晶体结构的分类与解析.pdfVIP

第十章 晶体结构 晶体结构的分类方法有很多种，常用的分类方法有： （1 ）按照化学组成中原子的种类及数目分类。如单质晶体、二元化合物晶 体、多元化合物晶体等。这种分类方法的缺点是：①一些形式上相同，但对称性和 其它性质都截然不同的化合物常被归为一类。例如 NaCl 、NiAs 的晶体结构是不同 的。②一些同型结构的晶体又会被归为不同的类型，如 LiFeO2 和 NaCl （晶体结构 基元排列方式相同，且具有相同的空间群，为同型结构）。 （2 ）根据晶体结构中化学键的类型分类，如离子键型、共价键型、金属键型 等。这种分类的不足在于：①许多晶体是多键型的，归类存在困难。如石墨层内为 共价键，层间为分子键。②不同化学键的晶体可以是同一结构型，NaCl 、TaC 均为 AX 型晶体，但是前者为离子键，后者为金属键。 （3 ）根据晶胞的形状、大小和晶体生长习性间的相互关系，将晶体结构分为 等向型、层型和链型三种主要类型，而这三种类型又以等大球的六方和立方最紧密 堆积为基础。 下面的介绍将以上三种方法结合使用。 第一节 元素单质的晶体结构 单质的晶体结构可以分为金属单质、惰性气体和非金属单质三类。 一、金属单质的晶体结构 元素周期表中，共有 70 多种金属元素。典型的金属单质晶体，其原子与原子 之间的结合力为金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，其配位数高，密度也 大，故可把典型的金属单质晶体结构看成是由等大球紧密堆积而成。按堆积方式可 分为三种类型： A 1 型：为立方最紧密堆积； A2 型：为立方体心紧密堆积； A3 型：为六方最紧密堆积。它们的典型实例如下： ⒈铜的晶体结构 属 A 1 型， 铜原子成立方最紧密堆积，格子类型为立方面心格子。空间群为 Fm3m, 晶胞参数a =0.3608nm ，原子配位数 CN=12 ，单位晶胞中原子的数目 Z=4 ， o 163 结构如图 10- 1 所示。 具有铜型结构的有 Au 、Ag 、Pb 、Ni 、Co 、Pt 、Fe 、Al 、Sc、Ca 、Sr 等单质晶 体。 ⒉α-Fe 的晶体结构 属 A2 型，铁原子成立方体心紧密堆积，格子类型为立方体心格子。铁原子位 于立方体的角顶和中心。空间群为 Im3m ，a =0.2860nm ，CN=8 ，Z=2 ，结构如图 o 10-2 所示。 属α-Fe 型结构的有W 、Mo 、Li 、Na 、K 、Rb 、Cs 、Ba 等。 图10- 1 铜（Cu ）晶体结构模型 图10-2 a—Fe 晶体结构模型 3 ．Os 的晶体结构 属 A3 型，Os 原子成六方最紧密堆积，格子类型为六方原始格子。空间群为 P6/mmc ，a =0.2712nm ，c =0.4314nm ，CN=12 ，Z=2 。结构如图10-3 所示。 o o 属Os 型结构的有Mg 、Zn 、Rh 、Sc、Gd 、Y 、Cd 等。 过渡金属由于 d 电子的原因，其晶体结构有多种变体，如 Fe 有四种变体，分 别为 α-Fe 、β-Fe 、γ-Fe 、δ-Fe 。稀土金属最外层为 S 电子，均属于等大球最紧密堆 积结构。 164 图10-3 锇（Os ）晶体结构模型 二、惰性气体的晶体结构 惰性气体以单原子存在。惰性气体原子有全充满的电子层，在低温下原子与原 子之间通过微弱的范德华力凝聚成晶体。原子作等大球紧密堆积。He