常见九种典型的晶体结构.ppt

,常见九种典型的晶体结构,1 金属单质结构,2 氯化铯结构,3 CaI2结构,4 萤石结构,5 食盐结构,6 闪锌矿结构,7 金刚石结构,8 钙钛矿结构,9 层状硅酸盐结构,1 金属单质结构,(1) 立方面心结构：空间群：Fm3m, 相当于等大球立方最紧密堆积。,属于该结构的物质主要有：铝、铜、金、银、铂、铅等单质。,(2) 六方结构：空间群：P63/mmc，相当于等大球六方最紧密堆积。,属于该结构的物质主要有：Os、Ru、Re、Zn等单质。,(3) 立方体心结构：空间群：Im3m，为非最紧密堆积方式。,属于该结构的物质主要有：T、V、W、La、Ce、Pr、Nd、Yb、Eu、Ti、U、Ba、Sr、K、Na、Ca、Mg等单质。,值得指出的是，部分元素的单质可以在不同条件下形成不同的结构，或者可以有不同的结构状态共存。 如单质铁： -铁（Iron-alpha） -（奥氏体） -立方体心 -铁（Iron-gama） -（马氏体）-立方面心 -铁（Iron- Epsilon） -六方结构,2 氯化铯(CsCl)结构,空间群：Pm3m，立方原始格子。,阴离子分布在晶胞的8个角顶，阳离子充填在其所形成的立方体空隙中。立方体共面连接。,具有该结构的物质主要有：KCl, NaCl, TiCl, RbF, CsN, NbN, NbO, AgI, TiTh等物质。,3 CaI2结构,空间群：P-3m，三方原始格子。,因此，该结构也可以理解为：阴离子做六方最紧密堆积，阳离子填充在间隔一层的全部八面体空隙中。,具有该种结构的物质主要有： VCl2, PbI2, GeI2, PtO2, ToBr2, RhTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2, SnS2, MnI2, NiTe2, PdTe2, PtS2, CdI2, MgI2, CaI2, CoBr2, FeBr2, FeI2, ZrS2, ZrSe2, MnBr2等。 具有反CaI2结构的物质有： Ag2F，B2O， Ni2C,4 萤石结构,空间群：Fm3m，立方面心结构。 Ca分布于晶胞的角顶及面心；F分布在晶胞8等分 之后每个小立方体的中心。,萤石结构可以理解为：Ca2+ 做立方最紧密堆积，F-充填在其中全部的四面体孔隙中。N个球最紧密堆积有2N个四面体空隙，所以Ca:F= 1:2，故得其分子式为CaF2。,萤石晶胞中存在平行于（111）面的离子堆积层，因此，萤石具有111完全解理。,阳离子配位四面体的连接：共棱联结形成的萤石结构。晶胞中由8个 FCa4共棱连接而成，而且四面体的每根棱都被共用了。,阴离子配位立方体：全部共棱形成萤石结构。 CaF8配位立方体沿3维方向相间排列而成。,反萤石型结构,球键图 阳离子四面体配位 阴离子立方体配位,反萤石型结构可看作：阴离子做立方最紧密堆积，阳离子充填在全部的四面体空隙中。,5 石盐结构,空间群：Fm3m，立方面心格子。,具有NaCl型结构的部分物质。,表9.4 与石盐等结构的物质,(111),(200),(220),6 闪锌矿结构,空间群 F-43m，立方面心格子。 Zn分布于晶胞的角顶及面心。如果把晶胞8等分，S分布于间隔的小立方体的中心。,闪锌矿的晶体结构：球键图(左)、配位多面体连接图(右),结构中，S2- 和Zn2+配位数都是4，配位多面体都是四面体。四面体共角顶相联。,从图可看出，SZn4四面体（ZnS4 四面体也是一样）共角顶联成的四面体基元层与111方向垂直。,由于S2-和Zn2+都呈配位四面体，所以闪锌矿只用一种配位多面体结构形式表达(S和Zn互换是一样的)。 如果将闪锌矿结构中的Zn和S都变成C，则结构变成金刚石结构（Fd3m）。,具有闪锌矿型结构的物质,7 金刚石结构,等轴晶系，空间群Fd3m。立方面心结构。 金刚石的晶体结构中，碳原子分布在角顶和面心，以及把晶胞八等分之后，半数交替的小立方体中心。,金刚石的晶体结构可以看成是半数的C作立方最紧密堆积(蓝球)，另外一半C相间地充填在其中的四面体孔隙中(红球)而构成的。,该晶体是典型的原子晶体，每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成强的共价键，键长为0.155nm，键角为109 2816，即C的配位数4，配位多面体是四面体。碳碳配位四面体在三维空间共角顶相联，形成最坚强的晶体结构。,如果金刚石晶胞沿一个L3立起来，金刚石似乎显示出层状结构特征，虽然不是很特征，但金刚石的确平行111存在中等解理。,由于C-C键的键能大（347 kJ/mo），价电子都参与了共价键的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达3550 。,金刚石及其等结构物质比较,8 钙钛矿结构,空间群：Pm3m，立方面心结构。 Ca-角顶，O-面心， Ti-体心。,TiO6八面体共角顶连接，Ca填充在其间的空隙中，Ca为12次配位。,5) 具有钙钛矿结构的物质,更有意义的是具有钙钛矿衍生结构的物质,如PbTiO3,(1) Pb-O键 长不相等。 中间的4个为2.80A，下面的4个为2.51A， 上面的4个为3.24A,(2) TiO6八面体中，Ti亦不在中心位置。,以上两个原因导致晶体的对称降低，由原来的立方原始格子降低为四方原始格子。空间群Pm3m P4mm。从而晶体具有了极性(具有极轴)，这是导致其铁电性的最根本原因。,（Spinel），AB2O4 (MgAl2O4) 空间群Fd3m。立方面心结构。,8 尖晶石结构,Mg: 8a: 0.5 0.5 0.5 Al: 16d: 0.125 0.125 0.125 O: 32e: 0.264 0.264 0.264,结构中，O2-作立方最紧密堆积，阳离子A(二价)占据1/8的四面体空隙，AO4四面体在结构中间隔地成层分布，在同一层内，临近的四面体的顶点相互反向；,阳离子B(三价)占据1/2的八面体空隙，形成BO6 八面体，BO6八面体亦成层分布。间隔性地，一个层的八面体全部被占据，一个层的半数八面体被占据，后者和AO4四面体同层。 在111方向，由BO6八面体单纯构成的层与由AO4四面体和BO6八面体共同组成的层交替排列形成了尖晶石结构。,尖晶石通式是A2B32O4，表示二价阳离子A占据了晶胞四面体空隙，三价阳离子B占据八面体空隙，此即尖晶石结构，代表是尖晶石（MgAl2O4）。 当结构中的四面体空隙被B3占据，而八面体空隙则被B3和A2各占一半，即有分子式B3(A2B3)2O4时，这种结构叫做反尖晶石结构，代表物质磁铁矿 （Fe3(Fe2Fe3)2O4）。 当结构中四、八面体孔隙被A2和B3无序占据时，叫混合尖晶石结构，代表晶相是镁铁矿（Fe, Mg)3O4。,具有尖晶石型结构的部分物质,LiMn2O4锂电材料,9 层状硅酸盐结构,四面体层（T）和八面体层（O） T层 SiO4共3个角顶成六方网层，第4个角顶(活性氧)朝向同一方向；在六方网孔中心、与活性氧同高度处存在一个OH。,半径1.3A,O层 两个T层活性氧相向、错开一定距离做紧密堆积，阳离子充填八面体孔隙，形成O层。 或：一边是T层的顶点氧和羟基，另一边为一层羟基。,三八面体型结构和二八面体型结构 当每个六方网孔下的3个八面体空隙（一共是 -6价）被三个（二价）阳离子充填时，整个结构称作三八面体型结构；当3个八面体空隙被两个（三价）阳离子充填时，则结构称作二八面体型结构。,三八面体结构的O层,每个配位离子被三个八面体共用，分给每个八面体阳离子-1/3价，6个总和为-2价。因此每个八面体样子只能为+2价。,每个配位离子被两个八面体共用，分给每个八面体样子-1/2价电荷，6个共-3价，因此八面体阳离子为+3价。,二八面体结构的O层,结构单元层及基本类型 T层和O层的不同堆积方式构成了层状结构硅酸盐的结构单元层： 11型（TO型）：1层T层和1层O层，代表矿物是高岭石。 21型（TOT型）：2层T层夹1层O层，代表矿物是滑石。,层间域 结构单元层之间的空间叫层间域。层间域可以完全空置，也可以被其它物质充填，如离子，分子，水和有机物等。,滑石结构 云母结构,高岭石(kaolinite) 八面体阳离子在每层占据同样的位置。,7.17-7.20A,0.00,0.65,2.22,3.37,4.30,7.17,按实际离子半径得到的1:1层型结构,7.17-7.20A,实际上高岭石的层间域是没有空隙的。,八面体表面离子分布：,四面体片层间的表面离子分布,实际高岭土的片状颗粒：宽2，厚0.1-0.2。 注意上下层面的离子分布及特征。,蒙皂石族(Smectite),15A蒙皂石,Ca2+携带大量水分子,15A,5.5-6A,Ca2+携带大量水分子,层电荷的来源,(1) 来源于四面体片的Al-Si替代。这时，与配平电荷的层间阳离子距离较近，称之为“近电”。 记为 Xt,(2) 来源于八面体片的Mg-Al替代。这时，于配平电荷的层间阳离子距离较远，称之为“远电”。 记为 Xo,层电荷的分布,在晶胞所示范围内，每个单面只有-0.33价的电荷。 平均每个基底氧携带电荷约为-0.055价。,天然蒙皂石的层间主要为Ca2+，要达到电荷平衡，1个Ca2+要配平约3个晶胞的