晶體結構

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鑽石

晶體結構是指晶體周期性結構。固體材料可以分為晶體准晶體非晶體三大類,其中,晶體內部原子的排列具有周期性,外部具有規則外形,比如鑽石(圖)。

Hauy最早提出晶體的規則外型是因為晶體內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學性質就可以歸結為其內部原子的規則排列。20世紀初期,勞厄發明X射線繞射法,從此人們可以使用X射線來研究晶體內部的原子排列,其研究結果進而證實了Hauy的判斷。

晶體內部原子排列的具體形式一般稱之為晶格,不同的晶體內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,各種晶系分別與十四種空間格(稱作布拉菲晶格)相對應,在宏觀上又可以歸結為三十二種空間點群,在微觀上可進一步細分為230個空間群

對於晶體結構的研究是研究固體材料的宏觀性質及各種微觀過程的基礎。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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

布拉菲晶格在三維平面上有七大晶系,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、面心及底心這四種類型,這七大晶系又總共可細分為14種晶格。

晶系與布拉菲格子及空間點群的關係[編輯]

晶系 布拉菲格子 所屬點群
三斜晶系 簡單三斜 C1, Ci
單斜晶系 簡單單斜 底心單斜 C2 Cs C2h
正交晶系 簡單正交 底心正交 體心正交 面心正交 D2 C2v D2h
三方晶系 三方 C3 C3i D3 C3v D3d
四方晶系 簡單四方 體心四方 C4 C4h D4 C4v D4h S4 D2d
六方晶系 六方 C6 C6h D6 C3v D6h C3h D2h
立方晶系 簡單立方 體心立方 面心立方 T Th Td O Oh

單質的晶體結構[編輯]

金剛石的晶體結構
單質的晶體結構
名稱 英文名稱 代號 晶格類型 晶系 舉例
金屬結構 metallic copper structure A1型 面心立方晶格 立方晶系 [1]
金屬結構 metallic sodium structure A2型 體心立方晶格 立方晶系 [2]
金屬結構 metallic magnesium structure A3型 六方密排晶格 六方晶系 [3]
金剛石結構 diamond structure A4型 立方晶系 [4]
石墨結構 graphite structure A9型 六方晶系 [5]

化合物的晶體結構[編輯]

化合物的晶體結構
名稱 英文名 代號 晶格結構 晶系 配位 舉例 示意圖(點擊可放大)
氯化鈉結構 NaCl structure B1型 面心立方晶格 立方晶系 [6] [7] NaCl-estructura cristalina.svg
氯化銫結構 CsCl structure B2型 簡單立方晶格 立方晶系 [8] [9] CsCl crystal.png
立方硫化鋅閃鋅礦)結構 zinc blende structure B3型 類金剛石晶格 立方晶系 [10] [11] Sphalerite-unit-cell-3D-balls.png
六方硫化鋅纖鋅礦)結構 wurtzite structure B4型 簡單六方晶格 六方晶系 [12] [13] Wurtzite-unit-cell-3D-balls.png
砷化鎳結構 NiAs structure B8型 六方晶系 [14] [15] Nickel-arsenide-3D-unit-cell.png
碘化鎘結構 CdI2 structure C6型 三方晶系 Cadmium-iodide-3D-balls.png
螢石結構 fluorite structure C1型 面心立方晶格 立方晶系 Fluorite-unit-cell-3D.png
螢石結構 antifluorite structure C2型 立方晶系 Fluorite-unit-cell-3D.png
金紅石結構 rutile structure C4型 簡單四方晶格 四方晶系 Rutile-unit-cell-3D.png
鈣鈦礦結構 perovskite structure E21 立方晶系 Perovskite.jpg
三氧化錸結構 ReO3 structure DO9 立方晶系 Rhenium-trioxide-unit-cell-vdW.png

注釋[編輯]

  1. ^ 屬A1型結構的單質有近二十種,如(Ca)、(Sr)、(Al)、(Ag)、(Au)、(Ni)、(Pd)、(Pt)、(Rh)、(Ir)、(Pb)等。
  2. ^ 屬A2型結構的單質有十多種,如(Fe)和鹼金屬(Li)、(Na)、(K)、(Rb)、(Cs)、5族元素(V)、(Nb)、(Ta),6族元素(Cr)、(Mo)、(W)等。
  3. ^ 屬A3型結構的單質(Be)、(Co)、(Zn)、(Cd)、(Tl)和3族元素(Sc)、(Y)、4族元素(Ti)、(Zr)、(Hf)、鑭系元素等。
  4. ^ 屬A4型結構的單質(Si)、(Ge)、灰錫(Sn)等。
  5. ^ 屬A9型結構的單質石墨(C)
  6. ^ Na+Cl離子周圍都由6個異號離子八面體方式配位
  7. ^ 數以百計的二元化合物,如鹵化物氧化物硫化物硒化物氮化物碳化物中,許多都是B1型的。
  8. ^ Cs+Cl離子周圍都由8個異號離子八面體方式配位
  9. ^ 屬B2型的化合物溴化銫(CsBr)、碘化銫(CsI)、溴化鉈(TlBr)、碘化鉈(TlI)、氯化銨(NH4Cl)、溴化銨(NH4Br)、碘化銨(NH4I)等鹽類及AgCd、AgCe、AgMg、AgZn、AuMg、AuZn、CaTl、CdLa、MgLa、MgSr、TlBi等許多金屬間化合物
  10. ^ Zn2+S2−離子周圍都由4個異號離子四面體方式配位;這種結構也可看作S2−立方最密堆積Zn2+填入四面體的空隙中;或者,由於Zn-S共價鍵占很大成分,可將它的結構看作立方金剛石結構中的C原子,交替地由ZnS原子置換而得;
  11. ^ 屬於B3型的化合物有氯化亞銅(CuCl)、溴化亞銅(CuBr)、碘化亞銅(CuI)、碘化銀(AgI)、碳化矽(SiC)、氮化硼(BN)、磷化硼(BP)、硫化鈹(BeS)等。
  12. ^ Zn2+S2−離子周圍都由4個異號離子四面體方式配位;這種結構也可看作S2−六方最密堆積Zn2+填入四面體的空隙中;
  13. ^ 屬於B3型的化合物氧化鋅(ZnO)、鹵化銅(CuX, X=Cl, Br, I)、氧化鈹(BeO)、硫化鎘(CdS)、硒化鎘(CdSe)、碘化銀(AgI)、碳化矽(SiC)等。
  14. ^ Ni化物As配位數都是6,但Ni是處在As八面體配位中,As則處在Ni三方柱體配位中;
  15. ^ 許多過渡金屬硫化物硒化物碲化物銻化物屬於B8型。

參考文獻[編輯]