密堆积与晶体结构
许多金属和离子固体源于球体的密堆积，其中阳离子填充八面体和四面体空隙，从而形成无机化学中反复出现的结构类型。
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Definition
密堆积和晶体结构描述了原子和离子如何在扩展固体中通过高效的球体堆积进行排列，其中较小的离子占据间隙空隙，从而产生特征性的结构类型。
Scope
本主题涵盖无机晶体结构的几何描述：立方和六方密堆积及其间隙八面体和四面体空隙；常见结构类型（如岩盐、闪锌矿、萤石、金红石和钙钛矿）的推导；半径比规则和鲍林规则，用于预测配位和结构；以及结构类型与化学计量之间的关系。它侧重于几何和结构预测，而非晶格能主题中涵盖的能量学。
Core questions
- 立方和六方密堆积是什么？它们包含多少空隙？
- 常见的离子结构类型是如何从密堆积排列中推导出来的？
- 半径比规则和鲍林规则如何预测配位和结构？
- 化学计量如何限制哪些空隙被填充？
Key concepts
- 立方和六方密堆积
- 八面体和四面体空隙
- 岩盐和闪锌矿结构
- 萤石和金红石结构
- 钙钛矿结构
- 半径比和鲍林规则
Key theories
- 密堆积和间隙空隙
- 球体在立方或六方密堆积排列中堆积效率最高，每球体提供一个八面体和两个四面体空隙，阳离子可以置于其中以构建离子结构。
- 常见结构类型
- 填充密堆积阴离子阵列中特定比例的空隙会产生岩盐、闪锌矿、萤石、金红石以及在二元和三元无机固体中反复出现的类似结构类型。
- 半径比和鲍林规则
- 阳离子与阴离子的半径比预测了优选的配位数，而鲍林的静电价规则和相关规则限制了多面体在稳定结构中如何共享角、边和面。
Clinical relevance
识别结构类型是设计和解释功能性无机材料的基础，包括用于催化、铁电体和太阳能电池的钙钛矿氧化物，以及用于电池和磁体的尖晶石。
History
布拉格早期的X射线测定揭示了氯化钠等简单盐采用密堆积结构，而戈德施密特对离子半径的汇编使得半径比推理成为可能。鲍林1929年的规则和威尔斯系统性的调查整理了庞大的无机结构类型目录。
Key figures
- Linus Pauling
- William Lawrence Bragg
- Victor Goldschmidt
- Alexander Wells
Related topics
Seminal works
- pauling1929
- wells2012
- west2014
Frequently asked questions
- 立方和六方密堆积有什么区别？
- 两者都尽可能高效地堆积球体，但它们在密堆积层的堆叠序列上有所不同：六方密堆积重复ABAB模式，而立方密堆积重复ABCABC，形成面心立方排列。
- 为什么半径比能预测配位数？
- 阳离子必须足够大，以防止周围的阴离子相互接触；随着阳离子与阴离子半径比的增加，逐渐更高的配位数在几何上变得稳定，这是半径比规则的基础。