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[转载]单质金属元素的晶体结构

2017-10-29 17:58阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2667862833

原文地址：单质金属元素的晶体结构
原文作者：雷鑫荣

1 铜族元素(Cu，Ag，Au)
该族元素的晶体数据见下表。几种铜族元素的结构差别主要体现在晶格常数不同。
空间群 Fm-3m(225)，Z=4
原子坐标：4a：(000)
元素名称
 晶格常数 a(A)
Cu
 3.61505(10)
Ag
 4.0855(1)
Au
 4.07894(5)

在该族元素的晶体结构中，单位晶胞内，原子分布在晶胞的角顶和面心(图1)。该类结构相当于原子沿晶体的体对角线方向(3次轴方向)进行立方最紧密堆积(ABCABC…)而成(图2)。3个结构的差别在于原子半径的不同导致的晶格常数的差异，因此其粉晶X射线衍射结果也表现为峰位的差异(图3)。
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图1. Cu族元素的单位晶胞原子分布
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图2. Cu族元素的立方最紧密堆积
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图3. Cu族元素的粉晶X射线衍射（CuKα1射线）
该族元素中的Ag在某些特殊情况下，有可能形成六方结构，并且可以具有2H和4H两种多型，具体结构数据如下：
Ag-2H (结构中含有Sb、Hg杂质时容易形成该种多型)
空间群
 P63/mmc(194) Z=2
晶格常数
 2.93(1) 2.93(1) 4.79(1) 90 90 120
原子坐标
 Ag 2c: 0.3333 0.6667 0.25
Ag-4H (自然状态下六方结构的Ag常形成该种多型)
空间群
 P63/mmc(194) Z=4
晶格常数
 2.8862 2.8862 10.000 90 90 120
原子坐标
 Ag 2a: 0 0 0
Ag 2c: 0.3333 0.6667 0.25

2H结构的银的结构特征：
单位晶胞内有两个Ag原子，其Z轴高度分别为0.3333和0.6667，如图4a所示。图形显示范围放大后可以看出(图4b)，该结构为标准的6方最紧密堆积排列，即原子层按照ABAB……的形式重复排列。
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a b
图4. 2H多型银的单位晶胞原子分布及原子按层排列规律
4H结构的银的结构特征：
单位晶胞内有4个原子：8个角顶(1个)，纵向的棱心各有一个(1个)，晶胞体内两个，Z轴高度分别为0.3333和0.6667, 并且这两个原子的X、Y坐标不等(图5a)。显示范围放大后可以发现(图5b)，4H结构的Ag中原子的排列方式为变形的六方最紧密堆积，层的排列重复方式为ABACABAC……。两种Ag的不同多型的粉晶X射线衍射图如图6所示。
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a b
图5. 4H多型银的单位晶胞原子分布及原子按层排列规律
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图6. 两种Ag的多型的粉晶X射线衍射图谱（CuKα1射线）
2 铂族元素(Os，Ir，Ru，Rh，Pt，Pa)
该族元素可以形成两种不同的结构，即与自然铜等结构的立方最紧密堆积结构，空间群、原子占位等都与自然铜相同，另一种是与2H的银等结构的六方最紧密堆积机构，其空间群、原子占位等都与2H的银相同，如下表所示。
元素名称
 立方最紧密堆积结构晶格常数
（结构与自然铜相同）
 六方最紧密堆积结构晶格常数
（结构与2H的银相同）
Os*
 3.89
 2.7359(5) 4.3186(8)
Ir
 3.8394
Ru*
 3.83
 2.7508(1) 4.2811(2)
Rh
 3.8044(1)
Pt
 3.9240(1)
Pa
 3.8898

*:该两例元素在自然界主要以六方结构的形式出现。
立方结构的铂族元素的X射线衍射图如图7所示，六方结构的如图8所示。
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图7. 立方结构的Pt族元素的粉晶X射线衍射图谱（CuKα1射线）
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图8. 六方结构的Pt族元素的粉晶X射线衍射图谱（CuKα1射线）
3 铁族元素(V，Cr，Mn，Fe，Ni)
3.1 V
单质V可以形成立方面心和立方体心结构，结构数据如下。

 立方面心
 立方体心
空间群
 Fm-3m(225) Z=4
 Im-3m(229) Z=2
晶格常数
 a=3.79
 a=3.0258
原子坐标
 V：4a （000）
 V：2a （000）

立方面心的V的晶体结构与单质铜的晶体结构相同，立方体心的V的晶体结构如图9所示。两种结构态的X射线衍射图谱如图10所示。
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图9. 立方体心结构的V的晶体结构
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图10. 单质V的粉晶X射线衍射图谱（CuKα1射线）
3.2 Cr
单质Cr可以形成立方面心、立方体心、立方原始及六方四种结构，结构数据如下。

 立方面心
 立方体心
 立方原始
 六方
空间群
 Fm-3m(225) Z=4
 Im-3m(229) Z=2
 Pm-3n(223) Z=8
 P63/mmc(194)
晶格常数
 a=3.6
 a=2.88494(7)
 a=4.60
 a=4.7224(4)
c=4.4342(3)
原子坐标
 Cr：4a (000)
 Cr：2a (000)
 Cr: 2a (000)
Cr: 6c (0.25, 0, 0.5)
 Cr: 2c (0.3333, 0.6667, 0.25)

其中立方面心、立方体心的结构与单质V的结构相同，六方的结构与2H的Ag的结构相同，立方原始的结构如图11所示。四种结构态的Cr的X射线衍射如图12所示。
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图11. 立方原始结构的Cr的晶体结构
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