晶体的典型结构类型.ppt

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1、 第四章第四章第四章第四章 晶体的典型结构类型晶体的典型结构类型晶体的典型结构类型晶体的典型结构类型1 概述概述 （1）组成组成-结构结构-性能之间的关系性能之间的关系 （2）与晶体结构有关的因素与晶体结构有关的因素F(X)=(晶体化学组成，晶体中质点的相对大小，极化性能晶体化学组成，晶体中质点的相对大小，极化性能)2 结构类型结构类型 需表述下列内容：需表述下列内容：（1）晶系晶系 （2）组成部分组成部分（3）配位数配位数CN （4）晶胞中结构单元数目及位置晶胞中结构单元数目及位置 Z=?（5）格子形式格子形式2.1 NaCI2.1 NaCI型结构型结构型结构型结构矿物名称：石盐。矿物名称：

2、石盐。化学式为：化学式为：NaCI CINa+-Na+离子位于面心格子的结点位置上，离子位于面心格子的结点位置上，CI离子也离子也 位于另一套这样的格子上，后一个格子与前一个格位于另一套这样的格子上，后一个格子与前一个格 子相距子相距1/2晶棱的位移。晶棱的位移。结构描述：结构描述：（1）立方晶系，立方晶系，a0.563nm，Z4（2）Na+CI离子键，离子键，NaCI为离子晶体为离子晶体.（3）CN+CN-6（4）-CI离子按立方最紧密堆积方式堆积，离子按立方最紧密堆积方式堆积，Na+离子充离子充 填于全部八面体空隙。填于全部八面体空隙。-Na+离子的配位数是离子的配位数是6 ，构成，构成N

3、a-CI八面体。八面体。NaCI 结构是由结构是由Na-CI八面体以共棱的方式相连而成八面体以共棱的方式相连而成Na+NaClNaCl结构结构结构结构NaClNaCl6 6八面体的连接方式八面体的连接方式八面体的连接方式八面体的连接方式CI 结点的坐标为：结点的坐标为：4 CI ：000，1/2 1/2 0 ，1/2 0 1/2 ，0 1/2 1/2 4 Na+：1/2 1/2 1/2 ，00 1/2 ，0 1/2 0 ，1/2 0 0（5）立方面心格子立方面心格子CI、Na+各一套各一套（6）同结构晶体有：同结构晶体有：MgO、CaO、SrO、BaO、FeO、CoO石石石石盐盐盐盐2.2 2

4、.2 金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石晶体结构化学式为：化学式为：C晶体结构为：晶体结构为：立方晶系，立方晶系，a0.356nm空间格子：空间格子：C原子组成立方面心格子原子组成立方面心格子C原子位于立方面心的所原子位于立方面心的所有结点位置和交替分布在有结点位置和交替分布在立方体内的四个小立方体立方体内的四个小立方体的中心的中心 键型：键型：每个每个C原子周围有四个原子周围有四个C 碳原子之间形成共价键碳原子之间形成共价键形成：形成：自然界形成实验室合成自然界形成实验室合成性质：性质：金刚石是金刚石是硬度最大硬度最大的矿物的矿物 具有半导体的性能和极好具有半导体的性能和极好

5、的导电性的导电性与金刚石结构相同的有：与金刚石结构相同的有：硅、锗、灰锡、合成的立硅、锗、灰锡、合成的立 方氮化硼等方氮化硼等2.3 石墨结构石墨结构石墨结构石墨结构化学式：化学式：C晶体结构：晶体结构：六方晶系（六方晶系（2H），），a 0.146nm，c0.670nm 三方晶系（三方晶系（3R）结构表现：结构表现：C原子组成层状排原子组成层状排 列，层内列，层内C原子成原子成 六方环状排列，每六方环状排列，每 个碳原子与三个相个碳原子与三个相 邻的碳原子之间的邻的碳原子之间的 距离为距离为0.142nm，层与层之间的距离层与层之间的距离 为为0.335nm石墨的多型石墨的多型石墨的多型石墨

6、的多型键型：键型：层内层内为共价键，为共价键，层间层间为分子键为分子键性质：性质：碳原子有一个电子可以在碳原子有一个电子可以在层内层内移动，平行于移动，平行于层的方向层的方向具有良好的导电性。石墨的具有良好的导电性。石墨的硬度低，熔点高，导电性硬度低，熔点高，导电性好。好。石墨与金刚石属石墨与金刚石属同质多像变体同质多像变体。2.4 2.4 氯化铯型结构氯化铯型结构氯化铯型结构氯化铯型结构 晶体化学：晶体化学：Cs Cl 晶体结构晶体结构：立方晶系，：立方晶系，a0.411nm Z1 空间格子：空间格子：Cs Cl是原始格子是原始格子Cl离子离子Cs离子离子配位多面体：配位多面体：在空间以在空

7、间以共面共面形形 式连接。式连接。离子坐标：离子坐标：Cl 000 Cs1/2 1/2 1/2类似的晶体类似的晶体：CsBr，CsI，NH4Cl等等Cl离子处于立方离子处于立方 原始格子的八个原始格子的八个 角顶上，角顶上，Cs离子离子 位于立方体的中位于立方体的中 心（立方体空隙）心（立方体空隙）CNCN8，单位晶胞中有一个单位晶胞中有一个 Cl和一个和一个Cs2.5 2.5 闪锌矿型结构闪锌矿型结构闪锌矿型结构闪锌矿型结构化化 学学 式：式：ZnS晶体结构晶体结构：立方晶系，：立方晶系，a0.540nm；Z4空间格子：空间格子：立方面心格子，立方面心格子，S2离子呈立方最紧密堆积，位于离子

8、呈立方最紧密堆积，位于 立方面心的立方面心的 结点位置，结点位置，Zn2离子交错地分布于离子交错地分布于1/8 小立方体的中心，即小立方体的中心，即1/2 的四面体空隙中。的四面体空隙中。结构投影图结构投影图：（俯视图）用标高来表示，：（俯视图）用标高来表示，0底面；底面；25 1/4；501/2；75 3/4。（。（0100；25 125；50150是等效的）是等效的）配位数配位数：CNCN4；极性共价键，配位型共价；极性共价键，配位型共价 晶体。晶体。配位多面体配位多面体：ZnS4四面体，在空间以共顶方式相连接四面体，在空间以共顶方式相连接属于闪锌矿型结构晶体有：属于闪锌矿型结构晶体有：S

9、iC；GaAs；AlP；InSb等。等。2.6 2.6 纤锌矿型结构纤锌矿型结构纤锌矿型结构纤锌矿型结构化学式：化学式：ZnS晶体结构：晶体结构：六方晶系；六方晶系；a0.382nm；c0.625nm；Z2 质点坐标：质点坐标：S2：000；2/3 1/3 1/2 Zn2：00u；2/3 1/3（u1/2）空间格子：空间格子：S2按六方紧密堆积排按六方紧密堆积排 列列 Zn2充填于充填于1/2的四面的四面 体体 空隙，形成六方格子。空隙，形成六方格子。配位数：配位数：CNCN4多面体多面体：ZnS4四面体共顶连接四面体共顶连接键型：键型：Zn、S为极性共价键为极性共价键属纤锌矿型结构的晶体有：

10、属纤锌矿型结构的晶体有：BeO；ZnO；AlN等。等。2.7 萤石型结构萤石型结构化学式：化学式：CaF2 晶体结构晶体结构：立方晶系，：立方晶系，a0.545nm，Z4空间格子：空间格子：Ca2位于立方面心的结点位置，位于立方面心的结点位置，F位于立方体位于立方体 内八个小立方体的中心，即内八个小立方体的中心，即Ca2按立方紧密堆积按立方紧密堆积 的方式排列，的方式排列，F充填于全部四面体空隙中。充填于全部四面体空隙中。配位数：配位数：CN8；CN4多面体：多面体：简单立方体简单立方体连接形式连接形式：CaF8之间以共棱形式连接之间以共棱形式连接晶胞组成：晶胞组成：Ca2 81/861/24

11、；F 448性质：性质：八面体空隙全部空着八面体空隙全部空着空洞空洞负离子扩散负离子扩散属于萤石结构的晶体有：属于萤石结构的晶体有：BaF2；PbF2；CeO2；ThO2；UO2；低温；低温ZrO2（扭曲、变形）（扭曲、变形）2.8 反萤石结构反萤石结构晶体结构：晶体结构：其结构与萤石完全相同，只是阴阳离子的位置完其结构与萤石完全相同，只是阴阳离子的位置完 全互换，全互换，即阳离子占据的是即阳离子占据的是F的位置，阴离子占的位置，阴离子占 据的是据的是Ca2 的位置的位置配位数：配位数：CN4；CN8晶胞组成晶胞组成：阴离子：阴离子 81/861/24 阳离子阳离子 448属于反萤石结构的晶体

12、有属于反萤石结构的晶体有：Li2O；Na2O；K2O等等 2.9 金红石型结构金红石型结构化学式：化学式：TiO2晶体结构：晶体结构：四方晶系，四方晶系，a0.459nm；c0.296nm；Z2格子类型：格子类型：四方原始格子。四方原始格子。Ti4位于结点位置，体心的属另一位于结点位置，体心的属另一 套格子。套格子。O2处在一些特殊位置上，处在一些特殊位置上，质点坐标：质点坐标：Ti4：000；1/2 1/2 1/2；O2:uu0;(1-u)(1-u)0;(1/2+u)(1/2-u)1/2;(1/2-u)(1/2+u)1/2 晶体结构：晶体结构：O2可看成是变形可看成是变形 六方密堆积，六方密

13、堆积，Ti4 离子填充离子填充1/2的八面的八面 体空隙体空隙配位数：配位数：CN6；CN3多面体：多面体：TiO6八面体八面体连接方式：连接方式：TiO八面体以共八面体以共 棱方式连接成链，棱方式连接成链，链与链之间以共顶链与链之间以共顶 方式相连。方式相连。与金红石结构相同的晶体有：与金红石结构相同的晶体有：SnO2；PbO2；MnO2；MoO2；WO2；MnF2；MgF2；VO22.10 碘化镉型结构碘化镉型结构碘化镉型结构碘化镉型结构化学式：化学式：CdI2晶体结构：晶体结构：三方晶系三方晶系 a0.424nm；c0.684nm；Z1空间格子：空间格子：Cd2离子占有六方原始格子的结点

14、位置，离子占有六方原始格子的结点位置，I离子离子 交叉分布于三个交叉分布于三个Cd2离子三角形中心的上下方；离子三角形中心的上下方；相当于两层相当于两层I离子中间夹离子中间夹 一层一层Cd2离子，构成离子，构成 复合层。复合层。配位数：配位数：CN6；CN3键性：键性：复合层于复合层之间为范德华力，呈层状结构层复合层于复合层之间为范德华力，呈层状结构层 内内CdI为具有离子键的共价键，键力较强。为具有离子键的共价键，键力较强。属于碘化镉型结构的晶体：属于碘化镉型结构的晶体：Ca（OH）2；Mg（OH）2；CdI2；MgI22.11 刚玉型结构刚玉型结构化学式：化学式：Al2O3晶体结构：晶体结

15、构：三方晶系；三方晶系；a0.514nm，5517；Z6 （菱面体晶胞）（菱面体晶胞）空间格子：空间格子：O2离子按六方密堆积的方式排列，形成离子按六方密堆积的方式排列，形成ABAB重重 复的规律复的规律，Al3离子充填于离子充填于2/3的八面体空隙，其分的八面体空隙，其分 布具一定的规律，即离子之间的距离保持最远。布具一定的规律，即离子之间的距离保持最远。键性：键性：具有离子键性质的共价键。具有离子键性质的共价键。性质：性质：H=9；熔点为；熔点为2050 。是构成高温耐火材料和高绝缘电。是构成高温耐火材料和高绝缘电陶瓷的主要物相。陶瓷的主要物相。属于刚玉型结构的晶体：属于刚玉型结构的晶体：

16、Fe2O3；Cr2O3；Ti2O3；V2O3；FeTiO3；MgTiO3BBABAABABAAB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 D E F D E F2.12 2.12 钙钛矿型结构钙钛矿型结构钙钛矿型结构钙钛矿型结构钙钛矿结构的通式为钙钛矿结构的通式为ABO3 ,以以CaTiO3为例讨论其结构为例讨论其结构:Ca2+O2-Ti 4+配位关系的分析配位关系的分析配位关系的分析配位关系的分析:可以看出可以看出:Ca的的CN=12 Ti的的CN=6 O的的CN=2+4=6结构的描述结构的描述结构的描述结构的描述（1）钙钛矿在高温时属立方晶系，钙钛矿在高温时属立方晶系，

17、在降温时，通过某个特定在降温时，通过某个特定温度后将产生结构的畸变使立方晶格的对称性下降温度后将产生结构的畸变使立方晶格的对称性下降.（2）CaTiO3为离子晶体为离子晶体（3）Ca的的CN=12 Ti的的CN=6 O的的CN=2+4=6（4）CaTiO3的结构可看成有和半径较大的离子共同组成立方的结构可看成有和半径较大的离子共同组成立方紧密堆积，离子充填于紧密堆积，离子充填于1/4的八面体空隙中。的八面体空隙中。其其Z=4（5）结点坐标为：结点坐标为：Ca2+000 ，001，010，100，110 ，011 ，101，111 O2-0 1/2 1/2，1/2 0 1/2 ，1/2 1/2

18、0 ，1 1/2 1/2 ，1/2 1 1/2 ，1/2 1/2 1 Ti 4+1/2 1/2 1/2（6）立方面心格子立方面心格子2.13 2.13 方解石型结构方解石型结构方解石型结构方解石型结构化学式：化学式：CaCO3晶体结构：晶体结构：三方晶系；三方晶系；Z4空间格子空间格子：CO32按近似于按近似于立方密堆积立方密堆积的形式排列，的形式排列，变变 形形后，形成菱形面心格子。后，形成菱形面心格子。配位数：配位数：CN6；CN3性质：性质：H3，透明（冰州石），透明（冰州石）半透明，半透明，D2.6，随温度其标型特征发生变化。随温度其标型特征发生变化。同结构的晶体：同结构的晶体：Ca2

19、可被可被Mn2、Fe2、Sr2、Pb2、Ba2代代 替，形成类质同像。替，形成类质同像。NaClCaCO3沿沿L3压扁至压扁至10155变形变形C-O-Ca键：键：SC4/31.3；Sca2/60.3 集团集团CaCO3 结构结构2.14 尖晶石型结构尖晶石型结构尖晶石型结构尖晶石型结构化学式：化学式：通式通式AB2O3；MgAl2O4晶体结构：晶体结构：立方晶系，立方晶系，a0.808nm，Z8空间格子：空间格子：O2-是按立方密堆积的形式排列。二价离子是按立方密堆积的形式排列。二价离子A充充 填填1/8 四面体空隙，三价离子四面体空隙，三价离子B充填于充填于1/2八面八面 体空隙（正尖晶石

20、结构）。体空隙（正尖晶石结构）。多面体多面体：MgO4、AlO6八面体之间是共棱相连，八面体之间是共棱相连，八面体与四面体之间是共顶相连。八面体与四面体之间是共顶相连。2.15 反尖晶石型结构反尖晶石型结构反尖晶石型结构反尖晶石型结构反尖晶石结构：反尖晶石结构：结构中二价阳离子与三价阳离子充填的空隙结构中二价阳离子与三价阳离子充填的空隙 类型相反，即形成了反尖晶石结构。可用类型相反，即形成了反尖晶石结构。可用晶晶 体场理论体场理论来解释。来解释。决定结构的因素：决定结构的因素：正型与反型由阳离子的八面体的择位能来正型与反型由阳离子的八面体的择位能来 决定。决定。用途：用途：广泛应用的是铁氧体磁性材料，同时在广泛应用的是铁氧体磁性材料，同时在陶陶 瓷颜料瓷颜料中也常用到。中也常用到。海碧海碧：CoAl2O4 合成温度：合成温度：1200 孔雀蓝孔雀蓝：（Co、Zn）0（Cr、Al）2O3 合成温度：合成温度：1300 铬铝桃红铬铝桃红：ZnO、（、（Al、Cr）2O3 合成温度：合成温度：1200 陶瓷釉料陶瓷釉料杜海清杜海清