立方最密堆积有两种空隙:八面体与四面体空隙。四面体空隙由一个顶角原子与三个面心原子围成,空隙数目为8,均位于晶胞内部,是面心立方原子数4的2倍。八面体空隙由六个面心原子围成,或由8个四面体空隙围成。晶胞内部有1个八面体空隙,棱边中心各有1个八面体空隙。一个立方最密堆积拥有的八面体空隙数为1+12×1/4=4个,与面心立方原子数4相同。故立方最密堆积晶胞原子个数∶八面体空隙数∶四面体空隙数=4∶4∶8。
由于立方硫化锌结构可看作S原子作立方最密堆积、Zn原子占据一半四面体空隙形成,填隙时Zn原子互相间隔开,使填隙四面体不会出现共面连接或共边连接,降低了Zn原子之间排斥力,有利于体系稳定。由于Zn原子占据一半四面体空隙,故立方硫化锌结构中Zn原子与S原子个数比为4:4 = 1∶1。Zn和S之间按四面体的方式成键。
(2)六方硫化锌又名纤锌矿,其结构可看作S原子作六方最密堆积、Zn原子占据一半四面体空隙形成。六方最密堆积的晶胞拥有的原子个数:4×1/6+4×1/12+1=2
六方硫化锌结构图示
六方晶胞有两种空隙:八面体与四面体空隙。任何四个相切的球围成一个正四面体空隙。两个四面体空隙均在晶胞内部;其余四面体空隙由晶胞顶点八个球分别与中间层围成,两个四面体共面连接成三方双锥形,中心落在与c轴平行的四条棱边上,一个晶胞的正四面体空隙数为2+4×1/3+4×1/6=4个。
三维堆积时若同一个密置层相切的三个球体若与相邻的另一密置层三个相切的球体空隙对应(中间没有球体),这六个球将围成正八面体空隙,晶胞内部在第一与第二、第二与第三密置层共面形成2个正八面体。故六方最密堆积晶胞原子个数∶八面体空隙数∶四面体空隙数=2∶2∶4。
由于六方硫化锌结构可看作S原子作六方最密堆积、Zn原子占据一半四面体空隙形成,填隙时Zn原子互相间隔开,使填隙四面体不会出现共面连接或共边连接,降低了Zn原子之间排斥力,有利于晶体稳定。
由于Zn原子只占据一半四面体空隙,故六方硫化锌结构中Zn原子与S原子个数比为2∶2=1∶1。一个六方硫化锌晶胞含2个“ZnS”微粒。Zn和S都按四面体的方式成键。
闪锌矿结构中,各化学键键长相同。而纤锌矿结构中,一个原子与其临近原子形成的键长不同,沿竖直方向的键长大于其他三个键长。
键长示意图,左为闪锌矿,右为纤锌矿
硫酸铵晶体的结构及应用
一直以来,人们认为铵盐晶体中铵根和酸根离子之间是通过共价键结合的。但通过X射线衍射实验发现,1个(NH4)2SO4晶胞中含有4个硫酸根离子和8个铵根离子。实验测得,“H•••O”原子间的距离为199pm,小于H和O的范德华力之和272pm,大于H—O共价键的键长96pm,说明二者之间的作用力大小在范德华力(分子间作用力)和共价键之间,且N—H与H•••O之间的角度为156°,也符合形成氢键的条件。由此可知,铵根离子或硫酸根离子之间存在氢键(N—H•••O)。