常见九种典型的晶体结构

常见九种典型的晶体结构1金属单质结构2氯化铯结构3CaI2结构4萤石结构5食盐结构6闪锌矿结构7金刚石结构8钙钛矿结构9层状硅酸盐结构1金属单质结构(1)立方面心结构：空间群：Fm3m,相当于等大球立方最紧密堆积。属于该结构的物质主要有：铝、铜、金、银、铂、铅等单质。(2)六方结构：空间群：P63/mmc，相当于等大球六方最紧密堆积。属于该结构的物质主要有：Os、Ru、Re、Zn等单质。(3)立方体心结构：空间群：Im3m，为非最紧密堆积方式。属于该结构的物质主要有：T、V、W、La、Ce、Pr、Nd、Yb、Eu、Ti、U、Ba、Sr、K、Na、Ca、Mg等单质。值得指出的是，部分元素的单质可以在不同条件下形成不同的结构，或者可以有不同的结构状态共存。如单质铁：α-铁（Iron-alpha）---（奥氏体）--立方体心γ-铁（Iron-gama）--（马氏体）--立方面心ε-铁（Iron-Epsilon）--六方结构2氯化铯(CsCl)结构空间群：Pm3m，立方原始格子。阴离子分布在晶胞的8个角顶，阳离子充填在其所形成的立方体空隙中。立方体共面连接。具有该结构的物质主要有：KCl,NaCl,TiCl,RbF,CsN,NbN,NbO,AgI,TiTh等物质。3CaI2结构空间群：P-3m，三方原始格子。在单位晶胞中，阳离子分布在8个角顶，阴离子分布中由上下各3个阳离子构成的正三方柱中，并间隔地在上半部的中心和下半部的中心。因此，该结构也可以理解为：阴离子做六方最紧密堆积，阳离子填充在间隔一层的全部八面体空隙中。具有该种结构的物质主要有：VCl2,PbI2,GeI2,PtO2,ToBr2,RhTe2,TiS2,TiSe2,TiTe2,SnS2,MnI2,NiTe2,PdTe2,PtS2,CdI2,MgI2,CaI2,CoBr2,FeBr2,FeI2,ZrS2,ZrSe2,MnBr2等。具有反CaI2结构的物质有：Ag2F，B2O，Ni2C4萤石结构空间群：Fm3m，立方面心结构。Ca分布于晶胞的角顶及面心；F分布在晶胞8等分之后每个小立方体的中心。萤石结构可以理解为：Ca2+做立方最紧密堆积，F-充填在其中全部的四面体孔隙中。N个球最紧密堆积有2N个四面体空隙，所以Ca:F=1:2，故得其分子式为CaF2。萤石晶胞中存在平行于（111）面的离子堆积层，因此，萤石具有{111}完全解理。阳离子配位四面体的连接：共棱联结形成的萤石结构。晶胞中由8个[FCa4]共棱连接而成，而且四面体的每根棱都被共用了。阴离子配位立方体：全部共棱形成萤石结构。[CaF8]配位立方体沿3维方向相间排列而成。反萤石型结构球键图阳离子四面体配位阴离子立方体配位反萤石型结构可看作：阴离子做立方最紧密堆积，阳离子充填在全部的四面体空隙中。结构类型物质名称萤石型结构萤石(CaF2)氯化锶(SrCl2)氯化钡(BaCl2)氟化铅(PbF2)反萤石型结构氧化钾(K2O)氧化钠(Na2O)氧化锂(Li2O)5石盐结构空间群：Fm3m，立方面心格子。具有NaCl型结构的部分物质。表9.4与石盐等结构的物质氯化物碳化物氮化物氧化物氟化物溴化物硫化物氯化钾(KCl)氯化铷(RbCl)碳化钛(TiC)碳化钒(VC)碳化锆(ZrC)氮化钒(VN)氮化钛(TiN)氮化锆(ZrN)氮化钪(ScN)氮化铕(EuN)氧化镁(MgO)氧化钴(CoO)氧化镍(NiO)氧化锰(MnO)氟化锂(LiF)氟化银(AgF)溴化钠(NaBr)溴化钾(KBr)溴化铷(RbBr)硫化锰(MnS)方铅矿(PbS)(111)(200)(220)6闪锌矿结构空间群F-43m，立方面心格子。Zn分布于晶胞的角顶及面心。如果把晶胞8等分，S分布于间隔的小立方体的中心。闪锌矿的晶体结构：球键图(左)、配位多面体连接图(右)结构中，S2-和Zn2+配位数都是4，配位多面体都是四面体。四面体共角顶相联。从图可看出，[SZn4]四面体（[ZnS4]四面体也是一样）共角顶联成的四面体基元层与[111]方向垂直。由于S2-和Zn2+都呈配位四面体，所以闪锌矿只用一种配位多面体结构形式表达(S和Zn互换是一样的)。如果将闪锌矿结构中的Zn和S都变成C，则结构变成金刚石结构（Fd3m）。物质类型物质名称物质名称氯化物氯化铜(CuCl)碳化物碳化硅(SiC)氮化物氮化硼(BN)氮化镓(Ga)磷化物磷化硅(SiP)磷化硼(BP)磷化铝(AlP)磷化铟(InP)硫化物硫化镉(CdS)硫化锡(SnS)毒砂(HgS)氧化物氧化镉(CdO)氧化钴(CoO)砷化物砷化镓(GaAs)砷化铟(InAs)硒化物硒化汞(HgSe)硒化锰(MnSe)蹄化物蹄化铝(AlSb)蹄化铟(InSb)具有闪锌矿型结构的物质7金刚石结构等轴晶系，空间群Fd3m。立方面心结构。金刚石的晶体结构中，碳原子分布在角顶和面心，以及把晶胞八等分之后，半数交替的小立方体中心。金刚石的晶体结构可以看成是半数的C作立方最紧密堆积(蓝球)，另外一半C相间地充填在其中的四面体孔隙中(红球)而构成的。该晶体是典型的原子晶体，每个碳原子都以sp3杂化轨道与四个碳原子形成强的共价键，键长为0.155nm，键角为109°28′16″，即C的配位数4，配位多面体是四面体。碳－碳配位四面体在三维空间共角顶相联，形成最坚强的晶体结构。如果金刚石晶胞沿一个L3立起来，金刚石似乎显示出层状结构特征，虽然不是很特征，但金刚石的确平行{111}存在中等解理。由于C-C键的键能大（347kJ/mo），价电子都参与了共价键的形成，使得晶体中没有自由电子，所以金刚石是自然界中最坚硬的固体，熔点高达3550℃。金刚石及其等结构物质比较物质名称金刚石单晶硅锗α锡化学式CSiGeSna0/nm0.35670.54310.56230.6489H10765D/g/cm33.512.3365.475.77颜色无色黑色淡灰色白色熔点(℃)35501410958937主要用途超硬材料半导体材料半导体材料焊锡材料特点由左至右，物质的共价键性逐步变弱8钙钛矿结构空间群：Pm3m，立方面心结构。Ca-角顶，O-面心，Ti-体心。[TiO6]八面体共角顶连接，Ca填充在其间的空隙中，Ca为12次配位。5)具有钙钛矿结构的物质SrTiO3BaTiO3NaNbO3NaTaO3NaWO3LaVO3CeVO3CaSnO3BaZrO3CsZrO3CsPbO3KFeF3KCoF3KZnF3PbCsCl3更有意义的是具有钙钛矿衍生结构的物质如PbTiO3(1)Pb-O键长不相等。中间的4个为2.80A，下面的4个为2.51A，上面的4个为3.24A(2)[TiO6]八面体中，Ti亦不在中心位置。以上两个原因导致晶体的对称降低，由原来的立方原始格子降低为四方原始格子。空间群Pm3mP4mm。从而晶体具有了极性(具有极轴)，这是导致其铁电性的最根本原因。（Spinel），AB2O4(MgAl2O4)空间群Fd3m。立方面心结构。8尖晶石结构Mg:8a:0.50.50.5Al:16d:0.1250.1250.125O:32e:0.2640.2640.264结构中，O2-作立方最紧密堆积，阳离子A(二价)占据1/8的四面体空隙，[AO4]四面体在结构中间隔地成层分布，在同一层内，临近的四面体的顶点相互反向；阳离子B(三价)占据1/2的八面体空隙，形成[BO6]八面体，[BO6]八面体亦成层分布。间隔性地，一个层的八面体全部被占据，一个层的半数八面体被占据，后者和[AO4]四面体同层。在[111]方向，由[BO6]八面体单纯构成的层与由[AO4]四面体和[BO6]八面体共同组成的层交替排列形成了尖晶石结构。尖晶石通式是A2＋B3＋2O4，表示二价阳离子A占据了晶胞四面体空隙，三价阳离子B占据八面体空隙，此即尖晶石结构，代表是尖晶石（MgAl2O4）。当结构中的四面体空隙被B3＋占据，而八面体空隙则被B3＋和A2＋各占一半，即有分子式B3＋(A2＋B3＋)2O4时，这种结构叫做反尖晶石结构，代表物质磁铁矿（Fe3＋(Fe2＋Fe3＋)2O4）。当结构中四、八面体孔隙被A2＋和B3＋无序占据时，叫混合尖晶石结构，代表晶相是镁铁矿（Fe,Mg)3O4。Fe3O4VMn2O4NiAl2O4NiGa2O4Co3S4TiZn2O4γ-Fe2O3LiTi2O4CoAl2O4MgGa2O4NiCo2S4VZn2O4MnFe2O4MnTi2O4ZnAl2O4MnGa2O4Fe2SiO4SnMg2O4MgFe2O4ZnCr2O4Co3O4ZnIn2S4Ni2SiO4TiMg2O4TiFe2O4CoCr2O4GeCo2O4MgIn2O4Co2SiO4WNa2O4LiMn2O4CuMn2O4VCo2O4CuV2S4Mg2SiO4CdIn2O4具有尖晶石型结构的部分物质LiMn2O4锂电材料9层状硅酸盐结构四面体层（T）和八面体层（O）T层[SiO4]共3个角顶成六方网层，第4个角顶(活性氧)朝向同一方向；在六方网孔中心、与活性氧同高度处存在一个OH。半径1.3AO层两个T层活性氧相向、错开一定距离做紧密堆积，阳离子充填八面体孔隙，形成O层。或：一边是T层的顶点氧和羟基，另一边为一层羟基。三八面体型结构和二八面体型结构当每个六方网孔下的3个八面体空隙（一共是-6价）被三个（二价）阳离子充填时，整个结构称作三八面体型结构；当3个八面体空隙被两个（三价）阳离子充填时，则结构称作二八面体型结构。三八面体结构的O层每个配位离子被三个八面体共用，分给每个八面体阳离子-1/3价，6个总和为-2价。因此每个八面体样子只能为+2价。每个配位离子被两个八面体共用，分给每个八面体样子-1/2价电荷，6个共-3价，因此八面体阳离子为+3价。二八面体结构的O层结构单元层及基本类型T层和O层的不同堆积方式构成了层状结构硅酸盐的结构单元层：1∶1型（TO型）：1层T层和1层O层，代表矿物是高岭石。2∶1型（TOT型）：2层T层夹1层O层，代表矿物是滑石。层间域结构单元层之间的空间叫层间域。层间域可以完全空置，也可以被其它物质充填，如离子，分子，水和有机物等。滑石结构云母结构高岭石(kaolinite)八面体阳离子在每层占据同样的位置。7.17-7.20A0.000.652.223.374.307.17按实际离子半径得到的1:1层型结构7.17-7.20A实际上高岭石的层间域是没有空隙的。八面体表面离子分布：四面体片层间的表面离子分布实际高岭土的片状颗粒：宽2μ，厚0.1-0.2μ。注意上下层面的离子分布及特征。蒙皂石族(Smectite)15A蒙皂石Ca2+携带大量水分子15A5.5-6ACa2+携带大量水分子层电荷的来源(1)来源于四面体片的Al-Si替代。这时，与配平电荷的层间阳离子距离较近，称之为“近电”。记为Xt(2)来源于八面体片的Mg-Al替代。这时，于配平电荷的层间阳离子距离较远，称之为“远电”。记为Xo层电荷的分布在晶胞所示范围内，每个单面只有-0.33价的电荷。平均每个基底氧携带电荷约为-0.055价。天然蒙皂石的层间主要为Ca2+，要达到电荷平衡，1个Ca2+要配平约3个晶胞的底面积，约在半径为6.75A的圆面积上。1个Ca2+配平的电荷范围按原子的实际半径，则为如下分布：而Ca2+的半径只有1.0A，因此层间区域要含大量的极性水分子，进行电荷的传递，从而达到结构的电荷平衡。在柱撑蒙脱石，如羟基铝柱撑，每个阳离子柱(集团)，为+7价，约需平衡10.6个单位晶胞的电荷：即相当于半径为13.04A的圆。羟基铝柱撑蒙脱石结构示意18A8.520A