晶体结构与常见晶体结构类型第三课

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1、合金合金又分为又分为固溶体固溶体和和金属间化合物。金属间化合物。当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固固溶体溶体。金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物金属间化合物。合金中的固溶体：合金中的固溶体：根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为置换置换固溶体固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。在在置换固

2、溶体置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上；在；在间隙固溶体间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻。丛聚

3、可以呈随机弥散分布。事实上，实原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列情况示于下图。不同类型固溶体中原子排列情况示于下图。不同类型固溶体中原子排列示意图不同类型固溶体中原子排列示意图（a）随机置换固溶随机置换固溶体体（b）有序置换固溶体有序置换固溶体（c）随机间隙固溶体随机间隙固

4、溶体（d）固溶体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚2.4 单质晶体结构单质晶体结构 同种元素组成的晶体称为单质晶体。同种元素组成的晶体称为单质晶体。n一、金属晶体的结构一、金属晶体的结构 n二、非金属元素单质的晶体结构二、非金属元素单质的晶体结构 一、金属晶体的结构一、金属晶体的结构1.常见金属晶体结构常见金属晶体结构 典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质，典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质，使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶体是体是面心立方面心立方、体心立方体心立方和和密排

5、六方密排六方三种晶体，其晶胞结构如三种晶体，其晶胞结构如图图1-10所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是A4型结构（与金刚石相似），型结构（与金刚石相似），锑是锑是A7型结构等。型结构等。图图1-10 常见金属晶体的晶胞结构常见金属晶体的晶胞结构（a）面心立方）面心立方（A1型）型）（b）体心立方）体心立方（A2型）型）（c）密排六方）密排六方（A3型）型）n面心立方结构面心立方结构 常见面心立方的金属有常见面心立方的金属有Au、Ag、Cu

6、、Al、-Fe等，等，晶格结构中原子坐标分别为晶格结构中原子坐标分别为0,0,0，0,1/2,1/2，1/2,0,1/2，1/2,1/2,0。晶胞中所含原子数为。晶胞中所含原子数为4。4216818n体心立方结构体心立方结构 常见体心立方的金属有常见体心立方的金属有-Fe、V、Mo等，晶格中等，晶格中原子坐标为原子坐标为0,0,0，1/2,1/2,1/2。晶胞中原子数为：。晶胞中原子数为：21818n密排六方结构密排六方结构 Zn、Mg、Li等是常见的密排六方结构的金属，原子分布除了等是常见的密排六方结构的金属，原子分布除了简单六方点阵的每个阵点简单六方点阵的每个阵点0,0,0上有原子外，在六

7、方棱柱体内还有上有原子外，在六方棱柱体内还有3个原子。如用平行六面体坐标表示，其坐标为个原子。如用平行六面体坐标表示，其坐标为1/3,2/3,1/2或或2/3,1/3,1/2。在六方柱晶胞中，顶点的每个原子为。在六方柱晶胞中，顶点的每个原子为6个晶胞所共有，个晶胞所共有，上下底面中心的原子为上下底面中心的原子为2个晶胞所共有，所以六方柱晶胞所包含的个晶胞所共有，所以六方柱晶胞所包含的原子数为：原子数为：632126112鲍林第一规则鲍林第一规则鲍林第二规则鲍林第二规则 (电价规则电价规则)()iiiiZZSC Ni在在CaTiO3结构中，结构中，Ca2+、Ti4+、O2-离子的配位数分别为离子

8、的配位数分别为12、6、6。O2-离子的配位多面体是离子的配位多面体是OCa4Ti2，则，则O2-离子的电荷数为离子的电荷数为4个个2/12与与2个个4/6之和即等于之和即等于2，与，与O2-离子的电价相等，故晶体结构离子的电价相等，故晶体结构是稳定的。是稳定的。一个一个SiO4四面体顶点的四面体顶点的O2-离子还可以和另一个离子还可以和另一个SiO4四面体四面体相连接（相连接（2个配位多面体共用一个顶点），或者和另外个配位多面体共用一个顶点），或者和另外3个个MgO6八面体相连接（八面体相连接（4个配位多面体共用一个顶点），这样个配位多面体共用一个顶点），这样可使可使O2-离子电价饱和。离子

9、电价饱和。鲍林第三规则鲍林第三规则 (负离子配位多面体共棱共面规则)鲍林第四规则鲍林第四规则鲍林第五规则鲍林第五规则 (节约规则节约规则)一、一、AX型结构型结构 AX型结构主要有型结构主要有CsCl，NaCl，ZnS，NiAs等类型的等类型的结构，其键性主要是离子键，其中结构，其键性主要是离子键，其中CsCl，NaCl是典型的离是典型的离子晶体，子晶体，NaCl晶体是一种透红外材料；晶体是一种透红外材料；ZnS带有一定的共带有一定的共价键成分，是一种半导体材料；价键成分，是一种半导体材料；NiAs晶体的性质接近于金晶体的性质接近于金属。属。大多数大多数AX型化合物的结构类型符合正负离子半径比

10、型化合物的结构类型符合正负离子半径比与配位数的定量关系，与配位数的定量关系，见表见表1-4。只有少数化合物在。只有少数化合物在r+/r-0.732或或r+/r-0.414时仍属于时仍属于NaCl型结构。如型结构。如KF，LiF，LiBr，SrO，BaO等。等。表表2-4 AX型化合物的结构类型与型化合物的结构类型与r+/r-的关系的关系结构类型 r+/r-实例（右边数据为 r+/r-比值）CsCl型 1.0000.732 CsCl 0.91 CsBr 0.84 CsI 0.75 NaCl型 0.7320.414 KF 1.00 SrO 0.96 BaO 0.96 RbF 0.89 RbCl 0

11、.82 BaS 0.82 CaO 0.80 CsF 0.80 PbBr 0.76 BaSe 0.75 NaF 0.74 KCl 0.73 SrS 0.73 RbI 0.68 KBr 0.68 BaTe 0.68 SrSe 0.66 CaS 0.62 KI 0.61 SrTe 0.60 MgO 0.59 LiF 0.59 CaSe 0.56 NaCl 0.54 NaBr 0.50 CaTe 0.50 MgS 0.49 NaI 0.44 LiCl 0.43 MgSe 0.41 LiBr 0.40 LiF 0.35 ZnS 型 0.4140.225 MgTe 0.37 BeO 0.26 BeS 0.

12、20 BeSe 0.18 BeTe 0.17 1.NaCl型结构型结构 NaCl属于立方晶系（见属于立方晶系（见图图2-15），晶胞参数的关系是），晶胞参数的关系是a=b=c，=90o，点群，点群m3m，空间群，空间群Fm3m。结构中。结构中Cl离子作面心立方最紧密堆积，离子作面心立方最紧密堆积，Na+填充八面体空隙的填充八面体空隙的100%；两种离子的配位数均为两种离子的配位数均为6；配位多面体为钠氯八面体；配位多面体为钠氯八面体NaCl6或氯钠八面体或氯钠八面体ClNa6；八面体之间共棱连接（共用两个顶；八面体之间共棱连接（共用两个顶点）；一个晶胞中含有点）；一个晶胞中含有4个个NaCl“

13、分子分子”，整个晶胞由，整个晶胞由Na离离子和子和Cl离子各一套面心立方格子沿晶胞边棱方向位移离子各一套面心立方格子沿晶胞边棱方向位移1/2晶晶胞长度穿插而成。胞长度穿插而成。图图2-15 NaCl晶胞图晶胞图NaCl型结构在三维方向上键力分布比较均匀，因此其型结构在三维方向上键力分布比较均匀，因此其结构无明显解理（晶体沿某个晶面劈裂的现象称为解理），结构无明显解理（晶体沿某个晶面劈裂的现象称为解理），破碎后其颗粒呈现多面体形状。破碎后其颗粒呈现多面体形状。常见的常见的NaCl型晶体是碱土金属氧化物和过渡金属的二型晶体是碱土金属氧化物和过渡金属的二价氧化物，化学式可写为价氧化物，化学式可写为M

14、O，其中，其中M2+为二价金属离子。为二价金属离子。结构中结构中M2+离子和离子和O2-离子分别占据离子分别占据NaCl中中Na+和和Cl-离子的离子的位置。这些氧化物有很高的熔点，尤其是位置。这些氧化物有很高的熔点，尤其是MgO（矿物名称（矿物名称方镁石），其熔点高达方镁石），其熔点高达2800左右，是碱性耐火材料镁砖左右，是碱性耐火材料镁砖中的主要晶相。中的主要晶相。2.CsCl型结构型结构 CsCl属于立方晶系，点群属于立方晶系，点群m3m，空间群，空间群Pm3m，如，如图图2-16所示。结构中正负离子作体心立方堆积，配位数所示。结构中正负离子作体心立方堆积，配位数均为均为8，晶胞分子数为，晶胞分子数为1，键性为离子键。，键性为离子键。CsCl晶体结晶体结构也可以看作正负离子各一套简单立方格子沿晶胞的体构也可以看作正负离子各一套简单立方格子沿晶胞的体对角线位移对角线位移1/2体对角线长度穿插而成。体对角线长度穿插而成。图图2-16 CsCl晶胞图晶胞图