晶体的本质
晶体的本质在于晶体的内部质点在三维空间成周期重复的排列。这是晶体有别于非晶体的根本所在。晶体所具有的格子构造,决定了
晶体具有结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、固定熔点、最小内能和最大稳定性等基本性能。
在研究晶体结构的基本特征时,首先研究由晶体结构抽象而得到的空间点阵(空间格子)
其中晶体质点的中心位置称为点阵的结 点。一个空间点阵的几何特征,可以用代表这个空间点阵的平行六面 体来表征。
7个晶系14种布拉维格子
单位晶胞是指能够充分反映整个晶体结构特征的最小结构单位。 其形状、大小与对应的单位平行六面体完全一致,并可用晶胞参数来 表征,其数值等同于对应的单位平行六面体参数
晶体中的质点通过结合力键合在一起。按照结合力性质的不同, 分为化学键(离子键、共价键、金属键)和物理键(范德华键、氢 键),由此可把晶体分成:离子晶体、共价晶体(原子晶体)、金属 晶体、分子晶体和氢键晶体5种典型的类型。但实际上对于很多晶体来 说,其键合性质属于复合键型。
晶格能
晶格能数值可以估计晶体与键力有关的物理性质,还可判断晶体的稳定性大小。对于同一结构类型和离子没有变形的情况下,随
着晶格能的增加,通常晶体的沸点和熔点降低,热膨胀系数增高,硬度降低;晶格能高的晶体,质点之间键合牢固,不易移动,相互之间
不易进行固相反应。
晶体的性质是由晶体的组成和结构决定的。在研究晶体结构时,晶体中质点间的几何关系和相互间的物理化学作用,对决定晶体结构
有重要意义。
配位数与配位多面体。
在晶体结构中,离子或原子周围与它直接相邻的异号离子或原子的个数称为该离子或原子的配位数。
由配位离子或原子的中心连线构成的多面体即为配位多面体。
不同的配位数即构成不同的配位多面体。对于典型的离子晶体而言,在常温常压条件下,当正离子无变形或者变形很小时,其正离子配位数及其配位多面体结构主要取决于正负离子半径比值(r+/r-)
离子的极化。
离子在外电场的作用下,其正负电荷的重心不再重合而产生偶极现象,其形状和大小也将发生变化。这种离子在外电场作用下改变其形状和大小的现象称为离子的极化
球体紧密堆积原理。
当由n个球体紧密堆积时,则有2n个四面体空隙和n个八面体空隙。在不等大球体的紧密堆积中,可以把离子半径大的阴离子看成最
紧密堆积,而离子半径较小的阳离子则充填于空隙之中。
通常采用空间利用率(也称堆积系数)来表征离子堆积的紧密程度,其定义为:晶胞中原子体积与晶胞体积的比值,用PC来表示。
当由n个球体紧密堆积时,则有2n个四面体空隙和n个八面体空 隙。在不等大球体的紧密堆积中,可以把离子半径大的阴离子看成最 紧密堆积,而离子半径较小的阳离子则充填于空隙之中。
采用空间利用率(也称堆积系数)来表征离子堆积的紧密程 度,其定义为:晶胞中原子体积与晶胞体积的比值,用PC来表示
同质多晶:化学组成相同的物质,在不同的热力学条件下会结晶形成结构不同的晶体,这种现象称为同质多晶,例如石英的各种不同变体。
类质同晶:物质结晶时,其晶体结构中本应由某种离子或原子占有的配位位置,有一部分被介质中性质相似的它种离子或原子所占有,共同结晶成均匀的、呈单一相的混合晶体。这种结晶不引起键性或晶体结构形式发生质变,这种现象称为类质同晶。例如CaCO 3 (方解石)与MgCO 3 (菱 镁矿)中Ca 2+ 与Mg 2+ 的混晶。
晶体结构的描述通常有以下三种方法。
(2)球体紧密堆积法。离子晶体中负离子常按紧密堆积排列,而正离子处于空隙之中。 例如NaCl,Cl - 按面心立方紧密堆积,Na + 处于全部八面体空隙之中。
3)配位多面体及其连接方式。对结构比较复杂的硅酸盐晶体结构常使用配位多面体和它们的连接方式来描述。
六面体最紧密堆积:ABABABA,,面心立方最紧密堆积:ABCABC
NaCL属于立方晶系,CL离子作面心立方最紧密堆积,Na离子填充八面体空隙100%,两离子配位数均为6.
闪锌矿(ZnS)硫离子作面心立方堆积,锌离子占据四面体空隙1/2,正负离子配位数均为4.
六方(ZnS)纤锌矿型结构:硫离子作六方最紧密堆积,锌离子占据四面体空隙的1/2,正负离子配位数均为4,六方柱晶胞分子数Z=6.
萤石结构CaF2):立方晶系,钙离子作面心立方堆积,配位数为8,立方配位多面体[CaF8];氟离子配位数为4,填充在8个小立方体的体心,[FCa4]四面体。氟离子占据钙离子堆积的四面体空隙100%,钙离子占据立方体空隙的一半。晶胞分子数Z=4.
红晶石结构(TiO2):Ti离子的配位数是6,形成[TiO2]八面体,氧离子配位数为3,形成[OTi3]平面三角单元,Ti离子填充八面体空隙的1/2.晶胞分子数为2.
碘化镉(CdI2)型结构,层状结构晶体碘离子按六方最紧密堆积排列,Cd离子填充1/2的八面体空隙。
刚玉结构(α-Al2O3)型结构,三方晶系,氧离子近似做六方最紧密堆积,铝离子占据八面体空隙的2/3.
钛铁矿(FeTiO3)型结构:通过刚玉结构衍生而来。
钙钛矿(CaTiO3)结构:立方晶系,钙离子:钛离子:氧离子配位数为12、6、6,钛离子占据八面体空隙的1/4。