岩盐结构
把一粒食盐放在放大镜下,你会看到一个个完美的小立方体。这种立方外形并非偶然——它是整个无机化学中最著名的排列、即岩盐结构(以 NaCl 的矿物形态命名)的外在标志。它是多数人初学离子晶体时最先遇到的图景,也有几十种化合物照搬这一排列。
想象氯离子排成立方密堆积——一个面心立方阵列。现在把每一个八面体空隙都填上一个钠离子。结果异常对称:每个钠被六个氯环绕、位于一个八面体的六个顶角,每个氯也同样被六个钠环绕。我们说它是 6:6 配位。换个等价的看法:两套相互穿插的面心立方点阵,一套是 Na+、一套是 Cl-,彼此错开半个晶胞棱长。晶胞是立方的,含四个 NaCl 化学式单元(Z = 4),这个数目正是把顶角、棱、面上的离子在相邻晶胞间分摊后得到的。
凡是离子大小较为匹配的 1:1 化合物,许多都采用岩盐结构:大多数碱金属卤化物(LiCl、NaCl、KBr 等)、卤化银 AgF/AgCl/AgBr、镁钙等的氧化物与硫化物(MgO、CaO、MnS),以及许多过渡金属一氧化物(FeO、NiO)。当半径比把阳离子置于偏好六配位的区间时,岩盐结构就受青睐。若阳离子太大(CsCl)或太小(ZnS),别的结构便胜出——所以岩盐只是这一系列选择中的一个分岔,而非唯一选项。
氧化镁 MgO 采用岩盐结构,Mg2+ 与 O2- 都是六配位。由于两种离子都带双电荷(不像 NaCl 是单电荷),静电吸引强得多,于是 MgO 的熔点接近 2850 摄氏度,而 NaCl 仅 801 度——同一结构,因离子电荷不同而牢固程度迥异。
MgO 与 NaCl 同属岩盐结构,但翻倍的离子电荷使 MgO 难熔得多。
岩盐是 6:6 配位,不同于 CsCl 的 8:8。两者虽都是 1:1 立方却不相同——化合物采用哪一种主要取决于半径比,较大的 Cs+ 偏好八个邻居。