第十章 晶体化学简介
在第七章中我们研究过晶体内部结构的对称性，是将
晶体内的所有质点按几何点来考虑的。本章的内容要将
晶体内部质点作为原子、离子来考虑了。
一,最紧密堆积原理
将晶体内的质点作为球体来考虑。
因为在离子键和金属键的晶体结构中，离子键和金属
键是没有方向性的，核外电子云的分布是球形，可以作
为球形来考虑。所以对于离子键和金属键的晶体结构，
可以用球体 最紧密堆积原理 来研究。
首先考虑等大球最紧密堆积：
1、堆积过程与基本形式, (CAI课件演示 ) 晶体化学单机版
第 1层堆积,形成两种三角形空隙 B位,C位（第 1层球所在位
置标注为 A）；
第 2层堆积,只能在上述 B位或 C位堆积，不能同时在这两种位
置上堆积,即形成 AB或 AC,AB与 AC是等效的；
第 3层堆积,有可能与第 1层所处的位置完全相同，即形成
ABA堆积形式，也可能与第 1层、第 2层不同位置，形成 ABC
堆积形式；
第 4层、第 5层 …,.堆积,只能在 A,B,C位置上任选一种，不
可能超出这 3种位置，并且不能与最临近的一层相同。
因此，等大球最紧密堆积的基本形式只有两种：
两层重复的 ABABABAB…,.形式；
三层重复的 ABCABCABC…,形式。
如果是,ABACBCACB…,.,则可以认为是由上述
两种基本形式的组合。
不可能 ABCCABBAA…,.,这样就是非紧密堆积。
2、堆积结构的对称性,(CAI课件演示 )晶体化学单机版
BABAB… 所形成的结构为六方原始格子，因此也称
六方最紧密堆积；
? ABCABCABC…,所形成的结构为立方面心格子，因
此也称立方最紧密堆积。
3、堆积结构中的空隙,(CAI课件演示 )晶体化学单机版
等大球最紧密堆积结构中只形成两种空隙：四面体
空隙和八面体空隙。
空隙的分布与数量：一个球周围分布 8个四面体空隙和 6个八
面体空隙,
思考,N个球做最紧密堆积,形成的四面体空隙是多少? 八面体空隙
是多少?
二、配位数与配位多面体
每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目称该原
子或离子的配位数。
将某原子或离子周围的原子或异号离子中心连线形成的多面
体称该原子或离子的配位多面体。
那么，在等大球最紧密堆积结构中，有哪些配位多面体？
对于离子键晶体，我们将半径较大的阴离子视为等大球最紧
密堆积，半径较小的阳离子充填到空隙中，因此，在等大球最
紧密堆积结构中，阳离子的配位多面体为四面体或八面体，配
位数为 4或 6。
对于金属键晶体，可视为同种金属原子的等大球最紧密堆积，
空隙中并不充填原子；因此，原子的配位数为 12，配位多面体
为立方八面体。
(CAI课件演示 )晶体化学单机版
对于非紧密堆积结构，配位数可以是多种多样的。
但总的来说，配位数有如下规则：
1.如果是离子键，则配位数与阴、阳离子的半径比有
关 （为什么？请见下述的鲍林法则） ；
2.如果是共价键，则配位数与原子的电子构形有关。
三、化学键与晶格类型
? 离子晶格：离子键，可作为球体来研究，一般遵循最紧密堆
积原理。鲍林法则对离子晶格做了全面的阐述（见动画演
示）。
? 原子晶格：共价键，有方向性和饱和性，不可作为球体来研
究，不作最紧密堆积。要用到分子轨道理论来研究其结构的
特点。例如金刚石与石墨。
? 金属晶格：金属键，可作为球体来研究，一般遵循等大球最
紧密堆积原理。
? 分子晶格：存在分子基团，内部为共价键，外部为分子键，
分子有具体的形状，一般遵循非球体紧密堆积。
注意：单键型晶格、多键型晶格、过渡型晶格的区别。
（请看 CAI课件 鲍林法则的演示） 晶体化学单机版
四、典型结构分析
许多晶体的结构是等型的，例如：石盐（ NaCl）、方铅矿
(PbS)、方镁石 (MgO)…,，它们具有相同的结构构型，
只是改变了阴、阳离子。我们将这类结构称 典型结构,
并以其中之一的晶体名称来命名，即这种结构统称
,NaCl型结构, 。
此外,有些晶体结构是在典型结构的基础上稍加变形,这类结
构就称为该典型结构的 衍生结构,如黄铁矿 (FeS2)的结构
为 NaCl型结构的衍生结构,因为结构形式是一样的,但用
哑铃状的 [S2]代替了 Cl,
对于典型结构，我们要分析的内容有,
1) 格子类型
2) 堆积形式
3) 配位数与配位多面体连接方式
4), Z”数分析 (即单位晶胞中所含的相当于化学式的,
分子数, )
下次实习课我们具体做。
下面要介绍的是晶体成分、结构发生变化的一些现象。
五、类质同像
1,类质同像的概念
在晶体结构中某离子被其它类似的离子代替，但不引起键
性和晶体结构型式发生质变的现象。
例如镁橄榄石 Mg2[SiO4]晶体，其晶格中 Mg2+可以被 Fe2+所
替代占据，由此形成的橄榄石 (Mg,Fe)2[SiO4]晶体。
并且 Mg2+被 Fe2+替代可以任意比例，形成一个系列：
Mg2[SiO4]-----------------------------------Fe2[SiO4]
镁橄榄石 橄榄石混晶或固溶体 铁橄榄石
这种情况称 完全类质同像系列。
但是，在闪锌矿 ZnS中，部分的 Zn2+可被 Fe2+类质同象
替代，其替代量最大只达到原子数的 30.8%,如果代替
量大于 30.8%,闪锌矿的结构将被破坏。
ZnS-------- - - - - - FeS
这种情况称 不完全类质同像系列 。
在类质同像系列的中间产物称类质同像混晶，它是一种固
溶体,
所谓固溶体,是指在固态状态下一种组分溶于另一组分中,
分两种：
（ 1）填隙固溶体
（ 2）替位固溶体 ----类质同像混晶
下面两种情况不能称为类质同像：
1,例如，在白云石 CaMg[CO3]，其 Ca∶ Mg的原子数之比
必须是 1:1，不能写为 （ Ca,Mg） [CO3]
2,例如，金红石 TiO2与锡石 SnO2结构相同，但 Ti与 Sn之间
并没有代替关系。
类质同象的类型：
完全类质同象系列 -----不完全类质同象系列
(前面已经介绍 )
等价类质同象 --------异价类质同象
例如,霓辉石（ Na,Ca） (Fe3+,Fe2+)[Si2O6]
存在两种取代, Na+-----Ca2+ Fe3+------Fe2+
取代后总电价平衡
2．影响类质同象的因素 (条件 )
内因,
? 原子或离子的大小, 大小越接近,越容易发生替代 ;
? 离子的类型和键型, 类型和键型应相同 ;
? 电价平衡, 替代前后电价应平衡,这是先决条件 ; 如果发生异价替
代,则要求同时发生多个替代来达到总电价平衡,
异价替代时电价平衡是主要条件,半径大小退居次要地位,
外因,
? 温度, 高温易发生,低温不易发生,而且还会发生固溶体离溶 ;
? 压力, 高压不易发生 ;
? 组份浓度, 周围环境的某离子浓度越高越容易替代进入晶格,
3、类质同像混晶的分解（固溶体离溶或出溶）
原来均匀混在一起的两个或多个组分，当温度下降或压力提高
等条件下，会发生分离，形成不同组分的多个物相。通常
不同组分的多个物相会形成条带状相间定向排列。如条纹
长石，是由碱性长石（钾、钠长石混晶）出溶成钾长石与
钠长石条带定向排列形成的。
4、研究类质同像的意义：
1）矿物晶体成分变化的主要原因；
2）了解稀有元素的赋存状态；
3）反映矿物的形成条件。
六、同质多像
1、同质多像的概念
同质多像 指：同种化学成分的物质，在不同的条件下形成不
同结构的晶体的现象。这样一些物质成分相同而结构不同的
晶体，则称为 同质多像变体 。
例如：金刚石与石墨,?-石英和 ?-石英 。
2,同质多像变体的转变
一种物质的各同质多像变体均有自己特定的形成条件和稳定
范围 。 当外界条件 （ 主要是温度和压力 ） 改变到一定程度时,
各变体之间会发生转变 。
例如,?-石英 → ?-石英,是在 573?C发生，并且是可
逆的；
文石 ?方解石，是不可逆的。
此外还有：位移型转变（ ?-石英 与 ?-石英）,重建型
转变（金刚石与石墨 ）
一种变体继承了另一种变体之晶形的现象，称为 副象 。
例如, ?-石英 (六方双锥 ) 转变为 ?-石英 后,依然保留六方双锥
形状,
七、型变 (晶变 )
随着成分系列变化,晶体结构也相应发生系列变化,并从渐变
(量变 )到突变 (质变 )的整个过程,
结构渐变过程相当于类质同像,结构突变过程相当于同质多
像,
例如碳酸盐矿物中：
Mg— Fe— Mn— Ca— Sr— Pb— Ba
方解石型结构 文石型结构
同
质
多
像
类质同像 类质同像
八、多 型
1、多型的概念
一种单质或化合物，以两种或两种以上不同层状晶体结构存
在的现象；但组成这些层状结构的结构单元层基本相同，
只是层的叠置方式不同。
是一种特殊的同质多像，一维的同质多像。
2、多型符号
同多形变体之间在结构、物性等方面相差很小，
因此，不同变体属于同一, 种, 晶体，因此，命
名相同，只是前缀一多形符号。
多型符号由两个位构成,2H-MoS2,3R-MoS2，
第一个位上的阿拉伯数字代表多型的重复层数；
第二个位上的字母指示所属的晶系。
九、有序 -无序
1、有序 -无序的概念
有序 — 无序指晶体结构中, 在可以被两种或两种以上的不
同质点所占据的某种位置上, 若这些不同的质点各自有选
择地分别占有其中的不同位置, 相互间成有规则的分布时,
这样的结构状态称为有序态；反之, 若这些不同的质点在
其中全都随机分布, 便称为无序态 。
例如 AuCu3晶体结构，当为无序态时表现为立方面心格
子；当呈有序态时,Au原子只占据立方格子角顶上的特
定位置，立方格子的面心位置则只为 Cu原子所占有 。
2,有序度
结构的有序 — 无序状态用 有序度 表示。有许多计算有
序度的公式，随晶体结构的不同而异。 完全有序 和 完
全无序 结构的有序度则分别为 1和 0。
3,有序 -无序转变
有序 — 无序状态可以转变，从无序 → 有序可自发进行，
叫 有序化。
一般来说，高温无序，低温有序；
有序变体对称性总是低于无序变体；
有序变体的单位晶胞的体积则往往数倍于无序变体。
例如黄铜矿 CuFeS2：高温无序结构为闪锌矿型结构，
等轴晶系；低温有序结构为四方晶系。
本章重点总结,
1 等大球最紧密堆积, 堆积形式,对称性,空隙类型
与数目,最紧密堆积原理在具体晶体结构中应用,
胞林法则前 3条 ;
2 类质同像,同质多像,多型,型变,有序 -无序,这
些概念与现象是说明晶体成分与结构的变化规
律的,这些概念都有内在的联系,要深入理解,并且
这些概念在后续的矿物学的学习中经常出现,希
望大家重视 (课后自学 ).
在第七章中我们研究过晶体内部结构的对称性，是将
晶体内的所有质点按几何点来考虑的。本章的内容要将
晶体内部质点作为原子、离子来考虑了。
一,最紧密堆积原理
将晶体内的质点作为球体来考虑。
因为在离子键和金属键的晶体结构中，离子键和金属
键是没有方向性的，核外电子云的分布是球形，可以作
为球形来考虑。所以对于离子键和金属键的晶体结构，
可以用球体 最紧密堆积原理 来研究。
首先考虑等大球最紧密堆积：
1、堆积过程与基本形式, (CAI课件演示 ) 晶体化学单机版
第 1层堆积,形成两种三角形空隙 B位,C位（第 1层球所在位
置标注为 A）；
第 2层堆积,只能在上述 B位或 C位堆积，不能同时在这两种位
置上堆积,即形成 AB或 AC,AB与 AC是等效的；
第 3层堆积,有可能与第 1层所处的位置完全相同，即形成
ABA堆积形式，也可能与第 1层、第 2层不同位置，形成 ABC
堆积形式；
第 4层、第 5层 …,.堆积,只能在 A,B,C位置上任选一种，不
可能超出这 3种位置，并且不能与最临近的一层相同。
因此，等大球最紧密堆积的基本形式只有两种：
两层重复的 ABABABAB…,.形式；
三层重复的 ABCABCABC…,形式。
如果是,ABACBCACB…,.,则可以认为是由上述
两种基本形式的组合。
不可能 ABCCABBAA…,.,这样就是非紧密堆积。
2、堆积结构的对称性,(CAI课件演示 )晶体化学单机版
BABAB… 所形成的结构为六方原始格子，因此也称
六方最紧密堆积；
? ABCABCABC…,所形成的结构为立方面心格子，因
此也称立方最紧密堆积。
3、堆积结构中的空隙,(CAI课件演示 )晶体化学单机版
等大球最紧密堆积结构中只形成两种空隙：四面体
空隙和八面体空隙。
空隙的分布与数量：一个球周围分布 8个四面体空隙和 6个八
面体空隙,
思考,N个球做最紧密堆积,形成的四面体空隙是多少? 八面体空隙
是多少?
二、配位数与配位多面体
每个原子或离子周围最邻近的原子或异号离子的数目称该原
子或离子的配位数。
将某原子或离子周围的原子或异号离子中心连线形成的多面
体称该原子或离子的配位多面体。
那么，在等大球最紧密堆积结构中，有哪些配位多面体？
对于离子键晶体，我们将半径较大的阴离子视为等大球最紧
密堆积，半径较小的阳离子充填到空隙中，因此，在等大球最
紧密堆积结构中，阳离子的配位多面体为四面体或八面体，配
位数为 4或 6。
对于金属键晶体，可视为同种金属原子的等大球最紧密堆积，
空隙中并不充填原子；因此，原子的配位数为 12，配位多面体
为立方八面体。
(CAI课件演示 )晶体化学单机版
对于非紧密堆积结构，配位数可以是多种多样的。
但总的来说，配位数有如下规则：
1.如果是离子键，则配位数与阴、阳离子的半径比有
关 （为什么？请见下述的鲍林法则） ；
2.如果是共价键，则配位数与原子的电子构形有关。
三、化学键与晶格类型
? 离子晶格：离子键，可作为球体来研究，一般遵循最紧密堆
积原理。鲍林法则对离子晶格做了全面的阐述（见动画演
示）。
? 原子晶格：共价键，有方向性和饱和性，不可作为球体来研
究，不作最紧密堆积。要用到分子轨道理论来研究其结构的
特点。例如金刚石与石墨。
? 金属晶格：金属键，可作为球体来研究，一般遵循等大球最
紧密堆积原理。
? 分子晶格：存在分子基团，内部为共价键，外部为分子键，
分子有具体的形状，一般遵循非球体紧密堆积。
注意：单键型晶格、多键型晶格、过渡型晶格的区别。
（请看 CAI课件 鲍林法则的演示） 晶体化学单机版
四、典型结构分析
许多晶体的结构是等型的，例如：石盐（ NaCl）、方铅矿
(PbS)、方镁石 (MgO)…,，它们具有相同的结构构型，
只是改变了阴、阳离子。我们将这类结构称 典型结构,
并以其中之一的晶体名称来命名，即这种结构统称
,NaCl型结构, 。
此外,有些晶体结构是在典型结构的基础上稍加变形,这类结
构就称为该典型结构的 衍生结构,如黄铁矿 (FeS2)的结构
为 NaCl型结构的衍生结构,因为结构形式是一样的,但用
哑铃状的 [S2]代替了 Cl,
对于典型结构，我们要分析的内容有,
1) 格子类型
2) 堆积形式
3) 配位数与配位多面体连接方式
4), Z”数分析 (即单位晶胞中所含的相当于化学式的,
分子数, )
下次实习课我们具体做。
下面要介绍的是晶体成分、结构发生变化的一些现象。
五、类质同像
1,类质同像的概念
在晶体结构中某离子被其它类似的离子代替，但不引起键
性和晶体结构型式发生质变的现象。
例如镁橄榄石 Mg2[SiO4]晶体，其晶格中 Mg2+可以被 Fe2+所
替代占据，由此形成的橄榄石 (Mg,Fe)2[SiO4]晶体。
并且 Mg2+被 Fe2+替代可以任意比例，形成一个系列：
Mg2[SiO4]-----------------------------------Fe2[SiO4]
镁橄榄石 橄榄石混晶或固溶体 铁橄榄石
这种情况称 完全类质同像系列。
但是，在闪锌矿 ZnS中，部分的 Zn2+可被 Fe2+类质同象
替代，其替代量最大只达到原子数的 30.8%,如果代替
量大于 30.8%,闪锌矿的结构将被破坏。
ZnS-------- - - - - - FeS
这种情况称 不完全类质同像系列 。
在类质同像系列的中间产物称类质同像混晶，它是一种固
溶体,
所谓固溶体,是指在固态状态下一种组分溶于另一组分中,
分两种：
（ 1）填隙固溶体
（ 2）替位固溶体 ----类质同像混晶
下面两种情况不能称为类质同像：
1,例如，在白云石 CaMg[CO3]，其 Ca∶ Mg的原子数之比
必须是 1:1，不能写为 （ Ca,Mg） [CO3]
2,例如，金红石 TiO2与锡石 SnO2结构相同，但 Ti与 Sn之间
并没有代替关系。
类质同象的类型：
完全类质同象系列 -----不完全类质同象系列
(前面已经介绍 )
等价类质同象 --------异价类质同象
例如,霓辉石（ Na,Ca） (Fe3+,Fe2+)[Si2O6]
存在两种取代, Na+-----Ca2+ Fe3+------Fe2+
取代后总电价平衡
2．影响类质同象的因素 (条件 )
内因,
? 原子或离子的大小, 大小越接近,越容易发生替代 ;
? 离子的类型和键型, 类型和键型应相同 ;
? 电价平衡, 替代前后电价应平衡,这是先决条件 ; 如果发生异价替
代,则要求同时发生多个替代来达到总电价平衡,
异价替代时电价平衡是主要条件,半径大小退居次要地位,
外因,
? 温度, 高温易发生,低温不易发生,而且还会发生固溶体离溶 ;
? 压力, 高压不易发生 ;
? 组份浓度, 周围环境的某离子浓度越高越容易替代进入晶格,
3、类质同像混晶的分解（固溶体离溶或出溶）
原来均匀混在一起的两个或多个组分，当温度下降或压力提高
等条件下，会发生分离，形成不同组分的多个物相。通常
不同组分的多个物相会形成条带状相间定向排列。如条纹
长石，是由碱性长石（钾、钠长石混晶）出溶成钾长石与
钠长石条带定向排列形成的。
4、研究类质同像的意义：
1）矿物晶体成分变化的主要原因；
2）了解稀有元素的赋存状态；
3）反映矿物的形成条件。
六、同质多像
1、同质多像的概念
同质多像 指：同种化学成分的物质，在不同的条件下形成不
同结构的晶体的现象。这样一些物质成分相同而结构不同的
晶体，则称为 同质多像变体 。
例如：金刚石与石墨,?-石英和 ?-石英 。
2,同质多像变体的转变
一种物质的各同质多像变体均有自己特定的形成条件和稳定
范围 。 当外界条件 （ 主要是温度和压力 ） 改变到一定程度时,
各变体之间会发生转变 。
例如,?-石英 → ?-石英,是在 573?C发生，并且是可
逆的；
文石 ?方解石，是不可逆的。
此外还有：位移型转变（ ?-石英 与 ?-石英）,重建型
转变（金刚石与石墨 ）
一种变体继承了另一种变体之晶形的现象，称为 副象 。
例如, ?-石英 (六方双锥 ) 转变为 ?-石英 后,依然保留六方双锥
形状,
七、型变 (晶变 )
随着成分系列变化,晶体结构也相应发生系列变化,并从渐变
(量变 )到突变 (质变 )的整个过程,
结构渐变过程相当于类质同像,结构突变过程相当于同质多
像,
例如碳酸盐矿物中：
Mg— Fe— Mn— Ca— Sr— Pb— Ba
方解石型结构 文石型结构
同
质
多
像
类质同像 类质同像
八、多 型
1、多型的概念
一种单质或化合物，以两种或两种以上不同层状晶体结构存
在的现象；但组成这些层状结构的结构单元层基本相同，
只是层的叠置方式不同。
是一种特殊的同质多像，一维的同质多像。
2、多型符号
同多形变体之间在结构、物性等方面相差很小，
因此，不同变体属于同一, 种, 晶体，因此，命
名相同，只是前缀一多形符号。
多型符号由两个位构成,2H-MoS2,3R-MoS2，
第一个位上的阿拉伯数字代表多型的重复层数；
第二个位上的字母指示所属的晶系。
九、有序 -无序
1、有序 -无序的概念
有序 — 无序指晶体结构中, 在可以被两种或两种以上的不
同质点所占据的某种位置上, 若这些不同的质点各自有选
择地分别占有其中的不同位置, 相互间成有规则的分布时,
这样的结构状态称为有序态；反之, 若这些不同的质点在
其中全都随机分布, 便称为无序态 。
例如 AuCu3晶体结构，当为无序态时表现为立方面心格
子；当呈有序态时,Au原子只占据立方格子角顶上的特
定位置，立方格子的面心位置则只为 Cu原子所占有 。
2,有序度
结构的有序 — 无序状态用 有序度 表示。有许多计算有
序度的公式，随晶体结构的不同而异。 完全有序 和 完
全无序 结构的有序度则分别为 1和 0。
3,有序 -无序转变
有序 — 无序状态可以转变，从无序 → 有序可自发进行，
叫 有序化。
一般来说，高温无序，低温有序；
有序变体对称性总是低于无序变体；
有序变体的单位晶胞的体积则往往数倍于无序变体。
例如黄铜矿 CuFeS2：高温无序结构为闪锌矿型结构，
等轴晶系；低温有序结构为四方晶系。
本章重点总结,
1 等大球最紧密堆积, 堆积形式,对称性,空隙类型
与数目,最紧密堆积原理在具体晶体结构中应用,
胞林法则前 3条 ;
2 类质同像,同质多像,多型,型变,有序 -无序,这
些概念与现象是说明晶体成分与结构的变化规
律的,这些概念都有内在的联系,要深入理解,并且
这些概念在后续的矿物学的学习中经常出现,希
望大家重视 (课后自学 ).
