瑩石結構

螢石(Fluorite),又稱氟石, 是一種礦物,其主要成分是氟化鈣(CaF2) ,含雜質較多,Ca常被Y和Ce等稀土元素替代,此外還含有少量的Fe2O3 ,SiO2和微量的Cl,O3,He等。自然界中的螢石常顯鮮艷的顏色,硬度比小刀低。它可以用於製備氟化氫:CaF2 + H2SO4 = CaSO4+ 2HF↑;在人造螢石技術尚未成熟前,是製造鏡頭所用光學玻璃的材料之一。(詳見螢石)

CaF2(螢石)型結構

CaF2晶體屬立方晶系,面心立方格子。

F-填充在八個小立方體中心,8個四面體全被占據,八面體全空(有1+12*1/4=4個八面體空隙,其中有12個位於棱的中點,為4個晶胞所共用,1個位於體心)

具體結構可以參看:http://chem.xmu.edu.cn/teach/clhx/clhxdr1/clhxdl/%B5%DA%B6%FE%C6%AA/4_3.htm

Pauling第一規則,r+/r- = 0.75 > 0.732,CN+ = 8,所以Ca2+配位多面體形狀是立方體,F-位於頂角,Ca於體心。配位多面體是以共棱關係連線。

Pauling第二規則,Ca2+靜電鍵強度S=2/8=1/4,故每個F-必須與4個Ca2+形成靜電鍵,即F-應該位於Ca2+的四面體中。

為了便於把CaF2晶體的結構與對稱特點顯露出來,通常將Ca2+看成“立方緊密堆積”,F-占據全部四面體空隙。由於F-半徑大,Ca2+不可能相互接觸。

CaF2晶體結構中,由於以Ca2+形成的“緊密堆積”中,全部八面體空隙都沒有被填充,也就是說8個F-之間形成了一個“空洞”,結構比較開放,有利於形成負離子填隙,也為負離子擴散提供了條件。在螢石型結構中,往往存在負離子擴散機制,並且是主要機制。立方ZrO2屬螢石型結構,常被用作測氧感測器探頭、氧泵、固體氧化物燃料電池中的電解質材料等,被稱作固體快離子導體,就是因為ZrO2晶體中具有氧離子擴散傳導的機制,在900~1000°C間O2-電導率可達0.1 S/cm。

除了ZrO2之外,屬於螢石型結構的晶體還有UO2、ThO2、CeO2、BaF2、PbF2、SnF2等。

ZrO2有3種晶型:單斜相、四方相和立方相。單斜ZrO2的結構類似於螢石型結構,存在扭曲和變形,此時r+/r-=0.6087,Zr4+以8配位結構方式存在是不穩定的,經實驗證明,其配位數為7。

當在螢石型結構中正、負離子位置全部互換,就得到反螢石型結構,它並沒有改變結構形式,只是正、負離子位置對調,如Li2O、Na2O、K2O等。其中Li+、Na+、K+占有螢石結構中的F-位置,而O2-占據Ca2+的位置。

CaF2熔點較低,在玻璃工業中可用作助熔劑,也有用作晶核劑。螢石中質點之間的鍵力較NaCl強,反應在其性質上,就是螢石的硬度稍高,為莫氏4級,熔點達 1410°C,在水中溶解度小。在(111)面上存在著相互毗鄰的同號負離子層,因靜電斥力導致晶體平行於(111)方向發生解理,故螢石常呈八面體解理。

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