结构化学课件-金属晶体与离子晶体的结构

1第七章金属晶体与离子晶体的结构2晶体金属晶体离子晶体原子晶体分子晶体组成微粒3§1金属晶体学习重点：金属晶体的密堆积结构4金属的一般性质：（1）导电性（2）传热性（3）不透明、有金属光泽（4）延展性和可塑性金属键：使金属原子结合成金属的作用，没有饱和性和方向性。5一、金属单质的晶体结构金属单质晶体结构比较简单,这与金属键密切相关:由于金属键没有方向性和饱和性，大多数金属元素按照等径圆球密堆积的几何方式构成金属单质晶体，主要有立方面心最密堆积、六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型。1等径圆球最密堆积

等径圆球的密堆积这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构.（2）ABABAB……,即每两层重复一次,称为A3(或A3)型,从中可取出六方晶胞。（1）ABCABC……,即每三层重复一次,这种结构称为A1(或A1)型,从中可以取出立方面心晶胞;

2、六方最密堆积（A3堆积）：ABAB……10（1）A3堆积的配位情况每个球的配位数均为12

（2）A3堆积形成的六方晶胞每个晶胞含2个原子(即81/8+1),组成一个结构基元.可抽象成六方简单格子。六方晶胞的c轴垂直于密置层:c从一个平行四边形正当格子可看出,球数:上三角形空隙数：下三角形空隙数=1:1:1,或者说球数:三角形空隙数=1:2（3）A3堆积中的空隙在一个密置层中,有上三角形与下三角形两种空隙:密置双层的晶胞中含1个正八面体空隙和2个正四面体空隙.球数:正八面体空隙数:正四面体空隙数=2:1:215

最密堆积:

1、指定一个球。

2、观察它参与形成正八面体空隙的数N1。每参与一次，它就对应着1/6个正八面体空隙，参与N1次就对应N1/6个正八面体空隙。

3、观察它参与形成正四面体空隙的数N2。每参与一次，它就对应着1/4个正四面体空隙，参与N2次就对应N2/4个正四面体空隙。17密置双层：一个球周围形成了4个四面体空隙和3个八面体空隙。A3堆积：一个球周围形成了8个四面体空隙和6个八面体空隙。18G每参与形成八面体1次，它就对应着1/6个八面体空隙。

G共参与6次，故对应着6×1/6=1个八面体空隙G每参与形成四面体1次，就对应着1/4个四面体空隙。G共参与8次，故对应着8×1/4=2个四面体空隙。结论:A3堆积中球数:八面体空隙数:四面体空隙数=1:1:2.

A3堆积一个球G参与形成了8个四面体空隙和6个八面体空隙。19（4）A3堆积的堆积系数（空间利用率）的计算空间利用率=晶胞中原子总体积/晶胞体积

P0=Vatoms/Vcell等径圆球密堆积最高利用率垂直于密置层观察(俯视图)平行于密置层观察(侧视图)

3、立方最密堆积（A1堆积）： ABCABC……（1）A1堆积形成立方面心(cF)晶胞23（2）A1堆积的配位情况每个球的配位数均为1224每个晶胞含4个原子，可抽象成立方面心格子。体对角线垂直于密置层:25指定中心一个球G（3）A1堆积中的空隙G参与形成八面体空隙6次.其中第1-3次发生在绿球层与红球层之间:GGG第4-6次发生在红球层与蓝球层之间:GGGGG参与形成四面体共8次.其中,第1-4次发生在绿球层与红球层之间:GGG第5-8次发生在红球层与蓝球层之间:GGGGG每参与形成八面体1次，它就对应着1/6个八面体空隙。

G共参与6次，故对应着6×1/6=1个八面体空隙G每参与形成四面体1次，就对应着1/4个四面体空隙。G共参与8次，故对应着8×1/4=2个四面体空隙。结论：A1堆积中球数:八面体空隙数:四面体空隙数 =1:1:2。A1堆积一个球G参与形成了8个四面体空隙和6个八面体空隙。（4）A1空间利用率的计算

这是等径圆球密堆积所能达到的最高利用率，所以A1堆积是最密堆积.334、非最密堆积结构非最密堆积方式中最重要的是立方体心堆积A2，还有A4和少数的A6、A7、A10、A11、A12等。立方体心密堆积（A2）布鲁塞尔的原子球博物馆9个直径18米的球形展厅构成一个立方体心晶格模型

A2

空间利用率的计算金刚石型堆积（A4）A4中原子以四面体键相连.晶胞中虽然都是同种原子，但所处的环境不同(球棍图中用两色颜色来区分).一个浅蓝色球与一个深蓝色球共同构成一个结构基元.

A4空间利用率的计算38结构型式A1A2A3堆积系数74.05%68.02%74.05%所属晶系立方立方六方晶胞型式面心立方体心立方六方晶胞中原子分数坐标晶胞参数与原子半径的关系点阵型式面心立方体心立方简单六方球数:八空:四空1:1:21:1:2395、金属单质的结构概况40金属晶体结构型式与电子组态间的定性关系晶体结构型式与金属原子价层s和p轨道上的电子数目有关：每个原子平均摊到电子数较少时容易为A2型结构；每个原子平均摊到电子数较多时容易为A1型结构；中间时容易为A3型结构。钠：[Ne]3s1s+p=1晶体为A2型结构铝：[Ne]3s23p1s+p=3晶体为A1型结构镁：[Ne]3s2s+p=2晶体为A3型结构41§2离子晶体学习重点：几类典型离子晶体的结构42一、离子键的本质离子键：正负离子间的强烈的静电作用，没有饱和性和方向性。二、离子晶体的结构离子晶体的结构可用非等径圆球堆积来描述。通常较大的负离子形成等径圆球密堆积，正离子填在空隙中。43几类典型离子晶体的结构为了描述离子晶体的结构，可以使用两种不同的“语言”：

1、分数坐标“语言”的描述。

2、离子堆积“语言”的描述。名词术语较多，但比较容易想象晶体结构，也有助于总结结晶化学规律。NaCl型晶体结构的两种描述

化学组成比n+/n-=1:1下面以NaCl型晶体为例，对离子堆积描述的术语给出图解：A:8×1/8+6×1/2=4B:1+12×1/4=4n+/n-=1:1

结构型式:NaCl型负离子堆积方式:立方面心堆积（A1）CN+=6CN-=6

正负离子配位数之比

CN+/CN-=6:6二元离子晶体中：化学组成比与正负离子配位数比成反比，即正八面体空隙（CN+=6）正离子所占空隙种类:正八面体正离子所占空隙分数:1分数坐标描述A:000B:1/21/21/2正离子所占空隙分数1结构型式化学组成比n+/n-负离子堆积方式正负离子配位数比CN+/CN-正离子所占空隙种类CsCl型1:1简单立方堆积8:8立方体离子堆积描述CsCl型晶体结构的两种描述分数坐标描述A：00001/21/21/201/21/21/20B:1/41/43/41/43/41/43/41/41/43/43/43/4结构型式化学组成比n+/n-负离子堆积方式正负离子配位数比CN+/CN-正离子所占空隙种类正离子所占空隙分数立方ZnS型1:1立方最密堆积4:4正四面体1/2离子堆积描述立方ZnS型晶体结构的两种描述S2-分数坐标描述A：0002/31/31/2B:005/82/31/31/8结构型式化学组成比n+/n-负离子堆积方式正负离子配位数比CN+/CN-正离子所占空隙种类正离子所占空隙分数六方ZnS型1:1六方最密堆积4:4正四面体1/2离子堆积描述六方ZnS型晶体结构的两种描述

CaF2（荧石）型

晶体结构的两种描述

A:B:0001/41/41/41/41/43/401/21/23/41/41/43/41/43/41/201/21/43/41/41/43/43/41/21/203/43/41/43/43/43/4分数坐标描述结构型式化学组成比n+/n-负离子堆积方式正负离子配位数比CN+/CN-正离子所占空隙种类正离子所占空隙分数CaF2型1:2简单立方堆积8:4立方体1/2结构型式化学组成比n+/n-正离子堆积方式正负离子配位数比CN+/CN-负离子所占空隙种类负离子所占空隙分数CaF2型1:2立方最密堆积8:4四面体1离子堆积描述+-这种结构与荧石型（CaF2型）相似，只是正负离子的位置刚好相反：负离子形成扩张的立方面心堆积，正离子占据其中全部四面体空隙。K2O就是这种结构。反荧石型金

红

石

型

晶

体

结

构

的

离

子

堆

积

描

述结构基元:

2A-4B每个晶胞中有1个结构基元点阵型式:四方PO2-二元离子晶体的六种典型结构型式581、离子半径比是决定CN+和配位多面体的重要因素。在极化效应很小时,正负离子半径比是决定正离子配位数和配位多面体的型式。三、二元离子晶体的结晶化学规律八配位的正方体空隙

六配位的正八面体空隙61将正四面体放入边长为a的正方体中,使负离子处于交错的四个顶点(为看得清楚,下图将负离子之间有意拉开了微小距离，它们应当是相互接触的),则正方体的面对角线长度为2r-,体对角线长度为2(r++r-)四配位的正四面体空隙三配位的正三角形空隙离子半径比与配位数的关系正三角形30.155正四面体40.225正八面体60.414正方体80.732(12)1CN+=r+/r-=配位体2、正负离子数量比在二元离子晶体中的作用(1)化学组成比与电价比成反比(