晶体结构基础
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晶体学基础
图 六方晶系的一些晶向指数与晶面指数
4.晶带
相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带， 此直线称为晶带轴 设晶带轴的指数为[uvw]，则晶带中任何一个晶面的指数 （hkl）都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属 于以[uvw]为晶带轴的晶带。→晶带定律 （a） 由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：
简单晶胞计算公式
正交晶系
dhkl
1 h k l a b c
2 2 2
立方晶系
d hkl
d hkl
a h k l
2 2 2
六方晶系
1 4 h hk k l 2 3 a c
2 2 2 2
的一组晶向，用<uvw>表示。数字相同，但排列顺序不
同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。
eg： 立方晶系中
[111 ], [1 11], [1 1 1], [11 1][11 1], [1 11][1 1 1], [111 ] 八个晶向是立方体中
四个体对角线的方向，其原子排列完全相同，属同一晶向族，故用<111>表示。
六方晶系的晶向指数和晶面指
数同样可以应用上述方法标定，
这时取a1，a2，c为晶轴，而 a1轴与a2轴的夹角为120度，c 轴与a1，a2轴相垂直。但这种 方法标定的晶面指数和晶向指 数，不能显示六方晶系的对称 性，同类型 晶面和晶向，其指 数却不相雷同，往往看不出他 们的等同关系。
根据六方晶系的对称特点，对六 方晶系采用a1，a2，a3及c四个
§2.2.2 晶系和布拉菲点阵
1.七个晶系
2. 十四种布拉菲点阵 按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲 （A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通 常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。
第一章 晶体结构基础
第一章晶体结构基础1-1 NaCl晶体结构中的每个Na+离子周围与它最接近的且距离相等的Na+离子共有多少个？1-2 天然或绝大部分人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如，在某种NiO晶体中就存在如下图所示的缺陷：一个Ni+空缺，另有两个Ni2+被两个Ni3+所取代。
其结果晶体仍然呈电中性，但化合物中Ni∶O的个数比发生了变化。
某种NiO样品组O，试计算该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。
成为Ni0.971-3 Ni单晶属立方最紧密堆积结构，其晶胞的一面如下图所示：A：一个晶胞中有几个Ni原子？B：已知Ni原子的半径为125pm，其晶胞的边长是多少？1-4 铜单晶属立方最紧密堆积结构，其晶胞的边长为361pm。
计算Cu原子的半径及其密度（Cu的原子量为63.55）。
1-5金属铝属立方晶系，其边长为405pm。
假定它的密度是 2.70g/cm3，原子量为26.98，确定晶胞的类型（简单立方、体心立方或面心立方）。
1-6 某金属单质具有体心立方结构，晶胞的边长为286pm，密度是7.92g/cm3，计算该金属的原子量。
1-7 定义下述术语，并注意它们之间的联系和区别：晶系；点群；空间群；平移群；空间点阵1-8 四方晶系晶体a＝b，c＝1/2a。
一晶面在X、Y．Z轴上的截距分别为2a, 3b 和6c。
给出该晶面的密勒指数。
1-9 在立方晶系中画出下列晶面：a）（001）b）（110）c）（111）1-10 在上题所画的晶面上分别标明下列晶向：a(210) b(111) c(101)1-11 立方晶系组成{111}单形的各晶面构成一个八面体，请给出所有这些晶面的密勒指数。
1-12 a≠b≠c α=β=γ=90℃的晶体属什么晶系？a≠b≠c α≠β≠γ≠90℃的晶体属什么晶系？你能否据此确定这二种晶体的布拉维点阵？1 –11 图示单斜格子的(010)面上的结点排布。
试从中选出单位平行六面体中的a和c。
1 –12 为什么等轴晶系有原始、面心、体心而无底心格子？1 –13 为什么在单斜晶系的布拉维格子中有底心C格子而无底心B格子？1-14 试从立方面心格子中划分出一三方菱面体格子，并给出其晶格常数。
材料科学基础(第04章晶体结构)
点阵常数：晶胞的棱边长度，可以采用X射线衍射分析求得。 原子半径：假设原子为刚性球，两个最近邻原子之间的距离就是 原子的半径之和。 面心立方结构：点阵常数为a，且21/2a=4R 体心立方结构：点阵常数为a，且31/2a=4R 密排六方结构：点阵常数为a和c，（a2/3+c2/4）1/2=2R
化学亲和力（电负性）：化学亲和力越强，倾向于生成化合物而
不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定则溶解度越小。只有电 负性详尽的元素才可能具有大的溶解度。
原子价因素：当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属为
基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小。
2.3 合金相结构
2.3.1 固溶体 2. 间隙固溶体： ① ② 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙 固溶体。 影响间隙固溶度的因素
4.2 晶体学基础
4.2.1 空间点阵（ lattice）和晶胞（cell） 1. 为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将 实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其 中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为 阵点。 这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的 周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称 为空间点阵，简称点阵。 具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵 的组成单元，称为晶胞。同一空间点阵可因选取方式 不同而得到不相同的晶胞。
晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶 面。另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只 是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{h k l}表示， 它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。 正交点阵中一些晶面的面指数
4.2 晶体学基础
化学亲和力（电负性）：化学亲和力越强，倾向于生成化合物而
不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定则溶解度越小。只有电 负性详尽的元素才可能具有大的溶解度。
原子价因素：当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属为
基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小。
2.3 合金相结构
2.3.1 固溶体 2. 间隙固溶体： ① ② 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙 固溶体。 影响间隙固溶度的因素
4.2 晶体学基础
4.2.1 空间点阵（ lattice）和晶胞（cell） 1. 为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将 实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其 中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为 阵点。 这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的 周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称 为空间点阵，简称点阵。 具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵 的组成单元，称为晶胞。同一空间点阵可因选取方式 不同而得到不相同的晶胞。
晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶 面。另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只 是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{h k l}表示， 它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。 正交点阵中一些晶面的面指数
4.2 晶体学基础
第二章 晶体结构
晶胞
• 有实在的具体质点所 组成
平行六面体
• 由不具有任何物理、化学 特性的几何点构成。
是指能够充分反映整个晶体结构特征的最小结构单位， 其形状大小与对应的单位平行六面体完全一致，并可用 晶胞参数来表征，其数值等同于对应的单位平行六面体 参数。
晶胞棱边长度a、b、c，其单位为nm ,棱间夹角α、β、 γ。这六个参数叫做点阵常数或晶格常数。
面网密度：面网上单位面积内结点的数目； 面网间距：任意两个相邻面网的垂直距离。
相互平行的面网的面网密度
和面网间距相等； 面网密度大的面网其面网间 距越大。
空间格子―――连接分布在三维空间的结点构成空 间格子。由三个不共面的行列就决定一个空间格子。
空间格子由一系列 平行叠放的平行六 面体构成
2-1 结晶学基础
一、空间点阵
1.晶体的基本概念 人们对晶体的认识，是从石英开始的。 人们把外形上具有规则的几何多面体形态的 固体称为晶体。 1912年劳厄（德国的物理学家）第一次成功 获得晶体对X射线的衍射线的图案，才使研究 深入到晶体的内部结构，才从本质上认识了 晶体，证实了晶体内部质点空间是按一定方 式有规律地周期性排列的。
第二章 晶体结构
第二章 晶体结构
1
结晶学基础 晶体化学基本原理 非金属单质晶体结构
2
3 4 5
无机化合物晶体结构
硅酸盐晶体结构
重点：重点为结晶学指数，晶体中质点的堆 积，氯化钠型结构，闪锌矿型结构，萤石型 （反萤石型）结构，钙钛矿型结构，鲍林规 则，硅酸盐晶体结构分类方法。 难点：晶体中质点的堆积，典型的晶体结构 分析。
• 结点分布在平行六面
体的顶角； •平行六面体的三组棱长 就是相应三组行列的结 点间距。
晶体结构(共78张PPT)
多为无色透明，折 射率较高
山东大学材料科学基础
共价键结合，有方 向性和饱和性，键 能约80kJ/mol
Si,InSb, PbTe
金属键结合， 无方向性，配 位数高，键能 约80kJ/mol
Fe,Cu,W
范得华力结合 ，键能低， 约 8-40 kJ /mol
Ar,H2,CO2
熔点高
强度和硬度由中到 高，质地脆
闪锌矿〔立方ZnS〕结构 S
Zn
属于闪锌矿结构的晶体有β-SiC，GaAs，AlP，InSb
山东大学材料科学基础
•
•
•
•
萤石〔CaF2〕型结构
立方晶系Fm3m空间群，
a0=0.545nm， Z=4。 AB2型化合物， rc/ra>0.732〔0.975〕 配位数：8：4
Ca2+作立方紧密堆积，
F-填入全部四面体 空隙中。 注意：所有八面 体空隙都未被占据。
山东大学材料科学基础
钙钛矿〔CaTiO3〕结构
Ti
ABO3型
立方晶系：以
•
一个Ca2+和3个
O2-作面心立方
Ca
密堆积，
Ti4+占1/4八面体C空aT隙iO3。晶胞 配位多面体连接与Ca2+配位数
Ti4+配位数6，rc/ra=0.436(0.414-0.732)
Ca2+配位数12，rc/ra=0.96
O2-配位数6；
取决温度、组成、掺杂等条件，钙钛矿结构呈现立方、
四方、正交等结构形式。
山东大学材料科学基础
许多化学式为ABO3型的化合物，其中A与B两种阳 离子的半径相差颇大时常取钙钛矿型结构。在钙钛矿 结构中实际上并不存在一个密堆积的亚格子，该结构 可以看成是面心立方密堆积的衍生结构。较小的B离 子占据面心立方点阵的八面体格位，其最近邻仅是氧 离子。
山东大学材料科学基础
共价键结合，有方 向性和饱和性，键 能约80kJ/mol
Si,InSb, PbTe
金属键结合， 无方向性，配 位数高，键能 约80kJ/mol
Fe,Cu,W
范得华力结合 ，键能低， 约 8-40 kJ /mol
Ar,H2,CO2
熔点高
强度和硬度由中到 高，质地脆
闪锌矿〔立方ZnS〕结构 S
Zn
属于闪锌矿结构的晶体有β-SiC，GaAs，AlP，InSb
山东大学材料科学基础
•
•
•
•
萤石〔CaF2〕型结构
立方晶系Fm3m空间群，
a0=0.545nm， Z=4。 AB2型化合物， rc/ra>0.732〔0.975〕 配位数：8：4
Ca2+作立方紧密堆积，
F-填入全部四面体 空隙中。 注意：所有八面 体空隙都未被占据。
山东大学材料科学基础
钙钛矿〔CaTiO3〕结构
Ti
ABO3型
立方晶系：以
•
一个Ca2+和3个
O2-作面心立方
Ca
密堆积，
Ti4+占1/4八面体C空aT隙iO3。晶胞 配位多面体连接与Ca2+配位数
Ti4+配位数6，rc/ra=0.436(0.414-0.732)
Ca2+配位数12，rc/ra=0.96
O2-配位数6；
取决温度、组成、掺杂等条件，钙钛矿结构呈现立方、
四方、正交等结构形式。
山东大学材料科学基础
许多化学式为ABO3型的化合物，其中A与B两种阳 离子的半径相差颇大时常取钙钛矿型结构。在钙钛矿 结构中实际上并不存在一个密堆积的亚格子，该结构 可以看成是面心立方密堆积的衍生结构。较小的B离 子占据面心立方点阵的八面体格位，其最近邻仅是氧 离子。
材料科学基础第二章
y
[111]
x
[111]
例：画出晶向
[112 ]
2.立方晶系晶面指数
晶面指数的确定方法
（a)建立坐标系，结点为原点， 三棱为方向，点阵常数为单位 （原点在标定面以外，可以采 用平移法）； (b)晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3 ； (c)计算其倒数 b1 b2 b3 ； (d)化成最小、整数比h：k：l ； 放在圆方括号(hkl)，不加逗号， 负号记在上方 。
3.六方晶系晶面和晶向指数
三指数表示六方晶系晶面和晶向的缺点：晶体学上等价的 晶面和晶向不具有类似的指数。 例：
晶面指数
(11 0)
（100）
[010] [100]
从晶面指数上不能明确表示等同晶面，为了克服这一缺点， 采用a1、a2、a3及c四个晶轴， a1、a2、a3之间的夹角均 为120º ，晶面指数以（hkil）表示。 根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三 个可证明 ： i= - (h+k) 或 h+k+i=0
六方晶系
d hkl
h k l a b c
2 2 2
d hkl
a h2 k 2 l 2
1 l c
2
4 h 2 hk k 2 3 a2
注：以上公式是针对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞， 例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影 响，如体心立方、面心立方、上下底（001）之间还有 一层同类型晶面，实际
[1 00 ]
[0 1 0]
[010]
[1 00]
y
[100]
x
[00 1]
晶体结构基础知识
a ≠ b ≠ c ， = = = 90° 正交晶系 。 此外还有六方晶系，三方晶系，单斜晶系和三斜晶系。
由晶胞参数a，b， c，α，β，γ表 示， a，b，c 为 六面体边长， α， β，γ 分别是bc ca , ab 所形成的 三个夹角。
晶胞的两个要素：
(1)晶胞的大小与形状：
简单单斜
底心单斜
简单三斜
晶体分类
离子晶体： 原子晶体： 分子晶体： 金属晶体：
阴阳离子间通过离子键构成的晶体
原子间以共价键形成的空间网状结构的晶体
分子间以分子间作用力（范德华力）形成的晶体
金属阳离子和自由电子通过金属键形成的单质晶体
金属晶体中离子是以紧密堆积的形式存在的 。下面用等径刚性球模型来讨论堆积方式。
观察实心圆点 K，除了 立方体顶点的 8 个 K 外，体 心位置有 1 个 K 。所以称为体心立方晶胞。
再看金属钾的晶胞，右图 。必须说明的是，它属于立方晶系，但既不是 AB 型，也不属 于离子晶体。
立方晶系有 3 种类型晶胞 ： 面心立方、简单立方、体心立方 。
晶体结构基础知识
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单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点。
红宝石 ruby Al2O3-Cr
宏观晶体的形貌
立方 立方晶体的宏观形貌
晶体的宏观对称性分析
石英玻璃
非晶态又称玻璃态
天然石英玻璃矿物照片
晶体的原子呈周期性排列 非晶体的原子不呈周期性排列
1
在一个层中，最紧密的堆积方式，是一个球与周围 6 个球相切，在中心的周围形成 6 个凹位，将其算为第一层。
2
四、金属晶体
1
2
3
4
无机材料科学基础考研复习综述
第一章、晶体结构基础1、晶体的基本概念晶体的本质：质点在三维空间成周期性重复排列的固体，或者是具有格子构造的固体。
晶体的基本性质：结晶均一性、各向异性、自限性、对称性、最小内能性。
对称性：同一晶体中，晶体形态相同的几个部分（或物理性质相同的几个部分）有规律地重复出现。
空间格子的要素：结点—空间格子中的等同点。
行列—结点沿直线方向排列成为行列。
结点间距—相邻两结点之间的距离；同一行列或平行行列的结点间距相等。
面网—由结点在平面上分布构成，任意两个相交行列便可以构成一个面网。
平行六面体：结点在三维空间的分布构成空间格子，是空间格子的最小体积单位。
2、晶体结构的对称性决定宏观晶体外形的对称性。
3、对称型（点群）：一个晶体中全部宏观对称要素的集合。
宏观晶体中只存在32种对称型4、对应七大晶系可能存在的空间格子形式：14种布拉维格子三斜：简单；单斜：简单、底心；正交：简单、底心、体心、面心；三方：简单R四方：简单、体心；六方：简单；立方：简单、体心、面心；P(简单点阵） I(体心点阵) C(底心点阵) F(面心点阵)底心点阵：A（100） B (010) C(001) 面心立方晶系中对应的密排面分别为（111）;体心立方（110）;六方晶系（0001）低指数晶面间距较大，间距越大则该晶面原子排列越紧密。
高指数则相反5、整数定律：晶面在各晶轴上的截距系数之比为简单整数比。
6、宏观晶体中独立的宏观对称要素有八种：1 2 3 4 6 i m 4空间点阵：表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。
或是表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。
空间点阵有，结点、行列、面网、平行六面体空间点阵中的阵点，称为结点。
7、晶胞：能充分反映整个晶体结构特征最小结构单位。
晶胞参数：表征晶胞形状和大小的一组参数（a0、b0、c0，α、β、γ）与单位平行六面体相对应的部分晶体结构就称为晶胞。
因此，单位平行六面体的大小与形状与晶胞完全一样，点阵常数值也就是晶胞常数值。
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的晶胞参数 a。
五
晶体的 14 种点阵类型
氯化钠
氯化铯
金属钾
面心立方
简单立方
体心立方
总之，立方晶系有 3 种类型点阵
四方晶系有 2 种点阵类型 简单四方
体心四方
正交晶系有 4 种点阵类型 简单正交 体心正交 面心正交 底心正交
六方晶系有 1 种点阵类型 简单六方 三方晶系有 1 种点阵类型 简单三方
晶体
晶格
在正六面体的 8 个顶点上各有
个阵点。 晶胞由 1 个结构基元构成。
1 8
CsCl 的点阵类型为简单立方。 简单立方也称为立方素格。
如图是 ZnS 的一个 晶胞
共4个 顶点
面中心
1 8 1 2
8 = 1
6 = 3 共4个
组成有代表性
对称性亦有代表性。 配位数为 4。
结构基元为
金刚石的晶体结构
什么是其结构基元？
结构基元为 一
一
两个碳原子
组成有代表性 对称性有代表性 体积最小、直角最多的平行六面体 金刚石的面心立方晶胞
ZnS
金刚石
两者均为面心立方点阵类型
确定结构基元，确定晶胞是实际 工作中极其复杂的一步。 因为结构基元可能包含数十个， 甚至上百个原子。
现在可以使用高级的Ｘ射线单晶衍
r+ 若 r+ 再增大，当 r > 1.000 －
时，可以有 12 配位。
r+ 若 r+ 变小，当 r < 0.414 时， －
则出现下面右图所示的情况。
+
－
+
+
+ + +
+
－
+
－
+
－
+
即出现负离子相切，负离子
正离子相离的不稳定状态。这时
配位数将变成 4 。
+
+ + +
+
r+ r+ 再减小， r < 0.225 时， －
360° 图形复原一次，或者说旋转 n
360°图形将复原 n 次 我们说是该对称轴是该图形的
n 重对称轴，或 n 重轴。
思考题
正方形的 4 重轴有几条？
有没有 2 重轴？
有几种 2 重轴？ 每种各有几条？
反映和对称面 正六面体中
通过一组（4条）
互相平行的棱的
中点的平面
正六面体的各部分凭借这个平面
射仪测定并绘制出结构基元和晶胞。
使用单晶衍射仪测定结构，要合成 出大单晶 —— 40 m 左右。
金 属 钾 的 点 阵 晶胞由 2 个结构基元构成。 在正六面体的 8 个顶点上各有
1 8
个
阵点，在体心位置有 1 个阵点。
所以称为体心立方晶胞
c
a
b
晶胞平行六面体中，始于同一顶
点的三个边，称为三个晶轴，三个晶
r+ + r－ = 2 r－
A
D
C
B
r+ + r－ = 2 r－
r+ = （ 2 － 1 ） r －
r+ r－ = 0.414
如果 r+ 再大些，将成为 6 配位
稳定结构，见下面右图。
+
－
+
+
+
－
+
+
－
+
－
+
－
+
－
+
－
－
结论 为 6。
r+ > 0.414 时，配位数 r－
从八配位的介稳状态出发，探 讨半径比与配位数之间的关系。
本文档相关内容参见 视频 5、6
晶体结构基础
吉林大学化学学院 宋天佑
一
对称性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
认为一个几何图形有对称性，
是指这个图形凭借某个几何元素进 行某种操作之后能恢复原状。
如，等腰三角形绕着底边上的 高旋转 180°后，图形复原。
我们说等腰三角形有对称性。
凭借底边上的高所进行的操作 称为对称操作 —— 旋转。
两个粒子 晶体的点阵
相同种类、但不同化学环境的粒
子必须全部出现在结构基元中
两种不同的晶体 可能具有同一点阵
点阵更具有代表性
氯 化 钠 晶 体 结构基元为 一 一 两个离子
下图所示的 NaCl 正六面体晶体中
结构基元数分别为
1 — 个 2
4个
氯 化 钠 晶 体 确切地说，右图中将点阵划分成
晶 体 的 点 阵
则形成 3 配位。 总之，配位数与 r +/ r－ 之比相关： 0.225 ~ 0.414 0.414 ~ 0.732 0.732 ~ 1.000 4 配位 ZnS 式晶体结构 6 配位 NaCl 式晶体结构 8 配位 CsCl 式晶体结构
是什么？
晶胞的空间结构特点要通过其 空间点阵加以讨论。
在正六面体的 8 个顶点上各有 阵点，在 6 个面的中心各有
1 2
1 8
个
个阵点。
晶胞由 4 个结构基元构成。
NaCl 的点阵类型为 面心立方
如图是 CsCl 的一个 晶胞
组成有代表性
1 8
8=1
11=1
对称性亦有代表性。 配位数为 8。
离子相切，这是稳定状态。
+
－
+
+
－
+
－
+
－
各种离子离开平衡位置后会
自动恢复，结构不会发生变化。
白球受到外力离开平衡位置时
能量升高，可以自动恢复到原来的
平衡状态。 属于稳定平衡。
+
－
+
+
－
+
－
+
－
（c）同号负离子相切，异号离子
相切，其稳定性介于（a）和（b）之 间，属于介稳状态。
只有介稳状态，存在半径之间的 数量关系。
单斜晶系有 2 种点阵类型
简单单斜 底心单斜
三斜晶系有 1 种点阵类型
简单三斜
总之，立方晶系有 3 种点阵类型 四方晶系有 2 种点阵类型 正交晶系有 4 种点阵类型 六方晶系有 1 种点阵类型 三方晶系有 1 种点阵类型 单斜晶系有 2 种点阵类型 三斜晶系有 1 种点阵类型 共有 14 种点阵类型
八配位的介稳状态的对角面图中
ABCD 是矩形。
C D B D C
A
A
B
D
C D
C
A
B
A
B
AC = 2（r+ + r－） AD = 2 r－
AC = 3 AD
2 （ r+ + r－ ） = 3 （ 2 r－ ）
D
C
A
B
2 （ r+ + r－ ） = 3 （ 2 r－ ）
r+ + r－ = 3 r－
o
上述操作称为反演，反演操作
所凭借的 O 点称为对称中心。
思考题
下列几何图形哪些有对称中心？ 平行四边形 正三角形 五角星形 正八面体
正四面体
正三棱柱
思考题 一个有限的几何图形只能
有一个对称中心吗？
找出正六面体的所有对称
元素，并与正八面体相比较。
二
晶体和点阵
晶体是由原子、分子或离子在 空间按一定规律周期性重复排列构 成的固体物质。
讨论 NaCl 的晶胞 甲和乙哪一个
是 NaCl 的晶胞 ？
甲
乙
甲
1 8
4=
1 2
1 8
4=
1 2
1： 1
组成有代表性
乙
共4个
顶点
1 8
8 = 1
面中心
1 2
6 = 3
乙
共4个
棱上
1 4
12 = 3
体中心 1
共4个
共4个
Cl－ 和 Na+ 的个数比为 1：1， 组成有代表性。
自然界中千差万别、为数众多的
晶体，共有 14 种点阵类型。 只要确定了结构基元，将其放置
在阵点上，就解决了晶体结构问题。
六
离子晶体配位数与 r+ / r－ 的关系
NaCl 六配位，CsCl 八配位，
ZnS 四配位。 均为立方晶系、正负离子 1：1 晶体，为什么配位数不同 ?
配位数的不同，是由于几种 离子晶体中，正负离子的半径之 比不同造成的。
得到的空间的一组点，可以很好地体现
晶体的排列规律。 将这一组点，称为晶体的点阵。
将点阵的每一个点称为阵点。
左图是晶体
右图是晶体的点阵
左图是晶体
右图是晶体的点阵
在晶体点阵的每个阵点上按 同一种方式放置结构基元，则得 到晶体。 晶体 ＝ 点阵 ＋ 结构基元
结构基元为
一
一
两个粒子
晶体的点阵
结构基元为
一
一
两个离子
结构基元可以看成由 与其左上
方的 组成。
由
位置的点，代表结构基元得到点阵。
在正六面体的 8 个顶点上各有 阵点，在 6 个面的中心各有
1 2
1 8
个
个阵点。
晶胞由 4 个结构基元构成。
ZnS 的点阵类型为面心立方
判断晶胞类型要观察点阵中阵点 的分布情况。
如果面对晶胞进行判断，则要认清 阵点。非阵点处的粒子不要再考虑。
称为七大晶系，见下表。
晶系名称
晶胞参数
1 立方晶系 2 四方晶系
五
晶体的 14 种点阵类型
氯化钠
氯化铯
金属钾
面心立方
简单立方
体心立方
总之，立方晶系有 3 种类型点阵
四方晶系有 2 种点阵类型 简单四方
体心四方
正交晶系有 4 种点阵类型 简单正交 体心正交 面心正交 底心正交
六方晶系有 1 种点阵类型 简单六方 三方晶系有 1 种点阵类型 简单三方
晶体
晶格
在正六面体的 8 个顶点上各有
个阵点。 晶胞由 1 个结构基元构成。
1 8
CsCl 的点阵类型为简单立方。 简单立方也称为立方素格。
如图是 ZnS 的一个 晶胞
共4个 顶点
面中心
1 8 1 2
8 = 1
6 = 3 共4个
组成有代表性
对称性亦有代表性。 配位数为 4。
结构基元为
金刚石的晶体结构
什么是其结构基元？
结构基元为 一
一
两个碳原子
组成有代表性 对称性有代表性 体积最小、直角最多的平行六面体 金刚石的面心立方晶胞
ZnS
金刚石
两者均为面心立方点阵类型
确定结构基元，确定晶胞是实际 工作中极其复杂的一步。 因为结构基元可能包含数十个， 甚至上百个原子。
现在可以使用高级的Ｘ射线单晶衍
r+ 若 r+ 再增大，当 r > 1.000 －
时，可以有 12 配位。
r+ 若 r+ 变小，当 r < 0.414 时， －
则出现下面右图所示的情况。
+
－
+
+
+ + +
+
－
+
－
+
－
+
即出现负离子相切，负离子
正离子相离的不稳定状态。这时
配位数将变成 4 。
+
+ + +
+
r+ r+ 再减小， r < 0.225 时， －
360° 图形复原一次，或者说旋转 n
360°图形将复原 n 次 我们说是该对称轴是该图形的
n 重对称轴，或 n 重轴。
思考题
正方形的 4 重轴有几条？
有没有 2 重轴？
有几种 2 重轴？ 每种各有几条？
反映和对称面 正六面体中
通过一组（4条）
互相平行的棱的
中点的平面
正六面体的各部分凭借这个平面
射仪测定并绘制出结构基元和晶胞。
使用单晶衍射仪测定结构，要合成 出大单晶 —— 40 m 左右。
金 属 钾 的 点 阵 晶胞由 2 个结构基元构成。 在正六面体的 8 个顶点上各有
1 8
个
阵点，在体心位置有 1 个阵点。
所以称为体心立方晶胞
c
a
b
晶胞平行六面体中，始于同一顶
点的三个边，称为三个晶轴，三个晶
r+ + r－ = 2 r－
A
D
C
B
r+ + r－ = 2 r－
r+ = （ 2 － 1 ） r －
r+ r－ = 0.414
如果 r+ 再大些，将成为 6 配位
稳定结构，见下面右图。
+
－
+
+
+
－
+
+
－
+
－
+
－
+
－
+
－
－
结论 为 6。
r+ > 0.414 时，配位数 r－
从八配位的介稳状态出发，探 讨半径比与配位数之间的关系。
本文档相关内容参见 视频 5、6
晶体结构基础
吉林大学化学学院 宋天佑
一
对称性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
认为一个几何图形有对称性，
是指这个图形凭借某个几何元素进 行某种操作之后能恢复原状。
如，等腰三角形绕着底边上的 高旋转 180°后，图形复原。
我们说等腰三角形有对称性。
凭借底边上的高所进行的操作 称为对称操作 —— 旋转。
两个粒子 晶体的点阵
相同种类、但不同化学环境的粒
子必须全部出现在结构基元中
两种不同的晶体 可能具有同一点阵
点阵更具有代表性
氯 化 钠 晶 体 结构基元为 一 一 两个离子
下图所示的 NaCl 正六面体晶体中
结构基元数分别为
1 — 个 2
4个
氯 化 钠 晶 体 确切地说，右图中将点阵划分成
晶 体 的 点 阵
则形成 3 配位。 总之，配位数与 r +/ r－ 之比相关： 0.225 ~ 0.414 0.414 ~ 0.732 0.732 ~ 1.000 4 配位 ZnS 式晶体结构 6 配位 NaCl 式晶体结构 8 配位 CsCl 式晶体结构
是什么？
晶胞的空间结构特点要通过其 空间点阵加以讨论。
在正六面体的 8 个顶点上各有 阵点，在 6 个面的中心各有
1 2
1 8
个
个阵点。
晶胞由 4 个结构基元构成。
NaCl 的点阵类型为 面心立方
如图是 CsCl 的一个 晶胞
组成有代表性
1 8
8=1
11=1
对称性亦有代表性。 配位数为 8。
离子相切，这是稳定状态。
+
－
+
+
－
+
－
+
－
各种离子离开平衡位置后会
自动恢复，结构不会发生变化。
白球受到外力离开平衡位置时
能量升高，可以自动恢复到原来的
平衡状态。 属于稳定平衡。
+
－
+
+
－
+
－
+
－
（c）同号负离子相切，异号离子
相切，其稳定性介于（a）和（b）之 间，属于介稳状态。
只有介稳状态，存在半径之间的 数量关系。
单斜晶系有 2 种点阵类型
简单单斜 底心单斜
三斜晶系有 1 种点阵类型
简单三斜
总之，立方晶系有 3 种点阵类型 四方晶系有 2 种点阵类型 正交晶系有 4 种点阵类型 六方晶系有 1 种点阵类型 三方晶系有 1 种点阵类型 单斜晶系有 2 种点阵类型 三斜晶系有 1 种点阵类型 共有 14 种点阵类型
八配位的介稳状态的对角面图中
ABCD 是矩形。
C D B D C
A
A
B
D
C D
C
A
B
A
B
AC = 2（r+ + r－） AD = 2 r－
AC = 3 AD
2 （ r+ + r－ ） = 3 （ 2 r－ ）
D
C
A
B
2 （ r+ + r－ ） = 3 （ 2 r－ ）
r+ + r－ = 3 r－
o
上述操作称为反演，反演操作
所凭借的 O 点称为对称中心。
思考题
下列几何图形哪些有对称中心？ 平行四边形 正三角形 五角星形 正八面体
正四面体
正三棱柱
思考题 一个有限的几何图形只能
有一个对称中心吗？
找出正六面体的所有对称
元素，并与正八面体相比较。
二
晶体和点阵
晶体是由原子、分子或离子在 空间按一定规律周期性重复排列构 成的固体物质。
讨论 NaCl 的晶胞 甲和乙哪一个
是 NaCl 的晶胞 ？
甲
乙
甲
1 8
4=
1 2
1 8
4=
1 2
1： 1
组成有代表性
乙
共4个
顶点
1 8
8 = 1
面中心
1 2
6 = 3
乙
共4个
棱上
1 4
12 = 3
体中心 1
共4个
共4个
Cl－ 和 Na+ 的个数比为 1：1， 组成有代表性。
自然界中千差万别、为数众多的
晶体，共有 14 种点阵类型。 只要确定了结构基元，将其放置
在阵点上，就解决了晶体结构问题。
六
离子晶体配位数与 r+ / r－ 的关系
NaCl 六配位，CsCl 八配位，
ZnS 四配位。 均为立方晶系、正负离子 1：1 晶体，为什么配位数不同 ?
配位数的不同，是由于几种 离子晶体中，正负离子的半径之 比不同造成的。
得到的空间的一组点，可以很好地体现
晶体的排列规律。 将这一组点，称为晶体的点阵。
将点阵的每一个点称为阵点。
左图是晶体
右图是晶体的点阵
左图是晶体
右图是晶体的点阵
在晶体点阵的每个阵点上按 同一种方式放置结构基元，则得 到晶体。 晶体 ＝ 点阵 ＋ 结构基元
结构基元为
一
一
两个粒子
晶体的点阵
结构基元为
一
一
两个离子
结构基元可以看成由 与其左上
方的 组成。
由
位置的点，代表结构基元得到点阵。
在正六面体的 8 个顶点上各有 阵点，在 6 个面的中心各有
1 2
1 8
个
个阵点。
晶胞由 4 个结构基元构成。
ZnS 的点阵类型为面心立方
判断晶胞类型要观察点阵中阵点 的分布情况。
如果面对晶胞进行判断，则要认清 阵点。非阵点处的粒子不要再考虑。
称为七大晶系，见下表。
晶系名称
晶胞参数
1 立方晶系 2 四方晶系