1、1实验二十五 离子晶体的结构一、实验目的1. 通过观察和分析下表所列几个二元离子晶体的结构模型，加深对离子晶体的结构了解。2. 自己动手制作和仔细观察分子模型，掌握分子的空间结构，加深对分子构型和分子性质的了解。3.掌握典型 AB 型、AB2 型离子晶体的结构特点； 4.掌握离子晶体中正负离于半径比、正负离子数量比(组成比)对离子晶体结构型式的影响； 5.掌握六种典型离子晶体中负离子堆积方式，正离子所占负离子多面体空隙类型和所占分数； 6.计算立方体配位、正八面体配位、正四面体配住、三角形配位情况下正负离子临界半径比 二、实验原理固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。固态物质是否为晶体，一般可
2、由 X 射线衍射法予以鉴定。晶体内部质点在三维空间周期性重复有序排列，使其具有各自特別的晶体结构与形状。晶体按其内部结构可分为七大晶系和 14 种晶格类型。晶体结构与组成粒子排的紧密程，会影响其熔点、密、延展性等性质。以立方晶系为例，简单立方、体心立方和面心立方晶格的排方式、子的配位（每原子邻接之原子数） 、单位晶胞中所含子粒及填充紧密均相同。晶体结构中，单层晶格点排的情形可如图 1 所示。每一个代表晶格点的圆球配位数为 4，晶格点间的空隙较大，这种排方式称为四方堆积。第二子排在第一相邻两个子的空隙间，排较紧密，每一圆球的配位数为 6，这种排方式称为最密堆积。最密堆积依层与层排的差异又分为两种
3、。如图 34-2(B)为 ABAB二层重复叠排，则为六方最密堆积。如图 34-2(C)2为 ABCABC三层重复叠排，則为 方最密堆积或称为面心 方。至于离子晶体，一般是较大的离子（通常为阴离子，以 r- 表示）以最密堆积的形式排，然后半径较小的离子（通常为阳离子，以 r+ 表示）依离子半径比（ r+/r-）安置于较大大离子的空隙间，如四面体空隙、八面体空隙或方体空隙中，使阳离子与阴离子间的吸引最大、排斥最小。以 NaCl 为例，氯离子以面心方晶形排，钠离子位于八面体空隙。本实验以圆球代表晶体结构中各晶格点的原子、分子或离子，通过小棍堆叠成各式晶体模型，观察其体形状及填充紧密。三、预习要求1.
4、 了解晶体的七个晶系； 2. 了解晶体宏观外形的对称性;32 个晶体学点群； 3. 了解七个晶系的特征对称元素，熟练地由宏观晶体理想外形判断晶体所属的晶系； 4. 了解由宏观晶体的理想外形判断其所属的晶体学点群；5. 了解晶体学点群国际记号中的三个位和等价方位数的含义。 四、仪器与试剂塑料球棍分子模型 1 套（湖南大学教育科技公司生产,包括彩色塑料小球若干,另准备随意贴黏土数块, 色纸一张） ，数码相机 1 台（公用） 。 五、实验步骤1. 以相同大小的小球为原子，依表 25-1 黏组成简单立方、体心立方、面心立方晶体堆积，照相记录其形状、观察其堆积的紧密度、三度空间立体排列，及每个原子之邻接
5、原子数（配位数） ，同时计算每单位晶格中所含原子数。表 25-1 晶体模型立方晶系 简单立方 体心立方 面心立方3配位数每单位晶格所含原子数晶体模型最密堆积 最密堆积 六方最密堆积 立方最密堆积晶格晶体模型离子晶体 (四面体空隙)ZnS (八面体空隙)NaCl (立方体空隙)CsCl晶格晶体模型六、实验数据与记录1室温 大气压 Pa2. 根据实验容填写表 25-1。4根据表 25-2 数据，计算立方堆积最密堆积、六方最密堆积、体心立方最密堆积、简单立方堆积和金刚石堆积等的堆积系数（空间占有率） 。5计算最密堆积中的空隙：（1）四面体空隙。一个四面体空隙由 4 个球构成，所以一个球在一个四面体4
6、中占有 分之一的空隙。一个球参与 个四面体空隙的构成，因此平均一个球占有 个四面体空隙。计算四面体空隙中心到球面的最短距离（用球半径 R 表示） 。（2）八面体空隙。一个八面体空隙由 6 个球构成，所以一个球在一个八面体中占有 分之一的空隙。一个球参与 个八面体空隙的构成，因此平均一个球占有 个八面体空隙。计算八面体空隙中心到球面的最短距离（用球半径 R 表示） 。表 25-2 观察 6 个二元离子晶体的结构模型并填写表格。晶体 NaCl CsCl ZnS（立方） ZnS（六方） CaF2 TiO2（金红石）负离子堆积方式正负离子半径比正负离子数量比正离子占什么空隙负离子的配位数点阵型式结构单
7、元及数目晶胞内正负离子数离子分数坐标（正离子）离子分数坐标（负离子）1. 观察 14 种布拉维格子，填写下表 25-3。表 25-3 观察 14 种布拉维格子, 填写表格。格子名称 记号 所属晶系 每个晶胞中含点阵点个数点阵参数的限制52. 根据晶体结构模型写出下表 25-4 各栏内容。表 25-4 离子晶体的结构尿素 氟化钙 氯化铯 氯化钠 金刚石 石墨 闪锌矿结构基元点阵型式特征对称元素晶系正当晶胞中结构基元数原子分数坐标只写Ca2 坐标：4. 根据晶体结构模型写出下表各栏内容。通过观察和分析下表 25-5 所列 6 个二元离子晶体的结构模型，了解离子晶体的结构，将结果填入下表，总结归纳二
8、元离子晶体的结晶化学规律。表 25-5 离子晶体的结晶化学6晶体 NaCl CsCl 立方 ZnS 六方 ZnS CaF2 金红石负离子堆积方式正负离子半径比正负离子数量比正离子占什么空隙正离子占空隙比率正离子的配位数配位多面体连接方式负离子的配位数点阵型式结构基元晶胞中正负离子数离子分数坐标【思考题】（1）在 14 种点阵型式中，为什么有四方 I, 而无四方 F? 为什么有正交 C, 而无四方C? 为什么有立方 F, 而无立方 C? 根据什么原则确定点阵型式？（2）结构基元、点阵点、晶胞和点阵型式等概念的正确含义和相互关系怎样？七、参考文献1. 徐光宪和王祥云, 物质结构, 高等教育出版社,19872. 江元生, 结构化学, 高等教育出版社, 19973. 谢有畅, 邰美成, 结构化学, 人民教育出版社, 19834.赵林治,杨书廷编,结构化学实习实验指导,河南大学出版社 1992. 7
