化学计量化合物(chemical stoichiometric compound)是指组成
化合物的元素
化合价符合正常的化合价规则,即符合化学计量关系,原子数目成整数比的一些化合物。常见的许多化合物都属于化学计量化合物,如H2O,CH4,MgO,Al2O3,等,皆有一定的
元素比例,具有一种规则性,即具有
有序结构。
简介
无机化合物结构中没有大的复杂的
络合离子团,是化学计量化合物的主体。下面分别介绍各种典型的化学计量的
无机化合物,主要从其结构方面进行分析,以建立起材料
组成、
结构、
性能之间的相互关系的直观图像。
AX型结构
AX型结构主要有CsCl,NaCI,ZnS,NiAs等类型,其键性主要是
离子键,其中CsCI和NaCl是典型的
离子晶体,
NaCl晶体是一种透红外材料,ZnS带有一定的
共价键成分,是一种
半导体材料,NiAs晶体的性质接近于金属。大多数AX型化合物的结构类型符合正负离子半径比与配位数的定量关系。
NaCl型结构
NaCl属于立方晶系(见图1),
晶胞参数的关系是a=b=c,α=β=γ=90°,
点群m3m,
空间群Fm3m。结构中Cl-为面心立方最紧密堆积,Na+填充
八面体空隙的100%;两种离子的
配位数均为6;一个晶胞中含有4个NaCl分子,整个晶胞由Na+和Cl-各一套面心立方格子沿晶胞边棱方向位移1/2晶胞长度穿插而成。NaCl型结构在三维方向上键力分布比较均匀,因此其结构无明显解理(晶体沿某个晶面劈裂的现象称为解理),破碎后其颗粒呈现多面体形状。
常见的NaCI型晶体是碱土
金属氧化物和过渡金属的2价氧化物,化学式可写为MO,其中M2+为2价金属离子。结构中M2+和O2-分别占据NaCI中Na和Cl离子的位置。这些氧化物有很高的熔点,尤其是MgO(矿物名称方镁石),其熔点高达2800℃左右,是
碱性耐火材料镁砖中的主要晶相。
CsCl型结构
CsCl属于
立方晶系,
点群m3m,
空间群Pm3m,如图2所示。结构中正负离子作简单立方堆积,配位数均为8,晶胞分子数为1,键性为离子键。CsCl晶体结构也可以看做正负离子各一套简单立方格子沿
晶胞的体对角线位移1/2体对角线长度穿插而成。
立方ZnS(闪锌矿)型结构
闪锌矿属于
立方晶系,
点群-43m,
空间群F-43m,其结构与
金刚石结构相似,如图3所示。结构中S2-作面心立方堆积,Zn2+交错地填充于8个小立方体的体心,即占据四面体空隙的1/2,正负离子的
配位数均为4。一个
晶胞中有4个ZnS分子。整个结构由Zn2+和S2-各一套面心立方格子沿体对角线方向位移1/4体对角线长度穿插而成。由于Zn2+具有18电子构型,S2-又易于变形,因此,ZnS键带有相当程度的共价键性质。常见
闪锌矿型结构的有Be,Cd,Hg等的
硫化物、
硒化物和
碲化物以及CuCl及α—SiC等。
六方ZnS(纤锌矿)型结构
纤锌矿属于六方晶系,
点群6mm,
空间群P63mc,
晶胞结构如图4所示。结构中S2-作六方最紧密堆积,Zn2+占据四面体空隙的1/2,Zn2+和S2-离子的配位数均为4。六方柱
晶胞中ZnS的分子数为6,
平行六面体晶胞中晶胞分子数为2。结构由Zn2+和S2-各一套六方格子穿插而成。常见纤锌矿结构的晶体有BeO,CdS,GaAs等晶体。
纤锌矿型结构的晶体,如ZnS、CdS、GaAs等和其他第Ⅱ与第Ⅳ族、第Ⅲ与第V族化合物,制成
半导体器件,可以用来放大
超声波,这样的半导体材料具有
声电效应(通过半导体进行声电相互转换的现象称为
声电效应)。
AX2型结构
AX2型结构主要有
萤石(CaF2)型、金红石(TiO2)型和
方石英(SiO2)型结构。其中CaF2为
激光基质材料,在玻璃工业中常作
助熔剂和晶核剂,在水泥工业中常用作
矿化剂;TiO2为集成光学
棱镜材料;SiO2为光学材料和
压电材料。AX2型结构中还有一种层型的CdI2和CdCl2型结构,这种材料可作
固体润滑剂。
萤石(CaF2)型结构及反萤石型结构
萤石属于立方晶系,
点群m3m,
空间群Fm3m,其结构如图5所示。Ca2+位于立方
晶胞的顶点及面心位置,形成面心立方堆积,F-填充在8个小立方体的
体心。Ca2+离子的配位数是8,形成立方配位
多面体[CaF8];F-离子的
配位数是4,形成[FCa8]四面体,F-占据Ca2+离子堆积形成的四面体空隙的100%。该结构也可以看做F-作简单立方堆积,Ca2+占据立方体空隙的一半,
晶胞分子数为4。从空间格子方面来看,萤石结构由1套Ca2+的面心立方格子和2套F-离子的面心立方格子相互穿插而成。
结构与性能关系方面,CaF2与NaCI的性质对比,F-半径比Cl-小,Ca2+半径比Na+稍大,综合电价和半径两因素,萤石中质点间的键力比NaCI中的键力强。反映在性质上,萤石的
硬度为莫氏4级,熔点1410℃,密度3.18 g/cm3,水中溶解度0.002;而NaCI的熔点为808 °C,密度2.16 g/cm3,水中溶解度35.7。
常见
萤石型结构的晶体是一些4价离子M4+的氧化物MO2,如ThO2,CeO2,UO2,ZrO2。
碱金属元素的
氧化物R2O、
硫化物R2S、
硒化物R2Se、
碲化物R2Te等A2X型化合物为反萤石结构,它们的正负离子位置刚好与萤石结构中的相反,即碱金属离子占据F-的位置,O2-或其他负离子占据Ca2+的位置。这种正负离子位置颠倒的结构,叫做反同形体。
金红石(TiO2)型结构
金红石属于四方晶系,
点群4/mmm,
空间群P4/mnm,其结构如图6所示。结构中O2-作变形的六方最紧密堆积,Ti4+在晶胞顶点及体心位置,O2-在晶胞上下底面的面对角线方向各有2个,在晶胞半高的另一个面对角线方向也有2个。
Ti4+的
配位数是6,形成[TiO6]八面体,O2-的配位数是3,形成[OTi3]平面三角单元。Ti4+填充八面体空隙的1/2。晶胞中TiO2的分子数为2。整个结构可以看做由2套Ti4+的简单四方格子和4套O2-的简单四方格子相互穿插而成。TiO2除
金红石型结构之外,还有板钛矿和锐钛矿两种变体,其结构各不相同。常见金红石结构的氧化物有SnO2,MnO2,CeO2,PbO2,VO2,NbO2等。TiO2在光学性质上具有很高的
折射率(2.76),在电学性质上具有高的介电系数,因此,成为制备
光学玻璃的原料,也是无线电陶瓷中需要的
晶相。
碘化镉(CdI2)型结构
碘化镉属于三方晶系,
空间群P3m,是具有
层状结构的晶体,如图7所示。Cd2+位于六方柱
晶胞的顶点及上下底面的中心,I-位于Cd2+三角形重心的上方或下方。每个Cd2+处在6个I-组成的八面体的中心,其中3个I-在上,3个I-在下。每个I-与3个在同一边的Cd2+相
配位。I-在结构中按变形的六方最紧密堆积排列,Cd2+相间成层地填充于1/2的八面体空隙中,形成了平行于(0001)面的层型结构。每层含有2片I-,1片Cd2+。层内[CdI6]八面体之间共面连接(共用3个顶点)。由于正负离子强烈的
极化作用,层内
化学键带有明显的
共价键成分。层间通过
分子间力结合。由于层内结合牢固,层间结合很弱,因而晶体具有平行(0001)面的完全
解理。常见CdI2型结构的层状晶体有Mg(OH)2和Ca(OH)2等
晶体。
A2X3型结构
A2X3型化合物晶体结构比较复杂,其中有代表性的结构有
刚玉型结构,稀土A、B、C型结构等。由于这些结构中多数为离子键性强的化合物,因此,其结构的类型也有随
离子半径比变化的趋势。
刚玉,即α一Al2O3,天然α一Al2O3
单晶体称为白宝石,其中呈红色的称为
红宝石,呈蓝色的称为
蓝宝石。刚玉属于三方晶系,
空间群R-3c。由于其单位
晶胞较大且结构较复杂,因此,以原子层的排列结构和各层间的堆积顺序来说明比较容易理解,见图8。其中O2-近似地作六方最紧密堆积(HCP),Al3+填充在6个O2-形成的八面体空隙中。
刚玉型结构的化合物还有α—Fe2O3(赤铁矿),Cr2O3,V2O3等氧化物以及钛铁矿型化合物FeTiO3,MgTiO3,PbTiO3,MnTiO3等。刚玉硬度非常大,为
莫氏硬度9级,熔点高达2050 °C,这与Al—O键的牢固性有关。α一Al2O3是高绝缘无线电陶瓷和高温
耐火材料中的主要矿物。刚玉质耐火材料对PbO,B2O3含量高的
玻璃具有良好的抗腐蚀性能。
AX3和A2X5型结构
AX3型晶体中有代表性的是ReO3,属于立方晶系,正负离子
配位数分别为6和2,如图9所示。结构中[ReO6]八面体之间在三维方向共顶连接来形成晶体结构。该结构的特点是单位晶胞的中心存在很大的空隙。WO3的结构可由ReO3的结构稍加变形而得到。
A2X5型化合物的结构一般都比较复杂,其中有代表性的是V2O5,Nb2O5等。Nb2O5的结构可以由ReO3的结构演变而来。把ReO3结构中八面体的共顶连接方式换成共棱连接,即可形成Nb2O5结构。
ABO3型结构
在含有两种
正离子的多元素化合物中,其结构
基元的构成分为两类:一是结构基元是单个原子或离子;二是络合离子。络合离子是由数个原子或离子组成的带电的原子或离子团,其形状一般呈多面体。络合离子作为一个整体可以从一个化合物中转移到另一个化合物中,在
溶液或熔体中,络合离子也能整体存在。在络合离子中,其中心原子与周围配位原子间的化学键都具有共价键成分。若中心原子与配位原子之间依靠纯粹的静电力结合,则不能算作络合离子。例如,在CaTiO3中虽存在[TiO6]八面体,但并没有独立的TiO32-络离子存在。当ABO3型结构中的高价正离子B很小时,就不能被O2-以八面体形式所包围,如C4+,Ni6+和B3+等,这时就不能形成钙钛矿型结构,而形成
方解石或
霞石型结构。
钛铁矿型结构
钛铁矿是以FeTiO3为主要成分的
天然矿物,结构属于三方晶系,其结构可以从刚玉结构衍生而来,见图10。将刚玉结构中的2个3价阳离子用2价和4价或1价和5价两种阳离子置换便形成钛铁矿结构。
在刚玉结构中,氧离子的排列为
HCP结构,其中八面体空隙的2/3被铝离子占据,将这些铝离子用两种阳离子置换有两种方式。第一种置换方式是:置换后F层和Ti层交替排列构成钛铁矿结构,属于这种结构的化合物有MgTiO3,MnTiO3,FeTiO3,CoTiO3,LiTaO3等。第二种置换方式是:置换后在同一层内1价和5价
离子共存,形成LiNbO3或LiSbO3结构。
钙钛矿型结构与铁电效应
钙钛矿是以CaTiO3为主要成分的
天然矿物,理想情况下其结构属于立方晶系,如图11所示。结构中Ca2+和O2-一起构成
fcc堆积,Ca2+位于顶角,O2-位于面心,Ti4+位于体心。Ca2+,Ti4+和O2-的配位数分别为12,6和6。Ti4+占据八面体空隙的1/4。[TiO6]八面体共顶连接形成三维结构。
实际晶体中能满足这种理想情况的非常少,多数钙钛矿型结构的晶体都不是理想结构,而是有一定畸变,因而产生
介电性能。其中有代表性的化合物是BaTiO3和PbTiO3等,具有
高温超导特性的氧化物的基本结构也是钙钛矿结构。
BaTiO3属钙钛矿型结构,是典型的
铁电材料,在
居里温度以下表现出良好的铁电性能,而且是一种很好的光折变材料,可用于光储存。铁电晶体是指具有自发极化且在外电场作用下具有
电滞回线的晶体。铁电性能的出现与晶体内的
自发极化有关。晶体在外电场作用下的极化包括
电子极化、
离子极化和
分子极化三种。
ABO4型(白钨矿型)结构及声光效应
白钨矿是以PbWO4为主要成分的
天然矿物,组成为ABO4。PbMoO4结构属于白钨矿型结构,
四方晶系,如图12所示。
晶胞参数为a=0.5432 nm,b=1.2107 nm,晶胞分子数为4。
PbMoO4是一种重要的声光材料。
声光效应是指光被声光介质中的
超声波所
衍射或
散射的现象。在声光晶体的一端贴上
压电换能器(一般用LiNbO3晶体),输入高频电信号后
压电晶体产生高频振荡,其频率通常在超声波范围内,这是一种
弹性波,传人声光晶体后晶体将发生压缩或伸长。当激光束通过压缩、伸长应变层时就能使光产生折射或衍射,
折射率随位置的
周期性变化就可起到
衍射光栅的作用,
光栅常数就等于输入的超声波波长。显然,输入的超声波波长发生变化,光
衍射角也随之变化。这样,通过控制高频电路的输入频率,就可控制激光
偏转角。声光
激光打印机就是利用这一原理设计而成的。
AB2O4型(尖晶石)结构
AB2O4型晶体以尖晶石为代表,其中A为2价正离子,B为3价正离子。尖晶石(MgAl2O4)结构属于立方晶系,空间群Fd3m,如图13所示。尖晶石
晶胞可看做由8个小块交替堆积而成。小块中质点排列有两种情况,分别以A块和B块来表示。A块显示出Mg2+占据四面体
空隙,B块显示出Al3+占据八面体空隙的情况。结构中O2-作面心立方最紧密堆积,Mg2+填充在四面体空隙,Al3+占据八面体空隙。晶胞中含有8个尖晶石分子,即8个MgAl2O3,因此,晶胞中有64个四面体空隙和32个八面体空隙,其中Mg2+占据四面体空隙的1/8,Al3+占据八面体空隙的1/4。
在实际尖晶石中,有的结构介于正、反尖晶石之间,即既有正尖晶石,又有反尖晶石,此尖晶石称为混合尖晶石。例如,MgAl2O4,CoAl2O4,ZnFe2O4为正尖晶石结构;NiCo2O4,CoFe2O4等为反尖晶石结构;CuAI2O4和MgFe2O4等为混合型
尖晶石。
石榴石结构
石榴石属于立方晶系,但结构复杂,化学式是M3Fe5O12,M是1个3价稀土离子或1个钇(3+)离子,或写成(3M2O3)c·(2Fe2O3)a·(3Fe2O3)d,c、a、d表示离子占据晶格位置的类型。每个c离子和8个氧离子配位形成十二面体(相当于六面体的每个面又折叠一下而形成),每个a离子占据八面体位置,每个d离子占据四面体位置。全部
金属离子都是3价的,a离子排列成体心立方格子,c和d位于该立方体的面上,如图14所示。每个晶胞中有160个原子,含8个化学式单位,即晶胞分子数为8。结构中的
配位多面体都有不同程度的变形。
最著名的是钇铁石榴石YIG、
钇铝石榴石YAG,以及钆镓石榴石等,其化学式分别为Y3Fe2(FeO4)3,Y3Al2(AlO4)3和Gd3Ga2(GaO4)3。其中,掺钕(Nd)的YAG是一种比较理想的固体
激光材料;
钇铁石榴石是重要的
铁磁晶体;钆镓石榴石是一种磁泡衬底晶体,也是激光
介质材料。