ 42× 3 9.00×46×.0624×1023cm≈1.28×10－8cm。
答案：12 42× 3 9.00×46×.0624×1023≈1.28×10－8
3.砷化硼的晶胞结构如图所示。与砷原子紧邻
的硼原子有________个，与每个硼原子紧邻
SmFeAsO1－xFx。(2)据图可知，锰离子在棱上与体心，数目为 12×14 ＋1＝4，氧在顶点和面心，数目为 8×18＋6×12＝4，所以化学式 为 MnO，故锰离子的化合价为＋2 价。(3)由题图可知，一个晶胞
中白球的个数＝8×18＋1＝2；黑球的个数＝4，因此白球代表的是 O 原子，黑球代表的是 Cu 原子，即 Cu 原子的数目为 4。(4)能量 越低越稳定，从图 2 知，Cu 替代 a 位置 Fe 型晶胞更稳定，其晶
(2)晶胞参数的计算方法
(3)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组计算公 式(设棱长为a) ①面对角线长＝ 2a ②体对角线长＝ 3a ③体心立方堆积4r＝ 3a(r为原子半径) ④面心立方堆积4r＝ 2a(r为原子半径) ⑤刚性原子球体积V(球)＝43πr3(r为原子半径)
2．金属晶体空间利用率的计算方法 (1)空间利用率的定义及计算步骤
(4)(2019·沈阳模拟)磷化硼晶体的晶胞结构如图所示，其 中实心球为磷原子，在一个晶胞中磷原子的空间堆积方式为 ________，磷原子的配位数为________，该结构中有一个配 位键，提供空轨道的原子是________。
[解析] (1)由图可知，O 位于面心，K 位于顶点，与 K 紧 邻的 O 个数为 12 个。(2)由晶胞结构可知，一个晶胞中小球个 数为 8，大球个数为 4，小球代表离子半径较小的 Na＋，大球 代表离子半径较大的 O2－，故 F 的化学式为 Na2O；晶胞中与 每个氧原子距离最近且相等的钠原子有 8 个。(3)由图知，以面 心 Cu＋为研究对象，可看出 Cu＋周围有 4 个与其直接相连的 Cl－，即距离 Cu＋最近的 Cl－有 4 个。(4)由磷化硼晶体的晶胞 结构图可知，该晶胞中磷原子为面心立方最密堆积；P 原子的 配位数为 4，该结构中有一个配位键，提供空轨道的原子是硼 (B)。
答案：12 42× 3 9.00×46×.0624×1023≈1.28×10－8
3.砷化硼的晶胞结构如图所示。与砷原子紧邻
的硼原子有________个，与每个硼原子紧邻
SmFeAsO1－xFx。(2)据图可知，锰离子在棱上与体心，数目为 12×14 ＋1＝4，氧在顶点和面心，数目为 8×18＋6×12＝4，所以化学式 为 MnO，故锰离子的化合价为＋2 价。(3)由题图可知，一个晶胞
中白球的个数＝8×18＋1＝2；黑球的个数＝4，因此白球代表的是 O 原子，黑球代表的是 Cu 原子，即 Cu 原子的数目为 4。(4)能量 越低越稳定，从图 2 知，Cu 替代 a 位置 Fe 型晶胞更稳定，其晶
(2)晶胞参数的计算方法
(3)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组计算公 式(设棱长为a) ①面对角线长＝ 2a ②体对角线长＝ 3a ③体心立方堆积4r＝ 3a(r为原子半径) ④面心立方堆积4r＝ 2a(r为原子半径) ⑤刚性原子球体积V(球)＝43πr3(r为原子半径)
2．金属晶体空间利用率的计算方法 (1)空间利用率的定义及计算步骤
(4)(2019·沈阳模拟)磷化硼晶体的晶胞结构如图所示，其 中实心球为磷原子，在一个晶胞中磷原子的空间堆积方式为 ________，磷原子的配位数为________，该结构中有一个配 位键，提供空轨道的原子是________。
[解析] (1)由图可知，O 位于面心，K 位于顶点，与 K 紧 邻的 O 个数为 12 个。(2)由晶胞结构可知，一个晶胞中小球个 数为 8，大球个数为 4，小球代表离子半径较小的 Na＋，大球 代表离子半径较大的 O2－，故 F 的化学式为 Na2O；晶胞中与 每个氧原子距离最近且相等的钠原子有 8 个。(3)由图知，以面 心 Cu＋为研究对象，可看出 Cu＋周围有 4 个与其直接相连的 Cl－，即距离 Cu＋最近的 Cl－有 4 个。(4)由磷化硼晶体的晶胞 结构图可知，该晶胞中磷原子为面心立方最密堆积；P 原子的 配位数为 4，该结构中有一个配位键，提供空轨道的原子是硼 (B)。
晶体结构(结构 晶面指数)ppt课件
School of Physics and Information
SchToeoclhonfoloPghyy,sSiNcsNUand Information Technology, SNNU
CsCl 结构式
2. CsCl 结构——由两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间对角线位移1／2
的长度套构而成
Cs+（0,0,0），Cl-（0.5,0.5,0.5）， Cs+ 平移（0.5,0.5,0.5）即可变为Cl-， Cs+和Cl离子各自构成简单立方结构
晶 体：是指其内部的原子、分子、离子或其集团在三维空间呈周期 排列的固体，表现为长程有序（在微米量级范围是有序的）
非晶体：无规则的，无序的或短程有序的。
在X射线中出现明显衍射峰的称为晶体 （微米量级甚至纳米量级）
晶体分为： 单晶体 多晶体；有机晶体 无机晶体 完整晶体 非完整晶体
Pb(Zr,Ti)O 3
金刚石晶格碳1位置碳2位置其中informationtechnologysnnuwignerseitz原胞定义以任意一个格点为中心以此格点与一切相邻格点连线的中垂面为界面围成的最小多面体特点总是代表其点阵的点群对称性总是原胞最自然最漂亮的原胞能反映晶体对称性的最小重复单元平面六角bccfcc正十二面体schoolinformationtechnologysnnubravais格子的特点所有格点周围的环境都是一样的但沿不同方向上的物理性质不同的各向异性bravais格子的格点可以看成分布在一系列平行的直线上晶列晶列的指向晶向crystaldirection晶向指数的确定步骤晶向指数的确定步骤11以晶胞中的某一阵点为原点以三条棱边为以晶胞中的某一阵点为原点以三条棱边为轴并以晶胞棱边的长度为单位长度
SchToeoclhonfoloPghyy,sSiNcsNUand Information Technology, SNNU
CsCl 结构式
2. CsCl 结构——由两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间对角线位移1／2
的长度套构而成
Cs+（0,0,0），Cl-（0.5,0.5,0.5）， Cs+ 平移（0.5,0.5,0.5）即可变为Cl-， Cs+和Cl离子各自构成简单立方结构
晶 体：是指其内部的原子、分子、离子或其集团在三维空间呈周期 排列的固体，表现为长程有序（在微米量级范围是有序的）
非晶体：无规则的，无序的或短程有序的。
在X射线中出现明显衍射峰的称为晶体 （微米量级甚至纳米量级）
晶体分为： 单晶体 多晶体；有机晶体 无机晶体 完整晶体 非完整晶体
Pb(Zr,Ti)O 3
金刚石晶格碳1位置碳2位置其中informationtechnologysnnuwignerseitz原胞定义以任意一个格点为中心以此格点与一切相邻格点连线的中垂面为界面围成的最小多面体特点总是代表其点阵的点群对称性总是原胞最自然最漂亮的原胞能反映晶体对称性的最小重复单元平面六角bccfcc正十二面体schoolinformationtechnologysnnubravais格子的特点所有格点周围的环境都是一样的但沿不同方向上的物理性质不同的各向异性bravais格子的格点可以看成分布在一系列平行的直线上晶列晶列的指向晶向crystaldirection晶向指数的确定步骤晶向指数的确定步骤11以晶胞中的某一阵点为原点以三条棱边为以晶胞中的某一阵点为原点以三条棱边为轴并以晶胞棱边的长度为单位长度
X射线单晶结构分析ppt课件
60º+ 4/6c
4
6
60º+ 5/6c
5
六重反轴
6
– 60º+ 倒反
完整版PPT课件
14
镜面和滑移面
2. 晶体对称性
记号
滑移量
镜面
m
轴滑移面
a
b
c
对角滑移面
n
金刚石滑移面 d
1/2a 1/2b 1/2c ½(a+b), ½(a+c), ½(b+c) ½(a+b+c) ¼(ac), ¼(b c), ¼(abc)
X射线 结构分析
晶体
超分子化学
晶体工程
材料化学
非共价键组装的 超分子固体
完整版PPT课件
配位高聚物
5
1. 前言
结构测试流程
测晶胞参数 收强度数据
培养 晶体
结构解析
结构描述 解释
完整版PPT课件
投稿 发表
6
2. 晶体对称性
2.1 晶体结构周期性和点阵
晶体： 原子(或分子、离子）在空间周期性 排列所构成的固体物质
完整版PPT课件
33
3.晶体结构测定方法
主要公式：
H1 = H2 + H3 (S 关系 ) 2
tan j = H1
S |E | |E | sin(j + j ) H2 H3 H2 H3
S |E | |E | cos(j + j )
H2 H3
H2 H3
P = ½ + ½ tanh[(N)–½ E E E ] H1 H2 H3
11
2. 晶体对称性
对称元素及其表示
对称轴
单晶结构解析总结
m 是一或两位数，指定氢的类型： =1 叔-H， =2 仲-H， =3（或13） 伯-H， =4 芳-H， =8（或14） X-O-H， =9 X=CH2或X-NH2， =15 笼状B-H
4、XL （各向同性修正）（或差值F峰合成）；
(1) 计算更新后的.ins文件或前边XL精修的结果，产生新 的.res（结果文件）和.lst文件（记录精修过程）
(2) 精修的参数 a 原子坐标（general positions
b 原子的位移参数(atomic displacement parameters)
a, b, c, , 晶系，Laue群 系列hkl, I, (I)等
晶 体 结 构 分 析 的 步 骤
4. 衍射数据的还原与校正
系列hkl, Fo2, (Fo)等
5. 结构解析： 直接法与Patterson法 Fourier合成
部分或全部原子坐标
6. 结构模型的精修
全部原子坐标和位移参数等
参数：
1. (mm1 or cm1 ) 线性吸收系数பைடு நூலகம்（linear absorption coefficient)为X射线束以 x路径通过晶体时被减弱的程度系数。
•
2. Rint由所有等效衍射点的平均差别计算。
它反应吸收校正效果的好坏，如果有充足的等效点，
进行合适的吸收校正后，应该有Rint 5% (P65 和 P101) Rint越小（如0.05)，表明等效衍射点的强度在实验误差 范围内确实相等；相反，如果Rint达到0.1左右，表明 等效衍射点的强度其实并不相等，引起的主要原因： (1) 衍射数据的精度不好，如数据整体太弱；
单晶结构分析电子教案
第五章 用SHELXTL程序 进行结构分析的方法
4、XL （各向同性修正）（或差值F峰合成）；
(1) 计算更新后的.ins文件或前边XL精修的结果，产生新 的.res（结果文件）和.lst文件（记录精修过程）
(2) 精修的参数 a 原子坐标（general positions
b 原子的位移参数(atomic displacement parameters)
a, b, c, , 晶系，Laue群 系列hkl, I, (I)等
晶 体 结 构 分 析 的 步 骤
4. 衍射数据的还原与校正
系列hkl, Fo2, (Fo)等
5. 结构解析： 直接法与Patterson法 Fourier合成
部分或全部原子坐标
6. 结构模型的精修
全部原子坐标和位移参数等
参数：
1. (mm1 or cm1 ) 线性吸收系数பைடு நூலகம்（linear absorption coefficient)为X射线束以 x路径通过晶体时被减弱的程度系数。
•
2. Rint由所有等效衍射点的平均差别计算。
它反应吸收校正效果的好坏，如果有充足的等效点，
进行合适的吸收校正后，应该有Rint 5% (P65 和 P101) Rint越小（如0.05)，表明等效衍射点的强度在实验误差 范围内确实相等；相反，如果Rint达到0.1左右，表明 等效衍射点的强度其实并不相等，引起的主要原因： (1) 衍射数据的精度不好，如数据整体太弱；
单晶结构分析电子教案
第五章 用SHELXTL程序 进行结构分析的方法
第二章 晶体结构ppt课件
1-1 晶向指数 [u v w]
建立步骤： ①建立坐标系。以某一阵点为坐标原点，三个棱边为 坐 标轴，并以点阵常数(a、b、c)作为各个坐标轴的单位长度； ②作 OP // AB ； ③确定P点的三个坐标值（找垂直投影）； ④将坐标值化为互质的最小整数，并放入到[ ] 中，则 [uvw]即为所求；
1.晶体结构与空间点阵（续）
1-4 晶胞 ①定义：在空间点阵中，能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 晶胞通常是平行六面体，将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点 阵。 ②晶胞的选取原则：
几何形状与晶体具有同样的对称性； 平行六面体内相等的棱与角的数目最多； 当平行六面体棱间有直角时，直角数目最多； 在满足上述条件下，晶胞的体积应最小。
o o a a a c , 9 0 , 1 2 0 1 2 3
菱方：简单菱方 o a b c , 9 0
单斜：简单单斜 底心单斜
a b c ,
9 0
o
三斜：简单三斜
a b c ,
9 0
第二章 晶体结构
第一节 晶体的特征
各项异性 晶体由于具有按照一定几何规律排列的内 部结构，空间不同方向上原子排列的特征不同， 如原子间距及周围环境，因而在一般情况下， 单晶体的许多宏观物理量（如弹性模量、电阻 率、热膨胀悉数、折射率、强度及外表面化学 性质等）的大小是随测试方向的不同而改变的， 这个性质称为各项异性。晶体断裂的解理性就 是晶体具有各项异性的最明显例子。
晶体具有确定的熔点
熔点是晶体物质的结晶状态与非结晶状态互相转 变的临界温度，晶体熔化时发生体积变化。 晶体有一些其他共同特征：晶体中存在不完整性， 晶体内原子排列并不是理想的有序排列，而是有 缺陷的；晶体的原子周期排列促成晶体有一些共 同的性质，如均匀性、自限性和对称性等。
晶体学基础PPT课件
➢ 单位格子：只包含一 个点阵点的格子叫单 位格子 。
➢ 复单位：即每一个格 子单位分摊到一个以 上的点阵点。
点阵
图1-4 平面点阵单位 上图所示，平行四边形I和II都 只分摊到一个点阵点，故它们 都是单位格子；平行四边形III 分摊到两个点阵点，故它是复 单位。
点阵
3.三维点阵(空间点阵)
➢分布在三维空间的点阵叫空间点阵。 ➢空间点阵对应的平移群可用下式表示：
T m n m p n a p b ,m c ,n ,p 0 , 1 , 2 (1 .
图1-5 空间点阵单位
点阵
➢空间格子：空间点阵按确定的 平行六面体单位划分后所形成 的格子称为空间格子 。
➢基本单位：每个平行六面体格 子单位只分摊到1个点阵点， 称为空间点阵的基本单位 。
我们把所有阵点可用位矢(1.1)、(1.2)或(1.3) 来描述的点阵称为布拉菲点阵。
➢ 点阵的这两条基本性质也正是判断一组点是否 为点阵的依据。
点阵
三.直线点阵、平面点阵与空间点阵
点阵和平移群
➢ 能使一个点阵复原的全部平移矢量组成 的一个平移群(它符合数学上群的定义) 称为该点阵对应的平移群。
➢ 点阵和平移群有一一对应的关系。一个 点阵所对应的平移群能够反映出该点阵 的全部特征。
第一章 晶体学基础
内容提要
晶体的基本性质 晶体结构几何理论的历史发展简况 点阵 平面点阵与空间点阵的性质 晶体的点阵结构 晶胞 典型晶体结构举例 晶向指数与面指数 晶体结构的对称性
第一节 晶体的基本性质
一.晶体与非晶体在宏观性质上的区别
➢晶体具有固定的外形，各向异性，固定 的熔点。 • 微细单晶体的集合体，称为多晶体 • 取向杂乱的单晶体集合成的多晶体， 显示出各向同性 • 择优取向的多晶体呈现出各向异性
➢ 复单位：即每一个格 子单位分摊到一个以 上的点阵点。
点阵
图1-4 平面点阵单位 上图所示，平行四边形I和II都 只分摊到一个点阵点，故它们 都是单位格子；平行四边形III 分摊到两个点阵点，故它是复 单位。
点阵
3.三维点阵(空间点阵)
➢分布在三维空间的点阵叫空间点阵。 ➢空间点阵对应的平移群可用下式表示：
T m n m p n a p b ,m c ,n ,p 0 , 1 , 2 (1 .
图1-5 空间点阵单位
点阵
➢空间格子：空间点阵按确定的 平行六面体单位划分后所形成 的格子称为空间格子 。
➢基本单位：每个平行六面体格 子单位只分摊到1个点阵点， 称为空间点阵的基本单位 。
我们把所有阵点可用位矢(1.1)、(1.2)或(1.3) 来描述的点阵称为布拉菲点阵。
➢ 点阵的这两条基本性质也正是判断一组点是否 为点阵的依据。
点阵
三.直线点阵、平面点阵与空间点阵
点阵和平移群
➢ 能使一个点阵复原的全部平移矢量组成 的一个平移群(它符合数学上群的定义) 称为该点阵对应的平移群。
➢ 点阵和平移群有一一对应的关系。一个 点阵所对应的平移群能够反映出该点阵 的全部特征。
第一章 晶体学基础
内容提要
晶体的基本性质 晶体结构几何理论的历史发展简况 点阵 平面点阵与空间点阵的性质 晶体的点阵结构 晶胞 典型晶体结构举例 晶向指数与面指数 晶体结构的对称性
第一节 晶体的基本性质
一.晶体与非晶体在宏观性质上的区别
➢晶体具有固定的外形，各向异性，固定 的熔点。 • 微细单晶体的集合体，称为多晶体 • 取向杂乱的单晶体集合成的多晶体， 显示出各向同性 • 择优取向的多晶体呈现出各向异性
高等结构分析单晶衍射PPT课件
空间群可以明确说明一种晶体可能具有的 对称元素种类和这些元素在晶胞中的位置。
42
空间群的测定
• 确定劳厄群
通过等效点强度检测来检验晶轴是否存在对称性。
• 找出系统消光规律
由于对称元素的平移操作的作用，在晶体的衍射花样中 经常有规律性的衍射点消失的现象，叫做系统消光。
• 区分晶体是否存在对称中心
统计E值，即结构振幅的归一化值
ab sin
/V
1/ d001
abacbabccacb0 15
VV
衍射球
倒易点阵和衍射球
sih nk l2 O O P M d 1 hk /2 l 2 d hs klih nk ln
16
衍射强度与结构因子
17
衍射线
方向 衍射指标hkl
强度
晶胞中原子的 分数坐标参数(x,y,z)
6
X射线如何产生？
M L
K
K
K
7
X射线和物质如何相互作用？
8
X射线能做些什么？
9
衍射（Diffraction）
10
衍射几何
11
劳厄方程 aco 0 saco sh
acosa0 acosa h bcosb0 bcosb k ccosc0 ccosc l
三维劳厄方程，
晶体产生衍射的严格条件
晶体结构和空间点阵
24
（a）[Cu(ophen)2]分子的实际排列 （b） [Cu(ophen)2]分子的抽象点阵点
晶体结构=结构基元+点阵 25
七大晶系
晶系
特征对称性
Cubic (立方晶系)
四个按立方体对角线排列的方向上 有三重轴
Tetragonal (四方晶系)
42
空间群的测定
• 确定劳厄群
通过等效点强度检测来检验晶轴是否存在对称性。
• 找出系统消光规律
由于对称元素的平移操作的作用，在晶体的衍射花样中 经常有规律性的衍射点消失的现象，叫做系统消光。
• 区分晶体是否存在对称中心
统计E值，即结构振幅的归一化值
ab sin
/V
1/ d001
abacbabccacb0 15
VV
衍射球
倒易点阵和衍射球
sih nk l2 O O P M d 1 hk /2 l 2 d hs klih nk ln
16
衍射强度与结构因子
17
衍射线
方向 衍射指标hkl
强度
晶胞中原子的 分数坐标参数(x,y,z)
6
X射线如何产生？
M L
K
K
K
7
X射线和物质如何相互作用？
8
X射线能做些什么？
9
衍射（Diffraction）
10
衍射几何
11
劳厄方程 aco 0 saco sh
acosa0 acosa h bcosb0 bcosb k ccosc0 ccosc l
三维劳厄方程，
晶体产生衍射的严格条件
晶体结构和空间点阵
24
（a）[Cu(ophen)2]分子的实际排列 （b） [Cu(ophen)2]分子的抽象点阵点
晶体结构=结构基元+点阵 25
七大晶系
晶系
特征对称性
Cubic (立方晶系)
四个按立方体对角线排列的方向上 有三重轴
Tetragonal (四方晶系)
单晶结构分析
1913 年1 月《Science Program 》杂志刊出第二篇论文“Xray and Crystal”, 该文的摘要“Reflection of X-ray”于1912 年12 月12 日在《自然》杂志刊出。
“Eine Neue Art von Strahlen”
“一种新的射线----初步报告” 维茨堡物理学医学会会刊
• 5 Jan. 1896
“X-ray discovered by Rontgen”
维也纳新闻报
• 23 Jan
Alber von Kolliker suggested Rontgen ray
当时艾瓦尔德是索末菲(A.Sommerfeld) 的学生,1910 年确定论文题目为“各向 同性的谐振子作各向异性排列时对光学 性质的影响”, 企图从微观上解释晶体为什么会产生双折射。当时 量子力学尚未问世,他将普朗克和洛伦兹的经典色散 理论推广到各向异性的周期结构中,考虑电磁波与倒 空间点阵排列的谐振子之间相互作用和传播,这是数 学上和物理上难度很大的问题。 1912 年1 月艾瓦尔德的论文大体就绪,但有些结果把 握不大,他去请教当时在光学理论方面声誉很高的劳厄
提交巴伐利亚科学院，
后在学报上发表，劳厄
自己于1912年6月8 日 向柏林物理学会作了这
项发现的报告
25年后普朗克“1912年6月14日当劳厄先生…..给我们看了 他的第一批照片….听众并未完全信服…但是当看到ZnS典 型劳厄图后….每个听众都认识到一件伟大的事发生了…..”
劳厄选了5个波长标定了ZnS四重对称衍射斑点数， 当时是 把X射线衍射与晶体结构定量地联系的一个重要进展。一年 后小布拉格指出其不正确
的贡献应获诺贝尔奖
7
1985艾瓦尔德去逝后，设艾瓦尔 德奖奖励在X射线衍射动力学理 论作出重要贡献科学家
“Eine Neue Art von Strahlen”
“一种新的射线----初步报告” 维茨堡物理学医学会会刊
• 5 Jan. 1896
“X-ray discovered by Rontgen”
维也纳新闻报
• 23 Jan
Alber von Kolliker suggested Rontgen ray
当时艾瓦尔德是索末菲(A.Sommerfeld) 的学生,1910 年确定论文题目为“各向 同性的谐振子作各向异性排列时对光学 性质的影响”, 企图从微观上解释晶体为什么会产生双折射。当时 量子力学尚未问世,他将普朗克和洛伦兹的经典色散 理论推广到各向异性的周期结构中,考虑电磁波与倒 空间点阵排列的谐振子之间相互作用和传播,这是数 学上和物理上难度很大的问题。 1912 年1 月艾瓦尔德的论文大体就绪,但有些结果把 握不大,他去请教当时在光学理论方面声誉很高的劳厄
提交巴伐利亚科学院，
后在学报上发表，劳厄
自己于1912年6月8 日 向柏林物理学会作了这
项发现的报告
25年后普朗克“1912年6月14日当劳厄先生…..给我们看了 他的第一批照片….听众并未完全信服…但是当看到ZnS典 型劳厄图后….每个听众都认识到一件伟大的事发生了…..”
劳厄选了5个波长标定了ZnS四重对称衍射斑点数， 当时是 把X射线衍射与晶体结构定量地联系的一个重要进展。一年 后小布拉格指出其不正确
的贡献应获诺贝尔奖
7
1985艾瓦尔德去逝后，设艾瓦尔 德奖奖励在X射线衍射动力学理 论作出重要贡献科学家
单晶XRD分析(教学课件)
(1) 结构因子
晶胞中含两个原子1和2；分数坐标: (x1y1z1), (x2y2z2)；原子 散射因子: f1, f2；晶胞常数:a, b, c。1和2在 hkl 衍射方向上的2个 衍射波的合成振幅绝对值:
[ f1 cos1 f2 cos2 ]2 [ f1 sin 1 f2 sin 2 ]2
劳埃 (Max van Laue, 德国)
布拉格 父子 (W. H. Bragg, W. L. Bragg, 法国)
X-射线晶体结构分析得到发展：无机、有机、生物大分子…
X-ray
e
X-ray
K L M N
封闭式X-光管
常用Mo靶和Cu靶
X-射线源
Mo靶
特征X-射线 白色X-射线
➢ 常规结构测定，尤其是含有重金属的晶体结构测定通 常使用 Mo光源
原子、分子或离子在空间按一定规律周期重复地 排列的固体 (周期性、长程有序)
Bragg公式
θ
θ
掠射角 θ
d
θθ
θ
晶面间距 d
X-Ray波长 λ
光程差
δ = 2dsinθ
衍射条件：δ = nλ (n=1, 2, 3…)
2dsinθ = nλ (n=1, 2, 3…) Bragg公式
X-ray衍射如何确定晶体结构
➢ 蛋白质晶体结构分析/有机物/不含重原子的有机物绝对 构型测定/小和弱的衍射体，使用Cu光源
X-射线源
✓ Cu 光源的散射强度= 6-10 倍Mo光源 ✓ 所以 60秒Mo光源的数据收集 ≈ 10秒Cu光源数据收集 ✓ Cu光源对测试小或散射弱的晶体有很大的帮助
但是...
Cu光源的吸收效应 大于Mo光源
HK L ; I
单晶结构分析
6) 升华法(sublimation) 能长出好的晶体，但应用较少。
5. 晶体的挑选和安置
1) 晶体的挑选
必须选择在同一晶核上长成的单晶体。能够 满足单晶结构分析的晶体，须达到如下标准：
a）单晶的外貌
品质好的晶体，应该外形规整，有光泽的表面， 颜色和透明度一致，没有裂缝和瑕疵。
应该是一个完整的个体，不应有小卫星晶体 或微晶粉末附着。
点阵，在三个轴上的截距
分别为a/h、b/k、c/l，h、
b
k、l为互质的整数，则
（hkl）称为这一族平面点
阵的指标，也称为Miller
指数
a
3）Miller指数为（hkl）的一族平面点阵，包
含了点阵中全部点阵点，相邻的两平面间的距离
为d(hkl)
3. X射线衍射基本原理
X射线是一种波长在0.001nm～10nm之间 的电磁波，用于单晶结构分析的Ｘ－射线的波 长(0.071073nm)与晶面间的距离相当。当一束 平行单色X射线通过晶体时，在偏离入射光的 某些方向，会观察到一定的强度，即为衍射现 象。衍射的方向与所用波长(λ)、晶体结构和晶 体取向有关。
2d(hkl)sinθ(hkl)=λ
或： sinθ(hkl) =λ/２·1/ d(hkl)
单晶X射线衍射线的强度
晶体对X射线的衍射主要源于原子核 外的电子对X射线的相干散射。原子序数 不同，核外电子数不同，衍射能力有差 别；原子的分布和位置不同，相干散射 的结果也不同。因此衍射的强度中蕴藏 着晶体中所含原子种类、数量以及分布 的有关信息。
· · · · · 把分子
· ·
b·a ·
· ·
· ·
· （或原子） · 抽象为一个
· · · · · 点（结构基
5. 晶体的挑选和安置
1) 晶体的挑选
必须选择在同一晶核上长成的单晶体。能够 满足单晶结构分析的晶体，须达到如下标准：
a）单晶的外貌
品质好的晶体，应该外形规整，有光泽的表面， 颜色和透明度一致，没有裂缝和瑕疵。
应该是一个完整的个体，不应有小卫星晶体 或微晶粉末附着。
点阵，在三个轴上的截距
分别为a/h、b/k、c/l，h、
b
k、l为互质的整数，则
（hkl）称为这一族平面点
阵的指标，也称为Miller
指数
a
3）Miller指数为（hkl）的一族平面点阵，包
含了点阵中全部点阵点，相邻的两平面间的距离
为d(hkl)
3. X射线衍射基本原理
X射线是一种波长在0.001nm～10nm之间 的电磁波，用于单晶结构分析的Ｘ－射线的波 长(0.071073nm)与晶面间的距离相当。当一束 平行单色X射线通过晶体时，在偏离入射光的 某些方向，会观察到一定的强度，即为衍射现 象。衍射的方向与所用波长(λ)、晶体结构和晶 体取向有关。
2d(hkl)sinθ(hkl)=λ
或： sinθ(hkl) =λ/２·1/ d(hkl)
单晶X射线衍射线的强度
晶体对X射线的衍射主要源于原子核 外的电子对X射线的相干散射。原子序数 不同，核外电子数不同，衍射能力有差 别；原子的分布和位置不同，相干散射 的结果也不同。因此衍射的强度中蕴藏 着晶体中所含原子种类、数量以及分布 的有关信息。
· · · · · 把分子
· ·
b·a ·
· ·
· ·
· （或原子） · 抽象为一个
· · · · · 点（结构基
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0.043120 0.052330 -0.002120 0.007180 -0.002370
Co2 5 0.132299 0.088237 0.782543 11.000000 0.061270 =
0.080610 0.082660 -0.004140 0.011300 0.005080
N1 3 0.816545 0.181404 0.857527 11.000000 0.048210=
0.044720 0.042580 -0.001460 0.010450 -0.001390
N2 3 0.641818 0.098803 0.864065 11.000000 0.055810 =
0.050870 0.070080 0.000700 0.013560 -0.009990
………………………………………………………………….
FLAT 限制指定原子在相同的平面上
FMAP 所计算Fourier图的类型
FREE 不计算指定原子对的键长、键角
FVAR 全比例系数
HFIX 限制H原子在理想位置上
HKLF 衍射数据的格式
HTAB 计算氢键
.
7
指令 ISOR L.S. LATT
含
义
限制指定原子的位移参数类似于各向同性
指定XL中用最小二乘法进行精修的轮数
SIZE 晶体的大小
.
8
指令
含
义
SYMM 所属空间群的对称操作
TEMP 衍射数据收集的温度
TITL 样品的编号（或名称）和空间群
UNIT 晶胞中每种原子的总个数
WGHT 指定所用权重
ZERR 晶胞中分子个数和晶胞参数的标准偏差
三 SHELXTL结构分析的步骤 1.项目的设立
打开SHELXTL程序：点project 输入文件名，查找到hkl 文件并打开
a 将|Fo|转化为归一化结构因子|Eo|
b 建立可以利用正切公式的三相角及四相角关系 c 赋于起始相角
d 利用正切公式精修相角
.
10
e 计算诊断指标，判断各套相角的质量
f 采用诊断指标最佳的相角数据计算解析电子密度图，即E图
* Patterson法是其本人1934年提出，通常只用来 解析含有重原子的结构
HTAB 2
L.S. 8
ACTA BOND
可输入各种让XS和XL执行的命令
FMAP 2
PLAN 20
.
信 息 区
命 令 区
2
DFIX 1.43 0.02 o5 c27 WGHT 0.074900 1.631200 FVAR 0.169240 TEMP 25
原子表 命 坐标、占有率、温度令因子
区
Co1 5 0.639436 0.182296 0.778299 11.000000 0.037950 =
HKLF 4
衍射点文件类型
END
文件结束命令
.
3
3.其它文件
res xs、xl、refine产生的文件
lst 记录xs、xl、refine过程和结果的文件
plt XP中做的图形文件 cif 晶体学信息文件
fcf 结构因子文件
pcf 记录仪器型号、晶体外观等的文件
tex 晶体结构报表文件
4.INS文件的建立和更新
CONF 计算扭转角
DELU 限制指定原子间键长的标准偏差
DFIX 限定指定原子对间的距离 EADP 给两个或多个原子指定相同的位移参数
.
6
指令
含
义
END 指令输入结束
EQIV 提供分子内或分子间键合原子的对称操作码
ESEL 限制E值的下、上限
EXTI 对晶体消光效应参数进行精修
EXYZ 让两个或多个原子具有相同的坐标
ZERR 4.00 0.0069 0.0112 0.0102 0.000 0.009 0.000
LATT 1 SYMM -X, SFAC C H
0N.5+OY分,C0单o.子5S-胞Z数对原中单目称子胞操数中作目码晶胞参数的标
UNIT 108 104 40原20子8 1类6 型
准偏差
SIZE 0.47 0.43 0.35
用这种方法时，首先利用重原子的特征峰，即 Harker峰，求出重原子坐标，再通过Fourier合成获 得其它原子的坐标
结构解析和精修的过程，是ins文件建立和不断更新的 过程，这主要是下列过程实现的：
xprep、xshell—refine、xl、xp、edit、copy
.
4
SHELXTL的主要子程序和文件
* .p lt
XS
XP
*.sav
XPREP
* .p s
*.hkl *.ins
*.res
XL XSHELL
* .p c f XCIF
* .ls t
*.cif
* .te x
*.fcf
.
5
二 常用的XS和XL指令
指令
含
义
ACTA 产生cif文件
AFIX 将原子坐标强制性地固定在指定位置上， 或在指定位置上产生原子
ANIS 将各向同性换成各向异性精修 BOND 计算键长、键角(加$H包括H的键长、键角) BIND 计算指定原子对的键长、键角
第四章 用SHELXTL程序进行结构分析
一 SHELXTL文件
1. 文件名 一般，同一结构，所有文件都用相同的名（不
能超过８个字符），只是扩展名不同 2. 两个必要文件(由XPREP程序产生)
*.hkl文件: 所有的衍射点，每一点一行。
格式为：h k l F2 σ(F2)
-4 2 2 21.189 3.050
new，
.
9
2. 结构的解析 1) 结构解析的基本原理
XS用直接法或Patterson法解决相角问题，试验性找 出部分原子或重原子的位置（坐标）
* 所谓直接法（direct methods），就是运用数 学的方法，利用不同衍射点的关系，从大量强度数据 中，直接找出各个衍射点的相角，从而达到解析晶体 结构的目的。其过程概括如下：
4 -2 2 19.539 2.120
-4 -2 -2 17.129 2.710
…………………………………..
.
1
*.ins 文件：标组题成上可分成五部分
TITL
041203e
X光波长
in P2(1)/c
空间群
晶胞参数
CELL 0.71晶07格3 1类1.58型70 19.3080 17.2144 90.000 108.471 90.000
晶格的类型.依次为:P I R F A B C,无心为负值
MOVE 移动或转换坐标 MPLA 计算平面
OMIT PART PLAN SFAC
忽略指定的衍射点或限定theta角范围 划分成键原子的范围（用于无序结构） 计算和列出Q峰的数目 晶体中存在的原子的种类
SIMU 限制指定范围内的原子有相近的位移参数