1、实验2化合物的晶体结构一、实验目的：巩固化合物晶体结构知识。二、实验内容：典型的化合物的晶体结构有：1. NaCl型结构NaCl晶体结构是如图6-1所示的立方面心格子，属立方晶 系Fm3m空间群，ao=0.5628nm。阴离子按立方最紧密方式堆积， 阳离子充填于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的配位数都是6属于NaCl型晶体结构的晶体有很多，列于表 6-1中。表6-1 NaCl型结构的晶体化合物晶胞参数(nm)化合物晶胞参数(nm)化合物晶胞参数(nm)化合物晶胞参数(nm)NaCl0.5628BaO0.5523NiO0.4168CrN0.4140NaI0.6462CdO0.4700TiN0.4
2、235ZrN0.4610MgO0.4203CoO0.4250LaN0.5275CaO0.4797MnO0.4435TiC0.4320SrO0.5150FeO0.4332ScN0.4440(A)立方面心格子 (B)晶胞 (C)晶胞绘制图图2-1氯化钠晶体结构2. CsCl型结构CsCl晶体结构是立方原始格子（图6-2）,属立方晶系Pm3m空间群，a=0.411nm。Cl-处于立方原始格子的八个角顶上，Cs+位于立方体中心，阴、阳离子的配位数都是8。属于CsCl型晶体结构的晶体有 CsBr、CsI、TlCl、NH4CI。cs* On-图2-2 CsCl晶体结构图2-3纤锌矿晶体结构3. 纤锌矿（-
3、ZnS）型结构纤锌矿（-ZnS）的晶体结构属立方晶系P63mc空间群, ao=0.382nm, C0=0.625nm, Z=2。在纤锌矿结构中 （图 6-3） , S2-按六方紧密堆积排列，Zn2+充填于1/2的四面体空隙中，阴、阳 离子的配位数都是4属于纤锌矿（-ZnS）型晶体结构的晶体有 BeO、ZnO和AlN。4. 闪锌矿（-ZnS）型结构闪锌矿（-ZnS）的晶体结构属立方晶系F43m空间群， a0=0.540nm, Z=4。如图6-4所示的闪锌矿结构是立方面心格子， S2-位于立方面心的结点位置，Zn2+交错地分布于立方体内的1/8小立方体的中心，阴、阳离子的配位数都是4。如果将S2-
4、看成是作立方最紧密堆积，则 Zn2+充填于1/2的四面体空隙中。属于闪锌矿（-ZnS）型晶体结构的晶体有-SiC、GaAs、AlP和 InSboiCi图2-4闪锌矿的晶体结构5. CaF2型结构萤石的晶体结构如图6-5所示，属立方晶系Fm3m空间群， ao=0.545nm, Z=4。Ca2+位于立方面心的结点位置，F-位于立方体内的八个小立方体的中心，Ca2+的配位数是8, F-的配位数是4。在萤石结构中可以将 Ca2+看成是作立方紧密堆积，F-充填于 全部四面体空隙中，而全部的八面体空隙都没有被充填，因此， 在结构中八个F-离子之间就形成一个“空洞”，这些“空洞” 为F-离子的扩散提供了条件
5、。属于萤石型晶体结构的晶体有 BaF2、PbF2、SnF2、CeO2、 ThO2和UO2,还有一些晶体的结构与萤石的完全相同， 只是阴、 阳离子的位置完全互换，如 Li2。、Na2。、K2O等。图2-5萤石晶体结6. 金红石(TiO2)型结构金红石(TiO2)的晶体结构以及结构中Ti O八面体链的排列 示于图6-6中，金红石结构属四方晶系P42/mnm空间群，ao=0.459nm, C0=0.459nm, Z=2。金红石结构为四方原始格子， Ti4+位于四方原始格子的结点位置，体中心的Ti4+自成另一套四方原始格子，O2-在晶胞中处于一些特定位置上，Ti4+的配位数是 6, O2-的配位数是3
6、。金红石结构中Ti-O八面体以共棱的方式排成链状，晶胞中 心的链和四角的Ti-O八面体链的排列方向相差 90 ,链与链之 间由Ti-O八面体以共顶相连。如果把O2-看成近似于六方紧密堆积，则Ti4+位于1/2的八面体空隙之中。属于金红石型晶体结构的晶体有GeO2、SnO2、PbO2、MnO2、MoO2、NbO2、WO2、CoO2、MnF2、MgF2。图2-6金红石晶体结构以及结构中Ti-O八面体链的排列7. Cdl2型结构Cdl2型晶体结构属于三方晶系P3m空间群，%=0.424nm,C0=0.684nm, Z=1。Cd2+在单位晶胞中占有六方原始格子的结点 位置，交叉分布在三个Cd2+形成的
7、三角形中心的上、下方，因 此，Cdl2结构就相当于两层 离子中间夹一层 Cd2+离子。Cd2+ 的配位数是6,的配位数是3。属于Cdl2型晶体结构的晶体有 Ca(OH)2、Mg(OH)2、Cal2、 Mgl2 等。g* Qi图2-7 Cdl2型晶体结构(A)及层状多面体连接方式(B)8. 方石英型结构方石英属于立方品系 Fd3m空间群，a0=0.713nm, Z=8如图6-8所示，方石英的晶胞中Si4+占有全部面心立方结点的位置和立方体内相当于八个小立方体中心的四个。每个Si4+都和四个O2-相连，硅氧四面体层与层之间以顶角相连。图2-8方石英的晶体结构及结构中硅氧四面体的连接方式9. 刚玉（
8、Al 2O3）型结构刚玉（-AI2O3）型晶体结构属三方晶系R3c空间群， ao=0.514nm, =55 17, Z=2。如果用六方大晶胞表示， a）=0.475nm, co=1.297nm, Z=6 （图 6-9）。刚玉结构中 O2-按六 方紧密堆积排列，Al3+充填于2/3的八面体空隙，Al3+在结构中 有如图6-9中所示的三种分布形式。属于刚玉型晶体结构的晶体有 a-Fe2O3、C2O3、F2O3、V2O3 等。图2-9刚玉晶体结构（菱面体晶胞）和结构中 Al3+的三种不同排列方式10. 钙钛矿型结构钙钛矿的通式是 ABO3,其中A代表一价或二价金属离子,B代表四价或五价金属离子。具有
9、钙钛矿型晶体结构的主要晶体列于表6-2中，具典型矿物为 CaTiO3oCaTiO3在高温下属立方晶系 Pm3m空间群，ao=0.385nm, Z=1o低于600 C时为正交晶系 PCmm空间群，a=0.537nm, bo=0.764nm, c=0.544nm, Z=4。CaTiO3 结构中 Ca2+占有立方面 心的角顶位置，O2-处于立方面心的面心位置，所以，CaTiO3结构可以看成是由O2-和半径较大的Ca2+共同组成立方紧密堆积， Ti4+充填在1/4的八面体空隙中（图6-10） , Ti4+的配位数是6, Ca2+的配位数是12。表2-2具有钙钛矿型结构的主要晶体氧化物氧化物氧化物氧化物
10、(1+5)(2+4)(3+3)(1+2)NaNbO3CaTiO 3SrZrO3CaCeO3YAlO 3KNgF3KNbO3SrTiO 3BaZrO 3BaCeO3LaAlO 3KniF3NaWO3BaTiO 3PbZrO3PbCeO3LaCrO3KZnF3PbTiO3CaSnO3BaPrO3LaMnO3CaZrO3BaSnO3BaHfO 3LaFeO311. 尖晶石型结构尖晶石的通式是 AB2O4,其中A代表二价金属离子，B代表 三价金属离子，典型晶体是MgAl2O4,其晶体结构以及结构中多面体的连接方式如图 6-11所示，属立方晶系 Fd3m空间群， ao=0.808nm, Z=8。结构中O
11、2-可看成是立方紧密堆积，Mg2+充填于1/8的四面体空隙中，Al3+充填于1/2的八面体空隙中，八 面体之间以共棱方式、八面体与四面体之间以共顶方式相连。具有尖晶石型晶体结构的主要晶体列于表6-3中。表2-3具有尖晶石型结构的主要晶体氟、氧化合物氧化物硫化物BeLi2F4TiMg 2O4ZnCr2O4COCO2O4MgAl 2O4MnCr 2s4MoNa2F4VMg 2O4CdCr2O4CUCO2O4MnAl 2O4CoCr2 s4ZnK2(CN)4MgV 2O4ZnMn 2O4FeNi2O4FeAl 2O4FeCr2s4CdK2(CN)4ZnV2O4MnMn 2O4GeNi2O4MgGa2O4FeNi2s4MgK2(CN)4MgCr 2O4MgFe2O4TiZn 2O4CaGa2O4FeCr2O4FeFe2O4SnZn2O4MgIn 2O4NiCr 2O4CoFe2O4FeIn2O4图2-11尖晶石的晶体结构以及结构中多面体的连接方式实验内容：1. 就以上 11 种典型的化合物晶体结构，对照模型，搞清各晶体结构中正负离子的配位关系、密堆关系，熟悉其晶胞。2. 试作12 种晶体模型。三、思考题1. 试列举 10 种典型的化合物晶体结构。2. 请说明你所制作的晶体模型的晶体结构特征。
