第十章-晶体结构

第10章晶体结构第10章SchoolofMaterialsScienceandEngineering晶体结构第10章晶体结构元素单质的晶体结构无机化合物的晶体结构SchoolofMaterialsScienceandEngineering主要教学内容第10章晶体结构晶体结构参数SchoolofMaterialsScienceandEngineering晶系空间群的国际符号晶胞参数晶胞中的分子数原子或离子的配位数原子或离子的坐标第10章晶体结构晶体结构图SchoolofMaterialsScienceandEngineering晶体结构图反映质点在晶胞中的位置和分布规律有几种不同的模式：原子(离子)球体堆积(hard-spheremodel)化学键联接(ball-and-stickmodel)配位多面体(polyhedralmodel)多种方式综合第10章晶体结构SchoolofMateceandEngineeringrialsScien第10章晶体结构NaCl型结构同型结构质点种类不同，对应质点排列方式相同，称为同型结构。典型结构在若干种同型结构的晶体中选出一种命名这种结构，即为典型结构。ClNaSchoolofMaterialsScienceandEngineering典型结构第10章晶体结构10.1元素单质的晶体结构SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构原子之间以金属键结合，结构看成是由等大球密堆积而成，原子配位数高。按金属原子堆积方式可分为：A1型：立方最紧密堆积A2型：立方体心紧密堆积A3型：六方最紧密堆积SchoolofMaterialsScienceandEngineering⑴金属单质的晶体结构第10章晶体结构①Cu型结构等轴晶系，原子呈立方最紧密堆积，属A1型。a空间群Fm3ma=0.3608nm，CN=12，Z=4。Cu坐标：0,0,0；1/2,1/2,0;1/2,0,1/2;0,1/2,1/2.具有铜型结构的有Au、Ag、Pb、Ni、Co、Pt、Fe、Al、Ca、Sr等单质晶体。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构②α-Fe型等轴晶系，原子成立方体心紧密堆积，属A2型。SchoolofMaterialsScienceandEngineering空间群为Im3ma=0.2860nm，CN=8，Z=2Fe坐标：0,0,0；1/2,1/2,1/2属α-Fe型结构的有W、Mo、Li、Na、K、Rb、Cs、Ba等。a第10章晶体结构③Os（锇）型六方晶系，原子成六方最紧密堆积，属A3型。属Os型结构的有Mg、Zn、Rh、Sc、Gd、Y、Cd等。cXYU1/21/21/2空间群为P6/mmca=0.2712nm，c=0.4314nm，CN=12，Z=2。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构原子之间多以共价键结合。原子配位数一般符合CN=8-N规则。N：非金属原子在元素周期表中的族数。SchoolofMaterialsScienceandEngineering⑵非金属单质的晶体结构第10章晶体结构等轴晶系。碳原子之间以共价键结合，每个碳原子周围有4个碳原子，形成四面体配位。碳原子位于晶胞的角顶和面心，以及相间的4个小立方体的中心。空间群Fd3ma=0.3570nmCN=4，Z=8①金刚石型SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构1/21/21/21/2滑移(b+c)/43/43/41/41/41/2滑移(a+c)/4金刚石型结构中的d滑移面C原子坐标：0,0,0；1/2,1/2,0;1/2,0,1/2;0,1/2,1/21/4,1/4,1/4;3/4,3/4,1/4;3/4,1/4,3/4;1/4,3/4,3/4SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构②石墨(2H,C)六方晶系，层状结构，层内每个C与3个C连接，形成六方环状网层；上层六方网环的碳原子有一半对着下层六方网环的中心。层的重复规律为ABAB…..。上层(B)下层(A)c0.3355nm0.1427nm0.6708nmSchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构底层：中层：顶层：UY2H石墨的晶胞划分X1/2SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构底层SchoolofMaterialsScienceandEngineering中间层顶层石墨的晶胞包括三层，底层C原子的位置与顶层相同，中间层不同。2H石墨的晶胞划分第10章晶体结构底层：中层：顶层：空间群P63/mmc，a=0.246nm，c=0.6708nm，Z=4。2H石墨的晶胞划分1/2XUYSchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构10.2无机化合物的晶体结构SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构10.2无机化合物的晶体结构二元无机化合物晶体多元化合物晶体SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构10.2无机化合物的晶体结构SchoolofMaterialsScienceandEngineering化合物类型典型结构二元化合物AX型CsClNaClZnSAX2型CaF2TiO2FeS2α-SiO2A2X3型Al2O3多元化合物ABX3型CaCO3CaTiO3AB2X4型MgAl2O4第10章晶体结构10.2.1.二元无机化合物晶体⑴AX型晶体阴阳离子电价相同，数量比例为1:1。主要有CsCl型、NaCl型、ZnS型等。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构等轴晶系，CsCl结构可以看成是由Cl-的立方原始格子和Cs+的立方原始格子套叠而成，一套点阵位于另一套点阵晶胞的中心。①CsCl型空间群Pm3m，a=0.411nm，CN=8，Z=1。AX型化合物中，r+/r-0.732时，多为CsCl型结构。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构属于这种结构型的有CsBr、CsI、RbCl、ThCl、ThTe、TiCl、TiBr、NH4Cl、NH4Br、NH4I等。在后三种晶体中，NH4+可看作是一个简单的阳离子。SchoolofMaterialsScienceandEngineering①CsCl型第10章晶体结构②NaCl型等轴晶系，结构可以看成是Cl-作立方最紧密堆积，Na+充填所有的八面体空隙。ClNa空间群Fm3ma=0.5628nm。CN=6，Z=4AX型化合物中，r+/r-=0.414-0.732时多为NaCl型结构。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构②NaCl型属于NaCl型结构的二元化合物有：卤化物(AX)，A=Li+、Na+、K+、Ru+、Ag+…X=F-、Cl-、Br-。硫化物(AS)，A=Pb2+、Ca2+、Mn2+、Ba2+、Mg2+…硒化物(ASe)，A=Pb2+、Ca2+、Mn2+、Ba2+、Mg2+…碲化物(ATe),A=Ca2+、Sr2+、Ba2+、Ti2+…碳化物（AC），A=Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Th…氮化物(AN),A=Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Cr、Np、Pu、Th、U…氧化物(AO)，A=Sr2+、Ba2+、Ca2+、Ti2+、Sn2+、Pb2+氢化物(AH),A=Li+、Na+、K+、Ru+、Cs+SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构③β-ZnS型等轴晶系，结构可以看成是S2-作立方最紧密堆积，Zn2+充填1/2的四面体空隙。ZnS空间群F43m，a=0.540nm，CN=4Z=4SchoolofMaterialsScienceandEngineering结构稳定于r+/r-=0.414-0.225。第10章晶体结构③ZnS型具有闪锌矿型结构的有CaF、CuCl、CuBr、CuI、BeV、BeS、CdS、HgS、BeSe、BeTe、ZnSe、ZnTe、CdTe、MgTe、AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlSb、InSb、BaS、BN、SiC、BeB等。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构⑵AX2型晶体结构主要包括氧化物和氟化物等，典型结构：萤石（CaF2）型金红石（TiO2）型SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构①萤石（CaF2）型Ca2+F-等轴晶系空间群Fm3m,a=0.545nm，Z=4。SchoolofMaterialsScienceandEngineeringF-：CN=4，四面体配位，Ca2+：CN=8，立方体配位萤石型结构的稳定范围为r+/r-0.732。第10章晶体结构①萤石（CaF2）型Ca2+离子位于立方面心晶胞的八个角顶和每一个面的中心，F-位于单位晶胞所等分的八个小立方体的中心。也可以看成Ca2+成立方紧密堆积，氟离子充填所有四面体空隙。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构②金红石（TiO2）型四方晶系，O2-成扭曲的六方紧密堆积，Ti4+位于半数的八面体空隙中，构成[TiO6]八面体配位；钛离子位于晶胞的角顶和体心，氧负离子中有4个位于晶胞的上、下底面上，另外2个位于晶胞内。Ti4+O2-SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构TiO1/21/21/21/21/21/21/21/21/21/21/21/2②金红石（TiO2）型空间群：P42/mnm，a=0.4594nm，c=0.2959nm，Z=2。Ti4+：CN=6；O2-：CN=3；SchoolofMaterialsScienceandEngineering结构的稳定范围：r+/r-=0.732－0.414第10章晶体结构YX②金红石（TiO2）型[TiO6]八面体共棱连接成平行C轴的链，链间共角顶连接。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构③α-石英（SiO2）型结构三方晶系，空间群：P312或P322;Z=3。[SiO4]四面体以角顶相联，形成围绕3次螺旋轴(31和32)的螺旋状链。Si：CN=4，O：CN=2。SchoolofMaterialsScienceandEngineering[SiO4]四面体围绕c轴的螺旋状链第10章晶体结构链连接形成的格架SchoolofMaterialsScienceandEngineering③α-石英（SiO2）型结构第10章晶体结构α-石英平行(0001)的结构SchoolofMaterialsScienceandEngineering③α-石英（SiO2）型结构第10章晶体结构β-石英平行（0001）的结构空间群P642，a=0.501nm，c=0.547nm。SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章晶体结构α-石英晶体沿一个二次轴受压后正负电荷重心分离，产生表面电荷。③α-石英（SiO2）型结构SchoolofMaterialsScienceandEngineering第10章