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晶体结构试题解答


晶体结构试题解答

H Cl Cl Cl B B C B B Cl B Cl

H H

B B B B Cl H

B

B

H H

右上图是化学家合成的能实现 热电效应的一种晶体的晶胞 模型。图中的大原子是稀土 原

子,如镧;小原子是周期 系第五主族元素,如锑;中 等大小的原子是周期系VIII 族元素,如铁。按如上结构 图写出这种热电晶体的化学 式。给出计算过程。提示: 晶胞的6个面的原子数相同。 设晶体中锑的氧化态为-1, 镧的氧化态为+3,问:铁的 平均氧化态多大?

C B A

A

C
B A C B

A

第四层再排 A,于是形 成 ABC ABC 三层一个周

A

期。 得到面心立方堆积。

C
B

1 6
5

2

A

3
4

C B

A
配位数 12 。 ( 同层 6, 上下层各 3 ) 此种立方紧密堆积的前视图

ABC ABC 形式的堆积,

为什么是面心立方堆积?
我们来加以说明。

C

B
A

ic e
ikaite
gypsum

T1

T2

T3

5-3 离子晶体
? 一. NaCl型 ? 离子键的特点: 无方向性和饱和性, 熔点高 ? 结构特征: 负离子组成立方面心空间点阵, 正离子填入八面体空隙. ? 结构基元: NaCl (含4个) ? 配位数: 6/6 ? 类似晶体: NaBr, NaF,MgO,CaO, SrO, BaO, KCl, KBr, ScN等.

? Fig. 5-7 The crystal structure of NaCl

? 二. CsCl型(CsI) ? 结构特征: 负离子组成简单 立方空间点阵,正离子填入 立方体空隙. ? 结构基元: CsCl (含1个) ? 配位数: 8/8 ? 分数坐标(可互换): ? Cs(0,0,0) ? Cl(1/2,1/2,1/2)

? 三. 立方ZnS型(闪锌矿) ? 结构特征: 负离子组成立方 面心空间点阵,正离子填入 一半的四面体空隙,不直接 相邻. ? 结构基元: ZnS (含4个) ? 配位数: 4/4 ? 分数坐标(可互换)

S: 1 (1/4,3/4,1/4) 2 (3/4,1/4,1/4) 3 (1/4,1/4,3/4) 4 (3/4,3/4,3/4)
? Fig. 5-8 The crystal structure of cubic ZnS

ZnS晶体: ZnS晶体中的化学键属于极性共价键, 它们 的晶体也是共价键型晶体。一般称为AB型共价 键型晶体。该晶体有立方和六方两种结构型式, 晶体中各个原子的配位数都是4。金刚砂SiC等也 属于立方ZnS型结构的晶体。

? 四. 六方ZnS型 ? 结构特征: 负离子组成六方最密堆积,正离子 填入空隙. ? 六方晶胞: a=b≠c; α=β=90°; γ=120° ? 取四棱柱为一个晶胞. ? 结构基元: ZnS (含2个) ? 配位数: 4/4 ? 分数坐标(可互换)

Zn: (0,0,0) (1/3,2/3,1/2) S: (0,0,5/8) (1/3,2/3,1/8)
? Fig. 5-11 The crystal structure of hexagon ZnS

? ? ? ? ? ? ?

五. CaF2型 结构特征: Ca —立方面心空间点阵 F —四面体空隙 F—简单立方点阵 Ca —一半的立方体空隙 结构基元: CaF2 (含4个) 配位数(Ca/F): 8/4

F: 1 (1/4,3/4,1/4) 2 (3/4,1/4,1/4) 3 (1/4,1/4,3/4) 4 (3/4,3/4,3/4) 5 (1/4,1/4,1/4) 6 (3/4,3/4,1/4) 7 (1/4,3/4,3/4) 8 (3/4,1/4,3/4)
? Fig. 5-9 The crystal structure of CaF2

? ? ? ? ? ? ? ?

六. TiO2型(金红石) 结构特征: Ti —四方体心空间点阵 顶点1个,体心1个. O —2个O (c=0); 2个O (c=1/2) 四方晶系: a=b≠c; α=β=γ=90° 结构基元: TiO2 (含2个) 配位数(Ti/O): 6/3 结构参数: u (由实验测定)

Ti(0,0,0); (1/2,1/2,1/2) O(u,u,0); (ū, ū, 0); (?+u, ?-u,1/2) (?-u, ?+u,1/2)
? Fig. 5-10 The crystal structure of TiO2

? Table 5-1 The characteristics of ionic crystals

5-4 金属晶体
? 一. A3型六方最密堆积(hcp) ? 金属键的特点: 自由电子, 离域, 柔韧性, 有 光泽, 熔点高 ? 结构特征: 等径圆球密置列→等径圆球密置 层A→层层堆积→四面体空隙B. ? [ABABAB……] ? 配位数较大 ? 晶体举例: Be, Mg, Zn, Ti, Y, Cd, Tl, Os, Ru, Cu等.

? Fig. 5-12 The closest arrangement in the metal crystal

A:等径圆球密置层 B:四面体空隙
? Fig. 5-13 The packing way in the crystal of A3

? Fig. 5-14 The different holes in the metal crystal

A: (0,0,0) B: (1/3,2/3,1/2) a=b=2r, h=1.633a
? Fig. 5-15 The coordinates of the two atoms in A3

B: 3个 A: 6个 B: 3个 配位数: 12
? Fig. 5-16 The number of the ligation in A3

? Fig. 5-17 The occupation of space in A3

? 二. A1型立方面心最密堆积(ccp) ? 结构特征: 等径圆球密置列→等径圆球密置 层A→层层堆积→四面体空隙B→八面体空 隙C. ? [ABCABCABC……] ? 配位数较大 ? 晶体举例: Al, Ni, Cu, Sr, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Pb, Ca等.

A:等径圆球密置层 B:四面体空隙 C:八面体空隙
? Fig. 5-18 The packing way in the crystal of A1

? Fig. 5-19 The formation of the crystal A1

B: 3个 A: 6个 C: 3个 配位数: 12
? Fig. 5-20 The number of the ligation in A1

? Fig. 5-21 The occupation of space in A1

? 三. A2型立方体心密堆积(bcp) ? 结构特征: 体心和顶点是同一种原子. ? 配位数较大 ? 晶体举例: Li, Na, K, Rb, Cs, Ba, Cr, V, Mo 等.

晶胞: 8个(d) 其它晶胞体心: 6个 (1.15d) 配位数: 14
? Fig. 5-22 The number of the ligation in A2

C=4r c2=a2+2a2=3a2
? Fig. 5-23 The occupation of space in A2

(a) A1

(b) A3

? Fig. 5-24 The different holes in the metal crystal

5-5 分子晶体
? 作用力的本质: 范德华力 ? 特点: 熔点低, 熔化热小, 升华热小, 热膨胀 系数大. ? 结构特征: 以分子为整体进行空间点阵式 的排列. 空间分布无确定取向, 尽可能堆积 紧密. ? 晶体举例: 惰性元素晶体, 有机晶体等. ? 分子间力的主要来源: 诱导力, 色散力, 取 向力.

A3: He, H2

A1: Ne, Ar, Kr, Xe,

HCl, H2S, CO2
? Fig. 5-25 The packing way in the crystal of A3

结构基元: CO2
(含4个) C原子坐标: (0,0,0) (1/2,0,1/2) (1/2,1/2,0) (0,0,1/2)
? Fig. 5-26 The crystal structure of CO2

5-6 原子晶体
? 作用力的本质: 共价键 ? 共价键的特点: 具有方向性和饱和性, 配位 数小; 熔点高. ? 晶体举例: C(金刚石), Si, Ge, Sn, AgI, SiC, SiO2等.

? Fig. 5-27 The occupation of space in A4

5-7 布拉维系
? ? ? ? 晶系的划分: 特征对称元素 七大晶系 十四种空间点阵形式(Bravias Lattice). Table 5-2 The seven types of crystal systyms
晶系 立方晶系 三方晶系 四方晶系 六方晶系 正交晶系 单斜晶系 三斜晶系 边长 a=b=c a=b=c a = b≠c a = b≠c a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c 夹角 α=β=γ= 90° α=β=γ≠90° α=β=γ= 90° α=β= 90°;γ= 120° α=β=γ= 90° α=γ= 90°;β > 90° α≠β≠γ≠90° 晶体实例 NaCl, ZnS Bi, Al2O3 SnO, Sn AgI, SiO2 HgCl2, BaCO3 KClO3, Na2B4O7 CuSO4· 2O 5H

? Fig. 5-28 ? The Bravias

lattice

Discussion Question:
? 为什么没有四方底心点阵?

? Fig. 5-29 The unit in the simple tetragon

crystal

Exercise:
? 画出下列二维晶胞中的素晶胞?


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