認(rèn)識(shí)四面體空隙與八面體空隙

1、認(rèn)識(shí)四面體空隙與八面體空隙晶體結(jié)構(gòu)中的空隙問(wèn)題是高中化學(xué)學(xué)習(xí)中的自然生長(zhǎng)點(diǎn)，以填隙視角認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)有助于提高學(xué)生的空間思維和推理思維，有利于學(xué)生正確理解晶胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而更好地理解晶體的性質(zhì)。下面以離子晶體為例來(lái)說(shuō)明這一問(wèn)題。離子鍵既無(wú)方向性也無(wú)飽和性，因此在離子晶體中通常采取離子盡可能緊密堆積的形式。通常體積較大的離子（經(jīng)常是陰離子）在晶體中盡可能相互接觸，形成一種具體的堆積形式，體積較小的另一種離子（如陽(yáng)離子）則填充在相應(yīng)的堆積空隙中。堆積空隙的形式有立方體、八面體、四面體等。現(xiàn)將什么是四面體空隙和八面體空隙例舉如下：NaCl晶體，位于頂點(diǎn)和面心的Cl-構(gòu)成面心立方堆積，Na+位于棱心和

2、體心，處于Cl-堆積形成的八面體空隙的中心（如圖3-76所示）。圖3-76NaCl晶胞（面心立方中八面體空隙）示意圖ZnS晶體，半徑較大的S2-占據(jù)頂點(diǎn)和面心位置，為面心立方堆積，半徑較小的Zn2+填充在四面體空隙中心（如圖3-77所示）。圖3-77立方ZnS晶胞（面心立方中四面體空隙）示意圖CaF2晶體，Ca2+占據(jù)頂點(diǎn)和面心位置，為面心立方堆積，F(xiàn)-填充在四面體空隙中心（如圖3-78所示）。圖3-78CaF2晶胞（面心立方中四面體空隙）示意圖那么，了解了什么是四面體空隙和八面體空隙后，這些不同晶體結(jié)構(gòu)中的四面體空隙和八面體空隙的數(shù)目如何判斷呢？在面心立方最密堆積中，八面體空隙位于棱心和體心

3、，因此一共有4個(gè)（1 + 1/4 12（棱）（如圖3-79所示）。四面體空隙位于晶胞內(nèi)部，在每條體對(duì)角線的1/4和3/4這2處，因此一共有42=8個(gè)（如圖3-80所示）。圖3-79面心立方中八面體空隙圖3-80面心立方中四面體空隙體心立方中，八面體空隙位于面心和棱心，因此一共有6個(gè)（1/4 12（棱）+ 1/2 6（面），如圖3-81所示。四面體空隙都位于面上，因此一共有12個(gè)（4 1/2 6（面），如圖3-82所示。圖3-81體心立方中八面體空隙圖3-82體心立方中四面體空隙六方最密堆積中，八面體空隙位于晶胞內(nèi)部，共計(jì)6個(gè)（見(jiàn)圖3-83）。四面體空隙8個(gè)位于晶胞內(nèi)部，12個(gè)位于6條棱心，因此

4、一共有8+121/3=12個(gè)，如圖3-84所示。圖3-83六方中八面體空隙圖3-84六方中四面體空隙另：空隙填充率是指填充的四面體（或八面體）空隙數(shù)占總四面體（或八面體）空隙數(shù)的比率。依此判斷：則NaCl晶體中空隙填充率為100%，立方ZnS晶體中空隙填充率為50%，CaF2晶體中空隙填充率為100%（如表3-14所示）。表3-14典型離子晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的堆積填隙模型結(jié)構(gòu)類(lèi)型堆積球堆積方式堆積產(chǎn)生的空隙類(lèi)型填隙離子填隙多面體填隙率CsClCl-簡(jiǎn)單立方立方體Cs+立方體100%反螢石F-簡(jiǎn)單立方立方體Ca2+立方體50%NaClC1-面心立方八面體和四面體Na+八面體100%閃鋅礦S2-面心立方八面體和四面體Zn2+四面體50%螢石Ca2+面心立方八面體和四面體F-四面體100%鈣鈦礦O2-+Ca2+面心立方八面體和四面體Ti4+八面體25 %參考文獻(xiàn)1胡宗球.無(wú)機(jī)化學(xué)(上冊(cè))M.北京:科學(xué)出版社,2014:233-2