晶体结构类型与典型结构 (常见晶体结构类型)

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• 晶体结构类型与典型结构
• 三种典型立方晶体结构

晶体结构类型与典型结构

1.晶体结构类型

在晶体化学中，常依据最强化学键在结构空间的散布和原子或配位多面体结合的方式，将晶体结构划分为如下几种类型。

（1）岛状（island）

结构中存在原子团，团内的键强远大于团外键强，如橄榄石（Mg，Fe）［SiO］。

（2）环状（cycle）

结构中的配位多面体以角顶结合构成敞开的环，按过程的数目可以有三环、四环、六环等多种，环还可以堆叠起来构成双环（如六方双环等），如绿柱石BeAl［SiO］。

（3）链状（chain）

最强的键趋势于单向散布。原子或配位多面体结分解链状，链间以弱键或数量较少的强键相结合，如辉石（Mg，Fe）［SiO］、金红石TiO。

（4）层状（sheet）

最强的键沿两度空间散布，原子或配位多面体结分解平面网层，层间以分子键或其余弱键相结合，如石墨（C）。

（5）架状（framwork）

最强键在三度空间平均散布，但配位多面体重要以共角顶结合，同一角顶结合的配位多面体不超越两个，因此结构宽敞，如a-石英（SiO）。

（6）配位型（coordinate）

晶格中只要一种化学键存在，它可以是离子键、共价键或金属键。

键在三度空间做平均散布。

按配位多面体的类型不同可分为：四面体配位型、八面体配位型和混合配位型。

配位多面体之间可以共面、共棱或共角顶结合，同一角顶所结合的配位多面体不少于3个。

如金刚石（C）。

（7）分子型（molecular）

晶体中的结构单位为中性分子，分子外部理论以较强的共价键结合，分子间以强劲的分子键即范德华力（the Van Der Weals bond）相结合，如人造硫（S）。

以上结构类型的详细剖析，将在矿物各论中结合详细矿物的晶体结构详细形容。

2.典型结构

不同晶体的结构，若其对应质点的陈列方式相反，则称它们的结构是等型的。

结构型常以某一种晶体为代表而命名，这些作为代表的晶体结构称之为典型结构。

如石盐（NaCl）、方铅矿（PbS）、方镁石（MgO）等晶体的结构等型，咱们以其中的NaCl晶体作为代表而命名为NaCl型结构。

即“NaCl”结构为一典型结构，而方铅矿、方镁石等晶体具“NaCl型”结构。

在晶体化学中，常将典型结构作为某一类晶体结构的代表，从而使晶体结构剖析更为方便。除上述方铅矿、方镁石等组成元素与作为典型的晶体中相应元素在空间上逐一对应，因此其结构可用典型结构形容外，一些在几何特色上与典型结构近似的晶体结构稍加补充说明后，也可借典型结构来形容，称为某典型结构的“衍生结构”。如黄铁矿（FeS）中每2个S与1个Fe相间陈列，与石盐中Na和Cl的排布近似，其结构便可视为“NaCl型”结构的衍生结构（见“硫化物及其相似化合物矿物大类”无关形容）。

本书将在矿物各论中对常常出现的一些典型结构加以引见。这里以金红石（TiO）型结构为例，方便说明晶体结构的基本形容方法。

为了直观地展现晶体的结构特色，理论驳回3种结构图形，即原子沉积图、球棒图和配位多面体图。原子沉积图是以球体示意晶体边疆子彼此接触沉积的图形，理论由阴离子做严密沉积，阳离子充填其空隙（图8-17a）；球棒图是用适当大小的球体代表结构中的原子，其间用细线结合示意成键相关（图8-17b）；配位多面体图是以配位多面体的方式示意出结构在三维空间中的结合相关（图8-17c，示出了多个晶胞，配位八面体为［TiO］，按两种方位陈列）。

图8-17 示意金红石晶体结构的原子沉积图（a）、球棒图（b）和配位多面体图（c）

大、小球区分代表O-和Ti

晶体结构测定标明，金红石的成分为TiO，四方晶系，空间群

P4/mnm，a=0.458nm，c=0.295nm。晶体结构和空间群如图8-15和图8-17所示。其结构剖析应留意以下内容。

格子类型剖析 在金红石的晶体结构中，Ti位于单位晶胞的角顶和体心。因为位于单位晶胞角顶上的Ti与O-组成的配位八面体的方位与位于晶胞体心处的Ti与O-组成的配位八面体方位不同（图8-17c），即这两种Ti周围环境不同，属于两套相当点，画空间格子时，只能以一套相当点来画，所以金红石的空间格子就是原始格子而不是体心格子，即位于晶胞角顶上的一套Ti组成一套四方原始格子，而位于体心的另一套Ti组成另一套四方原始格子。

沉积方式及配位数、配位多面体剖析 在晶体结构中，O-呈近似于六方最严密沉积，位于以Ti为角顶组成的平面三角形的核心，配位数CN=3；Ti位于八面体空隙中，配位数CN=6；［TiO］八面体沿c轴以共棱的方式结分解链，链间八面体共角顶相连，因此其结构属链状。这一结构特色可较好地解释金红石沿c轴加长的柱状、针状晶形敌对行c轴的解理。

“Z”值剖析 此处“Z”是指单位晶胞中所含的相当于化学式的“分子数”。因为每一角顶上的Ti为相邻的8个单位晶胞所共有，故该晶胞只占1/8；所以单位晶胞中Ti的数目为｛8（角顶上的Ti）×1/8+1（体心的Ti）｝=2。O有4个位于单位晶胞的上、下底面上，另两个O位于单位晶胞内。因为位于晶胞上、下底面上的O为两个晶胞所共有，故单位晶胞中O的数目为（4×1/2+2）=4个。这样，单位晶胞中有2个Ti，4个O，即为2（TiO），相当于2倍的化学式，因此Z=2。

三种典型立方晶体结构

三种典型立方晶体结构：面心立方、体心立方和密排六方。

1、面心立方。

这种结构除顶角上有原子外，在晶胞立方体六个面的核心处还有6个原子，故称为面心立方。

2、体心立方。

体心立方晶格的晶胞中，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的核心，角上八个原子与核心原子紧靠。

具备体心立方晶格的金属有锂（Li）、钾（K）、钼（Mo)、钨（W）、钒（V）、α-铁（α-Fe，<912℃）等。

3、密排六方。

密排六方结构是指除在六角晶胞的顶角上有12个原子外，在每个底面核心有一个原子，在晶胞外部半高处有三个共面原子，轴比近似为1.633的六角晶体结构。

把原子视为刚球，尽或者密集地有规定沉积，则密排六方结构是密沉积的方式之一。

晶体的特性：

1、自范性。

晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发地生长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它与周围物质的界面，而出现出凸多面体。

2、守恒定律。

同一种晶体在相反的温度和压力下，其对应晶面之间的夹角恒定不变。

3、解理性。

当晶体遭到敲打、剪切、撞击等内界作用时，可有沿某一个或几个具备确定方位的晶面劈裂开来的性质。

4、各向同性。

晶体的物理性质随观测方向而变动的现象称为各向同性。

晶体的很多性质体现为各向同性，如压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。