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11.15: 晶格对中与配位数
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Lattice Centering and Coordination Number
 
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11.15: 晶格对中与配位数

结晶固体的结构 (无论是否是金属) 最好通过考虑其最简单的重复单位 (称为单元格) 来描述。 单元格由代表原子或离子位置的晶格点组成。 然后,整个结构由三维重复的单元格组成。 图 1 所示为立方晶格中存在的三种不同类型的单元格。

单元格类型

想象一下,将大量相同的球体放置在容器中,使一个层直接位于下一层的球体上方。 此排列称为简单立方结构,而单元格称为简单立方单元格或原始立方单元格。 在一个简单的立方结构中,球体不是像它们那样接近堆积,它们只“填充”了大约 52% 的容器体积。

此类排列中的原子只接触其层中最近的四个邻居;一个原子直接位于其上方的层;一个原子直接位于其下方的层中。 结晶固体联系人中每个粒子的其他粒子的数量称为其配位数。 因此,对于简单立方阵列中的多氢原子,配位数为六。

Image1

图 1. 立方晶格系统展示了三种不同的晶格结构。

在原始立方晶格中,所有方向重复的单元格是由八个原子中心定义的立方体。 此单元格相邻角落的原子相互接触,因此立方单元格只包含这些原子中的部分。 由于简单立方单元格角落的原子被总共八个单元格所包含,因此只有八分之一的原子在特定的单元格内。 由于每个 Simple 立方单元格在其八个“角”中各有一个原子,因此在一个 Simple 立方单元格中有 8 × 1/8= 1 个原子。

一些金属在排列中结晶,该立方单元格具有一个 ,所有角落都有原子,中心有一个原子。 这被称为以身体为中心的立方 (BCC) 实体。 BCC 单元格角落的原子不会相互接触,而是与中心的原子接触。 BCC 单元格包含两个原子:八个角各 8 个原子的原子 (8 × 1/8 = 1 个角原子) ,以及一个中心原子。 该结构中的任何原子都与其上方的图层中的四个原子和下方的图层中的四个原子接触。 因此, BCC 结构中的原子具有 8 个配位数。 密件抄送排列中的原子在堆积中的效率要比在简单的立方结构中高得多,约占体积总量的 68%。

许多其他金属在排列中结晶,立方单元格中有一个 ,原子分布在各个角落和每个面的中心。 此排列被称为面部居中立方 (FCC) 实体。 FCC 单元格包含四个原子:八个角各有原子的八分之一 (角上 8 × 1/8 = 1 原子) ,六个面各有原子的一半 (面中 6 × 1/2= 3 原子)。 角部原子沿立方体的面部对角接触相邻面中心的原子。 由于原子位于相同的晶格点上,因此它们具有相同的环境。 FCC 排列中的原子是堆积,它们尽可能紧密地结合在一起,原子占体积的 74%。 每一个原子在各自的层中接触六个原子,在上一层中接触三个原子,在下一层中接触三个原子。 在这个排列中,每一个原子接触 12 近邻,因此配位数为 12。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 10.5 节:物质的固态 10.6 结晶固体中的晶格结构

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