第三章 晶体结构与缺陷
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第三章
晶体结构与缺陷
第三章 晶体结构与缺陷
固体材料的电学性能、 力学性能和化学性能等，以及工艺加工性能取决于其 微观的化学成分、组织和结构，化学成分不同的材料具有不同的性能，而相同成 分的材料经不同处理使其具有不同的组织、结构时，也将具有不同的性能。而在 化学成分、组织和结构中，晶体结构又是最关键的因素。因此，要正确地选择性 能符合要求的材料或研制具有更好性能的材料，首先要熟悉和控制其晶体结构。
(a) 四面体共顶
(b) 四面体共棱
(c) 四面体共面
(d) 八面体共顶
(e) 八面体共棱
(f) 八面体共面
图 3-15
四面体或八面体相互连接情况
在晶体结构中，每个配位多面体以共顶、共棱、共面方式连接时，结构和稳 定性依次降低。其原因在于，共棱，特别是共面连接（图 3-15） ，使两个多面体 的中心正离子之间的距离缩短，正离子之间的斥力很大，造成结构不稳定。 (4) 第四规则 在一个含有多种阳离子的晶体中， 电价高而配位数小的那些阳离子所形成的 配位多面体不倾向于相互直接连接。高价、低配位数的阳离子配位多面体通过其 他阳离子配位多面体连接而被隔开，有利于结构稳定性。 (5) 第五规则 在一个晶体结构中，本质不同的结构组元的种类，倾向于最少。也就是说，
7
第三章
晶体结构与缺陷
在一个晶体结构中， 晶体化学性质相似的不同离子，将尽可能采取相同的配位方 式，使本质不同的结构组元的数目尽可能少。 二、典型的晶体结构 1. AX 型结构 AX 型结构主要有 CsCl、NaCl、ZnS、NiAs 等类型的结构，其键性主要是离 子键，其中 CsCl、NaCl 是典型的离子晶体，NaCl 晶体是一种透红外材料，ZnS 带有一定的共价键成分，是一种半导体材料，NiAs 晶体的性质接近于金属。 (1) CsCl 结构：属立方晶系。结构中正负离子作简单立方堆积，配位数均为 8。可看作正负离子各一套简立方格子沿晶胞体对角线平移 1/2 周期套构而成。
3
第三章
晶体结构与缺陷
图 3-8
面心立方晶体中间隙的刚球模型
利用几何关系可求出 3 种晶体结构中四面体和八面体间隙的数目和尺寸大 小，计算结果如表 3-2 所示。
表 3-2 晶体结构 FCC BCC HCP
三类晶体结构中的间隙 四面体间隙 rB/rA 0.414 0.155 0.414 间隙数目 8 12 12 rB/rA 0.225 0.291 0.225
图 3-22
CdI2 晶体结构
3. A2X3 型结构 A2X3 型化合物晶体结构比较复杂， 其中有代表性的结构有刚玉 （Corundum） 型结构，稀土 A、B、C 型结构等。 -Al2O3（刚玉）结构：三方晶系。O2-按六方密积排列（ABABAB） ，而 Al3+ 填充于 2/3 八面体空隙。填充方式如图 3-23 所示。
图 3-1 (a) 刚球模型
面心立方结构 (c) 晶胞中原子数示意图
(b) 质点模型
图 3-2 (a) 刚球模型
体心立方结构 (c) 晶胞中原子数示意图
(b) 质点模型
1
第三章
晶体结构与缺陷
图 3-3 (a) 刚球模型
密排六方结构 (c) 晶胞中原子数示意图
(b) 质点模型
若将金属原子看作刚性球，这三种晶体结构的晶胞和晶体学特点分别如图 3-1、3-2、3-3 所示。这几种不同的晶体结构的特点总结于表 3-1。
八面体间隙 间隙数目 4 6 6
二、非金属元素单质的晶体结构 1. 惰性气体元素的晶体 惰性气体在低温下形成的晶体为面心立方结构或密排六方结构。 由于惰性气 体原子外层为满电子构型， 它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠微 弱的没有方向性的范德华力直接凝聚成最紧密堆积的分子晶体。 2. 单质碳的晶体结构 (1) 富勒烯结构
图 3-9
C60 分子图
4
图 3-10
C60 的(001)晶面结构模型
第三章
晶体结构与缺陷
(2) 碳纳米管
图 3-11
多壁与单壁碳纳米管
(3) 石墨烯
图 3-12
石墨烯
(4) 石墨
图 3-13 (4) 金刚石
石墨的结构
图 3-14
金刚石的结构
5
第三章
晶体结构与缺陷
§3－2
无机化合物的晶体结构
一、离子晶体结构的构成规则 晶体的性质是由晶体的结构决定的，结构发生了变化，性质必然随之发生变 化。但是，晶体的结构与晶体的化学组成之间又存在着密切的内在关系，因为质 点化学组成的改变，意味着质点在本质上存在着差异，从而在结构中的排列、结 合的方式也就发生了变化。 1. 哥希米德定律 哥希米德（Goldschmidt）在研究晶体结构时，综合考虑了影响晶体结构的 因素，提出了哥希米德定律，即晶体的结构取决于其组成质点的数量关系、大小 关系和极化性能， 常称为结晶化学定律。它定性地概括了影响晶体结构的 3 个主 要因素： (1) 物质的化学式类型不同，常会得到不同的晶体结构。 如很多 AX 型物质具有 NaCl 型结构，A2X3 型物质为刚玉结构等。由相同的 阴、阳离子构成的 TiO2 和 Ti2O3，由于数量关系不同，前者为金红石型结构，而 后者为刚玉型结构。 (2) 晶体中质点大小不同，反映了离子半径比值不同，因而配位数和晶体结 构也不同。 例如 CsCl、NaCl 阴阳离子的半径比值不同，最终形成的离子晶体的结构分 别为 CsCl 型结构、NaCl 型结构。 (3) 晶体中组成质点的极化性能不同，反映了各离子的极化率不同，则晶 体结构也不相同。 在离子晶体中，一般情况是阴离子半径较大，易于变形而被极化，主极化能 力较低。阳离子半径相对较小，当电价较高时其主极化作用大，而被极化程度较 低。由于离子极化，使阴、阳离子之间的距离变短，一般使得离子配位数降低。 例如在卤化银晶体中，AgCl、AgBr 都具有 NaCl 型结构，而 AgI 中 I-的极化率 非常高，使电子云变形严重，最终结构为立方 ZnS 型结构。 2. 泡林规则 泡林 （Pauling） 在结晶化学定律的基础上， 对离子晶体的结构进行归纳总结，
2 = 0.740 6
晶胞的大小一般是由晶胞的边长（a、b、c）即晶格常数衡量的，它是表征 晶体结构的一个重要基本参数。晶体的晶格常数主要是通过 X 射线衍射分析求 得。 不同晶体可以有相同的点阵类型，但各元素由于电子结构及其所决定的原子 间结合情况的不同，因而具有各不相同的晶格常数，且随温度的不同而变化。 在几种晶格结构中， 面心立方和密排六方具有更高的堆积密度，故称为最紧 密堆积。 但即便如此， 从晶格中原子排列的刚球模型和对致密度的分析可以看出，
2
第三章
晶体结构与缺陷
在晶体结构中仍然存在许多间隙，这种间隙对金属的性能、合金相结构和扩散、 相变等都有重要影响。
图 3-4
面心立方点阵中的间隙
图 3-5
体心立方点阵中的间隙
图 3-7
密排六方点阵中的间隙
图 3-5、3-6、3-7 为三种典型晶体结构的间隙位置示意图。其中位于 6 个原 子所组成的八面体中间的间隙称为八面体间隙， 而位于 4 个原子所组成的四面体 中间的间隙称为四面体间隙。图中实心球代表金属原子，设其半径为 rA，空心圆 圈代表间隙，假如在此位置有外来原子，设最大的外来原子半径为 rB。图 3-8 给 出在在面心立方的八面体间隙和四面体间隙中存在外来粒子时的情况。
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第三章
晶体结构与缺陷
-Al2O3 中 Al3+的 3 种不同排布方式
晶面排列：OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlF 图 3-23 刚玉结构
4. 含有两种阳离子的多元素化合物 (1) FeTiO3（钛铁矿）结构：属三方晶系，其结构可以通过刚玉结构衍生而 来，如图 3-24 所示。将刚玉结构中的 2 个 3 价阳离子用 2 价和 4 价或 1 价和 5 价阳离子置换便形成钛铁矿结构。这种置换又有两种方式：第一种置换方式是： 置换后的 Fe 层和 Ti 层交替排列构成钛铁矿结构，属于这种结构的化合物有 MgTiO3、MnTiO3、FeTiO3、CoTiO3、LiTaO3 等；第二种置换方式是：置换后在 同一层内 1 价和 5 价离子共存，形成 LiNbO3 或 LiSbO3 结构。
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第三章
晶体结构与缺陷
提出了 5 条规则。 (1) 第一规则 围绕第一个阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阳离子处于中心位置，阴 离子处于多面体的顶角；阴、阳离子的间距决定于它们的半径之和，阳离子的配 位数则取决于它们的半径之比，与离子的价数无关。这就是泡林第一规则，也称 多面体规则。 如果阴离子作紧密堆积， 则阳离子处于四面体空隙或八面体空隙中， 当正、 负离子之间正好相互接触时，从几何关系上可以计算出四面体配位和八面 体配位时的正、负离子半径比。 (2) 第二规则 在稳定的离子晶体结构中， 一个阴离子从所有相邻接的阳离子分配给该阴离 子的静电键强度的总和，等于阴离子的电荷数。例如，在 CaF2 晶体结构中，Ca2+ 的配位数为 8，则 Ca2+分配给每个配位 F-的静电键强度为 S=2/8=1/4。F-的电荷 数为 1，因此，每个 F-周围应该有 4 个 Ca2+。 (3) 第三规则
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第三章
晶体结构与缺陷
图 3-18
闪锌矿结构
(4) -ZnS（纤锌矿）结构：属六方晶系，S2-作六方最紧密堆积，Zn2+占据四 面体空隙的 1/2，四面体共顶连接。正负离子的配位数为 4。
图 3-19 2. AX2 型结构
纤锌矿结构
AX2 型结构主要有萤石型、金红石型和方石英型结构。其中 CaF2 为激光基 质材料， 在玻璃工业中常作为助熔剂和晶核剂， 在水泥工业中常用作矿化剂。 TiO2 为集成光学棱镜材料，SiO2 为光学材料和压电材料。AX2 型结构中还有一种层型 的 CdI2 和 CdCl2 型结构，这种材料可作固体润滑剂。 (1) CaF2 （萤石） 结构： 属立方晶系。 Ca2+位于立方晶胞的顶点及面心位置， 形成面心立方堆积，F-填充在八个小立方体的体心。Ca2+的配位数是 8，形成立 方配位多面体[CaF8]。F-的配位数是 4，形成[FCa4]四面体，F-占据 Ca2+离子堆积 形成的四面体空隙的 100%。Ca2+占据 F-作简单立方堆积立方体空隙的一半。
图 3-16
CsCl 型结构
(2) NaCl 结构：属立方晶系。结构中 Cl-离子作面心立方最紧密堆积，Na+ 离子填充 100%的八面体空隙。两种离子的配位数均为 6。八面体间共棱连接。 整个晶胞由正负离子形成的面心立方格子沿棱方向平移 1/2 周期套构而成。
图 3-17
NaCl 结构
(3) -ZnS（闪锌矿，Zincblende）结构：属立方晶系，其结构与金刚石结构 相似。S2-离子作面心立方堆积，Zn2+占据四面体空隙的 1/2。四面体共顶连接。 整个结构由两个面心立方格子沿体对角线方向平移 1/4 周期套构而成。正负离子 的配位数为 4。
§3－1
单质的晶体结构
一、金属的晶体结构 典型金属晶体中的原子间的结合键是金属键。 由于金属键没有方向性和饱和 性，使大多数金属都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的金属晶 体结构有 3 种，它们是面心立方结构（Face-centered cubic，FCC） 、体心立方结 构 （Body-centered cubic， BCC） 和密排六方结构 （Hexagonal close-packed， HCP） 。
图 3-20
萤石结构
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第三章
晶体结构与缺陷
(2) TiO2 （金红石） 结构： 属四方晶系。 结构中 O2-作变形的六方最紧密堆积， Ti4+填充八面体空隙的 1/2。Ti4+的配位数是 6，形成[TiO6]八面体，O2-的配位数 是 3。
图 3-21
金红石结构
(3) CdI2（碘化镉）结构：三方晶系。I-离子在结构中按变形的六方最紧密堆 积排列，Cd2+离子相间成层地填充于 1/2 的八面体空隙中，形成了平行于(0001) 面的层型结构。每层含有 2 片 I-离子，1 片 Cd2+离子。层内化学键带有明显的共 介键成分。层间通过分子间力结合。 常见的 CdI2 型结构的层状晶体是 Mg(OH)2、Ca(OH)2 等晶体。
表 3-1 金属晶体结构的性能特点 面心立方 晶胞中的原子个数 晶格常数(晶胞尺寸) 原子最近邻距 4 a 体心立方 2 a 密排六方 6 a、c c/a=1.633 a
1 a 2
2 a 2 2 a 4
12
3 a 2 3 a 4
8
原子半径 配位数 致密度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
12
2 = 0.740 6
3 = 0.680 8
晶体结构与缺陷
第三章 晶体结构与缺陷
固体材料的电学性能、 力学性能和化学性能等，以及工艺加工性能取决于其 微观的化学成分、组织和结构，化学成分不同的材料具有不同的性能，而相同成 分的材料经不同处理使其具有不同的组织、结构时，也将具有不同的性能。而在 化学成分、组织和结构中，晶体结构又是最关键的因素。因此，要正确地选择性 能符合要求的材料或研制具有更好性能的材料，首先要熟悉和控制其晶体结构。
(a) 四面体共顶
(b) 四面体共棱
(c) 四面体共面
(d) 八面体共顶
(e) 八面体共棱
(f) 八面体共面
图 3-15
四面体或八面体相互连接情况
在晶体结构中，每个配位多面体以共顶、共棱、共面方式连接时，结构和稳 定性依次降低。其原因在于，共棱，特别是共面连接（图 3-15） ，使两个多面体 的中心正离子之间的距离缩短，正离子之间的斥力很大，造成结构不稳定。 (4) 第四规则 在一个含有多种阳离子的晶体中， 电价高而配位数小的那些阳离子所形成的 配位多面体不倾向于相互直接连接。高价、低配位数的阳离子配位多面体通过其 他阳离子配位多面体连接而被隔开，有利于结构稳定性。 (5) 第五规则 在一个晶体结构中，本质不同的结构组元的种类，倾向于最少。也就是说，
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在一个晶体结构中， 晶体化学性质相似的不同离子，将尽可能采取相同的配位方 式，使本质不同的结构组元的数目尽可能少。 二、典型的晶体结构 1. AX 型结构 AX 型结构主要有 CsCl、NaCl、ZnS、NiAs 等类型的结构，其键性主要是离 子键，其中 CsCl、NaCl 是典型的离子晶体，NaCl 晶体是一种透红外材料，ZnS 带有一定的共价键成分，是一种半导体材料，NiAs 晶体的性质接近于金属。 (1) CsCl 结构：属立方晶系。结构中正负离子作简单立方堆积，配位数均为 8。可看作正负离子各一套简立方格子沿晶胞体对角线平移 1/2 周期套构而成。
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图 3-8
面心立方晶体中间隙的刚球模型
利用几何关系可求出 3 种晶体结构中四面体和八面体间隙的数目和尺寸大 小，计算结果如表 3-2 所示。
表 3-2 晶体结构 FCC BCC HCP
三类晶体结构中的间隙 四面体间隙 rB/rA 0.414 0.155 0.414 间隙数目 8 12 12 rB/rA 0.225 0.291 0.225
图 3-22
CdI2 晶体结构
3. A2X3 型结构 A2X3 型化合物晶体结构比较复杂， 其中有代表性的结构有刚玉 （Corundum） 型结构，稀土 A、B、C 型结构等。 -Al2O3（刚玉）结构：三方晶系。O2-按六方密积排列（ABABAB） ，而 Al3+ 填充于 2/3 八面体空隙。填充方式如图 3-23 所示。
图 3-1 (a) 刚球模型
面心立方结构 (c) 晶胞中原子数示意图
(b) 质点模型
图 3-2 (a) 刚球模型
体心立方结构 (c) 晶胞中原子数示意图
(b) 质点模型
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晶体结构与缺陷
图 3-3 (a) 刚球模型
密排六方结构 (c) 晶胞中原子数示意图
(b) 质点模型
若将金属原子看作刚性球，这三种晶体结构的晶胞和晶体学特点分别如图 3-1、3-2、3-3 所示。这几种不同的晶体结构的特点总结于表 3-1。
八面体间隙 间隙数目 4 6 6
二、非金属元素单质的晶体结构 1. 惰性气体元素的晶体 惰性气体在低温下形成的晶体为面心立方结构或密排六方结构。 由于惰性气 体原子外层为满电子构型， 它们之间并不形成化学键，低温时形成的晶体是靠微 弱的没有方向性的范德华力直接凝聚成最紧密堆积的分子晶体。 2. 单质碳的晶体结构 (1) 富勒烯结构
图 3-9
C60 分子图
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图 3-10
C60 的(001)晶面结构模型
第三章
晶体结构与缺陷
(2) 碳纳米管
图 3-11
多壁与单壁碳纳米管
(3) 石墨烯
图 3-12
石墨烯
(4) 石墨
图 3-13 (4) 金刚石
石墨的结构
图 3-14
金刚石的结构
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§3－2
无机化合物的晶体结构
一、离子晶体结构的构成规则 晶体的性质是由晶体的结构决定的，结构发生了变化，性质必然随之发生变 化。但是，晶体的结构与晶体的化学组成之间又存在着密切的内在关系，因为质 点化学组成的改变，意味着质点在本质上存在着差异，从而在结构中的排列、结 合的方式也就发生了变化。 1. 哥希米德定律 哥希米德（Goldschmidt）在研究晶体结构时，综合考虑了影响晶体结构的 因素，提出了哥希米德定律，即晶体的结构取决于其组成质点的数量关系、大小 关系和极化性能， 常称为结晶化学定律。它定性地概括了影响晶体结构的 3 个主 要因素： (1) 物质的化学式类型不同，常会得到不同的晶体结构。 如很多 AX 型物质具有 NaCl 型结构，A2X3 型物质为刚玉结构等。由相同的 阴、阳离子构成的 TiO2 和 Ti2O3，由于数量关系不同，前者为金红石型结构，而 后者为刚玉型结构。 (2) 晶体中质点大小不同，反映了离子半径比值不同，因而配位数和晶体结 构也不同。 例如 CsCl、NaCl 阴阳离子的半径比值不同，最终形成的离子晶体的结构分 别为 CsCl 型结构、NaCl 型结构。 (3) 晶体中组成质点的极化性能不同，反映了各离子的极化率不同，则晶 体结构也不相同。 在离子晶体中，一般情况是阴离子半径较大，易于变形而被极化，主极化能 力较低。阳离子半径相对较小，当电价较高时其主极化作用大，而被极化程度较 低。由于离子极化，使阴、阳离子之间的距离变短，一般使得离子配位数降低。 例如在卤化银晶体中，AgCl、AgBr 都具有 NaCl 型结构，而 AgI 中 I-的极化率 非常高，使电子云变形严重，最终结构为立方 ZnS 型结构。 2. 泡林规则 泡林 （Pauling） 在结晶化学定律的基础上， 对离子晶体的结构进行归纳总结，
2 = 0.740 6
晶胞的大小一般是由晶胞的边长（a、b、c）即晶格常数衡量的，它是表征 晶体结构的一个重要基本参数。晶体的晶格常数主要是通过 X 射线衍射分析求 得。 不同晶体可以有相同的点阵类型，但各元素由于电子结构及其所决定的原子 间结合情况的不同，因而具有各不相同的晶格常数，且随温度的不同而变化。 在几种晶格结构中， 面心立方和密排六方具有更高的堆积密度，故称为最紧 密堆积。 但即便如此， 从晶格中原子排列的刚球模型和对致密度的分析可以看出，
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晶体结构与缺陷
在晶体结构中仍然存在许多间隙，这种间隙对金属的性能、合金相结构和扩散、 相变等都有重要影响。
图 3-4
面心立方点阵中的间隙
图 3-5
体心立方点阵中的间隙
图 3-7
密排六方点阵中的间隙
图 3-5、3-6、3-7 为三种典型晶体结构的间隙位置示意图。其中位于 6 个原 子所组成的八面体中间的间隙称为八面体间隙， 而位于 4 个原子所组成的四面体 中间的间隙称为四面体间隙。图中实心球代表金属原子，设其半径为 rA，空心圆 圈代表间隙，假如在此位置有外来原子，设最大的外来原子半径为 rB。图 3-8 给 出在在面心立方的八面体间隙和四面体间隙中存在外来粒子时的情况。
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晶体结构与缺陷
-Al2O3 中 Al3+的 3 种不同排布方式
晶面排列：OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlF 图 3-23 刚玉结构
4. 含有两种阳离子的多元素化合物 (1) FeTiO3（钛铁矿）结构：属三方晶系，其结构可以通过刚玉结构衍生而 来，如图 3-24 所示。将刚玉结构中的 2 个 3 价阳离子用 2 价和 4 价或 1 价和 5 价阳离子置换便形成钛铁矿结构。这种置换又有两种方式：第一种置换方式是： 置换后的 Fe 层和 Ti 层交替排列构成钛铁矿结构，属于这种结构的化合物有 MgTiO3、MnTiO3、FeTiO3、CoTiO3、LiTaO3 等；第二种置换方式是：置换后在 同一层内 1 价和 5 价离子共存，形成 LiNbO3 或 LiSbO3 结构。
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晶体结构与缺陷
提出了 5 条规则。 (1) 第一规则 围绕第一个阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阳离子处于中心位置，阴 离子处于多面体的顶角；阴、阳离子的间距决定于它们的半径之和，阳离子的配 位数则取决于它们的半径之比，与离子的价数无关。这就是泡林第一规则，也称 多面体规则。 如果阴离子作紧密堆积， 则阳离子处于四面体空隙或八面体空隙中， 当正、 负离子之间正好相互接触时，从几何关系上可以计算出四面体配位和八面 体配位时的正、负离子半径比。 (2) 第二规则 在稳定的离子晶体结构中， 一个阴离子从所有相邻接的阳离子分配给该阴离 子的静电键强度的总和，等于阴离子的电荷数。例如，在 CaF2 晶体结构中，Ca2+ 的配位数为 8，则 Ca2+分配给每个配位 F-的静电键强度为 S=2/8=1/4。F-的电荷 数为 1，因此，每个 F-周围应该有 4 个 Ca2+。 (3) 第三规则
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图 3-18
闪锌矿结构
(4) -ZnS（纤锌矿）结构：属六方晶系，S2-作六方最紧密堆积，Zn2+占据四 面体空隙的 1/2，四面体共顶连接。正负离子的配位数为 4。
图 3-19 2. AX2 型结构
纤锌矿结构
AX2 型结构主要有萤石型、金红石型和方石英型结构。其中 CaF2 为激光基 质材料， 在玻璃工业中常作为助熔剂和晶核剂， 在水泥工业中常用作矿化剂。 TiO2 为集成光学棱镜材料，SiO2 为光学材料和压电材料。AX2 型结构中还有一种层型 的 CdI2 和 CdCl2 型结构，这种材料可作固体润滑剂。 (1) CaF2 （萤石） 结构： 属立方晶系。 Ca2+位于立方晶胞的顶点及面心位置， 形成面心立方堆积，F-填充在八个小立方体的体心。Ca2+的配位数是 8，形成立 方配位多面体[CaF8]。F-的配位数是 4，形成[FCa4]四面体，F-占据 Ca2+离子堆积 形成的四面体空隙的 100%。Ca2+占据 F-作简单立方堆积立方体空隙的一半。
图 3-16
CsCl 型结构
(2) NaCl 结构：属立方晶系。结构中 Cl-离子作面心立方最紧密堆积，Na+ 离子填充 100%的八面体空隙。两种离子的配位数均为 6。八面体间共棱连接。 整个晶胞由正负离子形成的面心立方格子沿棱方向平移 1/2 周期套构而成。
图 3-17
NaCl 结构
(3) -ZnS（闪锌矿，Zincblende）结构：属立方晶系，其结构与金刚石结构 相似。S2-离子作面心立方堆积，Zn2+占据四面体空隙的 1/2。四面体共顶连接。 整个结构由两个面心立方格子沿体对角线方向平移 1/4 周期套构而成。正负离子 的配位数为 4。
§3－1
单质的晶体结构
一、金属的晶体结构 典型金属晶体中的原子间的结合键是金属键。 由于金属键没有方向性和饱和 性，使大多数金属都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的金属晶 体结构有 3 种，它们是面心立方结构（Face-centered cubic，FCC） 、体心立方结 构 （Body-centered cubic， BCC） 和密排六方结构 （Hexagonal close-packed， HCP） 。
图 3-20
萤石结构
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(2) TiO2 （金红石） 结构： 属四方晶系。 结构中 O2-作变形的六方最紧密堆积， Ti4+填充八面体空隙的 1/2。Ti4+的配位数是 6，形成[TiO6]八面体，O2-的配位数 是 3。
图 3-21
金红石结构
(3) CdI2（碘化镉）结构：三方晶系。I-离子在结构中按变形的六方最紧密堆 积排列，Cd2+离子相间成层地填充于 1/2 的八面体空隙中，形成了平行于(0001) 面的层型结构。每层含有 2 片 I-离子，1 片 Cd2+离子。层内化学键带有明显的共 介键成分。层间通过分子间力结合。 常见的 CdI2 型结构的层状晶体是 Mg(OH)2、Ca(OH)2 等晶体。
表 3-1 金属晶体结构的性能特点 面心立方 晶胞中的原子个数 晶格常数(晶胞尺寸) 原子最近邻距 4 a 体心立方 2 a 密排六方 6 a、c c/a=1.633 a
1 a 2
2 a 2 2 a 4
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3 a 2 3 a 4
8
原子半径 配位数 致密度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
12
2 = 0.740 6
3 = 0.680 8