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6种典型离子晶体结构

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离子化合物晶体结构

离子化合物晶体结构
( )－－四面体间隙 [ ]－－八面体间隙
•正尖晶石材料：A为Mg2＋, Mn2＋, Fe2＋, Co 2＋, Cd2＋, Zn2＋, Ni2＋等，
B为Al3＋, Cr3＋, Fe3＋, Co3＋等
•反尖晶石材料：如铁氧体Fe3O4
化物晶体结构的一般规律
自学 要求：根据给定的晶体结构分析其结构特征 特点：负离子形成密堆结构，正离子占据其 间隙位置
ZrO2 氧化锆 Zirconia
• 常温下单斜相，1100℃以上 是四方相 • 近似的萤石型结构 • 高温陶瓷材料、固体电解质（燃料电池中使用）、 发热体等
(2) 金红石型结构 （TiO2） Rutile
• 简单正方（四方）点阵 • 两个Ti4＋：(0,0,0)、(½, ½, ½) 四个O2－：(u,u,0)、(1-u, 1-u, 0)、(½+u, ½-u, ½)、(½-u, ½+u, ½) u=0.31
典型的离子化合物的晶体结构
描述离子晶体结构的三种方法： 描述离子晶体结构的三种方法：
•坐标法：给出单位晶胞中各个原子的空间坐标 坐标法： 坐标法 如在NaCl晶体中，4个Cl－：[(0,0,0)、<1/2,1/2,0>] 4个Na＋：[<0,0,1/2>、(1/2,1/2,1/2)] •球体密堆法：阴离子紧密堆积，阳离子处于阴离子配 球体密堆法： 球体密堆法 位多面体的间隙之中 如NaCl晶体：Cl－按FCC密堆，Na＋处于全部的八面 体间隙 •配位多面体及其连接法：对于比较复杂的晶体，用这 配位多面体及其连接法： 配位多面体及其连接法 种方法有利于认识和理解晶体结构。 例如：在硅酸盐晶体结构中，经常采用这种方法， 但对结构简单的晶体，这种方法反而不一定方便。

结构化学第5章--晶体结构-5-04

结构化学第5章--晶体结构-5-04

结构 类型
点阵型 式
caesium chloride
CsCl
sodium chloride NaCl
立方P
立方 F
Zine blende structure
wurtzide structure
立方 ZnS
六方 ZnS
立方F 六方
calsium fluoride CaF2
rutile structቤተ መጻሕፍቲ ባይዱre TiO2
NaCl rNa+/rCl-=959pm/181pm=0.525 Na+填在Cl-堆积的八面体空隙中. CsCl rCs+/rCl-=169pm/181pm=0.934 Cs+填在Cl-堆积的正方体空隙中。
⑵正、负离子的配位数和离子晶体结构参数 对于简单的二元离子晶体来说，除正负离子半径比决定离 子晶体的结构类型外，离子晶体堆积的紧密程度(负离子 堆积产生的空隙是否被正离子填充满等)也影响着晶体的 结构型式。若Z+、Z-分别为正负离子的电荷数，n+、n-分 别为正负离子数，CN+、 CN-分别为正负离子的配位数， 有
电负性较大的非金属元素和电负性较小的金属元 素生成的化合物一般都是离子化合物。在离子化合物 中，金属元素将价电子转移给非金属，形成具有较稳 定电子结构的正、负离子。正、负离子由于静电力互 相吸引靠近，当它们充分靠近时又会因电子云重叠而 相互排斥。当吸引和排斥相平衡时，形成稳定的离子 化合物。由此可知，离子化合物中存在的结合力是以 正、负离子间静电力为基础的离子键。正、负离子具 有球对称的电子云(Unsöld定理)，所以离子键也和金属 键一样没有饱和性和方向性。离子键向空间各个方向 发展，即形成了离子晶体。
立方F 四方P

第一章晶体结构(离子晶体课件4-2)

第一章晶体结构(离子晶体课件4-2)
（5）在[SiO4]四面体中，3个氧是桥氧（非活必性氧），1个是非桥 氧（活性氧），活性氧的电价未饱和，必须与其它金属离子连接，用 以饱和O。
结构中O2-离子作变形的六方最紧密堆积，正离子占据一半的八
面体空隙位，并且交替占据，有一半是空的。八面体单元TiO6共边连接
成平行于C轴的链。 这种结构属于四方晶系，简单四方点阵。就一个晶胞而言，Ti4+ 占
据简单四方点阵的顶点和体心位置，O2-则处于上、下底面一组相互平行
对角线上和通过体心并平行于上下底截面上另外方向的一条对角线上， 这三条面对角线上各有两个O2-,它们距离所在面对角线端点的距离同为对
3、A2B3型化合物结构:
其中O 离子近似作六方最紧密堆积（HCP），Al
2-
2-
3+
离子填充在6个O 离子形成有八面体空隙中。 由于 3+ Al/O=2/3，所以Al 占据八面体空隙的2/3，其余1/3的空 隙均匀分布，这样13层构成一个完整周期。刚玉结构 中 正负离子的配位数分别为6和4。
依照Pauling第一规则，钛、氧离子半径比r /r 3+ =0.43>0.414, Al 的C.N.=6,处于八面体空隙位置；依照 3+ 2Pauling第二规则， Al －O 静电强度Si=3/6=1/2。氧离子 为负二价，因此它的配位数为4.
尖晶石的单位细胞
[反尖晶石结构]
在面心立方体点阵中，占Ｔ位和Ｏ位的正离子必须满足：Ａ离子 （占Ｔ位）的半径必须小于Ｂ离子（占Ｏ位）的半径。如果Ａ离子半径 大于Ｂ离子，则Ａ离子占据Ｏ位，Ｂ离子占据Ｔ位。这种结构称作反尖 晶石结构。正离子占据孔隙的情况如下： 32个O2-离子 64个四面体空隙 32个八面体空隙 16个A3+离子 ８个A3+离子 ８个A3+离子

离子晶体结构

离子晶体结构

2.4 离子晶体结构陶瓷材料属于无机非金属材料，是由金属与非金属元素通过离子键或兼有离子健和共价键的方式结合起来的。

陶瓷的晶体结构大多属离子晶体。

2.4.1 离子晶体的结构规则1.负离子配位多面体规则在离子晶体中，正离子的周围形成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。

这是鲍林第一规则。

将离子晶体结构视为由负离子配位多面体按一定方式连接而成，正离子则处于负离子多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正结构基元。

离子晶体中，正离子的配位数通常为4和6，但也有少数为3，8，12。

2.电价规则在一个稳定的离子晶体结构中，每个负离子的电价Z-等于或接近等于与之相邻接的各正离子静电强度S 的总和。

这就是鲍林第二规则，也称电价规则。

3.负离子多面体共用顶、棱和面的规则鲍林第三规则指出："在一配位结构中，共用棱特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性。

对于电价高，配位数低的正离子来说，这个效应尤为显著。

"4.不同种类正离子配位多面体间连接规则鲍林第四规则认为："在含有一种以上正负离子的离子晶体中，一些电价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽量互不结合的趋势。

"5.节约规则鲍林第五规则指出："在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致。

"因为在一个均匀的结构中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。

2.4.2 典型的离子晶体结构离子晶体按其化学组成分为二元化合物和多元化合物。

其中二元化合物中介绍AB 型，AB2 型和A2B3型化合物；多元化合物中主要有ABO3型和AB2O4 型。

1.AB型化合物结构a.CsCl型结构:CsCl型结构是离子晶体结构中最简单的一种，属六方晶系简单立方点阵，Pm3m空间群。

CS+和Cl-半径之比为0.169nm/0.181nm＝0.933，Cl-离子构成正六面体，Cs+在其中心，Cs+和Cl-的配位数均为8，多面体共面连接，一个晶胞内含Cs+和Cl-各一个，如图2.32所示。

离子晶体

离子晶体

离子晶体的硬度越大、 熔沸点越高
Q阴XQ阳 F=K 2 R 键长
阴、阳离子电荷越 大，离子半径越小
结构决定性质
2、离子半径大小比较规律
阳离子半径<相应的原子半径；如：Na+<Na
阴离子半径>相应的原子半径；如：Cl->Cl
同一主族元素，从上到下，离子半径逐渐增大 ；如：Li+<Na+<K+ F-<Cl-<Br-<I-
小，共价键键长越短，键能越大，熔点越高。
⑷金属晶体中，离子半径越小，离子电荷 越高，金属键就越强，熔点就越高。合金的
熔点比它的各成分金属的熔点低。
1、下表列出了有关晶体的知识，其中错误的是（
B
）
晶体
A 硫化钾
B 干冰
C D 金刚石 碘
组成晶体的微粒 阴阳离子 分子 原子 分子 晶体微粒间存在 离子键 共价键 共价键 范德华力 的作用力
回顾：三种晶体结构与性质的比较
晶体类型 概念
作用力 构成微粒 物 理 性 质 熔沸点 硬度 导电性
原子晶体
分子晶体
金属晶体
相邻原子之间以共价 分子间以范德 键相结合而成具有空 华力相结合而 间网状结构的晶体 成的晶体
通过金属键 形成的晶体 金属键
金属阳离子 和自由电子
共价键 原子 很高 很大
一般没有(硅、 锗为半导体)
离子晶体 NaCl CsCl 阴离子的配位数 阳离子的配位数
6 8
6 8
NaCl、 CsCl两种离子晶体中阳离子和阴离子 的配位数不相等,所以晶体结构是不同的
(3)CaF2型晶胞
氟化钙 （宝石学 名称：萤 石）

离子晶体熔沸点比较

离子晶体熔沸点比较

离子晶体熔沸点比较离子晶体是一种具有离子性质的晶体，通常由阳离子和阴离子按照一定比例组成。

离子晶体的结构通常具有高度的对称性和紧密的排列，具有很高的熔点和硬度，因此在工业和科学研究中都有广泛的应用。

本文将对一些常见的离子晶体的熔沸点进行比较和分析。

1. 氯化钠（NaCl）氯化钠是一种常见的离子晶体，常见于盐矿和海水中。

它的晶体结构是由碱金属阳离子和卤素阴离子按照1:1比例组成的立方晶系。

它的熔点很低，只有801°C，熔化后会形成透明的液体。

氯化钠的熔沸点比较低的原因是各离子之间的相互作用力比较弱，因为它们之间的静电相互作用只有短程的有效作用。

2. 氟化钙（CaF2）氟化钙是一种白色或无色的离子晶体，常见于矿物和岩石中。

它的晶体结构是由钙阳离子和氟阴离子按照1:2比例组成的立方晶系。

因为它的晶体结构中有很多钙离子和氟离子交替排列，所以它的晶体结构比较致密，其熔点很高，为1418°C，熔化后会形成透明的液体。

3. 氧化铝（Al2O3）氧化铝，也被称为刚玉，是一种无色或斑点色的离子晶体，常见于火山岩浆和玄武岩中。

它的晶体结构是由铝阳离子和氧阴离子按照2:3比例组成的三方晶系。

氧化铝的晶体结构非常致密，其熔点很高，为2072°C，熔化后会形成透明的液体。

氧化铝的高熔点是因为它的晶体结构非常致密，且其中的氧离子和铝离子之间的作用力比较强。

4. 氧化镁（MgO）氧化镁是一种白色的离子晶体，常见于岩石中和熔岩中。

它的晶体结构是由镁阳离子和氧阴离子按照1:1比例组成的立方晶系。

氧化镁的晶体结构非常致密，其熔点很高，为2852°C，熔化后会形成透明的液体。

与氧化铝类似，氧化镁的高熔点是因为其中的离子相互作用力非常强，晶体结构也非常致密。

5. 硫酸钠（Na2SO4）硫酸钠是一种白色结晶粉末，常用于洗涤剂和玻璃制造中。

它的晶体结构是由两个钠离子和一个硫酸根离子组成的局部离子配位。

离子晶体结构


Structures
4
Si:O
Examples
[SiO 4 ]4
1:4
锆英石
Zr[SiO4 ]
镁橄榄石
4
[Si 2O17 ]6 1:3.5
Mg2[SiO 4 ]
石榴石
1
Island
硅氧四面体还可 以成对硅氧团出现， 或成三方环状、四方 环状或六方环状硅氧 团出现，这些有限的 硅氧团之间被金属阳 离子隔开
rSi/rO＝0.40/1.35＝0.30<0.414
2.4
离子晶体结构
硅氧之间的平均距离为: Si－O :1.6 Å (practical) < 1.75 Å (theoretic) 硅氧之间的结合除离子键外，还有相当成分的 共价键，一般视为离子键和共价键各占50％。
4－
[SiO4]4-四面体
SiO4 tetrahedron
[SiO4]以三个以上 的顶角相连形成在二 维方向呈六角对称的 平面无限延伸的层状 结构。
Structures
[SiO 3 ]2
Si:O 1:3
Examples
辉石
2
Chain
R 2 [Si 2O6 ]
[Si 4O11]6
角内石 Ca 2Mg5[Si 4O11]2 OH2
4:11
高岭石
3
Sheet
[Si 3O9 ]6
[Si 4O12 ]8
1:3
R32R 3[SiO 4 ]3 2
1:3
钇铝石榴石
Y3 2Al3[SiO 4 ]3 2
[Si 6O18 ]12
1:3
Types
Features
硅氧四面体通过 共用两个或者两个以 上的顶点，连接形成 一向延长的链状结构。 链与链之间被金属阳 离子隔开。

3.3离子晶体

第三章——第三节——离子晶体要点一、离子晶体1.离子晶体（1）定义：由阳离子和阴离子通过离子键结合而成的晶体。

如Na2O、NH4Cl、Na2SO4、NaCl、CsCl、CaF2等都是离子晶体，其中Na2O、NaCl、CsCl、CaF2晶体中只有离子键（2）构成晶体的微粒：阴、阳离子（在晶体中不能自由移动）（3）微粒间的作用力：离子键（4）常见的离子晶体——离子化合物：强碱、活泼金属氧化物、绝大多数盐等（5）结构特点：理论上，结构粒子可向空间无限扩展（6）配位数（C.N.）：指一个离子周围最邻近的异电性离子的数目（7）物理性质：硬度较大，难于压缩；熔沸点一般较高，难挥发；不导电，但是在熔融状态或水溶液中可导电2.常见离子晶体的空间结构（1）AB型离子晶体的空间结构：如NaCl和CsCl晶体说明：Ⅰ、氯化钠型晶胞：阴、阳离子的配位数是6，即每个Na+紧邻6个Cl-，每个Cl-紧邻6个Na+①钠离子、氯离子的位置关系：钠离子和氯离子位于立方体的顶角上，并交错排列。

钠离子：体心和棱中点；氯离子：面心和顶点，或反之；②每个晶胞含钠离子、氯离子的个数：Cl-：8×1/8+6×1/2=4 Na+：12×1/4+1=4；③与Na+等距离且最近的Na+有12个；④Na+、Cl-比例为1︰1，化学式为NaCl，属于AB型离子晶体。

Ⅱ、氯化铯型晶胞：阴、阳离子的配位数是8，即每个Cs+紧邻8个Cl-，每个Cl-紧邻8个Cs+每个Cs+周围最邻近的Cl-有8个，每个Cl-周围最邻近的Cs+有8个，则Cs+、Cl-的配位数都是8。

因此整个晶体中，Cs+、Cl-比例为1︰1，化学式为CsCl，属于AB型离子晶体。

同是AB型离子晶体， CsCl与NaCl的晶体结构和配位数不一样（2）CaF2晶体的空间结构由图可知，Ca2+的配位数为8，F-的配位数是43.决定离子晶体结构的主要因素：（1）几何因素：正、负离子的半径比的大小晶体的阴、阳离子所带的电荷数相同的AB型离子晶体的几何因素与配位数（阴、阳离子个数相同，配位数也相同）的关系：r+/ r-配位数0.225-0.414 40.414-0.732 60.732-1.00 8（2）电荷因素：正、负离子所带电荷的多少晶体中阴、阳离子的电荷数不相同，阴、阳离子个数不相同，各离子的配位数也不相同。

第2章 材料中的晶体结构


b. 已知两不平行晶向[u1v1w1]和[u2v2w2 ]，由其决定的 晶面指数(hkl)为：
h v1 w 2 v 2 w 1 , k w 1u 2 w 2 u 1, l u 1 v 2 u 2 v1
补充
cos
2
(对于立方晶系)
两个晶面（h1k1l1）与（h2k2l2）之间的夹角φ
h h
1 2

k k
1 2
2

2
ll
1
2 2 2
(h1
k
2 1

l1 )
(h 2
k

l
2 2
)
两个晶向[u1v1w1]与[u2v2w2]之间的夹角θ
cos
2
u u
1
2

vv
1 2
2

w w
1 2
2
(u 1
v
2 1

w1)
(u 2
v
2 2

w
2 2
)
晶面（hkl）与晶向[uvw]之间的夹角ψ
晶向指数用[uvtw] 来表示。其中 t =－（u＋v）
120° 120°
晶面指数的标定
1.求晶面与四个轴的截距
2.取倒数
3.再化成简单整数
4.用圆括号括起来（h k i l）
六方系六个侧面的指数分别为：
(1 1 00),(01 1 0),(10 1 0),(1 100),(0 1 10),(1 010)
(210)
(012)
(362)
注意
选坐标原点时，应使其位于待定晶面以外，防止 出现零截距。 已知截距求晶面指数，则指数是唯一的；而已知 晶面指数，画晶面时，这个晶面就不是唯一的。

2020高考热点---离子晶体晶胞结构详细解析


= 58.5 / NA×4 a3
变式：若NaCl晶体的密度为ρg/cm3，则 NaCl晶体中Na ＋与Na+间的最短距离是多少？
6、NaCl型晶胞投影
8
7、NaCl型晶胞参数坐标
每个晶胞含有4个Cl－和4个Na＋， 它们的原子分数坐标为：
Na＋：1/2，1/2，1/2 1/2，0，0
Cl－： 0，0，0
22
22
22
B为( 1 , 1 , 1 ), ( 3 , 1 , 1 ), ( 1 , 3 , 1 ),( 1 , 1 , 3 ) 444 444 444 444
( 3 , 3 , 1 ), ( 3 , 1 , 3 ), ( 1 , 3 , 3 ),( 3 , 3 , 3 ) 444 444 444 444
填充最完整的一种晶胞 顶点（0，0，0） 面心(0，1/2，1/2)，(1/2，0，1/2)，(1/2，1/2，0)； 体心(1/2，1/2，1/2) 棱心(1/2，0，0)；(0，1/2，0)；(0，0，1/2)；
四面体全填充（1/4,1/4,1/4）；1/4,3/4,1/4）； （3/4,1/4,1/4）；（3/4,3/4,1/4）； （1/4,1/4,3/4）；（1/4,3/4,3/4） （3/4,1/4,3/4）；（3/4,3/4,3/4）
1/2，1/2，0
0，1/2，0 0，1/2，1/2
0，0，1/2 1/2，0，1/2
8、碱金属的卤化物、氢化物，碱土金属的氧化 物、硫化物、硒化物、碲化物，过渡金属的 氧化物、硫化物，以及间隙型碳化物、氮化 物都属NaCl型结构。
变式训练
氯化铯晶胞结构解析
CsCl的晶体结构 ——晶胞为体心立方体
A为(0,0,0),( 1 , 1 ,0), ( 1 ,0, 1 ), (0, 1 , 1 ) 22 2 2 22
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6种典型离子晶体结构
一、正方晶系：NaCl型
正方晶系是最简单的晶体结构之一，其代表性的离子晶体结构是NaCl型。

NaCl型晶体由阳离子和阴离子组成，阳离子居于晶格点的立方中心，阴离子则占据立方体的顶点。

这种排列方式使得阳离子和阴离子之间的距离相等且相邻离子的电荷相反。

NaCl型晶体具有高度的离子性，具有良好的热稳定性和电绝缘性能，常见的NaCl型晶体有氯化钠(NaCl)、氟化钠(NaF)等。

二、六方晶系：CsCl型
六方晶系中的CsCl型晶体结构是由一个简单的离子晶体组成，其中一个离子位于晶格点的中心，而另一个离子则位于晶格点的顶点。

CsCl型晶体具有高度的离子性和坚硬性，常见的CsCl型晶体有氯化铯(CsCl)、溴化铯(CsBr)等。

三、正交晶系：CaF2型
正交晶系中的CaF2型晶体结构由一个阳离子和两个阴离子构成，阳离子位于晶格点的中心，而两个阴离子则位于晶格点的顶点。

CaF2型晶体具有高度的离子性和硬度，常见的CaF2型晶体有氟化钙(CaF2)、氧化锶(SrO)等。

四、斜方晶系：RbBr型
斜方晶系中的RbBr型晶体结构由一个阳离子和一个阴离子构成，阳
离子位于晶格点的中心，而阴离子则位于晶格点的顶点。

RbBr型晶体具有较高的离子性和热稳定性，常见的RbBr型晶体有溴化铷(RbBr)、碘化铷(RbI)等。

五、菱方晶系：ZnS型
菱方晶系中的ZnS型晶体结构由一个阳离子和一个阴离子构成，阳离子位于晶格点的中心，而阴离子则位于晶格点的顶点。

ZnS型晶体具有较高的离子性和硬度，常见的ZnS型晶体有硫化锌(ZnS)、硫化铜(Cu2S)等。

六、单斜晶系：CrCl2型
单斜晶系中的CrCl2型晶体结构由一个阳离子和两个阴离子构成，阳离子位于晶格点的中心，而两个阴离子则位于晶格点的顶点。

CrCl2型晶体具有较高的离子性和热稳定性，常见的CrCl2型晶体有氯化铬(CrCl2)、溴化铬(CrBr2)等。

离子晶体的结构多种多样，其中典型的结构有正方晶系的NaCl型、六方晶系的CsCl型、正交晶系的CaF2型、斜方晶系的RbBr型、菱方晶系的ZnS型和单斜晶系的CrCl2型。

每种结构都具有不同的离子排列方式和特性，对于材料的性质和应用有着重要影响。

通过对离子晶体结构的研究，可以深入了解晶体的性质和行为规律，为材料科学和化学领域的发展提供重要的理论基础。