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晶格和晶胞

在固态化学领域，理解晶格和晶胞的性质对于理解固体的结构和性质至关重要。这些概念是理解原子和分子如何在空间中排列形成我们日常生活中遇到的物质的关键，从食盐到钻石。在本课程中，我们将使用简单的语言和说明性示例来探索晶格和晶胞的详细性质。

晶格是什么？

晶格是晶体固体中原子或分子的三维排列。可以将其想象成一个网格，其中网格上的每个点代表一个原子或原子组的位置。整个晶格是一个以所有方向延伸的重复、有序的图案。

想象一个简单结构如氯化钠（NaCl）的晶格。在NaCl中，每个钠离子（Na⁺）被六个氯离子（Cl⁻）包围，反之亦然，呈立方体结构排列。我们可以如下表示此排列：

在此图示中，绿色方块代表钠离子，黄色方块代表晶格中的氯离子。

基本术语

在深入探讨之前，有必要熟悉一些有关晶格的术语：

点阵：对应于晶体中原子位置的三维排列的点组成。
基：与晶格中的每个点相关联的原子或原子组。
配位数：围绕给定原子的最近邻原子数。
晶格参数：定义如晶胞的边长和边之间的角度。

晶胞：晶体的构造单元

晶胞是晶格中最小的重复单位，当在各个方向上组合在一起时，可以重新创造出完整的晶格。它包含有关晶格的所有结构信息，并可以无限期重复以形成完整的结构。

有七种独特的晶体系统根据其几何属性定义了不同的晶胞。这些系统包括：

立方体
正方形
正交（或矩形）
菱形（或三角形）
六角
单斜
三斜

立方晶体系统

立方系统是最简单和对称性最高的之一。它由边长相同且所有角度均为90度的单元格组成。NaCl等例子属于面心立方结构（FCC），其中钠和氯原子形成。

让我们来看一个简单的立方晶胞：

在这里，线条代表立方体的边，顶点（角）是晶格点的特定位置。

晶胞的类型

根据原子相对于单元格的边和面的排列和位置，晶胞可以存在不同类型。主要类型是：

简单立方体（SC）

在简单立方体结构中，原子仅位于立方体的角上。协调数为6，意味着每个原子触碰六个其他原子。例子包括钋的结构。

体心立方（BCC）

体心立方排列每个立方体角上有一个原子，立方体中心还有一个额外的原子。协调数为8。像铁和钨这样的金属是常见的例子。

在此表示中，红色圆圈代表角上的原子，蓝色圆圈代表单元格中心的额外原子。

面心立方（FCC）

在面心立方结构中，原子位于立方体的每个角和每个面的中心。协调数为12，提供了高包装效率。这种配置在铝、铜和金等金属中很常见。

这里，红色圆圈表示角上的原子，而蓝色圆圈表示在每个面中心的原子。