1. Tipos de estructuras cristalinas
En la química cristalina, las estructuras cristalinas a menudo se dividen en las siguientes categorías según la distribución de los enlaces químicos más fuertes en el espacio estructural y la forma de los átomos. o Conexiones de poliedro de coordinación. Varios tipos.
(1) Isla (isla)
Hay grupos atómicos en la estructura y la fuerza del enlace dentro del grupo es mucho mayor que la fuerza del enlace fuera del grupo, como el olivino. (Mg, Fe) 2 [SiO4].
(2) Ciclo
Los poliedros de coordinación en la estructura están conectados por las esquinas para formar un anillo cerrado. Según el número de eslabones, puede haber tres anillos, cuatro anillos. , y seis anillos Hay muchos tipos de anillos, y los anillos también pueden superponerse para formar anillos dobles (como anillos dobles hexagonales, etc.), como el berilo Be3Al2 [Si6O18].
(3) Cadena
Los enlaces más fuertes tienden a distribuirse en una dirección. Los átomos o poliedros de coordinación están conectados en cadenas, y las cadenas están conectadas por enlaces débiles o una pequeña cantidad de enlaces fuertes, como el piroxeno (Mg, Fe) 2 [Si2O6] y el rutilo TiO2.
(4) Hoja
Los enlaces más fuertes se distribuyen a lo largo del espacio bidimensional, y los átomos o poliedros de coordinación se conectan para formar una capa de red plana, con enlaces moleculares u otras conexiones. entre las capas.
(5) Estructura
Los enlaces más fuertes se distribuyen uniformemente en el espacio tridimensional, pero el poliedro de coordinación está conectado principalmente por *** vértices de ángulo, y los mismos vértices de ángulo están conectados No hay más de dos poliedros de coordinación, por lo que la estructura es abierta, como el cuarzo (SiO2).
(6) Tipo de coordinación (coordenada)
En la red cristalina sólo existe un enlace químico, que puede ser un enlace iónico, un enlace valeroso o un enlace metálico. Las claves están distribuidas uniformemente en un espacio tridimensional. Según los diferentes tipos de poliedro de coordinación, se puede dividir en: tipo de coordinación tetraédrica, tipo de coordinación octaédrica y tipo de coordinación mixta. Los poliedros de coordinación pueden estar conectados por * caras, * aristas o * vértices de esquina, y un mismo vértice de esquina estará conectado a no menos de 3 poliedros de coordinación. Como el diamante (C).
(7) Tipo molecular (molecular)
La unidad estructural en el cristal es una molécula neutra. El interior de la molécula suele estar conectado por un fuerte enlace valente, y las moléculas. están unidos por un enlace valeroso débil Los enlaces moleculares son el enlace de Van Der Weals, como el azufre natural (S).
El análisis específico de los tipos estructurales anteriores se describirá en detalle en la monografía de minerales combinado con la estructura cristalina de minerales específicos.
2. Estructura típica
Si las estructuras de diferentes cristales tienen la misma disposición de las partículas correspondientes, se dice que sus estructuras son isoformas. Los tipos estructurales a menudo reciben el nombre de un determinado tipo de cristal, y estas estructuras cristalinas representativas se denominan estructuras típicas. Por ejemplo, las estructuras de cristales como la halita (NaCl), la galena (PbS) y la periclasa (MgO) son del mismo tipo. Usamos el cristal de NaCl como representante y lo llamamos estructura de tipo NaCl. Es decir, la estructura "NaCl" es una estructura típica, mientras que cristales como la galena y la periclasa tienen una estructura "tipo NaCl".
En química cristalina, las estructuras típicas se utilizan a menudo como representantes de un determinado tipo de estructura cristalina, lo que hace que el análisis de la estructura cristalina sea más conveniente. Además de los elementos constituyentes mencionados anteriormente, como la galena y la periclasa, que están en correspondencia espacial uno a uno con los elementos correspondientes en los cristales típicos, por lo que sus estructuras pueden describirse mediante estructuras típicas, algunas estructuras cristalinas cuyas características geométricas son Las estructuras similares a las típicas están ligeramente modificadas. Después de una explicación adicional, también se puede describir mediante una estructura típica, que se denomina "estructura derivada" de una determinada estructura típica. Por ejemplo, cada dos S y un Fe en la pirita (FeS2) están dispuestos alternativamente, lo que es similar a la disposición del Na y Cl en la sal gema. Su estructura puede considerarse como un derivado de la estructura "tipo NaCl" (ver "). Sulfuro" y sus compuestos similares y categorías minerales" descripción relacionada).
Este libro presentará algunas estructuras típicas comunes en monografías de minerales. Aquí, tomamos la estructura de tipo rutilo (TiO2) como ejemplo para explicar brevemente el método de descripción básica de la estructura cristalina.
Para mostrar intuitivamente las características estructurales de los cristales, generalmente se utilizan tres gráficos estructurales: diagrama de empaquetamiento atómico, diagrama de bolas y palos y diagrama de poliedro de coordinación.
El diagrama de empaquetamiento atómico usa esferas para representar el contacto y la acumulación de átomos en el cristal. Por lo general, los aniones están muy empaquetados y los cationes llenan los espacios (Figura 8-17a); los átomos en la estructura, entre los cuales La relación de enlace está representada por conexiones de líneas delgadas (Figura 8-17b) el diagrama del poliedro de coordinación muestra la relación de conexión de la estructura en el espacio tridimensional en forma de poliedro de coordinación (Figura ); 8-17c, que muestra múltiples celdas unitarias. El octaedro de coordinación es [TiO6], dispuesto en dos orientaciones).
Figura 8-17 El diagrama de empaquetamiento atómico (a), el diagrama de bola y palo (b) y el diagrama del poliedro de coordinación (c) que representan la estructura cristalina del rutilo
Las grandes y las bolas pequeñas representan respectivamente O2-- y Ti4+
La determinación de la estructura cristalina muestra que la composición del rutilo es TiO2, sistema cristalino tetragonal, grupo espacial P44/mnm, a0=0,458 nm, c0=0,295 nm. La estructura cristalina y el grupo espacial se muestran en la Figura 8-15 y la Figura 8-17. En su análisis estructural cabe señalar lo siguiente.
Análisis de tipo reticular En la estructura cristalina del rutilo, el Ti4+ se encuentra en la esquina superior y en el centro del cuerpo de la celda unitaria. Dado que la orientación del octaedro de coordinación compuesto por Ti4+ y O2, ubicado en la parte superior de la esquina de la celda unitaria, es diferente de la orientación del octaedro de coordinación compuesto por Ti4+ y O2, ubicado en el centro de la celda unitaria (Figura 8 -17c), es decir, los entornos circundantes de estos dos tipos de Ti4+ son diferentes y pertenecen a dos conjuntos de puntos equivalentes. Al dibujar la red espacial, solo se puede dibujar con un conjunto de puntos equivalentes. de rutilo es la red original en lugar de la red centrada en el cuerpo, que se encuentra en la parte superior de la esquina de la celda unitaria. Un conjunto de Ti4+ forma un conjunto de cuadrículas primitivas cuadradas, mientras que otro conjunto de Ti4+ está ubicado en el centro del cuerpo. forma otro conjunto de cuadrículas primitivas cuadradas.
Análisis de forma de apilamiento, número de coordinación y poliedro de coordinación. En la estructura cristalina, el O2-- es aproximadamente hexagonal en la forma más densamente empaquetada, ubicado en el centro de un triángulo plano con Ti4+ como vértice de la esquina. El número de coordinación CN=3; Ti4+ está ubicado en la brecha octaédrica, y el número de coordinación es CN=6. Los octaedros [TiO6] están conectados en cadenas a lo largo del eje c de manera de borde a borde; entre las cadenas están conectadas en las esquinas superiores, por lo que su estructura es similar a una cadena. Esta característica estructural puede explicar mejor las formas cristalinas del rutilo columnares y en forma de agujas que se extienden a lo largo del eje c y la escisión paralela al eje c.
Análisis del valor "Z" Aquí "Z" se refiere al "número de moléculas" equivalente a la fórmula química contenida en la celda unitaria. Dado que el Ti4+ en la parte superior de cada esquina es propiedad de las 8 celdas unitarias adyacentes, esta celda unitaria solo representa 1/8, por lo tanto, el número de Ti4+ en la celda unitaria es {8 (Ti4+ en la esquina superior) ×1; /8+1 (Ti4+ centrado en el cuerpo)}=2. Cuatro O2- están ubicados en las superficies inferior superior e inferior de la celda unitaria, y los otros dos O2- están ubicados dentro de la celda unitaria. Dado que el O2 ubicado en las superficies superior e inferior de la celda unitaria es propiedad de las dos celdas unitarias, el número de O2- en la celda unitaria es (4×1/2+2)=4. De esta forma, quedan 2 Ti4+ y 4 O2- en la celda unitaria, que es 2 (TiO2), lo que equivale al doble de la fórmula química, entonces Z=2.