无机材料的晶体结构与缺陷

1、 2.1 晶态与非晶态晶态与非晶态 2.2 化学键和晶体的类型化学键和晶体的类型 2.3 等径球体密堆积等径球体密堆积 2.4 鲍林（鲍林（Pauling）规则）规则 2.5 无机材料典型晶体结构无机材料典型晶体结构 2.6 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 2.7 晶体结构的缺陷晶体结构的缺陷2.4鲍林（鲍林（PaulingPauling）规则）规则 多数无机材料属于离子晶体，是由正、负离子构成。由多数无机材料属于离子晶体，是由正、负离子构成。由于负离子半径一般较大，所以通常可认为负离子堆积形成于负离子半径一般较大，所以通常可认为负离子堆积形成配位多面体空隙，正离子处在负离子多面体空隙中

2、。配位多面体空隙，正离子处在负离子多面体空隙中。 鲍林规则概括总结了离子晶体中围绕正离子堆积的负离鲍林规则概括总结了离子晶体中围绕正离子堆积的负离子配位多面体的性质和相互连接规律。子配位多面体的性质和相互连接规律。 在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。子的半径比。 第一规则第一规则（负离子配位多面体规则负离子配位多面体规则）此规则指明了围绕着正离子的此规则指明了围绕着正离子的负子配位多

3、面体负子配位多面体的性质。的性质。 离子半径比离子半径比R R+ +/R/R- -与配位数的关系与配位数的关系 正离子正离子配位数配位数空隙（配位多空隙（配位多面体）构型面体）构型半径比半径比R+/R-示意图示意图2线性线性00.155 3三角形三角形0.1550.255 4四面体四面体0.2550.414 6八面体八面体0.4140.732 8立方体立方体0.7321.000 褐色褐色圆球圆球表示表示处于处于空隙空隙位置位置的正的正离子离子在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价电价Z等于或接近等于相邻各正离子至该负离子的等于或接近等于相邻各正离子

4、至该负离子的 静电强度静电强度S S的总和。的总和。 zsn静电键强度静电键强度:负离子的电价数负离子的电价数: 该规则指明了一个负离子与几个正离子相连该规则指明了一个负离子与几个正离子相连, 是关于是关于几个配位多面体公用一个顶点几个配位多面体公用一个顶点的规则。的规则。 此式对与负离子键此式对与负离子键连的所有正离求和。连的所有正离求和。第二规则第二规则（电价规则电价规则）Z+和和n+分别为正离分别为正离子的电价和配位数子的电价和配位数例例1：NaCl晶体晶体r+ / r- Na+-Cl-静电键强度静电键强度 s=1/6， 6个个Na+至至Cl-的诸键强之和的诸键强之和正正 好等于好等于

5、Cl-的电价数（的电价数（-1）。）。 = 0.54 Na+的配位数为的配位数为6，配位多面，配位多面体构型为八面体。体构型为八面体。1616iis 即每个即每个Cl-是是6个个 NaCI6 配位配位八面体的公共顶点。八面体的公共顶点。 例例2：CaF2晶体晶体 r+ / r-= 0.79 ， Ca2+离子的配位数为离子的配位数为8, 配位体构型为立方体。配位体构型为立方体。 Ca2+至至F-的静电键强度：的静电键强度：S= 2/8=1/4F-离子的电价数为离子的电价数为 -1，要求，要求有有4个个Ca2+与与F-配位，配位，即即F-是是4个配位立方体的顶点。个配位立方体的顶点。 例例3：硅酸

6、盐离子晶体中：硅酸盐离子晶体中，Si4+处于处于O2-离子的正四面体空隙中，配位数为离子的正四面体空隙中，配位数为4。r+ / r-= 0.29 ， Si4+-O2-的静电键的静电键 强度为强度为 4/4 = 1, O2- 电价为电价为 -2价，价，每个每个 O2-与与2个个Si4+键连。键连。 因此，在硅酸盐晶因此，在硅酸盐晶 体中，硅氧四面体体中，硅氧四面体 SiO4是是共顶连接共顶连接， 每个顶点每个顶点O2-为两个为两个 四面体所共有。四面体所共有。 2.5 无机材料典型晶体结构无机材料典型晶体结构(1) 岩盐岩盐(NaCl)型型 (AB 型型) Cl-作面心立方紧密积，作面心立方紧密

7、积，Na+填满所有的八面体空隙填满所有的八面体空隙（4个）（个）（r+ / r- = 0.54）; 正、负离子配位数比为正、负离子配位数比为6 6。1. 面心立方点阵构成的晶体结构面心立方点阵构成的晶体结构 属于属于NaCl型结构的化合物有：型结构的化合物有： （i）离子键型的碱金属卤化物、碱土金属氧化物和硫化物）离子键型的碱金属卤化物、碱土金属氧化物和硫化物; （ii）过渡键型的金属氧化物、硫化物及间隙型的碳化物和）过渡键型的金属氧化物、硫化物及间隙型的碳化物和 氮化物。氮化物。 如：如：NaCl、NaI、MgO、SrO、BaO、CdO、MnO、 CoO、NiO、TiN、ScN、LaN、Zr

8、N、CrN、TiC 该结构的化合物，多数具有熔点高、稳定性好等特点，该结构的化合物，多数具有熔点高、稳定性好等特点， 如：如：MgO的熔点为的熔点为2852，CaO的熔点为的熔点为2600， TiC的熔点为的熔点为3140。(2) 闪锌矿（立方或闪锌矿（立方或- ZnS）型）型S2-作面心立方紧密堆积，作面心立方紧密堆积，Zn2+离子相间占据其中离子相间占据其中1/2的四面体空隙。的四面体空隙。（ r+ / r- =0.40 ）正、负离子配位数比正、负离子配位数比4 4。(AB 型型)属于立方属于立方ZnS型结构的化合物有：型结构的化合物有：- ZnS 、- SiC、AIP、GaAS、InSb

9、、立方、立方-BN等。等。固体化学中的固体化学中的等电子规则等电子规则：价电子相同的化合物具有类似的结构。价电子相同的化合物具有类似的结构。举例：举例：和和族及族及族化合物族化合物 立方立方-BN 、AIP、GaAS、InSb、 - ZnS 、 - SiC。 组成这些化合物的组成这些化合物的原子的平均价电子数目原子的平均价电子数目与碳与碳 相同，应具有相同，应具有金刚石金刚石结构结构 (金刚石与立方金刚石与立方ZnS 型相同型相同, 碳原子占据锌离子和硫离子的位置碳原子占据锌离子和硫离子的位置)。(3) 萤石（萤石（CaF2）型）型(AB2 型型)Ca2+作面心立方紧密堆作面心立方紧密堆积，积

10、，F-占据所有的四面体占据所有的四面体空隙。空隙。Ca2+与与F-的配位数的配位数比比8 4。CaF2的结构也可看成是的结构也可看成是F-简单立方堆积简单立方堆积，Ca2+填填入入1/2的立方体空隙中。的立方体空隙中。（r+ / r- =0.79 ）。）。 Ca2+F- 属于属于CaF2型结构的化合物有：型结构的化合物有： CaF2，CeO2，UO2，ZrO2，HfO2，BaF2，PbF2 等。等。 CaF2型结构中，型结构中，Ca2+堆积堆积形成的八面体空隙都没有被占据，在形成的八面体空隙都没有被占据，在结构中结构中8个负离子之间就形成一个个负离子之间就形成一个“空洞空洞”，有利于形成负，有

11、利于形成负离子间隙，为负离子扩散迁移提供了条件。离子间隙，为负离子扩散迁移提供了条件。（4）尖晶石尖晶石（MgAl2O4）型）型尖晶石：尖晶石：MgAl2O4O2-离子面心立方堆积，离子面心立方堆积，Mg2+占据占据1/8四面体隙，四面体隙，Al3+占据占据1/2八面体隙。八面体隙。 （AB2O4型）型）尖晶石晶胞图尖晶石晶胞图每一个尖晶石晶胞含每一个尖晶石晶胞含32个个O2-， 8个个Mg2+和和16个个Al3+ ，即一个晶即一个晶胞中相当于含有胞中相当于含有8个个MgAl2O4 “分子分子”。 每个尖晶石晶胞含每个尖晶石晶胞含8个小立方体，每个小立方体含个小立方体，每个小立方体含4个个O2

12、- ，共，共32个个O2- 。32个个O2-堆积形成堆积形成64个四面个四面体空隙和体空隙和32个八面体空隙个八面体空隙(1 2 1)。Mg2+占据占据1/8四面体隙，四面体隙，Al3+占据占据1/2八面体隙。八面体隙。 AB2O4型中：型中： A和和B的总电价为的总电价为8。A为为二价金属，如：二价金属，如：Mg2+、Mn2+、Fe2+、Co2+、Zn2+、Ni2+等；等；B为为三价金属，如：三价金属，如：Al3+、Cr3+、Ga3+、Fe3+、Co3+等等正型尖晶石正型尖晶石：A2+都填充在四面体空隙中都填充在四面体空隙中(8个个)，B3+ 都填充在八面体空隙中都填充在八面体空隙中(16个

13、个) ，记作记作A2+tB3+B3+oO4 反型尖晶石：反型尖晶石：A2+ 占据在八面体空隙中占据在八面体空隙中(8个个)，B3+ 占据在八面体空隙中占据在八面体空隙中(8个个), 占据在四面体空隙中占据在四面体空隙中(8个个)。记作记作B3+tA2+B3+oO4 尖晶石结构尖晶石结构可分为正型和反型两类：可分为正型和反型两类： 正型尖晶石正型尖晶石:Mn3O4，可可表示为表示为Mn2+tMn3+Mn3+oO4 及及 FeAl2O4、ZnAl2O4、MnAl2O4等。等。反型尖晶石：反型尖晶石： Fe3O4 ，可表示为，可表示为 Fe3+tFe2+Fe3+oO4及及MgFe2O4 等。等。属于

14、尖晶石型结构的化合物还有：属于尖晶石型结构的化合物还有：A4+B22+O4型，如型，如 Co2+tSn4+Co2+oO4（反型尖晶石反型尖晶石）；）； A6+B1+2O4型，如型，如 Na2WO4、Na2MoO4，Na+占据八面体空隙，占据八面体空隙， W6+（或（或Mo6+）占据四面体空隙。）占据四面体空隙。W6+tNa+ Na+oO4 Mo6+tNa+ Na+oO4 （正型尖晶石正型尖晶石）缺位尖晶石：缺位尖晶石：如如-Al2O3 和和 -Fe2O3 -Al2O3 -Al2/3O -Al8/3O4 - Al2/33+ 1/3 tAl3+Al3+oO4 -Fe2O3 -Fe8/3O4 -Fe

15、24/9O4 - Fe8/93+ 1/9tFe16/93+ 2/9 oO4 （5）钙钛矿（）钙钛矿（CaTiO3）型结构）型结构(ABO3型型) O2-和半径较大的正离子和半径较大的正离子A（Ca2+）呈面心立方密）呈面心立方密堆积，半径较小的正离堆积，半径较小的正离子子B（Ti4+）占据其中）占据其中1/4的八面体空隙。的八面体空隙。14CaTiO3中，中，Ca2+、O2-、Ti4+的配位数分别为的配位数分别为12、6、6，O2-的配位多面体是的配位多面体是OCa4,Ti2,O2-的电荷数的电荷数Z- =(2/12)x4+(4/6)x2=2ABO3中：中： 若若 A为二价金属离子（为二价金属

16、离子（Ca2+、Ba2+、Pb2+等），等）， B为四价金属离子（为四价金属离子（Ti4+、Zr4+等）；等）； 若若 A为一价金属离子（为一价金属离子（K+、Na+等），等）， B则为五价金属离子（则为五价金属离子（Nb5+、Ta5+等）；等）； 若若 A为三价金属离子（为三价金属离子（Y3+、La3+等），等）， B则为三价金属离子（则为三价金属离子（Al3+、Fe3+等）。等）。氧化物氧化物(1+5)氧化物氧化物(2+4)氧化物氧化物(3+3)NaNbO3CaTiO3SrZrO3CaCeO3YAlO3KNbO3SrTiO3BaZrO3BaCeO3LaAlO3NaWO3BaTiO3PbZr

17、O3PbCeO3LaCrO3 NaTaO3PbTiO3CaSnO3BaPrO3LaMnO3 KTaO3CaZrO3BaSnO3BaHfO3LaFeO3具有钙钛矿型结构的主要晶体具有钙钛矿型结构的主要晶体 （6）金刚石的结构）金刚石的结构金刚石中碳金刚石中碳SP3杂化与另杂化与另外四个碳原子形成共价单外四个碳原子形成共价单键，呈正四面体配位。键，呈正四面体配位。其结构与立方其结构与立方ZnS相似，相似，只是将立方只是将立方ZnS中中Zn2+和和S2-全部改成全部改成C。金刚石属立方金刚石属立方ZnS型结构，型结构，晶胞中含晶胞中含8个碳原子。个碳原子。第第主族元素主族元素C、Si、Ge、Sn(灰

18、锡灰锡)都具有金刚石结构都具有金刚石结构2. 由密积六方点阵构成的晶体结构由密积六方点阵构成的晶体结构O2-离子作六方密堆积，离子作六方密堆积，Al3+占据占据其中其中2/3的八面体空隙。的八面体空隙。每一晶胞中有每一晶胞中有4个个Al3+进入进入6个八面个八面体空隙体空隙, 即用即用2个个Al3+占据占据3个空隙。个空隙。合理的分布是合理的分布是Al3+连续占据连续占据2个八个八面体空隙之后，有规则地让第面体空隙之后，有规则地让第3个个空隙空着，且沿着三维轴向都是空隙空着，且沿着三维轴向都是如此。如此。配位数比为配位数比为Al3+：O2=6：4。（1）刚玉（）刚玉（-Al2O3）型结构）型结

19、构（A2B3型）型） 刚玉为天然刚玉为天然-Al2O3单晶体，单晶体，呈红色的称呈红色的称红宝石红宝石（含铬），（含铬），呈蓝色的称呈蓝色的称蓝宝石蓝宝石（含钛）。（含钛）。刚玉性质极硬，莫氏硬度刚玉性质极硬，莫氏硬度9，熔点，熔点2050度。度。 用作耐火材料、磨料和工程陶瓷。用作耐火材料、磨料和工程陶瓷。具有刚玉型结构的化合物：具有刚玉型结构的化合物： -Fe2O3、Cr2O3、 Ti2O3、V2O3、 Ga2O3 和和 Rh2O3等。等。刚玉型化合物结构中，若正离子是两种，便形成钛铁刚玉型化合物结构中，若正离子是两种，便形成钛铁矿型结构。矿型结构。O2-六方密堆积，六方密堆积，Fe2+和

20、和Ti4+离子规则交替占离子规则交替占据其中据其中2/3氧氧八面体空隙。八面体空隙。在这类在这类ABO3型化合物中型化合物中: 若若A为为+2价离子，则价离子，则B为为+4价离子价离子; 若若A为为+1价离子，则价离子，则B为为+5价离子价离子;A和和B两正离子的总价数等于两正离子的总价数等于Al2O3分子中两个铝离子分子中两个铝离子的总价数（的总价数（+6）。由于）。由于ABO3中两正离子不是等价的，故中两正离子不是等价的，故其结构的对称性较之其结构的对称性较之A2B3会差一些。会差一些。具有钛铁矿型结构的化合物有具有钛铁矿型结构的化合物有: FeTiO3、LiNbO3、LiTaO3、LiS

21、bO3等。等。（2）钛铁矿（）钛铁矿（FeTiO3）型结构）型结构 (ABO3型型)（3）纤锌矿（六方）纤锌矿（六方 ZnS）型结构）型结构 S2-组成密积六方晶格，组成密积六方晶格，Zn2+相间地占据其中相间地占据其中1/2的的四面体空隙（四面体空隙（6个），即个），即占据处于同一平面的中心占据处于同一平面的中心和六条边棱空隙及该平面和六条边棱空隙及该平面上或下的上或下的3个空隙。个空隙。 Zn2+也构成一套密堆六也构成一套密堆六方点阵，两套点阵沿方点阵，两套点阵沿C轴轴相对移动相对移动(3/8)c 。正负离子配位数都是正负离子配位数都是4。具有纤锌矿型结构的有：具有纤锌矿型结构的有： Al

22、N、BeO 、 ZnO 和和 六方氮化硼（六方氮化硼（BN）等。）等。( AB 型型 )（4）金红石（）金红石（TiO2）型结构）型结构 （AB2 型）型） 属于四方晶系，简单四方点属于四方晶系，简单四方点阵。可近似地看成是阵。可近似地看成是O2-作作畸畸变六方密堆变六方密堆，Ti4+占据其中占据其中1/2的八面体空隙的八面体空隙（ r+ / r- =0.48 ） 。就一个晶胞而言，就一个晶胞而言，Ti4+占占据简单四方点阵顶点和体心据简单四方点阵顶点和体心位置，在位置，在Ti4+周围的周围的6个个O2-构构成八面体，成八面体，每个每个O2-同时为三同时为三个钛氧八面体的顶点个钛氧八面体的顶点

23、。Ti4+和和O2-的配位数比为的配位数比为6：3。 具有金红石结构的化合物有：具有金红石结构的化合物有：TiO2、GeO2、SnO2、PbO2、MnO2、NbO2、MoO2、WO2、CrO2等。等。 Ti-O八面体以八面体以共棱的方式排共棱的方式排成成平行平行c轴的轴的链状，晶胞中链状，晶胞中心的链和四角心的链和四角的的Ti-O八面体八面体链的排列方向链的排列方向相差相差90 ，链与，链与链之间的链之间的Ti-O八面体以共顶八面体以共顶相连。相连。 无机材料典型晶体结构类型无机材料典型晶体结构类型2.6 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物由过渡金属元素和原子半径小的由过渡金属元素和原子半径

24、小的 C、 H、N、B等元素形成等元素形成的碳化物、氢化物、氮化物和硼化物等中，金属原子作密的碳化物、氢化物、氮化物和硼化物等中，金属原子作密堆积，而非金属元素填入密堆积形成的空隙中，这类化合堆积，而非金属元素填入密堆积形成的空隙中，这类化合物称为物称为间隙化合物或间隙固溶体（也称间隙相）间隙化合物或间隙固溶体（也称间隙相）。（1）当非金属原子和金属原子半径比）当非金属原子和金属原子半径比 rx/rm 0.59时，可形成时，可形成简单晶体结构的化合物，称为简单晶体结构的化合物，称为间隙相间隙相，其型式有，其型式有MX、M2X、MX2及及M4X，其中金属原子多采取，其中金属原子多采取面心立方或密

25、积六方结构面心立方或密积六方结构堆堆积，而非金属原子规则地分布在晶格间隙中。积，而非金属原子规则地分布在晶格间隙中。（2）当）当 rx/rm 0.59时，则形成复杂晶体结构的化合物，称为时，则形成复杂晶体结构的化合物，称为间隙化合物间隙化合物。上述经验原则叫上述经验原则叫海格原则海格原则。一般规律：一般规律：H和和N原子半径小，氢化物和氮化物都是简单间隙相；原子半径小，氢化物和氮化物都是简单间隙相；Si和和B原子半径大，硅化物和硼化物构成复杂间隙化合物；原子半径大，硅化物和硼化物构成复杂间隙化合物；C处于中间状态，可形成简单间隙相（如处于中间状态，可形成简单间隙相（如 TiC、VC、WC等等）

26、，）， 也可形成复杂间隙化合物（如也可形成复杂间隙化合物（如Fe3C、Cr7C3、Fe3W3C等）。等）。 Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。 当当rx/rm在在0.7320.414时，非金属原子进入八面体空隙；时，非金属原子进入八面体空隙；当当rx/rm在在0.4140.225时，非金属原子进入四面体空隙。时，非金属原子进入四面体空隙。依据简单的几何关系推知：依据简单的几何关系推知：简单间隙相简单间隙相VC的结构的结构复杂间隙化合物复杂间隙化合物Fe3C的结构的结构简单间隙相简单间隙相中，非金属原子并不一定填满（可填满）晶中，非金属原子并不一定填满（可填

27、满）晶胞中某种空隙，因此，胞中某种空隙，因此，同一体系常常可以形成多种型式同一体系常常可以形成多种型式的间隙相。的间隙相。根据金属原子采用面心立方或密积六方结构时，根据金属原子采用面心立方或密积六方结构时，金属原子个数与八面体空隙和四面体空隙个数之金属原子个数与八面体空隙和四面体空隙个数之比为比为1 1 2的关系，可以说明简单间隙相化合的关系，可以说明简单间隙相化合物的物的型式为：型式为：MX、M2X、MX2 及及 M4X。如果非金属原子填满如果非金属原子填满全部全部八面体空隙，则形成八面体空隙，则形成MX型型；如果非金属原子填满如果非金属原子填满全部全部四面体空隙，则形成四面体空隙，则形成M

28、X2型型；如果非金属原子填满如果非金属原子填满1/2八面体空隙，则形成八面体空隙，则形成M2X型型；如果非金属原子填满如果非金属原子填满1/4八面体空隙，则形成八面体空隙，则形成M4X型型；如果非金属原子填满如果非金属原子填满1/2四面体空隙，则形成四面体空隙，则形成MX型型；如果非金属原子填满如果非金属原子填满1/4四面体空隙，则形成四面体空隙，则形成M2X型型如果非金属原子如果非金属原子成对填入全部成对填入全部八面体空隙，八面体空隙，则形成则形成MX2型。型。 分分子子式式类类型型 间间隙隙相相化化合合物物举举例例 金金属属结结构构 非非金金属属填填充充的的空空隙隙 M4X Nb4C 、Fe4N 面面心心立立方方 八八面面体体 M2X W2C、Fe2N、Mo2C 密密积积六六方方 八八面面体体 Ta2H、Ti2H 密密积积六六方方 四四面面体体 MX ZrN、ZrC、TiC、TiN、 面面心心立立方方 八八面面体体（全全部部） TiH、NbH、ZrH、PdH 面面心心立立方方 四四面面体体 MX2 ZrH2 面面心心立立方方 八八面面体体 （成成双双占占据据） TiH2 面面心心立立方方 四四面面体体（全全部部） 间隙相及晶