第二章 晶体结构 - 2.3.9尖晶石型晶体结构分析_06.15_CG
尖晶石 结构
尖晶石结构尖晶石是一种具有特殊结构和性质的矿物，它在地质学和材料科学中有着重要的应用。
尖晶石的结构由氧离子构成的立方密堆结构和金属离子填充在其中的空隙组成，这种结构使得尖晶石具有许多独特的性质和应用。
尖晶石的化学式通常为AB2O4，其中A代表正离子，B代表二价正离子。
在尖晶石的结构中，氧离子形成了一个立方密堆结构，而A和B离子则填充在氧离子的空隙中。
这种结构使得尖晶石具有很高的结构稳定性和热稳定性，同时也赋予了它一些特殊的性质。
尖晶石具有很高的硬度和耐磨性，这使得它在工业上有广泛的应用。
例如，在陶瓷工业中，尖晶石可以用来制作高硬度和耐磨的陶瓷材料，如刀具、轴承等。
此外，尖晶石还可以用来制作电子器件中的绝缘材料和介质材料，如电容器、电感器等。
尖晶石具有很高的绝缘性能和介电常数，可以有效地隔离电子器件中的电流和信号。
除了在工业上的应用外，尖晶石还具有一些特殊的物理性质。
例如，尖晶石具有铁磁性和铁电性，这使得它在信息存储和传输方面有着重要的应用。
尖晶石可以用来制作磁性材料和铁电材料，如硬盘、磁带等。
此外，尖晶石还具有光学性质，可以用来制作光学器件和光学传感器。
尖晶石还具有一些其他的特殊性质和应用。
例如，尖晶石具有很高的抗辐射性能，可以用来制作核能设备中的结构材料和防护材料。
此外，尖晶石还可以用来制作化学传感器和生物传感器，用于检测和分析化学物质和生物分子。
总之，尖晶石是一种具有特殊结构和性质的矿物，它在地质学和材料科学中有着重要的应用。
尖晶石的结构由氧离子构成的立方密堆结构和金属离子填充在其中的空隙组成，这种结构使得尖晶石具有许多独特的性质和应用。
尖晶石在工业上可以用来制作陶瓷材料、电子器件、磁性材料等，在信息存储和传输、光学传感器等方面有着重要的应用。
此外，尖晶石还具有抗辐射性能和化学传感性能，可以用于核能设备、化学分析等领域。
无机材料科学基础---第二章晶体结构
13．在石英的相变中，属于重建型相变的是 AC，属于位移式相变的是 BD 。（A α-石英→α-鳞石英；B α-石英→β-石英；C α-鳞石英 →α-方石英；D α方石英→β-方石英） P C I F 三、（1）a≠b≠c，α＝β＝γ＝ 90°的晶体属什么晶系？（2） 三斜 √ a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°的晶 单斜 √ √ 体属什么晶系？（3）你能否据此 斜方 √ √ √ √ 确定这两种晶体的布拉维点阵？ （1）斜方晶系（2）三斜晶系（3） 三方 √ 由左表可见，三斜晶系可以确定， 四方 √ √ 而斜方晶系不能确定 六方 √ 等轴 √ √ √
比 3:2:1 五、以NaCl 晶胞为例，说明面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和 数量。 Z(Na)=1/8×8+1/2×6=4；Z(Cl)=1+1/4×12=4；Z=4
四面体数量：8 （1/4，1/4，1/4）；（1/4，1/4，3/4）；（1/4， 3/4，1/4）；（1/4，3/4，3/4）；（3/4，1/4，1/4）；（3/4，1/4， 3/4）；（3/4，3/4，1/4）；（3/4，3/4，3/4）各有一个四面体空隙 八面体数量：4 （0,0.5,0）组成1个八面体空隙；（0.5，0，0）组成1 个八面体空隙；（0，0，0.5）组成1个八面体空隙；（0.5；0.5； 0.5）组成1个八面体空隙 六、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、致 密度。 Z=2
结构类型 [SiO4]共用O2数 形状 络阴离子 [SiO4]2[Si2O7]6[Si3O9]2[Si4O12]8[Si6O18]12[Si2O6]4[Si4O11]6[Si4O10]4[SiO2][AlSi3O8][AlSiO4]Si:O 实例
岛状 0 组群状 1 2 2 2 链状 2 3 层状 3 架状 4
第二章 晶体结构ppt课件
空间点阵——每个阵点处原子都具有相同的环境，其种类有限 （仅有14种）。
亦即是说，每种空间点阵都可以形成无限多的晶体结构。
空间点阵概括地表明了原子、离子、原子集团、分 子等粒子在晶体结构空间中作周期分别的最基本规律。 空间点阵是把晶体中的质点抽象为阵点，用来描述和分 析晶体结构的周期性与对称性，要求各个阵点的周围环 境相同，它只能有14种类型。 晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子） 的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此， 实际存在的晶体结构是无限的。 无论多么复杂的晶体结构都只有一个空间点阵。
二、结合力与结合能（续）
1-3 双原子结合力、结合能模型
双原子互作用力模型
双原子互作用能模型
三、原子半径（Ra)
1.计算公式 当R=R0时，两个正离子间的 中心距，称为原子直径（2Ra),亦 即R0=2Ra；
2.影响因素 ① 致密度越高，则Ra越小；
②键合力越高，则Ra越小；
③不同方向上Ra也可能不同；
四、晶体性
1.固体的分类 晶体——原子呈周期性排列； 非晶体——原子呈不规则排列； 2. 晶体的分类 单晶体——整个物质由一个晶粒组成，其中原子排列位向相同， 具有各向异性。 多晶体——有许多位向不同的小单晶体组成，具有各向同性（单 个经历的各向异性被“平均化”）。 3.晶体和非晶体相互关系 晶体和非晶体在一定的条件下可以相互转化。例如，在极大的冷 速下，可以得到非晶态金属。其原因是液态金属在冷却时来不及 转变成晶体就凝固了，非晶体实质上是一种过冷的液体结构（短 程有序）。
Material Material
尖晶石型锰酸锂的结构特点
尖晶石型锰酸锂的结构特点
尖晶石型锰酸锂是一种重要的锂离子电池材料，其结构特点对于电池的性能具有重要的影响。
下面将从晶体结构、原子序列、配位构型等方面介绍尖晶石型锰酸锂的结构特点。
晶体结构：尖晶石型锰酸锂的晶体结构属于立方晶系，空间群为
Fd3m。
晶格常数为a=8.21Å。
锂离子和锰离子在晶体结构中存在一定的有序性，锂离子主要位于八面体空隙中，锰离子主要位于正十二面体空隙中。
原子序列：尖晶石型锰酸锂的晶格中存在两种离子，即锂离子和锰离子。
其中，锂离子的核电荷数为3，电子排布为1s2、2s1，在晶体结构中具有+1的价态；锰离子的核电荷数为25，电子排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5，在晶体结构中具有+3的价态。
配位构型：尖晶石型锰酸锂的配位构型也对其结构特点产生了影响。
在晶体结构中，锂离子和锰离子分别被不同的配位体环绕。
锂离子主要被八个氧离子构成的八面体环绕，氧离子共享了四对电子，并且与锂离子形成了强盈余键；锰离子则被六个氧离子构成的正十二面体环绕，其中四个氧离子与锰离子形成强盈余键，而另外两个氧离子则与锰离子形成了较弱的半共价键。
总的来说，尖晶石型锰酸锂的晶体结构稳定，原子序列有序，配合物构型合理。
这些结构特点决定了尖晶石型锰酸锂在电池中具有良好的电化学性能，如较高的比能量和运行稳定性，因此被广泛应用于锂离子电池、太阳能电池和超级电容器等领域。
晶体结构和类型-PPT精品
n —Born指数,与离子电子层结构类型有关。
•八面体空隙： 一层的三个球 与错位排列的 另一层三个球 间的空隙。
2020/5/30
晶体的分类
组成 粒子
粒子间 作用力
物理性质
熔沸点
硬度
熔融导 电性
例
金属晶体
原子 离子
金属键
高低
大小
好
Cr, K
原子晶体 原子 共价键 高
大
差 SiO 2
离子晶体 离子 离子键 高
大
好 NaCl
分子晶体
分子
分子间 力
1 2
Br
2
(l)
气化热 △ rHm,3
升 华 焓
△
rHm,1 1
2
1
2
键能
Br
△
2 (g)
rHm,4
△fHm
K(g)
Br (g)
△ rHm,5
电子亲和能
△ rHm,2
电离能
KBr(s)
U △ rHm,6
Br (g) +
K + (g)
2020/5/30
△fHm= △ rHm,1 + △ rHm,2 +△ rHm,3 +△ rHm,4 +△ rHm,5 + △ rHm,6
NaCl
Al2O3 SnO2 AgI HgCl2 KClO3 CuSO4· 5H2O
按带心型式分类，将七大晶系分为14种型式。
例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面心
立方三种型式。
2020/5/30
2020/5/30
1.六方密堆积：hcp
2020/5/30
第三层与第一 层对齐，产生 ABAB…方式。
尖晶石型的结构
尖晶石型（AB2O4）结构AB2O4型化合物中最重要一种结构就是尖晶石，属于尖晶石结构的化合物有一百多种，一般A是二价金属离子Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+等，B是三价金属离子Al3+、Cr3+、Ga3+、Fe3+、Co3+等。
正离子A、B总电价为8，氧离子作立方密堆，A、B则充填在氧离子间隙中。
以MA尖晶石（MgO·Al2O3）为例加以分析。
图1.37 尖晶石型（AB2O4）结构1）鲍林规则（1），0.414~0.732，CN+=6，，0.414~0.732，CN+应该为6，但由于正离子的相互影响，CN+=4，整个结构才稳定。
即Al-O→[AlO6]八面体，Al3+填充在O2-形成的八面体中。
Mg-O→[MgO4]由面体，Mg2+填充在O2-形成的四面体中。
(2)，即：一个O2-同时与三个Al3+和一个Mg2+相连，或三个[AlO6]八面体与一个[MgO4]由面体共顶相连。
（3）八面体间可共棱共面，实际每二个[AlO6]八面体间共棱相连，四面体间不共顶。
（4）低配位数的[MgO4]之间排后斥力较大，尽可能互不结合，而高配位的[AlO6]可以互相连接，在尖晶石结构中，每一个O2-共用于一个[MgO4]和三个[AlO6]之间，（5）理想的尖晶石晶体中，除Mg2+、Al3+外，不再含其它正离子，Mg-O总是形成[MgO4]四面体，Al-O总是形成[AlO6]八面体，每一个O2-周围总是一个Mg2+和Al3+。
2）结构特点一个晶胞可分成8个小立方体，共面的小立方体是不同类型的，（即质点排列情况不一样），而共棱的小立方体是相同类型（质点排列情况一样），换句话说尖晶石的晶胞是由8个小块拼合而成，分两种情况，A块，B块，A块主要显示Mg2+占据四面体空隙，B块主要显示Al3+占据八面体空隙。
A块离子排列情况：4个O2-位于顶角和面心处，即O2-作面心立方堆积，3/2个Al3+位于6条边中心，即处于O2-堆积体的八面体空隙中，2个Mg2+在一条对角线方向，与三个面心处和一个顶角的O2-相连，即处于O2-堆积体的四面体空隙中。
无机非金属材料科学基础02晶体结构基础PPT课件
介电常数
02
晶体结构对材料的介电常数有重要影响。介电常数决定了材料
在电场中的行为，如绝缘性能和电容器的性能。
光电性能
03
某些晶体结构具有独特的光学性能，如光折射、光吸收和发光
等，可用于制造光学器件和发光材料。
06 无机非金属材料的晶体结 构研究进展
新材料的设计与开发
总结词
新材料的设计与开发是当前无机非金属 材料领域的重要研究方向，通过研究晶 体结构，可以发现和设计具有优异性能 的新型无机非金属材料。
力极强。
韧性
材料的韧性也与晶体结构密切相 关。例如，某些晶体结构容易产 生塑性变形，从而提高材料的韧
性。
强度
晶体结构的规整度和原子间的结 合力决定了材料的强度。例如，
金属单晶具有很高的强度。
热学性能
1 2 3
热导率
晶体结构对材料的热导率有重要影响。例如，某 些晶体结构中的原子振动模式有助于声子的传播， 从而提高热导率。
详细描述
原子力显微镜法的原理是利用原子间相互作用力测量样品表面的形貌和结构。该方法可以在纳米尺度 上观察晶体表面，分辨率高、灵敏度高，能够观察到晶体表面的细节和微观结构。原子力显微镜法在 研究晶体表面特性和纳米尺度结构方面具有重要应用价值。
05 晶体结构对材料性能的影 响
力学性能
硬度
晶体结构对材料的硬度有显著影 响。例如，金刚石的硬度极高， 主要归因于其独特的面心立方晶 体结构，使得其原子间相互作用
分子晶体的特点是原子或分子的排列通过 分子间的相互作用来实现，这种结构使得 分子晶体具有较低的熔点和硬度。
晶体结构的特点
周期性
晶体结构中的原子或分子的排列 呈现周期性的特点，这种周期性 使得晶体具有较好的物理和化学
尖晶石结构
尖晶石型结构结构特点尖晶石的化学式通式为XY2O4，X 为+2 价的阳离子，Y 是+3 价的阳离子，而氧原子在(111)的面上以立方紧密堆积（cubic close packing, CCP or face-centered close packing, FCC）排列，X 和Y 则分别位在氧所构成的四面体或八面体的孔隙中）。
在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；例如， MgAl2O4若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。
以镁原子为顶点的尖晶石晶胞以氧原子为顶点的尖晶石晶胞一个晶胞可分成8个小立方体，共面的小立方体是不同类型的，即质点排列情况不一样；而共棱的小立方体是相同类型，质点排列情况一样，换句话说尖晶石的晶胞是由8个小块拼合而成，分两种情况：A块、B块。
A块主要显示Mg2+占据四面体空隙，B块主要显示Al3+占据八面体空隙。
A块离子排列情况：4个O2-位于顶角和面心处，即O2-作面心立方堆积。
3/2个Al3+位于6条边中心，即处于O2-堆积体的八面体空隙中。
2个Mg2+在一条对角线方向，与三个面心处和一个顶角的O2-相连，即处于O2-堆积体的四面体空隙中。
B块离子堆积情况：4个O2-位于面心和顶角处与A块一样，5/2个Al3+位于体心和六条边中心。
在O2-八面体空隙中B块中没有Mg2+。
在一个尖晶石晶胞中，共有32个O2-16个Al3+8个Mg2+含有8个分子MA。
32个O2-作立方密堆时，可形成64个四面体空隙，32个八面体空隙，8个Mg2+填充1/8四面体空隙,6个Al3+填充1/2八面体空隙，结构中存在较多空位。
如果16个Al3+中有8个Al3+占据8个四面体空隙，另8个Al3+与8个Mg2+占据16个八面体空隙，形成的结构称反尖晶石结构，通式B(AB)O4。
尖晶石铁氧体的晶体结构以及基本特性
铁氧体晶体结构分类：
（1）尖
晶石：AB2O4，主要有NiZn和MnZn。A：四面 体位置；B：八面体位置。
（2）磁铅石：MFe12O19，M2+：二价金属离子。 主要有BaFe12O19 和SrFe12O19 （3）石榴石：R3Fe12O19，R3+：三价稀土金属离 子
Crystalline material: atoms self-organize in a periodic array Single crystal: atoms are in a repeating or periodic array over the entire extent of the material Polycrystalline material: comprised of many small crystals or grains
O2B位金属离子
B位置的120°三重旋转轴
三、 离子置换条件
1. 多元铁氧体：MeFe2O4→AxnABynBCznC- -O4 2. 正分置换条件:
① x+y+z+ --- = 3（阳离子总数） ② x nA+y nB+z nC = 8 (电价平衡，必要条件） 3. 离子取代过程可能出现情况： (1) 阳离子总数<3。 例如 ：r-Fe2O3 →Fe8 / 3O4→Fe8/3 Ž1/3O4
Amorphous: lacks a systematic atomic arrangement Crystalline Amorphous
一、 单位晶胞
结构
1、面心立方结构，以O2-为骨架构成面立方心， 以 [111] 轴为密堆积方向，重复按ABC、 ABC……，其它金属离子在O2-构成的空隙中。
高中化学竞赛辅导课件：晶体结构
六 晶体结构
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4
晶体结构和类型 金属晶体 离子晶体 典型例题
§6.1 晶体结构和类型
6.1.1 晶体结构的特征与晶格理论 6.1.2 球的密堆积 6.1.3 晶体类型
6.1.1 晶体结构的特征与晶格理论
晶胞：晶体的最小重复单元，通过晶
B A
C D
E
F
G
H
F （0，0，0） 体心 （1/2，1/2，1/2）
G（0，0，0） 下面心（1/2，1/2，0） H（0，0，0） 右面心（1/2，0，1/2）
3. 晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶 胞中的相对位置（原子坐标）。
按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。
晶系
边长
夹角
晶体实例
立方晶系 三方晶系 四方晶系 六方晶系 正交晶系 单斜晶系 三斜晶系
NaCl
Al2O3 SnO2 AgI HgCl2 KClO3 CuSO4·5H2O
按带心型式分类，将七大晶系分为14种
型式。例如，立方晶系分为简单立方、体心
立方和面心立方三种型式。
七大晶系
14类 空间点阵
6.1.2 晶体结构的密堆积原理
所谓密堆积结构是指在由无方向性的 金属键力、离子键力及范德华力等结合力 的晶体中, 原子、离子或分子等微粒总是倾 向于采取相互配位数高、能充分利用空间 的堆积密度大的那些结构。这样的结构由 于充分利用了空间, 从而使体系的势能尽可 能降低, 使体系稳定。这就是密堆积原理。
V圆球
2
4 r3 3
A2堆积的空间利用率为：
V圆球 V晶胞
2 4 r3 3
64 r3
尖晶石晶体结构
尖晶石晶体结构
尖晶石晶体结构是一种典型的石榴石型晶体结构，它具有高度的
对称性和稳定性，是一种广泛应用的工业材料。
尖晶石晶体结构的形成需要先了解晶体的形成过程，每个晶体都
是由多个原子或离子有序排列组成的。
而尖晶石晶体结构的形成则是
由主元素和镁、铝、铁、锰等过渡金属元素通过离子共价键结合而成。
这些元素的共价键结合不仅保持了材料的高硬度和抗腐蚀性，还使得
尖晶石晶体结构具有优异的热稳定性和电磁性能。
尖晶石晶体结构是由两种颜色不同的正二十面体（Tetrahedron）和正八面体（Octahedron）分别组成的。
其中，正二十面体的四个棱
角处处有一个土豆形的氧化离子被夹在两个主元素原子之间，正八面
体则由六个各向异性（Anisotropic）的地位不同的元素组成。
在尖晶石晶体结构中，保持了多种离子的对称性，使晶体整体具
有高对称性（常见的对称性是立方晶系，点群是Oh）。
各个元素在晶体中的位置、排布以及对称性，直接影响着晶体的机械、物理和化学
性质。
尖晶石晶体结构的形成，可以通过电子显微学和X射线衍射技术
来进行研究。
通过这些技术可以准确地了解尖晶石晶体结构中各个元
素的位置和排布规律，并进一步研究其物理、化学性质和应用领域。
总的来说，尖晶石晶体结构在材料科学、化学、物理、电子等领
域具有广泛的应用，其中最常见的就是各类电子元件、LED半导体材料、陶瓷材料等。
因为其具有高对称性和稳定性，在材料研发和应用中有
着重要的应用价值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料科学基础
第
2 章
2.3.9尖晶石型晶体结构分析
AB 2O 4的单位晶胞
24化学式
AB 2O 4A: 2价阳离子B: 3价阳离子
晶体结构
立方晶系Z=8
离子堆积情况
O 2-按立方紧密堆积排列，
A 2+填充八分之一四面体空隙，
B 3+填充二分之一八面体空隙
24
尖晶石晶体结构[AlO6]八面体
[MgO4]四面体
代表性物质
镁铝尖晶石
MgAl2O4
a0=0.808nm,
Z=8
有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
[AlO 6]八面体
[MgO 4]四面体
24[AlO 6]八面体
[MgO 4]四面体
[AlO 6]八面体
[MgO 4]四面体
共顶连接
共棱连接
彼此孤立通过八面体共顶连接
共顶连接
尖晶石晶体结构
(a)
(b)M 区
(c) N 区
Mg 2+
O 2-Mg 2+O 2-
At 3+24
反尖晶石
24 如果二价阳离子分布在八面体空隙中，而三价阳离子一半在四面体空隙中，另一半在八面体空隙中的尖晶石，称为反尖晶石。
性能与用途
①性能
②用途典型的磁性非金属材料，性能比磁性金属材料更优越。
具有强磁性，高电阻，低松弛损耗等特点
可做无线电、电视、电子装置的元件，计算机中做记忆元件，微波器中做永久磁石
24
尖晶石型结构晶体
氟、氰化物氧化物
硫化物BeLi 2F 4TiMg 2O 4ZnCr 2O 4ZnFe 2O 4MgAl 2O 4MnCr 2S 4MoNa 2F 4VMg 2O 4CdCr 2O 4CoCo 2O 4MnAl 2O 4CoCr 2S 4ZnK 2(CN)4MgV 2O 4ZnMn 2O 4CuCo 2O 4FeAl 2O 4FeCr 2S 4CdK 2(CN)4ZnV 2O 4MnMn 2O 4FeNi 2O 4MgGa 2O 4CoCr 2S 4MgK 2(CN)4
MgCr 2O 4MgFe 2O 4GeNi 2O 4CaGa 2O 4FeNi 2S 4
FeCr 2O 4
FeFe 2O 4
TiZn 2O 4
MgIn 2O 4
AB 2O 4型无机化合物（尖晶石）的晶体结构
MgAl2O4性能与用途
①性能
②用途硬度较大，莫氏硬度为8级，熔点为2105℃，ρ=3.55g/cm3，化学性质较稳定，热稳定性好（热膨胀系数小，为7.6×10-6）
镁铝尖晶石是用途很广泛的优良耐高温材料
24
Al-O键与Mg-O离子结合键强
24
在镁铝尖晶石结构中，在一个氧离子周围，有一个镁离子和三个铝离子，由静电价规则：
由此可见，氧离子的电价是饱和的。