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第五章晶体结构 Motivation Question: 沙子和水泥是晶体吗? 5-1 绪论 一. 什么是晶体化学? 在原子水平上, 研究晶体的结构理论, 揭示其组成﹑结构与性能之间关系的物理化学分支. CaCO3 (文石, 方解石) C的三种同素异形体 二. 研究内容(无机物) 金属单质(A1, A2, A3) 二元化合物(NaCl, CsCl, ZnS, CaF2, TiO2) 多元化合物(含氧酸盐BaTiO3, 金属配合物等) 金属合金(固溶体, 化合物等) 三. 研究方法 X-射线晶体衍射 电磁波→晶体→散射→次生电磁波→叠加,干涉→图案,条纹 5-2 基本概念 一. 晶胞 晶体的基本结构单元 反映晶体结构的三维周期性 把晶体划分为一个个并置且等同的平行六面体 晶胞参数: 晶胞的大小和形式, 晶胞的内容 二. 晶体 晶体是原子或分子在三维空间周期性地重复排列所构成的一种固体物质. 结构特征: 周期性重复排列(空间点阵式的结构) 举例: 晶体(NaCl); 非晶体(玻璃) 金属钴（简单六方晶胞） 三. 晶体的性质 均匀性 各向异性 凸多面体外形 熔点确定 对称性 X-光衍射 四. 晶胞类型 素晶胞(素单位,素格子): 只含一个结构基元 复晶胞: 含两个或两个以上结构基元 结构基元: 足以确定化学组成的最少原子数 划分原则: 反映内部结构周期性; 尽可能对称; 尽可能小. 复晶胞分类: 面心F, 体心I, 底心C Fig. 5-3 The selection of the regular lattice Fig. 5-4 The structural unit in the crystal 五. 分数坐标 晶胞中原子的位置用晶胞参数的几分之几表示出来. 用由原点指向原子的向量在三个坐标轴上的投影来表示. 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 四. 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 五. 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 六. 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