1. Cu、Fe交错
一种CuFeS2(黄铜矿)的四方晶系晶胞结构如图。
如果将该晶体中的所有Cu改成Fe(或所有Fe改成Cu),则该晶胞的上下一半就是一个立方FeS(或CuS)晶胞。该“立方FeS晶胞”涉及14个Fe原子,形成面心立方,然后在由Fe构成的8个正四面体中交错嵌入4个S,情况类似ZnS晶体。配位数为4对4。
回到Fe、Cu各半、位置交错的黄铜矿。该“长方”晶胞涉及13个Cu原子,8个顶点,4个在面上(中上部前后与中下部左右各1),1个在胞内(中心),实含Cu原子1+2+1=4个。
涉及Fe原子10个,4个在棱边(晶胞上下之中间),6个分别在6个面上,实含Cu原子1+3=4个。
涉及S原子8个,全部在胞内(均不在长方晶胞的中间垂直切面上),实含8个。
该晶胞的化学式为Cu4Fe4S8,CuFeS2正是该化合物的最简比例式。
亦可见将图中的所有Cu、Fe原子对换,仍是原黄铜矿晶体晶胞。
2.配位数
图中可见S的配位数为4(Cu和Fe各2个)。
看晶胞右面上的那个Cu原子,目前跟它配位的S原子有2个,但该Cu原子属于两个晶胞,加上右面的晶胞可见与Cu配位的S有4个。
(与顶点上的Cu相邻的S似有8个,实际等距离的S只有交错的4个。)
看底面中心那个Fe原子,目前与它配位的S原子有2个,在该晶胞之下的另一个晶胞中还有对称的2个,所以S对Fe的配位数实为4。
对照“立方FeS晶胞”,CuFeS2晶胞中S对Cu、Fe的配位数仍为4,Cu、Fe对S的配位数就由4改成了2+2。
3.化合价
取S为-2价(S2-),则Cu、Fe的化合价之和为+4。有人认为Fe为+3,Cu为+1(注意到Cu的原子半径本来就比Fe原子大,128pm>124pm)。也有人认为Fe3+与S2-同居共眠不合理,Fe与Cu都是+2价。还有人认为Fe有部分+2部分+3,Cu有部分+2部分+1。
还有人认为,只要化合价代数和为零即可,爱咋咋地,较那个真既没空也没啥意思。
(敬请参见拙文《关注晶胞“所涉”微粒数》)