分子晶体和原子晶体

摘要：随着科学技术的发展，晶体在生活中的用途越来越多，如光导纤维就是晶态的二氧化硅，再如水晶，也是生活中常见的晶体。下面我将对各类晶体分类表述。所谓晶体就是具有规则几何外形的固体。晶体之所以能呈多面体外形，主要是因为内部质点在三维空间呈周期性有序排列。

依据粒子间成键微粒不同和作用力不同，可以把晶体简单的分为分子晶体、原子晶体、金属晶体和离子晶体四大类，除了这四大类晶体外还有特殊的混合型晶体。第一大类分子晶体。化学中属于分子晶体的类别较多，总的可分为五类：（1）大多数非金属元素的氢化物，如硫化氢、水、氟化氢、氯化氢、溴化氢和碘化氢等。（2）某些非金属元素的氧化物，如二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、四氧化二氮等。（3）几乎所有的酸，如硫酸、硝酸、亚硝酸、高氯酸、亚硫酸等。（4）部分非金属单质，如氮气、氧气、氢气、氯气等。（5）几乎所有的有机物，如乙醇、乙酸、乙酸乙酯、乙醛等。

分子晶体的构成微粒为分子，那么分子晶体中存在什么样的作用力呢？在分子晶体内部一般存在共价键（稀有气体除外，因为其是单原子分子没有共价键），分子和分子之间是范德华力，个别分子晶体内部分子之间还存在氢键。分子的稳定性与共价键的强弱有关，影响物质的化学性质。而分子晶体的物理性质如熔沸点，硬度等，与分子间作用力有关。分子晶体熔沸点的高低在没有氢键的前提下与两个因素有关：第一，组成和结构相似的前提下，相对分子质量越大，熔沸点越高。碘第二，相对分子质量相似的前提下，分子极性越大，熔沸点越高。

大多数分子晶体有如下结构特征：如果构成分子晶体的微粒之间只有分子间作用力，若以其中的一个分子为中心，其周围有十二个距离相等并且最近的微粒，如氧气和碳六十就具有这样的特征，这一特征称为分子密堆积。然而，有些分子之间还存在另外一种特殊的作用力——氢键，所谓氢键是指已经与电负性很强的原子结合的氢原子与另一个电负性很强的原子之间存在的一种特殊的作用力。氢键比分子间作用力强，但比化学键要若的多。如我们熟悉的冰，水分子之间除了范德华力之外还存在氢键，而且氢键比范德华力强。在冰的晶体中，每个水分子周围只有4个紧邻的水分子。尽管氢键比化学键弱的多，不属于化学键，却跟共价键一样具有方向性，由于氢键具有方向性，迫使在每个水分子周围只能排列四个水分子，呈四面体型。这一排列使冰晶体中水分子的空间利用率大大降低，留有相当大的空隙。当冰刚刚融化为液态水时，分子的热运动使冰的结构部分解体，水分子间的空隙就会减小，密度反而增大，超过4摄氏度时，才由于热运动加剧，分子间距离增大，密度反而减小。

有一种分子晶体叫做干冰，是二氧化碳的固体，千万不要以为也是水！干冰外观很想冰，硬度也跟冰想似，但熔点却比冰低得多，在常温常压下极容易升华。而且， 由于干冰中只存在分子间作用力，不存在氢键，一个分子周围有十二个紧邻的分子，密度比冰的要高。干冰在工业生产中常用作制冷剂。

第二大类是原子晶体。有的晶体微观空间里是不存在分子的，原子晶體就是其中的一大类。在原子晶体里，所有原子之间都是以共价键相互结合的，整块晶体是一个三维空间的立体网状结构，是一个巨分子，也叫“共价晶体”。金刚石是最典型的原子晶体，天然金刚石自发呈现规则多面体外形，结构决定性质，那么金刚石的内部构造也得呈周期性的有序排列。在金刚石晶体中，每个碳原子以四个共价键对称地与相邻的4个碳原子结合，C-C-C夹角为109度28分，即金刚石中的碳取sp3杂化轨道形成共价键。金刚石里C-C共价键的键长为154pm，很短，键能为347.7kJ/mol，很大，这一结构使得金刚石成为自然界中最硬的物质。，而且熔点（大于3550摄氏度）。由此可推出原子晶体的特点：高硬度、高熔点。

自然界里有许多矿物和岩石，他们的主要成分都是二氧化硅，它们也属于典型的原子晶体。二氧化硅在自然界中有许多重要的用途，也是制造人造宝石、玻璃、水泥、单晶硅、芯片、硅光电池和光导纤维的重要原料。

那么哪些晶体属于原子晶体呢？常见的哪些晶体属于原子晶体呢？（1）某些非金属单质，如硼（B）、锗（Ge）、硅（Si）、灰锡（Sn）等。（2）某些非金属化合物，如碳化硅（SiC，俗称金刚砂）、氮化硼等。

如果同为原子晶体怎么比较熔沸点的高低呢？因为破坏原子晶体需要破坏共价键，需要消耗很多能量，键长越短，键能越大，破坏共价键就需要更多的能量，那么熔沸点就越高。例如：如何比较金刚石、金刚砂和晶体硅的熔点高低呢？先从原子半径入手，因为原子半径碳小于硅，所以碳碳键键长小于碳硅键键长，小于硅硅键键长。键能则是与之相反，碳碳键键能大于碳硅键键能，大于硅硅键键能，所以熔点是金刚石大于金刚砂大于晶体硅。

硬度是衡量固体软硬程度的物理量。硬度有不同的标准，最常用的是划痕硬度，即摩氏硬度，以固体相互刻画时出现刻痕的固体硬度较低。金刚石不能被任何天然矿物刻画出痕迹，因而是最硬的。以金刚石的硬度为10，以另外九种矿物为代表，可将摩氏硬度分为10度。

金刚石是最典型的原子晶体，人类把金刚石看做宝石并用于做饰品已有三千余年的历史了。经过琢磨加工的金刚石称为钻石，透光度特别高，特别纯净的金刚石是无色透明的。如果金刚石含有杂质的话则呈蓝、黄、绿、棕、黑等色。钻石的计量方法和普通物品不同，习惯上质量按克拉计算（一克拉等于200mg），超过十克拉就被看做珍品，至今最大的金刚石是"非洲之星"，发现于1906年，质量为3025克拉。我国发现的最大金刚石为"金鸡钻"，质量为281.25克拉，发现于1937年，被日本侵略者掠走，至今下落不明。那么天然金刚石是怎样形成的呢？用同位素断代实验证实，目前存在的所以金刚石至少已有9亿9千岁了，其中最早的已达32亿岁了！天然存在的金刚石实在离地表100～200km深的地幔中形成的。在那里温度和压强都很高，温度约为900～1300摄氏度，压力约我4.5～6.0Pa。天然金刚石是火山爆发时带到地面来的，火山爆发伴随着岩浆，这些岩浆是传输金刚石的介质，它冷却形成的岩石富含钻石。我们知道，在地球表面，石墨比金刚石更稳定，但迅速上升到地表的岩浆迅速冷却，使金刚石不能转化为石墨。在1989年，有科学家估计，携带金刚石的金伯利岩浆上升的速度大约为10～30km，在离地面几千米的高度时速递更高，甚至达到每小时数百千米！

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作者简介：余梦蓝，出生年：1980、省县：河南省永城市 性别：女 职称：助教 主要从事工作：教学