晶体结构的类型分类

课堂教学中对晶体结构类型与晶格类型概念的剖析

作者：林树坤

来源：《教育教学论坛·下旬》2011年第07期

摘要：晶体结构类型与晶格类型是两个完全不同的概念，但对本科化学化工类专业的学生而言，在《晶体化学》课程学习中对两个概念容易产生混淆。有些教材编写和教师授课过程也没有将这个概念给学生剖析清楚。本文通过笔者多年来对本科生《晶体化学》课程的教学经验，结合现代教学方法与手段，列举一些具体例子加以辨析，以避免课堂教学与学生课程学习中对上述概念的错误认识。

关键词：晶体结构类型 晶格类型 空间点阵 极化现象

一、引言

在《晶体化学》这门课程的教学中，教师应该准确无误地给学生讲解晶体结构类型与晶格类型的概念，避免学生对这些概念的混淆。必须指出的是在某些教材的编写过程与教师课堂教学中，往往将离子化合物晶体中由于离子的极化作用所造成的晶体结构类型的变化说成是晶格类型的转变应严格认真加以辨析，避免教师和学生在课堂教与学过程中产生概念性的错误。以下就本人在《晶体化学》这门课程的教学中，如何给学生讲解几何结晶学中哥希密特结晶化学定律这部分内容作一些说明，以期使学生能正确区别晶体结构类型与晶格类型这两个完全不同的概念。

二、晶体结构类型与晶格类型的概念

在自然界中我们所观察到的晶体通常是表面光滑透明且具有明显规则外形的几何多面体。但对晶体而言其严格的定义是：其内部结构基元是按照周期性（点阵）规则排列的固体物质。在晶体内部这种周期性（点阵）的排列中，其构成晶体结构的最基本单元可抽象为数学上几何点来表示。这些由晶体结构中通过抽象提取出来无限几何点的规则排列构成了点阵。由于大多数晶体为三维空间构造，因此这些几何点的规则排列也就构成空间点阵。空间点阵按排列的特点与对称分布方式可划分为不同的平行六面体（亦称空间格子或晶格）。所以晶体中的空间点阵与晶格类型是对应的关系。空间格子形状与点阵点的分布位置，则构成晶体内部结点排列的不同对称性，在晶体学中即形成十四种空间点阵型式。对某种晶格类型而言其构成的空间点阵型式并不反映晶体中结构基元的种类和数目以及它们相互之间的关系。因此，晶格应为晶体内部空间点阵的几何形式，它只有抽象的含义，不具有晶体结构的实际内容。在实际晶体结构中，我们可以将晶体内部具体的结构用一个含等同内容的最小单位按晶格类型割分出来，这就是我们所要描述的晶胞。将晶胞在三维空间堆砌起来就构成晶体。显然，晶胞为晶体结构最小描述单位。不同晶体其晶胞形状、大小、内容也就不相同。

晶体分类及特点

晶体类型分为：离子晶体，原子晶体，分子晶体，金属晶体。

离子晶体

由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

常见离子晶体：强碱、活泼金属氧化物、大部分的盐类。

原子晶体

晶体中所有原子都是通过共价键结合的空间网状结构。

原子晶体的特点：由于共价键键能大，所以原子晶体一般具有很高的熔、沸点和很大的硬度，一般不导电不溶于常见溶剂。

常见原子晶体：金刚石、单晶硅、碳化硅（金刚砂）、二氧化硅、氮化硼（BN）等。

特征

（1）自然凝结的、不受外界干扰而形成的晶体拥有整齐规则的几何外形，即晶体的自范性。

（2）晶体拥有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。

（3）单晶体有各向异性的特点。

（4）晶体可以使X光发生有规律的衍射。

宏观上能否产生X光衍射现象，是实验上判定某物质是不是晶体的主要方法。

晶体结构类型

钙钛矿结构

钙钛矿结构是一种重要的晶体结构类型，其化学式为ABO3。其中，A位是一种大离子，通常是稀土元素或碱土金属离子，B位是一种小离子，通常是过渡金属离子，O位是氧离子。

钙钛矿结构的晶胞是立方晶系的，其中A位和B位离子分别占据了晶胞的四分之一和八分之一位置，氧离子占据了晶胞的八分之一位置。A位和B位离子之间通过氧离子形成了共价键，使得钙钛矿结构具有较高的稳定性。

钙钛矿结构具有许多重要的应用，例如钙钛矿型太阳能电池、钙钛矿型氧化物电解质、钙钛矿型催化剂等。此外，钙钛矿结构还具有许多有趣的物理性质，例如铁电性、铁磁性、超导性等。

钙钛矿结构的变体也很多，例如钙铁钛矿、钙钛矿-钙铁钛矿复合结构、钙钛矿-钙铁钛矿-钙钛矿复合结构等。这些变体结构的出现，不仅拓展了钙钛矿结构的应用领域，也为研究钙钛矿结构的物理性质提供了更多的可能性。

钙钛矿结构是一种重要的晶体结构类型，具有广泛的应用和研究价值。

得到晶体的方法和晶体的类型

晶体是一种具有规则排列的分子结构的固体物质，具有高度有序性和周期性。在化学、物理、材料科学等领域中，晶体的研究具有重要意义。下面将介绍得到晶体的方法和晶体的类型。

得到晶体的方法主要有以下几种：

1. 溶液结晶法：将固体物质溶解在溶剂中，随着溶剂挥发，溶质逐渐过饱和，晶体在溶液中析出并沉积。这种方法适用于大多数无机晶体的生长。

2. 熔融结晶法：将固体物质加热至熔融状态，然后逐渐冷却，使溶质在凝固的过程中结晶形成。这种方法适用于高熔点物质的晶体制备。

3. 气相沉积法：将气体源物质通过化学反应或物理过程转化为固态物质，沉积在基底表面形成晶体。这种方法适用于高纯度和薄膜晶体的制备。

4. 溶剂挥发法：将溶质溶解在挥发性溶剂中，随着溶剂挥发，溶质逐渐过饱和，晶体在溶液中析出。这种方法适用于有机晶体的制备。

5. 水热合成法：在高温高压的水热条件下，利用水的溶解性和热性质制备晶体。这种方法适用于具有特殊结构和形貌的晶体。

晶体的类型可以根据晶体结构、晶体形貌、晶体化学成分等多方面进行分类。根据晶体结构，晶体主要分为以下几类：

1. 离子晶体：晶体的基本结构单元是离子，例如氯化钠晶体。

2. 共价晶体：晶体的基本结构单元是共价键，例如硅晶体。

3. 金属晶体：晶体的基本结构单元是金属原子，例如铜晶体。

4. 分子晶体：晶体的基本结构单元是分子，例如冰晶体。 此外，晶体还可以根据晶体的形貌进行分类，如立方晶体、四方晶体、六方晶体等。晶体的种类繁多，每种晶体都具有独特的性质和应用价值，对晶体的研究和应用有着重要的意义。

总的来说，得到晶体的方法多种多样，可以根据晶体的性质和用途选择适合的方法。晶体的类型也多种多样，可以根据晶体的结构和形貌进行分类，每种晶体都有其独特的特点和应用领域。晶体的研究和应用将会为科学技术的发展带来更多的可能性和机遇。