无机材料的晶体结构资料讲解
无机化学课件：晶体结构
12????
74
六方密堆积（hcp） 六方 AB.AB （多）
12
74
一、金属晶体
（一）堆积方式 简单立方堆积： A.A 体心立方堆积: AB.AB (正方形) 面心立方密堆积: ABC.ABC 六方密堆积： AB.AB A层六角形， B层三角形， 不同于体心立方堆积中的正方形。
=
（三）金属晶体特点
多数采面心立方或六方密堆积，配位
数高（12）、熔、沸点高。 少数例外：Na、K、Hg。
金属键
金属晶体中原子之间的化学作用叫做金属 键。离域化学键 1 原子化热与金属键 可以用原子化热来衡量金属键的强弱。原 子化热是指1mol金属完全气化成互相远离的 气态原子吸收的能量。 金属 钠 铯 铜 锌
水果排列AB-AB
（二）空间利用率计算 例1：求面心立方晶胞的空间利用率
解：晶胞边长为d，原子半径 为r. 据勾股定理： d 2 + d 2 = (4r)2 d = 2.83 r 每个面心立方晶胞含原子数目： 8 1/8 + 6 ½ = 4
8个顶点各1个原子，为8个晶胞 共享； 6个面心，各1个原子，为2个晶 胞共享. % = (4 4/3 r 3) / d 3 = (4 4/3 r 3) / (2.83 r ) 3 100 = 74
(三)半径比规则说明：
1.―半径比规则”把离子视为刚性球，适用于离子性很强 的化合物，如NaCl、CsCl等。否则，误差大。 例：AgI(c) r + / r - = 0.583. 按半径比规则预言为NaCl型，实际为立方ZnS型。 原因：Ag+与I-强烈互相极化，键共价性↑，晶型转为立方 ZnS（C.N.变小，为4：4，而不是NaCl中的6：6） 2.经验规则，例外不少。 例：RbCl(c)， r / r 147pm / 184pm 0.80 0.732 预言CsCl型，实为NaCl型。
无机材料的结构与性能
无机材料的结构与性能无机材料是一类重要的材料，广泛应用于工业、建筑、能源、电子等领域。
了解无机材料的结构与性能对于材料设计和应用具有重要意义。
本文将从晶体结构、多孔结构和材料性能等方面介绍无机材料的结构与性能。
一、晶体结构无机材料的晶体结构对其性质具有决定性影响。
晶体是由原子、分子或离子按照一定的空间排列规律组成的固体。
无机材料的晶体结构通常可以分为立方晶系、四方晶系、六方晶系等几种基本结构类型。
以立方晶系为例，典型的结构有面心立方（FCC）和体心立方（BCC）两种。
在面心立方结构中，原子分别位于各个面的中心和8个角上；而在体心立方结构中，除了在各个面的中心外，还有一个原子位于立方体的中心位置。
二、多孔结构无机材料的多孔结构是指材料内部存在大量孔洞或微孔的结构。
多孔结构可以提供更大的比表面积和更多的活性位点，因此对于催化剂、吸附剂和电池材料等具有重要意义。
常见的无机多孔材料包括金属有机骨架材料（MOFs）和介孔材料。
金属有机骨架材料是一种由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成的多孔晶体材料，具有可调节的孔径和孔隙结构。
介孔材料则是一种具有孔径在2至50纳米之间的材料，其中最典型的是介孔二氧化硅材料。
三、材料性能无机材料的性能可以分为物理性能、化学性能和力学性能等几个方面。
物理性能包括材料的电导性、热导性和光学性质等；化学性能涉及材料的化学活性和稳定性；力学性能关注材料的硬度、强度和耐磨性等。
以一些常见的无机材料为例，二氧化硅是一种具有高温稳定性和优良的绝缘性能的材料，广泛应用于电子器件的制备；氮化硼具有高硬度和耐磨性，被用作切削工具的材料；氧化铝是一种良好的绝缘体，广泛应用于电气绝缘和陶瓷工业。
四、材料设计与应用了解无机材料的结构与性能对于材料设计和应用具有指导意义。
通过调控材料的结构可以实现对其性能的调节。
例如，通过在金属有机骨架材料中引入不同的配体，可以调节其孔隙大小和化学环境，从而用于催化剂的设计；通过控制氮化硼的晶体结构，可以实现对其力学性能的调节，开发出更高性能的切削工具。
无机非金属材料中的简单晶体结构
无机非金属材料中的简单晶体结构下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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无机材料化学03-无机材料的晶体结构
第三章 无机材料的晶体结构1. 研究材料结构的意义 2. 晶体结构的基本知识 3. 晶体结构的表示 4. 晶体结构的确定 5. 无机材料的结构 6. 影响材料结构的因素2 研究材料结构的意义¾ 研究材料的结构是了解材料性质的基础 ¾ 建立结构与性能之间的关系为新材料的 设计奠定基础NaCl结构Na-Al2O3结构La2CuO4结构3 晶体结构的基本知识¾ 晶胞晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。
晶胞并 置起来，则得到晶体。
NaCl的晶胞CsCl的晶胞4晶胞的代表性体现在以下两个方面： 一是代表晶体的化学组成；二是代表晶 体的对称性，即与晶体具有相同的对称 元素（对称轴，对称面和对称中心）。
晶胞是具有上述代表性的体积最 小、直角最多的平行六面体。
ZnS的晶胞 取晶胞的条件：可以表现出晶体结构全部对称性的最小单位。
5晶胞参数：晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此 即晶格特征参数，简称晶胞参数。
它们是3条棱边的长度 a、b、c和3条棱边的夹角α、β、γ。
根据晶胞参数取值不同， 可将晶体分为立方、四方、 正交、三方、六方、单斜 和三斜七种晶系。
6¾ 7 个晶系晶系 高级 中级 立方 六方 四方 三方 正交 低级 单斜 三斜 对称元素 四个沿体对角线的三重轴 六重对称轴 四重对称轴 三重对称轴 垂直的两个镜面或三个二重轴 两重对称轴或对称面 无 晶胞类型 a=b=c, α=β=γ=90° a=b≠c, α=β=90°, γ=120° a=b≠c, α=β=γ=90° a=b≠c, α=β=90°, γ=120° a=b=c,α=β=γ≠90° a≠b≠c,α=β=γ=90° a≠b≠c,α=β=90°≠γ a≠b≠c,α≠β≠γ≠90°7 个晶系的对称元素和晶胞类型7边长: a=b=c 夹角: α=β=γ=900 实例: Cu, NaCl立方四个沿体对角线的三重轴8边长: a=b≠c 夹角: α=β=900, γ=1200 实例: Mg, AgI六方六重对称轴9边长: a=b≠c 夹角: α=β=γ=900 实例: Sn, SnO2四方四重对称轴10边长: a=b=c 夹角: α=β=γ≠ 90°或者 边长: a=b≠c 夹角: α=β=90 °, γ=120 ° 实例: Al2O3, Bi三方三重对称轴11三方格子有两种取法aH aR cHa c aR = + 3 9 α aH sin = 2 aR2 H2 H12边长: a≠b≠c 夹角: α=β=γ=900 实例: I2, HgCl2正交垂直的两个镜面或三个二重轴13边长: a≠b≠c 夹角: α=γ=900, β≠900 实例: S, KClO3单斜两重对称轴或对称面14边长: a≠b≠c 夹角: α≠β≠γ≠900 实例: CuSO4.5H2O三斜无对称元素15¾ 14种Braviais（布拉维）格子立 方 晶 系 四 方 晶 系 正 交 晶 系 六 方 晶 系 三 方 晶 系 三 斜 晶 系简单立方-P体心立方-I 单 斜 晶 系面心立方-F六方-P简单四方-P体心四方-I简单单斜-P 底心单斜-C三方-R简单正交-P 底心正交-C体心正交-I面心正交-F三斜-P16P-不带心，R-斜方，I-体心，H-六方，C-底心，F-面心立方P立方I立方F四方P四方I单斜P单斜C17P-不带心，R-斜方，I-体心，H-六方，C-底心，F-面心三斜P三方R六方P正交P正交C正交I正交F1819¾ 32个晶体学点群 (宏观点群)晶系 立方 Cubic 六方 Hexagonal 四方 TetragonalOh / Th / m3 D6 / 622 D4 / 422m3m熊夫利符号 / 国际符号 Td / 43m T / 23 C6h / 6/m C4h / 4/m O / 432D6h / 6/mmm D3h / 62 m C6v / 6mm C6 / 6 C3h / 6 S4 / 420D4h / 4/mmm D2d / 42m C4v / 4mm C4 / 4C i /C 1/ 1三斜TriclinicC 2h /2/m C s /m C 2/ 2D 2h /mmmC 2V / mm 2D 2 /222D 3d /2/mC 3V / mD /32C 3i /C 3/3熊夫利符号/国际符号单斜Monoclinic 正交Orthorhombic 三方Trigonal晶系13国际符号中三个位置所代表的方向a+b 2a+b a+b ----c ----a+b+c a a a-b a b ----a c c a+b+c c a b --立方晶系六方晶系四方晶系三方晶系(R)三方晶系(H)正交晶系单斜晶系三斜晶系321三个位置表示的方向晶系24a bacc b等效点系各种符号的含义：旋转轴，螺旋轴反演中心镜面a 滑移面n 滑移面各对称操作的位置27产生等效点的对称操作2930(space group) P (No. 221)晶体学表示32SrTiO 3结构(Perovskite, 钙钛矿结构)TiO 6八面体连接Ba, O密置层结构BaTiO334•晶体结构的确定¾方法：X 射线衍射，中子衍射，电子衍射。
无机材料科学基础 第二章 晶体结构
(Fe,Mg)2SiO4
Tetrahedron facing up
Ca2MgSi2O7
岛状硅氧骨干
环状骨干
三元环
四元环
六元环
链状骨干
单链
双链
层状结构
Al2[Si4O10]（OH）2
Al4[Si4O10]（OH）8
架状结构
[SiO2]n
K[AlSi3O8]
石英架状
长石架状硅氧骨干
(Fe,Mg)2SiO4
第二章 晶体结构
第一章内容回顾：晶体外形的几何特征—对称性；晶体 内部质点规则排列的物理原因。 X射线衍射的应用：1912年 可以直接测量晶体内部 结与利用其他方法所测得的性能 结合使研究晶体结构与性能之间 相互关系成为可能。 第二章内容： 介绍常见的晶体结构，初步揭 示结构与性能的基本关系。
描述晶体结构的三种方法：
一、金刚石结构
典型结构类型
晶体结构为立方晶系 Fd3m， a0= 0.356nm
7 75 0 25
25
75
晶胞图
（001）面投影图
多面体图
每个碳周围都有4个碳，碳原子之间形成共价键。
金刚石结构与性能间关系
C原子以sp3杂化共价键结合 具有很高的硬度 具有半导体性 具有高的热导率
共价键结合（结构） C原子很轻 （组成）
如何写出质点在晶胞中的坐标
先在直角坐标系中投影
根据三个投影写出坐标 检查坐标与投影之间的一直形成[ZnS₄] 四面体。S2-的配位数也是4。
结构中 S2- 作六方密堆积， Zn2+填入1/2的四面空隙中。
Zn
2/3
S
结构中Z=2
1/3
六方ZnS（纤锌矿）型结构
无机材料科学基础-第2章-2.4_2.6 常见的晶体结构
4 4(
3
2 a)3 4
0.74
V
a3
14
体心立方配位数为8
K
nv V
2
4(
3 a3
3 4
a)3
0.68
15
密排六方配位数为12
K
nv
4
4 (a)3
32
0.74
V
3 2a3
16
小结：
体心立方 面心立方 密排六方
原子半径 原子数
r 3a 2 4
r 2a
4
4
体心立方（body-centered cubic，bcc）
n 81 1 2 8
体心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
7
密排六方（hexagonal close-packed，hcp）n 12 1 2 1 3 6
62
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
r 1a
6
2
配位数 致密度
8
0.68
12
0.74
12
0.74
17
பைடு நூலகம்
思考题
试计算体心立方铁(α-Fe)受热而变为面心立方铁(γ-Fe)时出现的 体积变化。在转变温度下,体心立方铁的点阵参数是2.863Å， 而面心立方铁的点阵参数是3.591Å。
3.5913 2 2.8633 V % 2 2.8633 100% 1.34%
配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。 配位数（coordination number，CN）：晶体结构中任一 原子周围最近且等距离的原子数。 致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，
无机晶体的结构分析
无机晶体的结构分析无机晶体的结构分析一直是固体化学研究的重要内容之一。
通过对无机晶体结构的研究，我们可以深入了解晶体的形成、性质和应用。
在固体化学领域，无机晶体的结构分析是一个庞大而复杂的课题，需要运用多种实验方法和理论模型来解决。
首先，我们来探讨无机晶体结构分析的基本原理。
无机晶体是由阵列有序的离子、原子或分子组成的晶体，其结构具有周期性和规律性。
通过X射线衍射技术，可以获得晶体的结构信息，从而揭示晶体中原子或离子的排列方式。
X射线衍射技术利用X射线与晶格中的离子或原子相互作用的原理，通过测量衍射光的强度和角度，来确定晶体的晶胞参数和原子位置。
这为我们提供了无机晶体结构研究的重要手段。
在实际的无机晶体结构分析中，除了X射线衍射技术，还可以运用电子衍射、核磁共振、透射电子显微镜等多种实验手段。
这些实验技术的综合应用，可以更全面、准确地揭示晶体的结构细节。
同时，理论模型的构建和计算模拟也是无机晶体结构分析的重要方法。
通过从头计算和分子动力学模拟，可以预测无机晶体的结构和性质，为实验结果提供理论依据。
在无机晶体结构分析的过程中，晶体学家们面临着各种挑战和困难。
例如，有些无机物质的晶体结构较为复杂，需要耗费大量时间和精力来解析。
而且，在实验中可能遇到晶体生长不完整、晶体质量较差等问题，影响结构分析的准确性。
此外，晶体结构的文件存储和共享也是一个重要议题，如何管理和利用已有的晶体结构数据，对于推动无机晶体结构研究的进展至关重要。
总的来说，无机晶体的结构分析是一个综合性、前沿性的研究领域。
通过深入探讨无机晶体的结构特征和性质，我们可以为材料科学、化学工程和能源领域等提供重要的科学依据。
随着技术的不断进步和理论的不断完善，相信无机晶体结构分析将会迎来更多的突破和发展，为人类社会的发展做出更大的贡献。
无机物的晶体结构分析方法综述
无机物的晶体结构分析方法综述晶体结构是材料科学的重要研究内容之一，其研究工作日益重要。
而晶体结构分析是确定化合物晶体结构的主要方法。
在化学和物理学领域中，研究和解析晶体结构一直是研究者对化合物特性和性质的理解的基础。
无机物的晶体结构分析方法多样，我们将在本文中对其中常用的三种方法进行综述。
一、衍射方法晶体衍射是一种利用晶体衍射样品中原子散射波的方法，用于分析物质的晶体结构。
由于晶体具有规则的排列方式和重复单位，当X射线、中子或电子，经过晶体后，就会形成衍射。
不同晶体的衍射图案是唯一的，这意味着一个给定的晶体可以通过衍射图案来确定其晶体结构。
衍射方法最大的优点是精度高，能够解析出细微的晶体结构细节。
不过，使用衍射方法要求样品必须为单晶体，这也是衍射方法最大的限制。
二、粉末衍射方法粉晶衍射是无机物结构分析中常用的方法之一。
和衍射方法相比，这种方法可以处理不规则的晶体、非晶态样品，大大地扩宽了晶体结构分析的范围。
要想粉晶衍射有效，需要将样品研磨成颗粒状态，然后将粉末按一定方式均匀地分布在玻璃纤维上形成薄层（致密粉垫）。
最后，样品直接暴露在X或者中子射线下，记录出X或中子衍射的图样。
粉晶衍射方法的优点是可以处理非晶态、多晶态的材料，并且可以同时进行测量和分析。
三、核磁共振核磁共振是分子结构分析中极为常见的技术。
该领域大量应用于化学、物理和生物化学等区域，其分析精度甚至能够达到与X 射线衍射相媲美的水平。
核磁共振的工作原理是利用氢原子的磁性对其进行分析。
简单的说，核磁共振是通过氢原子中的质子的磁性来分析该物质的晶体结构和化学环境。
通过测量样品分子中的质子排布及磁性，然后通过计算机程序来还原分子的结构，从而得到样品的爱因斯坦晶体结构图。
总结综上所述，无机物结构分析方法多种多样，每一种方法都有各自的优缺点。
有弊就有利，不同的分析方法会有针对不同的分析需求。
因此，在选择分析方法时，需要根据不同的情况来确定最合适的分析方法。
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7种晶系共有14 种空间点阵型式，图 3.2如左。
3.2 确定晶体结构的方法
晶体结构的基本要素是点阵和基本结构单元。目前， 确定晶体结构主要利用衍射方法，包括X射线衍射、中子 衍射和电子衍射。
不对称单位中的结构基元与点阵点包含的基本结构单元 不同。点阵点代表的体积可以用VA=Vuc/n表示，因此，点阵 点的基本结构单元可能包含一定数目的不对称结构基元。
在实际工作中，常用不对称单元的结构基元描述晶体结 构的基本特征。
• 国际空间群表列出了空间群中的对称操作集合（ sysmmetry operations）。Fm-3m空间群共有192种对称 操作，利用这些对称操作可以产生空间群的等效点系。
划分空间点阵单胞的平行六面体可以有任意种方式 ，根据约定，单胞所具有的对称性应该与晶格点阵的对称 性一致，同时要求单胞体积应尽可能小。
以NaCl 晶体为例，来说明晶胞选取的基本原则。 NaCl具有面心立方结构，在立方单胞中有4个Na原子和4个 Cl原子。如图3.1 a给出了一个单胞的结构。沿3个相互垂 直的基轴分别进行平移操作，可以在三维空间中得到整个 面心立方结构。
Fm-3m表示这是一个面心格子，属于立方晶系，在c方向 上分别有四重轴和镜面。在a+b+c方向上有三重反轴，在a+b方 向上存在有二重轴和镜面等。
国际表还标明了Shönflies（熊夫利）符号（O5h）、所属 点群（m-3m）、晶系（cubic）、空间群序号（No.225）和 Patterson符号（Fm-3m）。
• 等效点系是空间群的对称操作作用于空间某一点（或坐 标）而产生的一组对称性关联的空间点（或坐标）。对 称操作可以用矩阵表示。
例如，Fm-3m空间群共有192个对称操作，一般等效 点位置的多重度是192。如果选取的初始点位于某种对称 元素上，那么这种对称操作作用在这一点时，只能重复自 身，并不能产生新的等效点。
表3.2C 晶体学国际表中的空间 群Fm-3m
• Fm-3m空间群有12组等效点系，等效点系(上表3.2C)的第 一列数目表示等点效点系的多重度。一般等效点的多重度 等于空间群对称操作数目。特殊等效点的多重度等于空间 群对称操作数目除以通过该点的对称操作的阶的乘积。
• 第二列的字母是等效点系的符号，按对称性从高到低的顺 序排列。
本章重点是分析一些典型的结构类型。
满足平移对称操作的结晶学点群只有32种。从32种 点群所包含的对称操作类型出发，可以进一步把晶体分成 7个晶系。
人们将立方晶系称作高级晶系，六方、四方和三方 晶系称作中级晶系，而把正交、单斜和三斜晶系称作低级 晶系。
表3.1 7个晶系的特征对称元素和晶胞类型
在晶体中，原子或分子按一定周期排列。晶体的这 种周期特征可以用晶格点阵（平移对称性）来描述。在三 维晶格点阵中，每个点阵点都代表结构中最小的重复单位 ，称作基本结构单元，简称结构单元。晶格点阵和基本结 构单元是构成晶体结构的两个最基本要素。
• 第三列符号表示等效点系的点对称性，即晶体中等效点所 处环境的对称性。
• 最后一列是晶体的衍射条件，即系统消光条件。
表3.3 国际符号中3个位置所代表的方向
空间群的最大不同构子群
国际表还给出了空间群在不同方向上投影的对称性， 即投影所属的二维空间群。
可分为两类最大不同构子群。第一类是平移同构子群 （Ⅰ),这类子群与原空间群具有相同的平移对称操作，但 是子群中的点群对称性降低，这类子群叫做t- 子群（tsubgroup）。
国际表中的不对称单位（asymmetric unit）是指单胞中 的一部分体积，从不对称单位的结构基元出发，利用空间群的 对称操作可以得到单胞中其他部分的结构基元。因此，不对称 单位包含了单胞的全部结构信息。
不对称单位的体积可以表示为：
VA=Vuc/nh Vuc是单胞的体积，n是单胞中的点阵数目，而h则代表空间 群对应的点群的对称操作数目。
第三章 无机材料的晶体结构
本课大纲
• 3.1 晶体结构的对称性 • 3.2 确定晶体结构的方法 • 3.3 空间群 • 3.4 单质和金属间化合物 • 3.5 无机非金属材料的结构
材料的组成和晶体结构是决定材料性质的基 本因素。只有认识材料晶体结构和成键特征，才 能真正理解材料的化学和物理性质的起因。其次 ，随着科技的进步和知识的累积，寻找新材料的 研究也更加具有定向性。
确定晶体结构包含两个步骤：从衍射方向得到晶格点 阵类型和尺寸信息；从衍射强度得到结构基本单元中原子 位置的信息。
3.3 空间群
• 结晶学点群描述了晶体的宏观对称性。平移对称操作不影 响晶体的宏观对称性。但考虑微观结构时，就必须考虑其 平移操作。
• 空间群的简短国际符号为Fm-3m 。符号的第一个大写字 母表示点阵型式，F表明这个空间群属于面心格子。3个 小写字母分别表示在3个方向的对称操作。对于不同的晶 系，这3个位置所代表的方向不同（表3.3）。
另一类子群是保持点对称操作不变，但平移对称性 降低（Ⅱ），这类子群可以进一步分为3种， Ⅱa子群保 持了原有的晶胞； Ⅱb子群的晶胞大于原来的晶胞； Ⅱc 子群与原空间群同构，但细胞改变。
Fm-3m空间群有8种Ⅱa子群和一种 Ⅱc子群，没有 Ⅱb子群。
3.4 单质和金属间化合物
• 3.4.1 • 3.4.2 • 3.4.3 • 3.4.4 • 3.4.5
NaCl面心立方单胞中包含了4个点阵点，分别位于立 方体的顶点和面心位置。如3.1 b是面心立方点阵。
图3.1 NaCl晶体
图b所示的三方格子可以作为NaCl的单胞，这个单胞中只 含有一个点阵点，称作三方素格子。三方格子保留了一个三重 轴，因而并没有保持面心立方点阵所具有的全部对称性。
单胞中只含有一个点阵点的格子称作简单格子（P），在 很多情况下需要有2个及以上的点阵点，才能符合表3.1关于单 胞对