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晶体结构,配合物结构知识点与习题1-1


晶体结构
一、基本概念(The Basic Concepts) : 1.晶体(Crystals) : (1)物质的质点(分子、离子或原子)在空间有规则地排列而成的、具有整齐外形的、以多面体出现的固体物质,称为 晶体。 (2) 晶体有同质多象性 由同样的分子(或原子)可以以不同的方式堆积成不同的晶体,这种现象叫做同质多象性。但

同一种物质的气态、液态

只存在一种结构。 (3) 晶体的几何度量和物理效应常随方向不同而表现出量上的差异,这种性质称为各向异性。 2.晶格(Crystal lattices) (1) 以确定位置的点在空间作有规则的排列所具有一定的几何形状,称为晶体格子,简称为晶格。

Fig. 8.10 3.晶胞(Unit cells)

The 14 Bravais unit cells

(1) 在晶格中,含有晶体结构,具有代表性的最小单元,称为单元晶胞,简称晶胞。 (2) 在晶胞中的各结点上的内容必须相同。 (3) 晶胞参数 晶胞参数: a 、 b 、 c 、α、β、γ (4) 分数坐标 用来表示晶胞中质点的位置 例如: 简单立方 立方体心 立方面心

?

?

?

c β a γ α b

(0, 0, 0)

,

(0, 0, 0), (

1 1 1 , , ) 2 2 2

(0, 0, 0) (

1 1 1 1 1 1 , ,0), ( ,0, ), (0, , ) 2 2 2 2 2 2

在分数坐标中,绝对不能出现 1,因为 1 即 0。这说明晶胞是可以前后、左右、上下平移的。等价点只需要一个坐标来表 示即可,上述三个晶胞中所含的质点分别为 1、2、4,所以分数坐标分别为 1 组、2 组和 4 组。

(5) 晶面指数 晶面在三维空间坐标上的截距的倒数(h、k、l)来表示晶体中的晶面,称为晶面指数,如立方晶系中 (100),(110),(111)面分别为 (100) (111) (110)

l k o h
Fig. 8.12 Selected planes and their Miller indices for cubic system 用 X-ray 的衍射可以测量晶体中的面间距,2d·sinθ = n·λ。

d-晶体的面间距,θ-衍射角,n-衍射级数,λ-X-ray 的波长。
对于立方晶系,面间距(d)晶胞参数(a)之间的关系式:

d h,k,l ? a / h 2 ? k 2 ? l 2
4.根据晶体中质点内容的不同,晶体可分类成:金属晶体(metallic crystals) 、离子晶体(ionic crystals)、原子晶体(atomic crystals)、分子晶体(molecular crystals)、混合晶体(mixture crystals) 二、金属键与金属晶体(Metallic Bond and Metallic Crystals) 1.金属键理论(Metallic bond) (1) 改性的共价键理论 (2) 能带理论(band theory) (以分子轨道理论为基础) (a) 能带理论的基本要点 (i) 按照分子轨道理论,把整个金属晶体看作一 中能级相同的原子轨道线性组合(原子轨道重叠)起来,成为整个金属晶 能带; Fig 8.14 Arrangement of atoms in a lithium crystal 个大分子,把金属 体共有的若干分子

轨道,合称为能带(energy band),即金属晶体中的 n 个原子中的每一种能量相等的原子轨道重叠所形成的 n 个分子轨道,称为一个

Fig. 8.15 Bands of molecular orbitals in a metal crystal.

Fig. 8.16 The partially filled band of “molecular orbitals” in a metal. (Left) The highest filled level is referred to as the Fermi level. (Right) The electrons are freer to move in the now partially filled levels, this property accounts for the electrical conductivity of metals.

Fig. 8.17 Band theory applied to semiconductors and insulators. In contrast to metals, the band of filled levels (the valence band) is separated from the band of empty levels (the conduction band) by a band gap. The band gap can 1 1 range from just a few kJ·mol? to 500 kJ·mol? or more. (ii) 按照分子轨道法,金属晶体中的多原子形成多原子离域键,n 个原子轨道线性组合成 n 个分子轨道,其中有 n/2 个成键分子轨 道,有 n/2 个反键分子轨道(图 8.15) ; (iii) 由 n 个相同的充满电子的原子轨道重叠所形成的能带,称为满带(filled band) ;由 n 个相同的未充满电子的原子轨道 重叠所形成的高能量能带,称为导带(conduction band) ,能带与能带之间的间隔是电子不能存在的区域,称为禁带(forbidden band) 。凡无电子的原子轨道重叠所形成的能带,称为空带(empty bond) ;凡价电子所在的能带,称为价带(valence band) 。满 带与空带相互重叠,会使满带变成导带(conduction bond)(图 8.16,8.17)。 (b) 能带理论的应用 (i) 可以区别导体、绝缘体和半导体 ?? 决定于禁带宽度(Eg) E g≤0.3eV 的物质属于导体,0.3eV< E g≤3eV 的物质属于 。 半导体, Eg≥5eV 的物质属于绝缘体。 (ii) 可以说明金属的导电性随电性随温度的升高而降低。这是因为温度升高,金属中的原子或离子振动加剧,电子在导带中跃 迁受到的阻力加大的缘故。 (iii) 可以解释金属具有光泽。这是由于金属中的价电子可吸收波长范围很广的光子射线而跳到较高能级,当跳回到较低能级时 又可将吸收的光子发射出来的缘故。 2.金属晶体(Metallic crystals) : (1) 金属晶体是以紧密堆积方式排列,此种排列方式的势能低,晶体较稳定,而且空间利用率大。空间利用率 = 晶胞中球所占的 体积 / 晶胞的体积 (2) 平面密堆积(密置单层) 把金属原子看作等径的圆球,按右图方式堆积,此种堆积称为密置单层(图 8.18) 。在密置单层中,球数︰三角形空穴数=1︰2。 证明:在 ABCD 中,球数=4×(1/4),三角形空穴数=2,故证得。

另证:在正六边形中,三角形空穴数=6,球数=6 × (1/3) + 1=3, ∴球数︰三角形空穴数=3︰6=1︰2

Fig. 8.18

Closest-packing of spheres of one layer.

Fig. 8.19 Closest-packing of spheres of two layers.

(3) 密置双层:第二密置层的球必须排在第一密置层的三角形空穴上(图 8.19) 。 a.密置双层中的空隙种类: (i) 正四面体空隙 第一层的三个相切的球与第二层在其三角形空穴上的一个球组成(图 8.20) ;(ii) 正八面体空隙 第一层

的三个相切的球与第二层的三个相切的球,但上、下球组成的两个三角形方向必须相反(图 8.21) 。

Fig. 8.20 toward

Tetrahedral holes are surrounded by four atoms arranged toward the corners of a tetrahedron

Fig. 8.21 Octahedral holes in a closest packed structure are surrounded by six atoms arranged the corners of an octahedron

b.证明:球数︰正四面体空隙︰正八面体空隙 = 2︰2︰1 上下两层各取四个球(图 8.22) ,其中有两个正四面体空隙(5-1、2、3;4-6、7、8) ,一个正八面体空隙(3-5、2、 4、7-6) ,球数为 4 × (1/4) + 4 × (1/4) = 2(因为平行四边形顶点上的球对 为 1/4,即每个顶点上的球为四个平行四边形共享)故证得。 (4) 在密置双层上加第三层、第四层……(立体结构) a.第一种密置方法:第三层与第一层(A 层)平行,第四层与第二层(B 层)平行, Fig. 8.22 形成 ABABAB……型 平行四边形的贡献

(图 8.23) ,称为透光型(或 A3 型)的六方最紧密堆积 (hcp,hexagonal closest packing )。 (i) 晶胞:六方晶胞如图 8.23 中的实线部分 (ii) 晶胞参数:a, c (iii) 球数︰正四面体空隙︰正八面体空隙 = 1︰2︰1

Fig. 8.23 证明(两种方法)

Hexagonal closest packing (ABAB……)

方法一:A 层与 B 层构成密置双层,所以球数︰正四面体空隙︰正八面体空隙 = 2︰2︰1,而 B 层与下一个 A 层又构成密置双层,所 以球数︰正四面体空隙︰正八面体空隙 = 2︰2︰1,即每一层都用了两次或者说每层球对密置双层的贡献为 1/2,球数 减半,所以,球数︰正四面体空隙︰正八面体空隙 = 1︰2︰1。 方法二:在六方晶胞中,球数 = 8 × (1/8) + 1 = 1 + 1 = 2;晶胞内有两个正四面体空隙,c 轴的每条棱上都有 2 个正四面 体空隙(图 8.24) ,所以正四面体空隙 = 2 + 8 × (1/4) = 2 + 2 = 4;正八面体空隙 = 2(图 8.25) ,故球数︰正 四面体空隙︰正八面体空隙= 2︰4︰2 = 1︰2︰1。

Fig. 8.24 in A3 type

The site of tetrahedral holes in A3 type

Fig. 8.25

The site of octahedral holes

b. 第二种密置方法: 第三层 层) (C 不与第一层平行, 而是盖在一、 二两层未复盖的另一组三角形空穴上 (图 8.26) , 第四层与第一层平行,组成 ABCABCABC……型,称为不透光型(或 A1 型)的立方面心最紧密堆积(ccp)。

Fig. 8.26 Cubic closest packing (ABCABC……) (i) 晶胞:立方面心晶胞如图 8.26 中的右图。 (ii) 晶胞参数:a (iii) 球数:正四面体空隙︰正八面体空隙 = 1︰2︰1 证明:立方面心晶胞中,球数 = 8 × (1/8) + 6 × (1/2) = 1 + 3 = 4,正四面体空隙有 8 个,因为立方体的每个顶点与 相邻的三个面心组成一个正四面体空隙(图 8.27) ,正八面体空隙有 12 × (1/4) + 1 =4,因为体心和每条棱的棱心都是正八面体 空隙的位置(图 8.28) ,故球数︰正四面体空隙︰正八面体空隙= 4︰8︰4 = 1︰2︰1。

Fig. 8.27 in A1 type

The site of tetrahedral holes in A1 type

Fig. 8.28 The sites of octahedral holes

(5) 上述两种最紧密堆积的空间利用率

六方最紧密堆积:

4 2? ? ? r3 2 3 2 3 空间利用率 = ? 2r ) 2 ? ? ? 74.05% ,其中, h ? (2r ) 2 ? ( ? 2 o 3 2 6 (2r ) ? sin 120 ? 2h
4 16 4? ? ? r3 ? ? r3 2 3 立方面心最紧密堆积:空间利用率 = ? 3 ? ? ? 74.05% 3 3 6 a (2 2r )
Practice Exercise:如何计算立方体心(A2)与金刚石型(A4)的空间利用率? 已知晶体的晶胞参数,求晶体的密度,反之,已知晶体密度,求晶胞参数。 Sample Exercise:钨具有体心立方晶格,已知密度为 19.30 g?cm? ,试计算钨原子的半径。Mw = 183.9
3

Solution: ? ?

2 ? 183.9 a ? 6.022 ? 10 ? 10
3 23 ? 24

? 19.30 , ∴ a ?
∴r

3

2 ? 183.9 ? 10 ? 3.163 ? 19.30 ? 6.022

∵钨是体心立方,

3a ? 4r

? 3 4 a ? 1.37 ?

三、离子晶体(Ionic Crystals) 1.正、负离子半径比(r + / r ?)与配位数的关系: (对于 AB 型离子晶体而言)

r+ / r?
≥0.155 ≥0.225 ≥0.414 ≥0.732 1

配位数 3 4 6 8 12





三角形 四面体 八面体 立方体 最紧密堆积

证明:六配位(立方面心)的最小半径比(r + / r ?)的计算: 从图 8.29 中可知, 2(r ? ? r ? ) ?

2 ? 2r ?



r ? ? r ? ? 2r ?

? 2 ? 1 ? 0.414
八配位(简单立方)的最小半径比(r + / r ?)的计算: ∵立方体边长 a = 2r ? ,体对角线为 ∴

2( r? ? r? ) ? 3a ? 2 3r?

r ? / r ? ? 3 ? 1 ? 0.732
立方体的六个面对角线构成一个正四面体, Fig. 8.29 Cross section of an octahedral hole

四配位

立方体的中心就是正四面体的中心(图 8.27) 。 从图 8.28 中可知:四面体的边长为立方体的面对角线,长为

2a ,∴


r? ? 2a / 2 ,立方体的体对角线长为


2(r ? ? r ? ) ? 3a

r? ? r? ? 3a / 2

r?

? 3 3? 2 2 ? 2 ?? a? a? ( a) ? ? 0.225 2 ? 2 r? ? 2 2

Fig. 8.30

The tetrahedron is shown as four vertices of a cube

Fig. 8.31

The (110) face in Fig. 8.30

注意:r + / r ? 数值不是决定配位数的唯一因素,还有离子极化等因素对配位数发生影响。 2.常见二元离子化合物的典型结构型式 (1) NaCl 型 晶胞见图 8.32

a.组成比 ? 8 ?

? ?

1 1? ? 1 ? ? 6 ? ? : ?12 ? ? 1? ? 4 : 4 ? 1 : 1 8 2? ? 4 ?

b.负离子堆积方式:立方最紧密堆积;

c.离子坐标 Cl : (0, 0), , ,?, , ?, , , ? 0, ? 0 ? 0, ? 0


?1 1 ??1 ?2 2 ??2 ?? ??

1? ? 2? ?

1 1? 2 2?

Na : ? , , ?, , 0 ?, , ,?, , ? ? 0, ? 0 0 ? 0 0,
+

?1 1 1? ?1 ? 2 2 2? ? 2

1 ?? 2 ??

1? 2?

d.正、负离子配位数之比:6︰6; e.正离子所占空隙种类及占有率:正八面体空隙 (2) CsCl 型 晶胞见图 8.33 100%

a.组成比

1 (8 ? ) : 1 ? 1 : 1 8
?1 1 1? ? 2 2 2?
100%

b.负离子堆积方式:简单立方堆积 c.离子坐标 Cl : (0, 0) ,Cs : ? , , ? 0,
- +

Fig. 8.33

The unite cell of cesium chloride

d.正负离子配位数之比:8︰8 e.正离子所占空隙种类及占有率:立方体空隙 (3) 立方 ZnS 型 晶胞见图 8.34 a.组成比

1 1? ? ?8 ? ? 6 ? ? : 4 ? 4 : 4 ? 1:1 8 6? ? ?1 1 ??1 ?2 2 ??2 1? ? 2? ? 1 1? 2 2?
: Fig. 8.34 blende 50% The unit cell of zinc

b.负离子堆积方式:立方最密堆积 c. 离子坐标 S ?:(0, 0), , ,?, , ?, , , ? 0, ? 0 ? 0, ? 0
2

Zn

2+

? 1 1 1? ? 3 3 1? ? 3 1 3? ? 1 3 3? ? , , ?, , , ?, , , ?, , , ? ? ? ? ? 4 4 4? ? 4 4 4? ? 4 4 4? ? 4 4 4?
d.正负离子配位数之比:4︰4 e.正离子所占空隙种类及占有率:正四面体空隙 (4) 六方 ZnS 型 晶胞见图 8.36 a.组成比

1 ? ? 1 ? ? ? 8 ? ? 1? : ? 4 ? ? 1? ? 2 : 2 ? 1 : 1 8 ? ? 4 ? ? ?1 2 1? ?3 3 2?
Fig. 8.35 The crystal structure of wurtzite

b.负离子堆积方式:六方紧密堆积 c.离子坐标 S ?: (0, 0), , , ? 0, ?
2

Zn : (0, ), , , ? 0, ?
+

5 ?1 2 1? 8 ? 3 3 8?

d.正、负离子配位数之比:4︰4 e.正离子所占空隙种类及占有率:正四面体空隙 (5) CaF2 型 晶胞见图 8.37 50%

a.组成比

1 1 (8 ? ? 6 ? ) : 8 ? 4 : 8 ? 1 : 2 8 2

Fig. 8.36

The unit cell of wurtzite

b.负离子堆积方式:简单立方堆积 c.离子坐标 Ca : (0, 0), , ,?, , ?, , , ? 0, ? 0 ? 0, ? 0
2+

?1 1 ??1 ?2 2 ??2

1? ? 2? ?

1 1? 2 2?

F : ? ,, ?, ,, ?, ,, ?, ,, ?, ? ? ?


? 1 1 1? ? 3 3 1? ? 3 1 3? ?1 3 3? ? 4 4 4? ? 4 4 4? ? 4 4 4? ? 4 4 4?

? 3 3 3? ? 3 3 1? ? 3 1 3? ?1 3 1? ? ,, ?, ,, ?, ,, ?, ,, ? ? ? ? ? 4 4 4? ? 4 4 4? ? 4 4 4? ? 4 4 4?
d.正负离子配位数之比:8︰4

e.正离子所占空隙种类及占有率:立方体空隙

50%

Fig. 8.37

The unit cell of calcium fluorite

Fig. 8.36 The unit cell of wurtzite


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