第九讲晶体化学简介

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1、第九章第九章 晶体化学简介晶体化学简介 在讨论晶体结构的几何规律时，对晶体结构中的点是作为几何点来考虑的。但在实际显体中这些点是各种元素的原子、离子和分子，它们即为晶体的化学组成。晶体化学：晶体化学：是研究晶体的化学组成与晶体结构之间的关系，并在此基础上进一步探讨晶体的化学组成、晶体结构与晶体的外形、性能及其形成、变化条件之间的关系。一、最紧密堆积原理 在晶体结构中，质点之间趋向于尽可能的相互靠近以占有最小空间；使彼此间的作用力达到平衡状态，以达到内能最小，使晶体处于最稳定状态。由于在离子晶格中和金属晶格中其化学键离子键、金属键的无方向性和饱和性，且内部质点原子或离子可视为具一定体积的球体；因

2、此，从几何学的角度来看：金属原子或离子之间的相互结合，可视为球体的紧密堆积，从而可用球体的紧密堆积原理对其进行分析。在六方和立方最紧密堆积中，所形成的空隙类型及数目是一样的，在一个球周围，都分布着 6个八面体空隙和 8 个四面体空隙，但是，在两种最紧密堆积中，空隙分布规律不同。在六方最紧密堆积中，同种类型的空隙上下相对，中间存在一个对称面；在立方最紧密中，同种类型的空隙上下错开，中间不存在对称面 根据一个球周围分布着 6个八面体空隙和 8个四面体空隙，以及一个八面体由 6个球组成、一个四面体由 4个球组成的数值关系，我们可以计算得出：n个球作最紧密堆积形成的八面体空隙数为 n个，四面体空隙数为

3、 2n 个。二、配位数和配位多面体在晶体结构中，原子和离子是按照一定的方式与周围的原子和离子相接触的。每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目称为该原子或离子的配位数原子或离子的配位数。以一个原子或离子为中心，将其周围与之成配位关系的原子或离子的中心连接起来所获得的多面体称为配位多面体配位多面体。配位多面体有多种形式，晶体结构通常可以看成是由配位多面体联结而成的一种结构体系。三、化学键和晶格类型各种晶体，其内部质点间的键性相同时，常表现出一系列共同的物理性质特点；键性不同时，这些物理性质的特点则有明显的差异。通常，我们根据键性的异同，将晶体结构划分为不同的晶格类型，即在一种晶体结构中，如

4、果其键力以某种键性占主导地位，我们就把它归属为相应的某种晶格类型。对应于离子键、共价键、金属键和分子键 4种基本键型，以及作为化学键中特殊形式的氢键，晶格类型共可分为 5种。四、典型结构分析不同晶体的结构，若其对应质点的排列方式相同，我们称它们的结构是等型的，在这些等型结构中，常以其中的某一种晶体为代表而将这一结构命名，称之为典型结构。如石盐、方铅矿、方镁石等晶体的结构等型，我们以其中的NaCl 晶体作为代表而命名-NaCl型结构，即NaCl型结构为一典型结构，而方铅矿、方镁石等晶体具NaCl结构 在分析晶体结构时，典型结构可以起到典型代表的作用，从而对晶体结构的分析提供简便途径。如我们可将一

5、些与某典型结构在几何特征上存在相似之处的晶体结构与典型结构相类比，只需稍加必要的补充说明，就可借典型结构来描述，阐明这些晶体结构。这些晶体结构就可视为某些典型结构的所谓衍生结构。NaCl结构五、类质同像类质同像的概念 晶体结构中某种质点（原子、离子或分子）为它种类似的质点所代替，仅使晶格常数发生不大的变化，而结构形式并不改变，这种现象称为类质同像 类质同像混合物也称为类质同像混晶，它是一种固溶体。所谓固溶体是指在固态条件下，一种组分溶于另一种组分之中而形成的均匀的固体。它可通过质点的代替而形成“代替固溶体”（即类质同像混晶）；也可通过某种质点侵入其他种质点的晶格空隙而形成“侵入固溶体”。由此可

6、见，类质同像混晶并不是固溶体的全部，但通常把固溶体视为类质同像混晶的同义词。根据相互取代的质点的电价相同或不同，分别称为等价的类质同像和异价的类质同像。前者如上述的如在钠长石NaAlSi3O8 与钙长石CaAl2Si2O8 影响类质同像的因素形成类质同像代替的原因一方面取决于代替质点本身的性质，如原子、离子半径大小、电价、离子类型、化学键性等；另一方面也取决于外部条件，如形成代替时的温度、压力、介质条件等。六、同质多像同质多像的概念同种化学成分的物质，在不同的物理化学条件（温度、压力、介质）下，形成不同结构的晶体的现象，称为同质多像。这些不同结构的晶体，称为该成分的同质多像变体。七、型变（晶变

7、）现象在化学式属同一类型的化合物中，化学成分的规律变化而引起晶体结构形式的明显而有规律的变化的现象称为型变现象型变现象。晶体结构中原子、离子的半径和极化性质的一系列差别是引起型变的主要原因。以二价金属的无水碳酸盐矿物为例。离子半径小于 0.1nm 的二价阳离子Mg 2+、Co 2+、Zn 2+、Fe 2+和Mn 2+,分别形成方解石族的菱镁矿、菱钴矿、菱锌矿、菱铁矿和菱锰矿，它们都具有属于三方晶系的方解石（CaCO3）型结构，随着阳离子半径的改变，它们所形成的晶体的菱面体1011的面角稍有变化。但离子半径大于 0.1nm 的二价阳离子 Sr 2+、Ba 2+、Pb 2+,则分别形成属于斜方晶系

8、的文石（CaCO3）型结构，随着离子半径的改变，它们所形成的晶体的斜方柱面角也稍有变化。而离子半径近于0.1nm 的二价阳离子 Ca 2+,则在不同的条件下，分别可以形成三方晶系的方解石和斜方晶系的文石。这一系列的成分与结构的变化即为一型变系列。八、多型多型是一种元素或化合物以两种或两种以上层状结构存在的现象。这些晶体结构的结构单元层基本上是相同的，只是它们的叠置顺序有所不同，从而可以构成不同的多型变体。多型可被看作是一种特殊形式的一维的同质多像。九、晶体结构的有序无序有序无序的概念当两种（或两种以上）原子或离子在晶体结构中占据某种位置时，如果它们相互间的分布是任意的，即它们占据任何一个该种位置的几率都是相同的，则这种结构称为无序结构；如果它们相互间的分布是有规律的，即这两种（或多种）原子或离子各自占据特定的位置，则这种结构称为有序结构。