晶体结构类型与典型结构

Question

如题所述

Answer 1

1.晶体结构类型

在晶体化学中，常根据最强化学键在结构空间的分布和原子或配位多面体联结的形式，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）₂［SiO₄］。

（2）环状（cycle）

结构中的配位多面体以角顶联结形成封闭的环，按环节的数目可以有三环、四环、六环等多种，环还可以重叠起来形成双环（如六方双环等），如绿柱石Be₃Al₂［Si₆O₁₈］。

（3）链状（chain）

最强的键趋向于单向分布。原子或配位多面体联结成链状，链间以弱键或数量较少的强键相联结，如辉石（Mg，Fe）₂［Si₂O₆］、金红石TiO₂。

（4）层状（sheet）

最强的键沿两度空间分布，原子或配位多面体联结成平面网层，层间以分子键或其他弱键相联结，如石墨（C）。

（5）架状（framwork）

最强键在三度空间均匀分布，但配位多面体主要以共角顶联结，同一角顶联结的配位多面体不超过两个，因而结构开阔，如a-石英（SiO₂）。

（6）配位型（coordinate）

晶格中只有一种化学键存在，它可以是离子键、共价键或金属键。键在三度空间做均匀分布。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、共棱或共角顶联结，同一角顶所联结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，分子内部通常以较强的共价键联结，分子间以微弱的分子键即范德华力（the Van Der Weals bond）相联结，如自然硫（S）。

以上结构类型的具体分析，将在矿物各论中结合具体矿物的晶体结构详细描述。

2.典型结构

不同晶体的结构，若其对应质点的排列方式相同，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，我们以其中的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，从而使晶体结构分析更为便捷。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一一对应，因而其结构可用典型结构描述外，一些在几何特征上与典型结构近似的晶体结构稍加补充说明后，也可借典型结构来描述，称为某典型结构的“衍生结构”。如黄铁矿（FeS₂）中每2个S与1个Fe相间排列，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“硫化物及其类似化合物矿物大类”有关描述）。

本书将在矿物各论中对常见的一些典型结构加以介绍。这里以金红石（TiO₂）型结构为例，简单说明晶体结构的基本描述方法。

为了直观地展现晶体的结构特征，通常采用3种结构图形，即原子堆积图、球棒图和配位多面体图。原子堆积图是以球体表示晶体中原子彼此接触堆积的图形，通常由阴离子做紧密堆积，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，其间用细线联结表示成键关系（图8-17b）；配位多面体图是以配位多面体的形式表示出结构在三维空间中的联结关系（图8-17c，示出了多个晶胞，配位八面体为［TiO₆］，按两种方位排列）。

图8-17 表示金红石晶体结构的原子堆积图（a）、球棒图（b）和配位多面体图（c）

大、小球分别代表O^2--和Ti⁴⁺

晶体结构测定表明，金红石的成分为TiO₂，四方晶系，空间群

P4₄/mnm，a₀=0.458nm，c₀=0.295nm。晶体结构和空间群如图8-15和图8-17所示。其结构分析应注意以下内容。

格子类型分析 在金红石的晶体结构中，Ti⁴⁺位于单位晶胞的角顶和体心。由于位于单位晶胞角顶上的Ti⁴⁺与O^2--组成的配位八面体的方位与位于晶胞体心处的Ti⁴⁺与O^2--组成的配位八面体方位不同（图8-17c），即这两种Ti⁴⁺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Ti⁴⁺组成一套四方原始格子，而位于体心的另一套Ti⁴⁺组成另一套四方原始格子。

堆积形式及配位数、配位多面体分析 在晶体结构中，O^2--呈近似于六方最紧密堆积，位于以Ti⁴⁺为角顶组成的平面三角形的中心，配位数CN=3；Ti⁴⁺位于八面体空隙中，配位数CN=6；［TiO₆］八面体沿c轴以共棱的方式联结成链，链间八面体共角顶相连，因此其结构属链状。这一结构特征可较好地解释金红石沿c轴延伸的柱状、针状晶形和平行c轴的解理。

“Z”值分析 此处“Z”是指单位晶胞中所含的相当于化学式的“分子数”。由于每一角顶上的Ti⁴⁺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Ti⁴⁺的数目为｛8（角顶上的Ti⁴⁺）×1/8+1（体心的Ti⁴⁺）｝=2。O^2-有4个位于单位晶胞的上、下底面上，另两个O^2-位于单位晶胞内。由于位于晶胞上、下底面上的O²为两个晶胞所共有，故单位晶胞中O^2-的数目为（4×1/2+2）=4个。这样，单位晶胞中有2个Ti⁴⁺，4个O^2-，即为2（TiO₂），相当于2倍的化学式，因此Z=2。