晶体密堆积原理44983

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,晶体结构的密堆积原理,1619,年，开普勒模型（开普勒从雪花的六边形结构出发提出：固体是由球密堆积成的）,开普勒对固体结构的推测 冰的结构,密堆积的定义,密堆积：由无方向性的金属键、离子键和范德华力等结合的晶体中，原子、离子或分子等微观粒子总是趋向于相互配位数高，能充分利用空间的堆积密度最大的那些结构。,密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。,常见的密堆积类型,常见密堆积型式,面心立方最密堆积（,A1,）,六方最密堆积（,A3,）,体心立方密堆积（,A2,）,最密,非最密,晶体结构内容的相互关系,密堆积原理是一个把中学化学的晶体结构内容联系起来的一个桥梁性的理论体系,。,1.,面心立方最密堆积,(A1),和六方最密堆积,(A3),面心立方最密堆积,(A1),和六方最密堆积,(A3),从上面的等径圆球密堆积图中可以看出：,只有,1,种堆积形式,;,每个球和周围,6,个球相邻接,配位数位,6,形成,6,个三角形空隙,;,每个空隙由,3,个球围成,;,由,N,个球堆积成的层中有,2N,个空隙,即球数：空隙数,=1,：,2,。,两层球的堆积情况图,1.,在第一层上堆积第二层时，要形成最密堆积，,必须把球放在第二层的空隙上。这样，仅有半数,的三角形空隙放进了球，而另一半空隙上方是第,二层的空隙。,2.,第一层上放了球的一半三角形空隙，被,4,个球,包围，形成四面体空隙；另一半其上方是第二层,球的空隙，被,6,个球包围，形成八面体空隙。,两层堆积情况分析,三层球堆积情况分析,第二层堆积时形成了两种空隙：,四面体空隙和八面体空隙。,那么，在堆积第三层时就会产生两种方式：,1.,第三层等径圆球的突出部分落在正四面体空隙上，其排列方式与第一层相同，但与第二层错开，形成,ABAB,堆积。这种堆积方式可以从中划出一个,六方,单位来，所以称为,六方最密堆积（,A3,）,。,2.,另一种堆积方式是第三层球的突出部分落在第二层的八面体空隙上。这样，第三层与第一、第二层都不同而形成,ABCABC,的结构。这种堆积方式可以从中划出一个,立方面心单位,来，所以称为,面心立方最密堆积（,A1,）,。,六方,最密堆积（,A3,）,图,六方最密堆积（,A3,）,分解图,面心立方最密堆积（,A,一）图,面心立方最密堆积（,A1,）,分解图,A1,型最密堆积图片,将密堆积层的相对位置按照,ABCABC,方式作最密堆积，重复的周期为,3,层。这种堆积可划出面心立方晶胞。,A3,型最密堆积图片,将密堆积层的相对位置按照,ABABAB,方式作最密堆积，这时重复的周期为两层。,A1,、,A3,型堆积小结,同一层中球间有三角形空隙，平均每个球摊列,2,个空隙。第二层一个密堆积层中的突出部分正好处于第一层的空隙即凹陷处，第二层的密堆积方式也只有一种，但这两层形成的空隙分成两种,正四面体空隙（被四个球包围）,正八面体空隙（被六个球包围）,突出部分落在正四面体空隙,AB,堆积,A3,（,六方）,突出部分落在正八面体空隙,ABC,堆积,A1,（,面心立方）,第三层,堆积 方式有两种,A1,、,A3,型堆积的比较,以上两种最密堆积方式，每个球的配位数为,12,。,有相同的堆积密度和空间利用率,(,或堆积系数,),，即球体积与整个堆积体积之比。均为,74.05%,。,空隙,数目和大小也相同，,N,个球（半径,R,）；,2N,个四面体空隙，可容纳半径为,0.225R,的小球；,N,个八面体空隙，可容纳半径为,0.414R,的小球。,A1,、,A3,的密堆积方向不同：,A1,：,立方体的体对角线方向，共,4,条，故有,4,个密堆积方向,（,111,）（,11,）（,1 1,）（,11,）,，,易向不同方向滑动，而具有良好的延展性。如,Cu.,A3,：,只有一个方向，即六方晶胞的,C,轴方向，延展性差，较脆，如,Mg.,空间利用率的计算,空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比。,球体积,空间利用率,=, 100%,晶胞体积,A3,型最密堆积的空间利用率计算,解：,在,A3,型堆积中取出六方晶胞，平行六面体的底是,平行四边形，各边长,a=2r,，,则平行四边形的面积：,平行六面体的高：,A1,型堆积方式的空间利用率计算,2.,体心立方密堆积（,A2,）,A2,不是最密堆积。,每个球有八个最近的配体（处于边长为,a,的立方体的,8,个顶点）和,6,个稍远的配体，分别处于和这个立方体晶胞相邻的六个立方体中心。故其配体数可看成是,14,，空间利用率为,68.02%.,每个球与其,8,个相近的配体距离,与,6,个稍远的配体距离,A2,型密堆积图片,3.,金刚石型堆积（,A4,）,配位数为,4,，空间利用率为,34.01%,，不是密堆积。这,种堆积方式的存在因为原,子间存在着有方向性的共,价键力。如,Si,、,Ge,、,Sn,等。,边长为,a,的单位晶胞含半径,的球,8,个。,4.,堆积方式及性质小结,堆积方式 点阵形式 空间利用率 配位数,Z,球半径,面心立方,最密堆积,(A1),面心立方,74.05% 12 4,六方最密,堆积,(A3),六方,74.05% 12 2,体心立方,密堆积,(A2),体心立方,68.02% 8(,或,14) 2,金刚石型,堆积,(A4),面心立方,34.01% 4 8,5.,堆积方式与晶胞关系,A1,面心立方晶胞,A2,体心立方晶胞,A4,面心立方晶胞,A3,六方晶胞,六方晶胞中,a=b,c,=90, =120,晶体类型,根据形成晶体的化合物的种类不同可以将晶体分为：离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体。,1.,离子晶体,离子键无方向性和饱和性，在离子晶体中正、负离子尽可能地与异号离子接触，采用最密堆积。,离子晶体可以看作大离子进行等径球密堆积，小离子填充在相应空隙中形成的。,离子晶体多种多样，但主要可归结为,6,种基本结构型式。,配位多面体的极限半径比,配位多面体 配位数 半径比,（,r,+,/r,-,）,min,平面三角形,3 0.155,四面体,4 0.225,八面体,6 0.414,立方体,8 0.732,立方八面体,12 1.000,构性判断,半径比,（,r,+,/r,-,）,推测构型,0.225-0.414,四面体配位,0.414-0.732,八面体配位,0.732,立方体配位,影响晶体结构的其它因素,M-X,间的共价键，方向性；,有的过渡金属形成,M-M,键，使配位多面体变形；,M,周围的配体,X,的配位场效应使离子配位多面体变形。,实验测定是最终标准。,（,1,）,NaCl,（,1,）立方晶系，面心立方晶胞；,（,2,）,Na,+,和,Cl,-,配位数都是,6,； （,3,）,Z=4,（,4,）,Na,+,，,C1,-,，,离子键。,（,5,）,Cl,-,离子和,Na,+,离子沿（,111,）周期为,|,AcBaCb,|,地堆积，,ABC,表示,Cl,-,离子，,abc,表示,Na,+,离子；,Na,+,填充在,Cl,-,的正,八面体空隙中。,NaCl,的晶胞结构和密堆积层排列,(,NaCl,KBr,RbI,MgO,CaO,AgCl,),ZnS,ZnS,是,S,2-,最密堆积，,Zn,2+,填充在一半四面体空隙中。分立方,ZnS,和,六方,ZnS,。,立方,ZnS,（,1,）立方晶系，面心立方晶胞；Z=4,（,2）S,2-,立方最密堆积,|AaBbCc|,（3）配位数,4,：,4,。,（,4,）,Zn,原子位于面心点阵的阵,点位置上；,S,原子也位于另一个这,样的点阵的阵点位置上，后一个点阵对于前一个点阵的位移是体对角线底,1/4,。原子的坐标是：,4S,：,0 0 0,，,1/2 1/2 0,，,1/2 0 1/2,，,0 1/2 1/2,；,4Zn:1/4 1/4 1/4,3/4 3/4 1/4,3/4 1/4 3/4,1/4 3/4 3/4,六方,ZnS,（,1,）六方晶系，简单六方晶胞。,（,2,）,Z=2,（,3,）,S,2-,六方最密堆积,|,AaBb,|,。,（,4,）,配位数,4,：,4,。,（,6,）,2s,：,0 0 0,，,2/3 1/3 1/2,；,2Zn,：,0 0 5/8,，,2/3 1/3 1/8,。,CaF,2,型,（萤石）,（,1,）立方晶系，面心立方晶胞。,（,2,）,Z=4,（,3,）,配位数,8,：,4,。,（,4,）,Ca,2+,，,F,-,，,离子键。,（,5,）,Ca,2,+,立方最密堆积，,F,-,填充在全部 四面体空隙中。,（,6,）,Ca,2,+,离子配列在面心立方点阵的阵点位置上，,F,-,离子配列在对,Ca,2,+,点阵的位移各为对角线的,1/4,与,3/4,的两个面心立方点阵的阵点上。原子坐标是：,4Ca,2,+,：,0 0 0,，,1/2 1/2 0,，,1/2 0 1/2,，,0 1/2 1/2,；,8F,-,：,1/4 1/4 1/4,，,3/4 3/4 1/4,，,3/4 1/4 3/4,，,1/4 3/4 3/4,，,3/4 3/ 4 3/4,，,1/4 1/4 3/4,，,1/4 3/4 1/4,，,3/4 1/4 1/4,。,CaF,2,结构图片,CaF,2,的结构图,CsCl,型,:,（,1,）立方晶系，简单立方晶胞。,（,2,）Z=1。,（,3,）,Cs,+,，,Cl,-,，离子键。,（4）配位数,8,：,8,。,（,5,）,Cs,+,离子位于简单立方点阵的阵点上位置上，,Cl,-,离子也位于另一个这样的点阵的阵点位置上，它对于前者的位移为体对角线的,1/2,。原子的坐标是：,Cl,-,:0 0 0；Cs,+,:1/2 1/2 1/2,(,CsCl,CsBr,CsI, NH,4,Cl),TiO,2,型,（,1,）四方晶系，体心四方晶胞。,（,2,）,Z=2,（,3,）,O,2-,近似堆积成六方密堆积结构，,Ti,4+,填入一,半的八面体空隙，每个,O,2-,附近有,3,个近似于,正三角形的,Ti,4+,配位。,（,4,）配位数,6,：,3,。,TiO,2,结构图片,2.,分子晶体,定义：单原子分子或以共价键结合的有限分子，由范德华力凝聚而成的晶体。,范围：全部稀有气体单质、许多非金属单质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化合物都属于分子晶体。,特点：以分子间作用力结合，相对较弱。除范德华力外，氢键是有些分子晶体中重要的作用力。,氢键,定义：,，,是极性很大的共价键，、是电负性很强的原子。,氢键的强弱介于共价键和范德华力之间；,氢键由方向性和饱和性；,间距为氢键键长，,夹角为氢键键角（通常,100,180 ,）；一般来说，键长越短，键角越大，氢键越强。,氢键对晶体结构有着重大影响。,3.,原子晶体,定义：以共价键形成的晶体。,共价键由方向性和饱和性，因此，原子晶体一般硬度大，熔点高，不具延展性。,代表：金刚石、,Si,、,Ge,、,Sn,等的单质，,C,3,N,4,、,SiC,、,SiO,2,等。,4.,金属晶体,金属键是一种很强的化学键，其本质是金属中自由电子在整个金属晶体中自由运动，从而形成了一种强烈的吸引作用。,绝大多数金属单质都采用,A1,、,A2,和,A3,型堆积方式；而极少数如：,Sn,、,Ge,、,Mn,等采用,A4,型或其它特殊结构型式。,金属晶体,ABABAB,配位数：,12,.,例：,Mg,and,Zn,ABCABC,配为数,：,12,，,例,:,Al, Cu, Ag, Au,立方密堆积，面心,金,(gold, Au),体心立方,e.g., Fe, Na, K, U,简单立方（钋，,Po,）,简单立方堆积,(a),简单立方：,d =,m,/a,3,= (M/N,A,)/(,2,r,),3,= M/(8N,A,r,3,),(b),体心立方：,d =,m,/a,3,= (2M/N,A,)/(,4,r,/3,1/2,),3,= 3,3/2,M/(32N,A,r,3,),(c),面心立方：,d =,m,/a,3,= (4M/N,A,)/(,8,1/2,r,),3,= 4M/(8,3/2,N,A,r,3,),(a):(b):(c),1:1.299:1.414,面心结构密度最大，最稳定,(,立方密堆积,),密度与金属固体的结构,专题一、空隙,构成晶体的基本粒子之间会形成空隙，因而空隙是晶体结构必不可少的组成部分。掌握晶体结构中空隙的构成和特点，对深刻理解晶体的基本结构规律、分析和解决晶体结构问题有着重要的现实意义。,堆积球数,四面体空隙数,八面体空隙数,1,2,1,，四面体和八面体空隙分别可容纳半径为,0.225R,和,0.414R,的内切球，,R,为堆积球半径。,图2,例题,1,C,60,的发现开创了国际科学界的一个新领域，除,C,60,分子本身具有诱人的性质外，人们发现它的金属掺杂体系也往往呈现出多种优良性质，所以掺杂,C,60,成为当今的研究热门领域之一。经测定,C,60,晶体为面心立方结构，晶胞参数,a,1420pm,。在,C,60,中掺杂碱金属钾能生成盐，假设掺杂后的,K,填充,C,60,分子堆积形成的全部八面体空隙，在晶体中以,K,和,C,60,存在，且,C,60,可近似看作与,C,60,半径相同的球体。已知,C,的范德华半径为,170pm,，,K,的离子半径,133pm,。,（,1,）,掺杂后晶体的化学式为,；晶胞类型为,；如果,C,60,为顶点，那么,K,所处的位置是,；处于八面体空隙中心的,K,到最邻近的,C,60,中心距离是,pm,。,（,2,）,实验表明,C,60,掺杂,K,后的晶胞参数几乎没有发生变化，试给出理由。,（,3,）计算预测,C,60,球内可容纳半径多大的掺杂原子。,解答,这个题目的关键是掺杂,C,60,晶胞的构建。,C,60,形成如下图所示的面心立方晶胞，,K,填充全部八面体空隙，根据本文前面的分析，这就意味着,K,处在,C,60,晶胞的体心和棱心，形成类似,NaCl,的晶胞结构。这样，掺杂,C,60,的晶胞确定后，下面的问题也就迎刃而解了。,（,1,）,KC,60,；,面心立方晶胞；体心和棱心；,710pm,（,晶胞体心到面心的距离，边长的一半。（,2,）,C,60,分子形成面心立方最密堆积，由其晶胞参数可得,C,60,分子的半径：,所以,C,60,分子堆积形成的八面体空隙可容纳的球半径为：,这个半径远大于,K,的离子半径,133pm,，,所以对,C,60,分子堆积形成的面心立方晶胞参数几乎没有影响。,（,3,）因,r,C60,502pm,，,所以空腔半径，即,C,60,球内可容纳原子最大半径为：,502,170,2,162pm,