金属晶体结构密堆积的几种常见形式
金属化合物结构特点
金属化合物结构特点
金属化合物结构的特点是由它们的化学成分和原子结构所决定的。
一般情况下，金属
化合物在晶体结构中，金属原子与非金属原子以离子键或共价键结合形成晶格结构。
这种
结构对金属化合物的性质和应用具有重要影响，如热电、导电、导热、强度、硬度、耐蚀
性和磁性等。
1. 非晶态结构：金属化合物可以形成非晶态结构。
非晶态结构的特点是没有长程的
周期性，仅仅只有短程周期性。
因此，它的物理性质会随着物质中非晶态结构的存在而发
生改变。
2. 晶格构造：金属化合物的晶体结构以最密堆积为主要特点，这种结构包括六方密
堆积、立方密堆积、体心立方密堆积和面心立方密堆积等几种常见的晶格构造。
3. 原子排布：金属化合物的晶体结构中金属原子和成分不同的非金属原子的原子排
布也很重要。
原子的排布方式决定了各种物理性质，如硬度、韧性、塑性、导电性、热电性、抗氧化性等。
4. 成键方式：金属原子与非金属原子之间成键的方式有离子键，共价键和金属键等。
离子键形成于金属离子和非金属离子之间，共价键形成于自由电子和占据能级的价电子之间，而金属键形成于由于金属原子的自由电子共享而产生的键。
5. 异常的晶体结构：某些金属化合物会形成一些不同于通常金属化合物的晶体结构，这被称为“异构体”。
异构体的产生通常由于金属原子之间的几何形状发生改变，这通常
发生在高温、高压、光照等条件下。
晶体结构的几种常见形式
金属晶体结构密堆积的几种常见形式
等径圆球的最密堆积模型
金属原子的最外层电子在金属晶体中是自 由移动的，而金属离子用等经圆球的最密堆 积模型来进行堆积，形成金属晶体的骨架。 自由移动的电子象一种带负电荷的粘合剂将 这种堆积粘合在一起。这种自由电子我们用 三维势箱模型和电子能带理论进行处理。本 节课我们专门讨论怎样用等径圆球的密堆积 模型来形成这种骨架。
得到的是体心立方堆积，如碱金属和Fe等。
(2).非密置层的堆积方式
b、体心立方堆积
②体心立方堆积 将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴 中，并使非密置层的原子稍稍分离。这种堆积方 式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一 个原子在立方体的__顶__角____，另一个原子在立方 体的__中__心______，其空间的利用率比简单立方
a、简单立方堆积
相邻非密置层原子的原子核在 ___同__一__直_线__上____的堆积，空间 利用率太低，只有金属_P_o___采 用这种堆积方式。
形成简单立方晶胞，空间利用率较低52％ ，金 属钋（Po）采取这种堆积方式。
这是非密置层另一种堆积方式，将上层金属填入 下层金属原子形成的凹穴中。
Ⅲ.六方密堆积 镁、锌、钛等属于六方堆积
第一种： 将第三层球对准第一层的球A126 Nhomakorabea3
B
54
A
B
于是每两层形成一个 周期，即 AB AB 堆积方 式，形成六方紧密堆积。
A
上图是此种六方 紧密堆积的前视图
配位数 12 ( 同层 6，上下层各 3 )
金属晶体的原子空间堆积模型3
• 六方密堆积（镁型）
放映结束 感谢各位批评指导！
晶体结构2
A3：只有一个方向，即六方晶胞的C轴方向，
延展性差，较脆，如Mg.
空间利用率的计算
空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在
整个晶体空间中所占有的体积百分比。 球体积
空间利用率=
晶胞体积
100%
A3型最密堆积的空间利用率计算
解：
在A3型堆积中取出六方晶胞，平行六面体的底是
平行四边形，各边长 a=2r ，则平行四边形的面积：
成6个三角形空隙;
3. 每个空隙由3个球围成; 4. 由N个球堆积成的层中有2N个空隙, 即球数：空隙数=1：2。
两层球的堆积情况图
六方最密堆积（A3）图
六方最密堆积（A3）分解图
面 心 立 方 最 密 堆 积 （ A 一 ） 图
面心立方最密堆积（A1）分解图
A1 型最密堆积图片
将密堆积层的相对位置按照ABCABC……方式作最密堆 积，重复的周期为3层。这种堆积可划出面心立方晶胞。
六方ZnS
（1）六方晶系，简单六方晶胞。
（2）Z=2 （3）S2-六方最密堆积|AaBb|。 （4）配位数4：4。 （6）2s：0 0 0，2/3 1/3 1/2； 2Zn：0 0 5/8，2/3 1/3 1/8。
CaF2型（萤石）
（1）立方晶系，面心立方晶胞。 （2）Z=4
（3）配位数8：4。
定义：以共价键形成的晶体。
共价键由方向性和饱和性，因此，原子晶
体一般硬度大，熔点高，不具延展性。
代表：金刚石、Si、Ge、Sn等的单质，
ZnS、CuX、SiC、SiO2等。
4.金属晶体
金属键是一种很强的化学键，其本质是金
属中自由电子在整个金属晶体中自由运动，
从而形成了一种强烈的吸引作用。
密堆积结构特点
密堆积结构特点
密堆积结构的特点可以从以下几个方面来理解：
1. 原子或分子的堆积方式：在密堆积结构中，原子或分子遵循一定的堆积原则，常见的有六方密堆积（HCP）和面心立方密堆积（FCC）。
这种堆积方式使原子或分子在空间中尽可能紧密地排列，从而提高空间利用率。
2. 无缝隙和最小内能性：在密堆积结构中，原子或分子间的相互作用使它们紧密结合，彼此间没有明显的缝隙。
这种紧密堆积的方式使得系统的内能达到最小，从而稳定了整个结构。
3. 紧密的结合力：密堆积结构中的原子或分子之间存在强烈的相互作用力，如金属键、离子键或共价键，这些相互作用力使得原子或分子能够紧密结合在一起。
4. 球形对称性：由于密堆积结构的原子或分子通常被视为具有一定大小的球体，因此这种结构具有球形对称性。
这意味着无论从哪个方向观察，密堆积结构的形态和特征都保持不变。
5. 广泛的物质形态：密堆积结构可以存在于多种物质形态中，包括金属、离子化合物和某些类型的分子晶体。
这表明密堆积结构是一种具有普遍性的结构形式。
6. 高空间利用率：在密堆积结构中，原子或分子的排列方式使得空间利用率尽可能高，从而最大限度地减少空隙或间隙。
这种高空间利用率有助于提高物质的物理和化学稳定性。
总的来说，密堆积结构的特点在于其紧密的堆积方式和高度紧密的结合力，这种结构形式在自然界和人工合成的物质中都广泛存在，并且对物质的物理、化学和机械性质产生重要影响。
金属晶体堆积方式
金属晶体堆积方式 的研究意义和展望
提高材料的力学性能，如强度、硬度、韧性等 优化材料的电学、热学和磁学性能 实现材料的功能化与智能化，如传感器、驱动器等 探索新型材料，推动科技进步和产业发展
金属晶体堆积方 式的研究有助于 深入理解物质结 构和性质
金属晶体堆积方 式的多样性是决 定金属材料性能 的重要因素
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金属晶体的堆积方式会影响其物理 性质，如导电性、热导率等。
了解金属晶体的堆积方式对于材料 性能的优化和新型材料的开发具有 重要的意义。
特点：金属晶体堆积方式具有高度 的对称性和规则性，不同金属晶体 堆积方式的差异较大。
影响因素：金属晶体堆积方式受金 属原子半径、金属键类型等因素影 响。
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应用：金属晶体堆积方式对金属的 物理性质和化学性质有重要影响， 如导电性、耐腐蚀性等。
实验研究：通过X射线衍射、中子 衍射等实验手段研究金属晶体堆积 方式。
金属晶体堆积方式在材料科学中的应用 金属晶体堆积方式在电子器件制造中的应用 金属晶体堆积方式在航空航天领域的应用 金属晶体堆积方式在生物医学领域的应用
金属晶体堆积方式的形成原因 是为了实现空间利用率的最大 化。
通过合理的堆积方式，金属晶 体可以获得更高的密度和更强
的机械性能。
金属晶体堆积方式的形成还受 到金属原子间相互作用力的影
响。
金属晶体堆积方式 的特点和应用
金属晶体堆积方式的特点包括周期 性、对称性和密堆积等。
金属晶体的堆积方式在材料科学和 工程领域具有广泛的应用，如金属 材料、催化剂等。
热性能。
金属晶体的堆 积方式决定了 其物理和化学
金属晶体原子堆积方式
A
2
1
3
B
6
4
A
5
B
A
（2）ABCABC…堆积方式
▪ 第三层小球对准第一层小球空穴的2、4、6位。
▪ 第四层同第一层。
前视图
▪ 每三层形成一个周期地紧密堆积。
A
C
2 13
2 13
B
2 13
A
64 5
64 5
64C
5
B
A
▪ 俯视图： ABAB…堆积方式 ABCABC…堆积方式
（1）ABAB…堆积方式
a 空间利用率= V球 100%
V晶胞
4 4 r3 3 100% =74%
16 2r3
堆积方式及性质小结
堆积方式 晶胞类型 空间利 配位数 用率
实例
简单立 简单立方 方堆积
体心立方 密堆积
体心立方
六方最 密堆积
六方
面心立方 面心立方 最密堆积
52％ 68% 74% 74%
6
Po
8
Na、K、Fe
12 Cu、Ag、Au
空间利用率只有52%，是金属中最 不稳定的结构，只有少数金属如αPo属于这种类型。
（2）体心立方堆积 （钾型）
体 心 立 方 晶 胞
▪ ①配位数： 8 上下层各4
56 87 12 43
▪ ②×8
+
1=
2
▪ ③金属原子半径 r 与正方体边长 a 的关系：
ba
20多金属属于体心立方晶体。
活动与探究3 三维空间里密置层金属原子的堆积方式
▪ 将密置层的小球在一个平面上黏合在一起， 再一层一层地堆积起来（至少堆4层），使 相邻层上的小球紧密接触，有哪些堆积方式？
钠的晶体堆积方式
钠的晶体堆积方式钠是一种常见的金属元素，其晶体结构是由钠原子的堆积方式决定的。
钠的晶体堆积方式包括密堆积和面心立方堆积两种。
下面将分别介绍这两种堆积方式的特点和结构。
1. 密堆积密堆积是指钠原子在晶体中紧密堆积的方式。
在密堆积中，钠原子依次排列在一个平面上，并在下一个平面上填充在前一个平面上原子的间隙中。
这种堆积方式使得钠晶体具有紧密的结构，原子之间的距离很小。
在密堆积中，每个钠原子周围有6个相邻原子，它们位于一个八面体的顶点上。
这种排列方式使得钠晶体具有六方密堆积结构。
每个八面体的顶点上有一个钠原子，每个原子周围都有六个八面体。
2. 面心立方堆积面心立方堆积是指钠原子在晶体中以面心立方的方式堆积的结构。
在面心立方堆积中，钠原子依次排列在一个平面上，并在下一个平面上填充在前一个平面上原子的间隙中。
这种堆积方式使得钠晶体具有紧密的结构，原子之间的距离很小。
在面心立方堆积中，每个钠原子周围有12个相邻原子，它们位于一个立方体的顶点和面心上。
这种排列方式使得钠晶体具有面心立方堆积结构。
每个立方体的顶点上有一个钠原子，每个原子周围都有八个立方体和六个面心原子。
密堆积和面心立方堆积是钠晶体中最常见的堆积方式。
它们都具有紧密堆积的结构，原子之间的距离都很小。
这种紧密的结构使得钠晶体具有良好的导电性和热导性。
此外，钠晶体还具有良好的可塑性和延展性，可以被轻易地拉伸和变形。
总结起来，钠的晶体堆积方式主要包括密堆积和面心立方堆积两种。
这两种堆积方式使得钠晶体具有紧密堆积的结构，原子之间的距离很小。
这种结构赋予了钠晶体许多特殊的性质，如良好的导电性、热导性、可塑性和延展性。
钠晶体的堆积方式对于钠的物理性质和化学性质有着重要的影响，对于研究和应用钠材料具有一定的意义。
2-密堆积
53
补充：钙钛矿CaTiO3的晶胞结构
54
许多ABX3型的化合 物都属于钙钛矿型； 还有许多化合物结 构可以的从钙钛矿 的结构来理解。如： ReO3
ReO3的晶胞结构
55
2.分子晶体
定义：单原子分子或以共价键结合的有限 分子，由分子间作用力凝聚而成的晶体。 范围：全部稀有气体单质、许多非金属单 质、一些非金属氧化物和绝大多数有机化 合物都属于分子晶体。 特点：以分子间作用力结合，相对较弱。 范德华力、氢键是分子晶体中重要的作用 力。
61
金属晶体的几何学特征
配位数： 6 晶胞单独占据的原子： 1 空间利用率： 52% （晶胞中原子体积与晶胞 体积的比值。） 金属：Po
62
金属晶体的几何学特征
（钾型堆积）
金属：Na、K、Fe、Ba 配位数： 8 晶胞单独占据的原子： 2 空间利用率： 68%
(立方体的顶点与体心均为同种微粒)
57
氢键
定义：Ｘ－ＨＹ，Ｘ－Ｈ是极性很大的 共价键，Ｘ、Ｙ是电负性很强的原子。
氢键的强弱介于共价键和范德华力之间；
氢键由方向性和饱和性；
Ｘ－Ｙ间距为氢键键长，Ｘ－ＨＹ夹角 为氢键键角（通常120180 ）；一般来 说，键长越短，键角越大，氢键越强。
氢键对晶体结构有着重大影响。
58
水簇中的氢键
S a a sin 60 3 a2 2
平行六面体的高：
h 2边长为a的四面体高
2 6 a 2 6 a
3
3
20
V晶胞
3 a2 2 6 a
2
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金属原子的最外层电子在金属晶体中是自 由移动的，而金属离子用等经圆球的最密堆 积模型来进行堆积，形成金属晶体的骨架。 自由移动的电子象一种带负电荷的粘合剂将 这种堆积粘合在一起。这种自由电子我们用 三维势箱模型和电子能带理论进行处理。本 节课我们专门讨论怎样用等径圆球的密堆积 模型来形成这种骨架。
六方密堆积
I 型
二维平面堆积方式
II 型
非密置层
行列对齐四球一空 非最紧密排列
密置层
行列相错三球一空 最紧密排列
② 密置层：
沿二维空间伸展的等径圆球的最密堆积形式叫密置层，它只有一种排列方 式。（如图2）在密置层中每个球都与周围六个球紧密接触，配位数为6，三个球 形成一个三角形空隙，因此每个球分摊两个三角形空隙。
(2).非密置层的堆积方式
b、体心立方堆积
②体心立方堆积 将上层金属原子填入下层的金属原子形成的凹穴 中，并使非密置层的原子稍稍分离。这种堆积方 式所得的晶胞是一个含有两个原子的立方体，一 个原子在立方体的________ 顶角 ，另一个原子在立方 中心 体的__________ ，其空间的利用率比简单立方 高 堆积_______ ，碱金属和Fe属于这种堆积方式。
68%
(1).密置层在三维空间堆积 b、六方最密堆积 第一层 ：
第二层 ： 对第一层来讲最紧密的堆积方式是将 球对准1，3，5 位。 ( 或对准 2，4，6 位，其情形是 一样的 )
1 6 5 4
2
3 6 5 4 A B 1
2
3
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层可以有两种最紧密的堆积方式
。
，
a、简单立方堆积
相邻非密置层原子的原子核在 同一直线上 的堆积，空间 ______________ 利用率太低，只有金属_____ Po 采 用这种堆积方式。 形成简单立方晶胞，空间利用率较低52％ ，金 属钋（Po）采取这种堆积方式。
这是非密置层另一种堆积方式，将上层金属填入 下层金属原子形成的凹穴中。 得到的是体心立方堆积，如碱金属和Fe等。
正可 当由 格密若 子置把 为层每 平抽个 面出球 六一作 方个为 格平一 子面个 。六结 方构 点基 阵元
图2：等径圆球的பைடு நூலகம்置层
金属晶体的原子堆积模型 1．二维空间模型 (1)非密置层 配位数为___ 4 ，如图所示：
(2)密置层 配位数为____ 6 ，如图所示：
三维空间堆积方式
(1).非密置层的堆积方式
Ⅲ.六方密堆积
镁、锌、钛等属于六方堆积
A
第一种： 将第三层球对准第一层的球
1 6 5 4
2
3
B
A B
于是每两层形成一个 周期，即 AB AB 堆积方 式，形成六方紧密堆积。
A
上图是此种六方 紧密堆积的前视图
配位数 12 ( 同层 6，上下层各 3 )
金属晶体的原子空间堆积模型3
• 六方密堆积（镁型）