晶体结构

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钻石

晶体结构是指晶体周期性结构。固体材料可以分为晶体准晶体非晶体三大类,其中,晶体内部原子的排列具有周期性,外部具有规则外形,比如钻石(图)。

Hauy最早提出晶体的規則外型是因为晶體内部原子分子呈規則排列,比如鑽石所具有的完美外形和優良光学性質就可以歸結為其内部原子的規則排列。20世紀初期,勞厄發明X射線衍射法,從此人們可以使用X射线來研究晶體内部的原子排列,其研究结果進而證實了Hauy的判斷。

晶體内部原子排列的具体形式一般稱之为晶格,不同的晶体内部原子排列稱為具有不同的晶格結構。各種晶格結構又可以歸納為七大晶系,各種晶系分别与十四種空間格(稱作布拉维晶格)相對應,在宏观上又可以归结为三十二种空间点群,在微观上可进一步细分为230个空间群

对于晶体结构的研究是研究固体材料的宏观性质及各种微观过程的基础。專門研究分子結晶結構的科學稱為晶體學,經常應用在化學生物化學分子生物學

晶格的基本類型[编辑]

所謂的晶體晶格是可以經由平移或其他對稱操作後,仍可得到自己本身的晶格,一種典型的對稱操作是繞著通過晶格點的軸作旋轉,稱為一重、二重、三重、四重及六重對稱,分別是旋轉2\pi\pi{2\pi \over 3}{\pi \over 2}{\pi \over 3},其中以布拉菲晶格較常使用。

二維晶格類型[编辑]

布拉菲晶格在二維平面上有五種類型,兩晶軸a_1a_2,夾角\varphi

斜晶格:任意的晶軸a_1a_2,只有在旋轉\pi2\pi,才能保持不變。
正方形晶格:\left|{a_1}\right|=\left|{a_2}\right|\varphi ={\pi \over 2}
六角形晶格:\left|{a_1}\right|=\left|{a_2}\right|\varphi ={2\pi \over 3}
矩形晶格:\left|{a_1}\right| \ne \left|{a_2}\right|\varphi ={\pi \over 2}
有心矩形晶格\left|{a_1}\right| \ne \left|{a_2}\right|\varphi ={\pi \over 2},但在矩形晶格正中間上有一晶格點,固有兩種繪法。

三維晶格類型[编辑]

布拉维晶格在三維平面上有七大晶系,14種晶格分別為三斜晶系單斜晶系正交晶系四方晶系立方晶系三方晶系六方晶系。依照簡單、體心、面心及底心,總共有14種晶格。

晶系与布拉菲格子及空间点群的关系[编辑]

晶系 布拉菲格子 所属点群
三斜晶系 简单三斜 C1, Ci
单斜晶系 简单单斜 底心单斜 C2 Cs C2h
正交晶系 简单正交 底心正交 体心正交 面心正交 D2 C2v D2h
三方晶系 三方 C3 C3i D3 C3v D3d
四方晶系 简单四方 体心四方 C4 C4h D4 C4v D4h S4 D2d
六方晶系 六方 C6 C6h D6 C3v D6h C3h D2h
立方晶系 简单立方 体心立方 面心立方 T Th Td O Oh

单质的晶体结构[编辑]

金刚石的晶体结构
单质的晶体结构
名称 英文名称 代号 晶格类型 晶系 举例
金属结构 metallic copper structure A1型 面心立方晶格 立方晶系 [1]
金属结构 metallic sodium structure A2型 体心立方晶格 立方晶系 [2]
金属结构 metallic magnesium structure A3型 六方密排晶格 六方晶系 [3]
金刚石结构 diamond structure A4型 立方晶系 [4]
石墨结构 graphite structure A9型 六方晶系 [5]

化合物的晶体结构[编辑]

化合物的晶体结构
名称 英文名 代号 晶格结构 晶系 配位 举例 示意图(点击可放大)
氯化钠结构 NaCl structure B1型 面心立方晶格 立方晶系 [6] [7] NaCl-estructura cristalina.svg
氯化铯结构 CsCl structure B2型 简单立方晶格 立方晶系 [8] [9] CsCl crystal.png
立方硫化锌结构[10] zinc blende structure B3型 [11] 立方晶系 [12] [13] Sphalerite-unit-cell-3D-balls.png
六方硫化锌结构 wurtzite structure B4型 简单六方晶格 六方晶系 [14] [15] Wurtzite-unit-cell-3D-balls.png
砷化镍结构 NiAs structure B8型 六方晶系 [16] [17] Nickel-arsenide-3D-unit-cell.png
碘化镉结构 CdI2 structure C6型 三方晶系 Cadmium-iodide-3D-balls.png
萤石结构 fluorite structure C1型 面心立方晶格 立方晶系 Fluorite-unit-cell-3D.png
萤石结构 antifluorite structure C2型 立方晶系 Fluorite-unit-cell-3D.png
金红石结构 rutile structure C4型 简单四方晶格 四方晶系 Rutile-unit-cell-3D.png
钙钛矿结构 perovskite structure E21 立方晶系 Perovskite.jpg
三氧化铼结构 ReO3 structure DO9 立方晶系 Rhenium-trioxide-unit-cell-vdW.png

注释[编辑]

  1. ^ 属A1型结构的单质有近二十种,如(Ca)、(Sr)、(Al)、(Ag)、(Au)、(Ni)、(Pd)、(Pt)、(Rh)、(Ir)、(Pb)等。
  2. ^ 属A2型结构的单质有十多种,如(Fe)和碱金属(Li)、(Na)、(K)、(Rb)、(Cs)、5族元素(V)、(Nb)、(Ta),6族元素(Cr)、(Mo)、(W)等。
  3. ^ 属A3型结构的单质(Be)、(Co)、(Zn)、(Cd)、(Tl)和3族元素(Sc)、(Y)、4族元素(Ti)、(Zr)、(Hf)、镧系元素等。
  4. ^ 属A4型结构的单质(Si)、(Ge)、灰锡(Sn)等。
  5. ^ 属A9型结构的单质石墨(C)
  6. ^ Na+Cl离子周围都由6个异号离子八面体方式配位
  7. ^ 数以百计的二元化合物,如卤化物氧化物硫化物硒化物氮化物碳化物中,许多都是B1型的。
  8. ^ Cs+Cl离子周围都由8个异号离子八面体方式配位
  9. ^ 属B2型的化合物溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)、溴化铊(TlBr)、碘化铊(TlI)、氯化铵(NH4Cl)、溴化铵(NH4Br)、碘化铵(NH4I)等盐类及AgCd、AgCe、AgMg、AgZn、AuMg、AuZn、CaTl、CdLa、MgLa、MgSr、TlBi等许多金属间化合物
  10. ^ 又称做闪锌矿结构
  11. ^ 类金刚石晶格
  12. ^ Zn2+S2−离子周围都由4个异号离子四面体方式配位;这种结构也可看作S2−立方最密堆积Zn2+填入四面体的空隙中;或者,由于Zn-S共价键占很大成分,可将它的结构看作立方金刚石结构中的C原子,交替地由ZnS原子置换而得;
  13. ^ 属于B3型的化合物有氯化亚铜(CuCl)、溴化亚铜(CuBr)、碘化亚铜(CuI)、碘化银(AgI)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、硫化铍(BeS)等。
  14. ^ Zn2+S2−离子周围都由4个异号离子四面体方式配位;这种结构也可看作S2−六方最密堆积Zn2+填入四面体的空隙中;
  15. ^ 属于B3型的化合物氧化锌(ZnO)、卤化铜(CuX, X=Cl, Br, I)、氧化铍(BeO)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)、碘化银(AgI)、碳化硅(SiC)等。
  16. ^ Ni化物As配位数都是6,但Ni是处在As八面体配位中,As则处在Ni三方柱体配位中;
  17. ^ 许多过渡金属硫化物硒化物碲化物锑化物属于B8型。

参考文献[编辑]