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八面體間隙（結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科中的術(shù)語(yǔ)）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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八面體間隙

結(jié)構(gòu)化學(xué)學(xué)科中的術(shù)語(yǔ)

在八面體型間隙相中，6個(gè)金屬原子構(gòu)成八面體，間隙原子位于八面體中心的間隙位置，具有這種間隙類型的間隙相可以是面心立方、密排六方、正交和體心立方等點(diǎn)陣的碳化物、氮化物以及復(fù)雜面心立方結(jié)構(gòu)的M6C型碳化物等。

基本信息

中文名	八面體間隙
外文名	Octahedron clearance
學(xué)科門類	結(jié)構(gòu)化學(xué)
理論基礎(chǔ)	結(jié)晶學(xué)
應(yīng)用領(lǐng)域	晶體缺陷

晶體結(jié)構(gòu)

晶體是由原子、離子、分子或離子基團(tuán)在空間按一定規(guī)律重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。從晶體中無(wú)數(shù)個(gè)重復(fù)的等同基本單位抽象出來的無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，而且連接其中任意兩點(diǎn)的向i平移后能使這組點(diǎn)復(fù)原，則這組點(diǎn)稱為點(diǎn)陣。

八面體間隙

為了便于理解，將晶胞中的原子或離子看成是具有一定半徑的球體，將原子或離子問的相互結(jié)合看成是球體的相互堆積。當(dāng)原子或離子相互結(jié)合成新化合物時(shí)，要求彼此問的引力和斥力達(dá)到平衡，以使晶體具有最小的內(nèi)能。如圖所示，這在球體堆積中，就要求球體相互間呈最緊密堆積狀態(tài)，這些通稱為球體緊密堆積原理。

由上圖可以看出，在相等大小的球體緊密堆積中，球體間仍然有間隙存在，這種間隙有兩種方式存在，一種是四面體間隙，另一種是八面體間隙。六方緊密堆積和面心立方緊密堆積是兩種最簡(jiǎn)單的堆積方式，其中每個(gè)球所接觸到的同種球個(gè)數(shù)為12，空間利用率即致密度為74.05%，空隙占整個(gè)晶胞體積的25.95%。但是，體心立方排列不屬于緊密堆積，其空間利用率僅為68.02%。

馬氏體結(jié)構(gòu)

馬氏體的形成是由于基體金屬鐵通過切變發(fā)生點(diǎn)陣重構(gòu)。合金元素碳不能擴(kuò)散而全部保留在切變后的晶格內(nèi)部，所以馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，過飽和程度隨鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加。碳位于體心立方晶格的扁八面體間隙中心，如圖所示：

根據(jù)計(jì)算，扁八面體間隙短軸方向上間隙半徑僅為0.019nm，而碳原子半徑為0.077nm，因此，F(xiàn)e的碳溶解度是極小的。碳“擠入”扁八面體間隙中心時(shí)，使扁八面體短軸伸長(zhǎng)，長(zhǎng)軸相應(yīng)收縮，引起點(diǎn)陣畸變，畸變嚴(yán)重時(shí)體心立方點(diǎn)陣變成了體心正方點(diǎn)陣。正方度c/a隨溶碳量的提高而增加．如下圖示，點(diǎn)陣常數(shù)與馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系。因此，可以通過測(cè)定正方度來確定馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

奧氏體

奧氏體學(xué)名叫γ-Fe，為面心立方結(jié)構(gòu)，存在八面體間隙和四面體間隙。八面體間隙比四面體間隙大，間隙原子處于八面體間隙中心，即處于面心立方晶胞的體心和棱邊的中心，如下圖所示：

晶胞中的八面體間隙數(shù)為4，理論上一個(gè)晶胞可以溶人4個(gè)間隙原子，即碳在γ-Fe中的最大溶解度為50%(摩爾分?jǐn)?shù))，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%。實(shí)際上，即使在1147℃，碳在奧氏體中的最大溶解度也只有2.11%。因?yàn)榘嗣骟w間隙半徑僅為0.52nm，而碳的原子半徑為0.077nm。所以．碳是強(qiáng)行“擠入”到γ-Fe的晶格間隙中，造成點(diǎn)陣畸變，使鄰近間隙繼續(xù)溶碳困難。事實(shí)上，只有約2.5個(gè)晶胞才能溶人一個(gè)碳原子。碳在八面體間隙位置也是隨機(jī)的，呈統(tǒng)計(jì)性均勻分布，且存在濃度起伏。間隙原子的存在，使奧氏體晶胞膨脹，點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生變化。隨溶碳量的增加，點(diǎn)陣常數(shù)變大．如下圖所示，

可以通過測(cè)量奧氏體點(diǎn)陣常數(shù)的變化來確定奧氏體中的碳含量。置換原子也會(huì)引起奧氏體晶格畸變和點(diǎn)陣常數(shù)變化，但變化相對(duì)較小。奧氏體組織形態(tài)與奧氏體化前的原始組織、加熱溫度及加熱轉(zhuǎn)變程度等有關(guān)，通常是由等軸狀多邊形晶粒組成，晶界較為平直。有的奧氏體晶內(nèi)可能存在相變孿晶面。

氧化物晶體

AB型化合物

面心立方NaCl型結(jié)構(gòu)，正、負(fù)離子比r/r為0.732～0.414，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖所示：

從離子堆積來看，半徑較大的氯離子呈面心立方緊密堆積，鈉離子填充其所有的4個(gè)八面體空隙，配位數(shù)均為6，靜電鍵強(qiáng)度為1/6。從配位多面體來看，整個(gè)NaCl晶體是配位八面[NaCl]以共用棱的方式整齊地堆積起來的。

AB2型化合物

四方晶金紅石 TiO2型結(jié)構(gòu)屬于AB型化合物，正、負(fù)離子半徑比為0.732～0.414，屬于四方晶結(jié)構(gòu)。Ti離子占據(jù)晶胞頂點(diǎn)和體心位置，6個(gè)O離子構(gòu)成八面體將Ti離子包圍起來，因此，Ti離子和O離子的配位數(shù)分別為6和3，其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖所示：

A2B3型化合物

AB型化合物大多數(shù)為離子型化合物，剛玉為其中最典型的一種。α-AlO是三方晶體結(jié)構(gòu)如圖所示，正、負(fù)離子半徑比為0.432，O離子呈六方緊密堆積，Al離子則填充在其八面體間隙中，但只填了2/3的間隙，即每一個(gè)晶胞中有4傘Al離子進(jìn)人間隙。正、負(fù)離子配位數(shù)分別為6和4。這就降低了AlO晶體的對(duì)稱性，因此得到三方晶體而不是六方晶體。

ABO3型化合物

鈣鈦礦(CaTiO)型結(jié)構(gòu)屬于ABO型化合物，O離子和較大的正離子A(如Ca，Ba等)呈立方密堆排列，而較小的正離子B(Ti，zr等)則填充在1/4八面體間隙中。其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖所示，A，B，O離子配位數(shù)分別為12，6，6。屬于這種結(jié)構(gòu)的重要礦物有CaTiO，BaTiO，SrTiO，PbTiO，PbZrO，Pb(Zr，Ti)O，即PZT等具有鐵電性質(zhì)的晶體。

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