在晶體化學中,根據結構空間中最強化學鍵的分布和原子或配位多面體的連接形式,晶體結構常分為以下幾種類型。
(1)島
結構中有原子團,團內的鍵強度比團外強很多,比如橄欖石(Mg,Fe) 2 [SiO 4]。
(2)周期
結構中的配位多面體通過角頂連接形成壹個閉合的環,根據鏈接數可以是三環、四環、六環,環也可以重疊形成雙環(如六角雙環),如綠柱石Be3al2 [Si6o18]。
(3)鏈條
最強的鍵往往是單向的。原子或配位多面體連接成鏈,鏈之間通過弱鍵或少量強鍵連接,如輝石(Mg,Fe) 2 [Si 2O 6]和金紅石TiO2。
(4)表
最強鍵沿二維空間分布,原子或配位多面體連接成平面網絡層,各層之間通過分子鍵或其他弱鍵連接,如石墨(C)。
(5)框架
最強鍵在三維空間中均勻分布,但配位多面體主要由* * *角連接,同壹角連接的配位多面體不超過兩個,所以結構是開放的,如a-應時(SiO2 _ 2)。
(6)坐標類型
晶格中只有壹個化學鍵,可以是離子鍵,* * *價鍵,也可以是金屬鍵。這些鍵在三維空間中均勻分布。根據配位多面體的類型,可分為四面體配位型、八面體配位型和混合配位型。協調多面體可以通過* *個面、* *條邊或* *個角連接,並且至少三個協調多面體可以通過同壹個角連接。例如金剛石(c)。
(7)分子類型
晶體中的結構單元是中性分子,分子之間通常通過強價鍵連接,分子之間通過弱分子鍵連接,即範德威鍵,如天然硫(S)。
以上結構類型的詳細分析將結合各種礦物理論中具體礦物的晶體結構進行詳細描述。
2.典型結構
如果不同的晶體結構的相應粒子以相同的方式排列,則稱它們是同構的。結構類型往往以某種晶體命名,這些有代表性的晶體結構稱為典型結構。例如,石鹽(NaCl)、方鉛礦(PbS)和方鎂石(MgO)等的晶體結構。,其中以NaCl晶體為代表,我們將其命名為NaCl型結構。即“NaCl”結構是典型的結構,而方鉛礦、方鎂石等晶體具有“NaCl型”結構。
在晶體化學中,典型結構常被視為某壹類晶體結構的代表,這使得晶體結構的分析更加方便。除了上述方鉛礦、方鎂石等元素與空間中典型晶體中的相應元素相對應,所以它們的結構可以用典型結構來描述外,壹些幾何特征上與典型結構相似的晶體結構也可以用典型結構來描述,只需稍加補充說明,這就是所謂的典型結構的“衍生結構”。如黃鐵礦(FeS2)中每兩個s與1 Fe交替排列,類似於巖鹽中Na和Cl的排列,其結構可視為“NaCl型”結構的衍生結構(見“硫化物及類似復合礦物”的描述)。
本書將介紹各種礦物理論中壹些常見的典型結構。這裏以金紅石(TiO2)結構為例,簡單說明晶體結構的基本描述方法。
為了直觀地顯示晶體的結構特征,通常使用三種結構圖,即原子堆積圖、蝙蝠圖和配位多面體圖。原子堆積圖是晶體中的原子通過球體相互接觸堆積而成的圖形,通常陰離子密集堆積,陽離子填充空隙(圖8-17a);在bat圖中,結構中的原子用適當大小的球體表示,鍵用細線表示(圖8-17b);配位多面體圖以配位多面體的形式顯示了結構在三維空間中的連接關系(圖8-17c顯示了多個晶胞,配位八面體為[TiO 6],兩個方向排列)。
圖8-17為金紅石晶體結構的原子堆積圖(a)、bat圖(b)、配位多面體圖(c)。
大球和小球分別代表O2 -和Ti4+。
晶體結構測定表明,金紅石由TiO2組成,四方晶系,空間群P44/mnm,a0=0.458nm,c0=0.295nm,晶體結構和空間群見圖8-15和圖8-17。其結構分析應註意以下內容。
晶格類型分析在金紅石的晶體結構中,Ti4+位於晶胞的頂角和體心。由於位於晶胞頂角的Ti4+和O2-組成的配位八面體的取向與位於晶胞中心的Ti4+和O2-組成的配位八面體的取向不同(圖8-17c),即這兩種Ti4+的周圍環境不同,屬於兩組等效點,所以金紅石的空間點陣只能用壹組等效點來畫。
晶體結構中堆積形式、配位數和配位多面體的分析,O2 -是六邊形中最密堆積,位於以Ti4+為頂點的平面三角形的中心,配位數cn = 3;Ti4+位於八面體間隙,配位數cn = 6;[TiO _ 6]八面體以* * *棱的形式沿C軸連成鏈狀,鏈間八面體的角部相連,因此其結構屬於鏈狀。這種結構特征可以很好地解釋金紅石的解理,其柱狀和針狀晶體形式沿著C軸並平行於C軸延伸。
分析“Z”值這裏的“Z”是指壹個晶胞中所含的相當於化學式的“分子數”。因為每個角上的Ti4+是由相鄰的八個晶胞所擁有,所以這個晶胞只占1/8;因此,晶胞中Ti4+的個數為{8(角頂Ti4+)×1/8+1(體中心Ti4+)} = 2。四個O2-離子位於晶胞的上下底面,另外兩個O2-離子位於晶胞中。由於位於晶胞上下底面的O2被兩個晶胞占有,所以晶胞中O2-的數量為(4×1/2+2)=4。這樣,晶胞中有兩個Ti4+和四個O2-,就是2(TiO2),相當於化學式的兩倍,所以Z=2。