金红石二氧化钛晶体结构分析

2025-03-10 08:14:38

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回答1：

提问不明确。下面是在网上搜索的关于金红石型TiO2的一些基础知识。如果你想仔细分析TiO2的晶体结构，可以看看一些书籍，比如《结晶学与矿物学》。还有一个很好的网站，应该是在国内晶体学方面做得最好的：http://www.crystalstar.org/Index.html。
金红石（Rutile）
TiO2
[晶体化学] 常含Fe2+、Fe3+、Nb5+、Ta5+、Sn4+等类质同像混入物，有时含Cr3+或V3+。多为异价替代，常见方式有2Nb5+(Ta5+)+ Fe2+—3Ti4+，Nb5+(Ta5+)+ Fe2+—Ti4++ Fe3+等。当Nb5+或Ta5+以1:1的方式替代Ti4+时，可能会导致晶格中的阳离子缺席。
富铁变种称为铁金红石；富含Nb、Ta的变种，当Nb>Ta时称铌铁金红石；Ta>Nb时称钽铁金红石。
[结构与形态] 四方晶系，a0=0.458nm，c0=0.295nm；Z=2。金红石型结构，为AX2型化合物的典型结构。O2-作近似六方最紧密堆积，Ti4+填充其半数的八面体空隙。Ti4+占据晶胞的角顶和中心，Ti与O分别为6次和3次配位，[TiO6]八面体共棱联结成∥c轴的链，链间八面体共角顶。
三种同质多像变体金红石、板钛矿、锐钛矿的结构都由[TiO6]八面体组成。所不同的是，在这三种结构中[TiO6]八面体分别共两棱、三棱和四棱。根据鲍林法则，配位多面体共棱、共面会降低结构的稳定性，因此，三种变体中以金红石分布最广。
复四方双锥晶类，D4h-4/mmm（L44L25PC）。常具完好的四方柱状或针状晶形。常见单形：四方柱m{110}、a{100}，四方双锥s{111}、e{101}，有时见复四方柱r{320}、h{120}和复四方双锥z{321}。晶体常具∥c轴的柱面条纹。常以（011）为双晶面成膝状双晶、三连晶或环状双晶；针状、纤维状晶体有时作为包裹体见于透明水晶中。有时成致密块状集合体。晶形与形成条件有关。在伟晶岩中，常呈双锥状、短柱状；而在金红石-石英脉中，快速结晶时则为长柱状、针状晶形。
[物理性质] 常见暗红、褐红色，黄、桔黄色者稀见，富铁者黑色；条痕浅黄至浅褐色；金刚光泽，铁金红石半金属光泽。解理∥{110}完全，∥{100}中等；裂开∥{092}和{011}。硬度6~6.5。性脆。相对密度4.2~4.3，富铁或铌、钽者可增高至5.5以上。
偏光镜下：大多为浅红、淡黄、紫色。多色性不显著。No黄至褐黄色；Ne褐黄至黄绿色。含有Nb、Ta、Fe的变种颜色变深，多色性显著。一轴晶(+)。No=2.616，Ne= 2.903。人工合成纯金红石，No=2.605，Ne=2.901。
[产状与组合] 一般在高温下形成。最主要产状为热液金红石－石英脉型和伟晶型。在伟晶型中可成巨晶。在区域变质过程中，金红石常由含钛矿物（如钛铁矿）转变而成，见于角闪岩、榴辉岩、片麻岩和片岩中。金红石化学性质稳定，因而常发现于砂矿床中。
[鉴定特征] 四方柱晶形，膝状双晶，带红的褐色，柱面解理完全为其特征。
[工业应用] 主要用作颜料工业、光学材料、宝石原料，以及制作介电陶瓷等。
颜料工业：以其制取的纯TiO2粉称钛白粉。金刚光泽。一轴晶(+)，高折射率，No=2.605~2.613，Ne=2.899~2.901。高反射率：Ro:21.0~21.1(470nm)，19.8~20.0 (546nm)，19.4~19.6(589nm)，18.8~19.1(650nm)；Re:24.0~24.6(470nm)，23.0~23.5 (546nm)，22.3~23.0(589nm)，22.0~22.6(650nm)。高介电常数和明显的介电各向异性，介电常数k在∥c轴为173，⊥c轴为89。钛白粉具有高白度、高折射率和散射能力，在白色颜料中占90%以上，主要用于涂料、造纸、橡胶工业，占总消费量的85%以上。其中涂料用钛白粉约占钛白粉总消量的1/2。钛白粉对紫外光波段具有强吸收效应，常用作防晒化妆品的添加剂。此外，钛白粉还用于化学纤维、玻璃、陶瓷工业。
TiO2颜料分为金红石型和锐钛矿型。前者为微淡色泽，相对密度3.9~4.2，折射率2.71，吸油率16~48g/100g，平均粒径0.2~0.3μ；后者为冷蓝白色，相对密度3.7~ 4.1，折射率2.55，吸油率18~30g/100g，平均粒径0.18~0.3μ。
光学材料：金红石单晶具有特殊的透光性能。在波长1~5μm范围内的折射率为2.5~ 2.3，大致相当于常用探测器材料（Ge、Si、InSb、PbS等）和空气折射率的几何平均值。故作为元件窗口或前置透镜时可使反射损失显著减小。2mm厚的单晶薄片在0.43~6.2μm波长范围内是透明的。300nm厚的金红石单晶薄膜能将可见光反射掉42%，透过57%，可作无损而又耐久的分束器。
其它应用：金红石具高介电系数，可以耐10(12)频率级的超高频。含TiO2的陶瓷是一种优良的高频介电材料。金红石还是一种重要的高温隔热涂层材料。作为隔热材料使用时，要求矿物纯度高，结构为金红石型，铁杂质含量低，晶格常数较大，反射率较高，辐射系数较低，微波介电常数较高，介电损耗较低。美观的金红石单晶可作宝石。

回答2：

我来回答吧。
锐钛矿和金红石型TiO2的主要区别在于八面体的畸变程度和相互连接的方式不同。在金红石型的晶相中的八面体显示轻微的正交矢阵；在锐钛矿型晶相中的八面体扭曲较为明显，使它的对称低于正交。锐钛矿相的Ti-Ti间距(0.379nm，0.304nm)比金红石相 (0.357nm，0.396nm)的大，Ti-O间距(0.1934nm，0.1980nm)小于金红石相(0.1949nm，0.1980nm)。金红石相中的每个八面体与周围10个八面体相联(四个共边，四个共顶角)，而锐钛矿相与周围8个八面体相联(四个共边，四个共顶角)，这些结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿相的质量密度(3.894g.cm-3)略小于金红石相(4.250g.cm-3)，带隙(3.2eV)略大于金红石相(3.0eV)。它们在光电化学性质上存在差异，金红石相TiO2对O2的吸附能力较差，比表面积较小，因而电子和空穴容易复合，光电活性受到一定的影响。锐钛矿型TiO2表面对O2的吸附能力较强，比表面积较大，光生电子和空穴容易分离，这些因素使得锐钛矿型TiO2光催化活性高。目前研究也认为锐钛矿型结构的TiO2具有广阔的光催化应用前景。

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