晶体的典型结构类型

• 而对于简单的晶体就不一定好用， 如氯化钠的晶体结构：
• Na+离子的配位数是6，构成Na-Cl八 面体，NaCl结构就是由Na-Cl八面体以共 棱方式相连而成的。
结构类型
(1) 金刚石晶体结构
化学式为：C
晶体结构为：立方晶系，a＝0.356nm，3L44L36L29PC
空间格子： C原子组成立方面心格子，C原子位于立方面 心的所有结点位置和交替分布在立方体内的四个小立方体 的中心。
（5） 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 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
矿物晶体典型结构类型
目录
• 第一节 结构的表征 • 第二节 结构类型 • 金刚石、石墨、石盐、氯化铯、
萤石、闪锌矿、石英
• 1、结构的表征
•
与晶体结构有关的因素有： 晶体化学组成，
晶体中质点的相对大小，极化性能。
•
并非所有化学组成不同的晶体，都有不同
的结构，化学组成不同的晶体，可以有相同的
结构类型。
配位数：CN＋＝CN－＝4
多面体：〔ZnS4〕四面体共顶连接 键型：Zn、S为极性共价键
属纤锌矿型结构的晶体有：
BeO；ZnO；AlN等。
纤锌矿晶体结构图
萤石型结构
化学式： CaF2
萤石晶体结构
晶体结构 立方晶系，a＝0.545nm，Z＝4，
3L44L36L29PC
空间格子： Ca2＋位于立方面心的结点位置 ，F－位于立方体内八个小立方体的中心，即 Ca2＋按立方紧密堆积的方式排列， F－充填 于全部四面体空隙中。
思考题
• 在氯化钠晶体结构中有多少八面体空隙、 多少四面体空隙？如何计算？
氯化铯型结构
• 晶体化学：CsCl
• 晶体结构：立方晶系，a＝0.411nm
•
Z＝1
• 空间格子：CsCl是原始格子
氯化铯晶体结构 大球为Cl‾；小球为Cs+
Cl－离子处于立方 原始格子的八个 角顶上，Cs＋离子 位于立方体的中 心（立方体空隙） CN＋＝CN－＝8， 单位晶胞中有一个 Cl－和一个Cs＋ 配位多面体：在空间以共面形 式连接。
• 属于闪锌矿型结构晶体有： β－SiC；GaAs；AlP；InSb等。
纤锌矿型结构
化学式： α－ZnS 晶体结构： 六方晶系；
a＝0.382nm；c＝0.625nm；Z＝2
质点坐标：
S2－：0 0 0；2/3 1/3 1/2
Zn2＋：0 0 u ； 2/3 1/3 （u－1/2）
空间格子： S2－按六方紧密堆积排列 Zn2＋充填于1/2的四面体 空隙，形成六方格子。
CI－
Na+ NaCl结构〔NaCl6〕八面体的连接方式
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CI－、 Na+各一套 （6）同结构晶体有：MgO、CaO、SrO、BaO、FeO、CoO
结构的描述
（1） 钙钛矿在高温时属立方晶系，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.
（2 ） CaTiO3为离子晶体
（3） Ca的CN=12
Ti的CN=6
O的CN=2+4=6
（4） CaTiO3的结构可看成O2-和半径较大的Ca2+离子共同组成 立方紧密堆积，Ti4+离子充填于1/4的八面体空隙中。其Z=4
• 从结构可以看出，α—石英到α—方石英的转变要 比α—石英到α—磷石英的转变容易一些。
α ----石英
8700C
α ----鳞石英
14700C
α ----方石英
17230C
熔体
5730C
1600C
2680C
β ----石英
β ----鳞石英
β ----方石英
1170C
γ ----鳞石英
重建型转变
金红石链
化学式：
碘化镉型结构
CdI2
晶体结构：三方晶系 a＝0.424nm；c＝0.684nm； Z＝1
空间格子：Cd2＋离子占有六方原始格子的结点位置，I－离子 交叉分布于三个Cd2＋离子三角形中心的上下方； 相当于两层I－离子中间夹 一层Cd2＋离子，构成 复合层。
配位数： CN＋＝6；CN－＝3
昼夜，甚至几个星期之久。
• α—方石英
• 属立方晶系，对称型3L44L36L29PC。ao=0.716nm。
• 晶体结构中硅离子在立方晶胞中成类似于金刚石的 结构，氧离子位于每二个硅离子之间，硅离子位于 四个氧离子之中组成硅氧四面体。
• 结构特点为：两个在垂向上彼此相连的硅氧四面体 之间，相当于以共用氧的位置为对称中心（图中AB 线段的中点位置）相互反伸。
• 结构特点为： 两个在垂向上彼此相连的硅氧四面体
之间，相当于以共用氧的水平位置为对称 面（图中AB位置）互成镜像反映。
结构显示，由α—石英转变为α—磷 石英，不但要改变Si－O－Si的键角和键长，
而且还要重新调整硅氧之间的分布，即破
坏原有的键，建立新的Si－O－Si，它们之
间的转变一般比较困难，常需要持续几个
配位数： CN＋＝8；CN－＝4
多面体： 简单立方体
连接形式： 〔CaF8〕之间以共棱形式连接
• 晶胞组成： Ca2＋ ＝8×1/8＋6×1/2=4； F－ ＝4＋4＝8
• 性质：八面体空隙全部空着—负离子扩散 • 属于萤石结构的晶体有：
BaF2；PbF2；CeO2；ThO2；UO2； 低温ZrO2（扭曲、变形）
性质：碳原子有一个电子可以在层内移 动，平行于层的方向具有良好的导电性 。石墨的硬度低，熔点高，导电性好。
石墨与金刚石属同质多像变体。
AX型晶体
NaCI型结构
矿物名称：石盐。
化学式为：NaCI
CI－ Na+
结构描述：
（1）立方晶系，a＝0.563nm，Z＝4， 3L44L36L29PC
（2）Na+ CI—离子键，NaCI为离子晶体. （3）CN+＝ CN-＝6
键性： 复合层与复合层之间为范德华力，层状结构层
内Cd－I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：
Ca（OH）2；Mg（OH）2；CdI2；MgI2
钙钛矿型结构
钙钛矿结构的通式为ABO3 ,以CaTiO3为例讨论 其结构:
Ca2+
O2-
Ti 4+
配位关系的分析:
可以看出:
Ca的CN=12 Ti的CN=6 O的CN=2+4=6
反萤石结构
晶体结构：其结构与萤石完全相同，只是阴阳离子的 位置完全互换， 即阳离子占据的是F－的位置，阴离 子占据的是Ca2＋ 的位置
配位数： CN＋＝4；CN－＝8
晶胞组成：阴离子 ＝8×1/8＋6×1/2＝4
阳离子 ＝4＋4＝8
属于反萤石结构的晶体有： Li2O；Na2O；K2O等
石英型结构
•
其中ｔ为容差因子，其值为0.77一1.10，
钙钛矿结构都能稳定。由于钙钛矿结构中存在
这个容差因子，加上A、B离子的价数不一定局
1/8小立方体的中心，即1/2 的四面体空隙中。
1/2 的四面体空隙
结构投影图：（俯视图）用标高来表示，0－底面； 25－1/4； 50－1/2； 75－3/4。
（0－100；25－125；50－150是等效的）
• 配位数： CN＋＝CN－＝4；极性共价键， 配位型共价晶体。
• 配位多面体：〔ZnS4〕四面体，在空间以 共顶方式相连接
•
而同一种化学组成，也可以出现不同的结
构类型。
描述晶体结构需表述下列内容：
（1）晶系 （2）对称类型 （3）组成部分及键型 （4）配位数CN （5）晶胞中结构单元数目及位置 Z=? （6）格子形式
描述晶体结构的三种方法
1、坐标法
Cl－: 000,
1 2
1 2
0,
1 2
0
1 2
,0
1 2
1 2
Na+:
•
若以rA代表ABO3型结构中离子半径
较大的A离子半径，rB代表离子半径较小
的B离子半径。rO代表氧离子半径，在钙
钛矿结构中，这三种离子半径之间存在
如下的几何关系：
•
rA+rO＝ 2 (rB+rO)
• 经实际晶体的测定发现，AB离子的半径都可以 有一定范围的波动。只要满足下式即可。
• rA+rO＝t 2 (rB+rO)
金刚石结构
键型： 每个C原子周围有四个C， 碳原子之间形成共价键。
形成： 自然界、实验室
性质： 金刚石是硬度最大的矿物 具有半导体的性能和极好 的导电性。
与金刚石结构相同的有：
硅、锗、灰锡（α-Sn）
合成的立方氮化硼（CBN）等。
金刚石晶体结构
2.石墨结构
化学式：C
晶体结构：六方晶系（2H），L66L27PC
• 晶体名称：石英 • 晶体化学：SiO2
晶体结构 石英（SiO2）来自百度文库三个主要同质多
象变体α－石英、α－鳞石英、α－方石英 具有典型的架状结构，其[SiO4]四面体的 连接方式如下：
A
B
β—石英的晶体结构
硅氧四面体的连接方式
• α—石英
• 属六方晶系，对称型L66L2，ao=0.501nm，
co=0.547nm。
00
1 2
,
11 22
00
,0
1 2
0,
11 11 1 22 22 2
2、球体堆积法
3、配位多面体及其连接方式描述法
球体紧密堆积法
• 对于金属晶体和一些简单的离子晶体有用。
• 如氯化钠的晶体结构： Cl－离子按立方紧密堆积，Na+处于全部
的八面体空隙中。
配位多面体及其连接法
• 对结构比较复杂的晶体，用这种方 法。如对于硅酸盐的晶体结构常用。
a＝ 0.246nm ， c＝0.670nm 三方晶系（3R），L33L23PC， c＝1.004nm
结构表现：C原子组成层状排列， 层内C原子成六方环状排列，每 个碳原子与三个相邻的碳原子 之间的距离为0.142nm，层与层 之间的距离为0.335nm。
石墨晶体结构
键型：层内为共价键，层间为分子键， 还有自由电子存在－金属键。
位移型转变
金红石型结构
化学式：
TiO2
晶体结构 四方晶系，a＝0.459nm；c＝0.296nm；Z＝2
L44L25PC
格子类型：四方原始格子。Ti4＋位于结点位置，体心的属另 一套格子。O2－处在一些特殊位置上，
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
• 结构中各原子群形成螺旋状，每一螺旋状原子群 在同一状态下旋转，按六次螺旋转轴旋转排列， 即可得到右旋或左旋的α型石英晶体。
• 结构特征为：两个原来在垂向上彼此相连的硅氧 四面体之间，相当于以共用氧的位置为对称中心 （图中AB线段的中点位置）相互反伸，然后再此 基础上，将Si－O－Si的键角由180°转变为150° 其它的共用氧均以此为基础，在三维空间右旋或 左旋相互连接，就组成了α—石英的晶体结构。
（4）--- CI—离子按立方最紧密堆积方式堆积， Na+离子充 填于全部八面体空隙。
--- Na+ 离子的配位数是6，构成Na--Cl八面体。NaCI
结构是由Na--Cl八面体以共棱的方式相连而成。
--- Na+ 离子位于面心格子的结点位置上，CI—离子也位 于另一套这样的格子上，后一个格子与前一个格子相距1/2晶棱 的位移。
晶体结构：O2－可看成是变形 六方密堆积，Ti4＋ 离子填充1/2的八面 体空隙
配位数：CN＋＝6；CN－＝3
多面体：[TiO6]八面体
连接方式：Ti－O八面体以共 棱方式连接成链， 链与链之间以共顶 方式相连。
与金红石结构相同的晶体有： SnO2；PbO2；MnO2；MoO2 WO2；MnF2;MgF2；VO2
• α—磷石英
• 属六方晶系，对称型L66L27PC。ao=0.503nm， co=0.822nm，
• 其晶格是由[SiO4]四面体构成六方环状网 格，结构中六个硅氧四面体成六方环状连 接，其中相间的三个顶端向上，另外三个 向下。然后再与上下环中四面体的顶端相 接，在三维空间组成无限延伸的环状骨架。
离子坐标： Cl－ 000
Cs＋ 1/2 1/2 1/2
类似的晶体：CsBr，CsI， NH4Cl等
Cl－离子 Cs＋离子
氯化铯晶体结构
闪锌矿型结构
化 学 式：β－ZnS
晶体结构 空间格子
立方晶系，a＝0.540nm；Z＝4，3Li44L36P
立方面心格子，S2－离子呈立方最紧密堆积，位于 立方面心的结点位置，Zn2＋离子交错地分布于