物質(zhì)晶體空間結(jié)構(gòu)的分析

郭越

一、原子晶體

原子晶體是原子間通過共價(jià)健結(jié)合而成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。

1.金剛石晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子上有4個(gè)“C-C”鍵，由“C-C”鍵形成的最小環(huán)中有6個(gè)碳原子，通過每個(gè)碳原子可形成12個(gè)最小六元碳環(huán)，“C-C”鍵之間的夾角為109°28′。

2.單晶硅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與金剛石相同，每個(gè)硅原子上有4個(gè)“Si-Si”鍵，由“Si-Si”鍵形成的最小環(huán)中有6個(gè)硅原子，通過每個(gè)硅原子可形成12個(gè)最小六元硅環(huán)，“Si-Si”鍵之間的夾角為109°28′。

3.碳化硅晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與金剛石相似，每個(gè)碳原子上有4個(gè)“C-Si”鍵，每個(gè)硅原子上有4個(gè)“Si-C”鍵，由“C-Si”鍵形成的最小環(huán)中也有6個(gè)原子：3個(gè)碳原子，3個(gè)硅原子，通過每個(gè)硅原子或碳原子亦能形成12個(gè)最小六元環(huán)，“Si-C”鍵之間的夾角都是109°28′，化學(xué)式：SiC。由于“C-C”鍵的鍵長(zhǎng)最短，鍵能最大，“C-Si”鍵的鍵長(zhǎng)、鍵能次之，而“Si-Si”鍵的鍵長(zhǎng)最長(zhǎng)，鍵能最小，所以三種晶體的熔沸點(diǎn)高低順序是：金剛石>碳化硅>單晶硅。

4.二氧化硅晶體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)硅原子上有4個(gè)“Si-O”鍵，每個(gè)氧原子上有2個(gè)“O-Si”鍵，由Si-O鍵形成的最小環(huán)中有12個(gè)原子——6個(gè)硅原子，6個(gè)氧原子，通過每個(gè)硅原子形成12個(gè)最小12元環(huán)，且“Si-O”鍵之間的夾角也是109°28′。

5.石墨為片狀層結(jié)構(gòu)的過渡型晶體，每層由正六邊形邊成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)六元環(huán)占有的碳原子份數(shù)6×1/3=2（個(gè)），平均“C-C”鍵數(shù)6×1/2=3（個(gè)），碳原子的最外層電子只成鍵3個(gè)，剩余1個(gè)電子在層與層之間共用。

6.單晶硼網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，以B12正二十面體為基本結(jié)構(gòu)單元，由12個(gè)硼原子組成，有二十個(gè)等邊三角形和12個(gè)頂點(diǎn)，每個(gè)硼原子與鄰近5個(gè)硼原子等距離，結(jié)構(gòu)單元B12中每個(gè)三角形占有的硼原子份數(shù)為3/5，B12二十面體中棱數(shù)（B-B鍵數(shù)）為12×5×1/2=30，或由歐拉定律求解：棱數(shù)=頂點(diǎn)數(shù)+面數(shù)-2=12+20-2=30。結(jié)構(gòu)單元如圖1所示。

圖1二、分子晶體

形成分子晶體的微粒是分子，而分子中各原子的空間排布是不同的。

1.CH4分子正四面體，“C-H”鍵之間的夾角109°28′，由此分子可聯(lián)想到正四面體的分子或離子：CH4、SiF4、ClO-4、SO2-4、PO3-4、SiO4-4、NH+4等。

CH2=CH2分子為平面型分子，2個(gè)碳原子與4個(gè)氫原子在同一平面上，鍵角為120°，由此分子推斷出CH2=CHCH=CH2的分子中各原子在同一平面上。

C2H2分子為直線型分子，由此聯(lián)想到CO2、CS2等分子為直線分子。

分子為平面正六邊形結(jié)構(gòu)，6個(gè)碳原子與6個(gè)氫原子都在同一平面上，鍵角 120°。 等電子體的“無機(jī)苯”N3B3H6的分子結(jié)構(gòu)與苯分子結(jié)構(gòu)相似，所有原子在同一平面上，分子結(jié)構(gòu)為： 〖1〗B〖2〗N〖3〗B〖4〗N〖5〗B〖6〗NHHHHHH

由CH2=CH2，HC≡CH分子結(jié)構(gòu)可推斷出H2CCH—CHCCCFCHCH2的所有原子可能在同一平面上。由以上可以得出結(jié)論：有機(jī)物分子中，碳碳鍵如果全部是飽和單鍵，則每個(gè)碳原子與其他4個(gè)碳原子形成四面體結(jié)構(gòu)；碳碳鍵如果是飽和單鍵與不飽和鍵（雙鍵或三鍵）交替形成，則分子中的原子可能在同一平面上。

2.P4分子結(jié)構(gòu)是一個(gè)內(nèi)空的正四面體，每個(gè)磷原子都有三個(gè)“P-P”鍵，每個(gè)P4分子共有6個(gè)“P-P”鍵，四個(gè)正三角形，依據(jù)P4分子結(jié)構(gòu)可推斷其氧氣氧化的實(shí)質(zhì)：白磷（P4）分子中每個(gè)“P-P”鍵被氧化時(shí)斷裂而嵌入氧原子，生成P4O6。P4O6分子中每個(gè)磷原子上還有一對(duì)孤對(duì)電子，可繼續(xù)被氧氣氧化成P4O10，或白磷（P4）在充足的O2中燃燒生成P4O6。P4O6、P4O10最小環(huán)為6個(gè)原子的稠環(huán)化合物。

3.C60、C70、N60、N70分子都是形如球狀的多面體，分子中的每個(gè)碳或氮原子只跟相鄰的3個(gè)碳原子或氮原子形成化學(xué)鍵（一個(gè)雙鍵，兩個(gè)單鍵）。（1） C60等分子中通過五邊形，六邊形連接成球面，每個(gè)五邊形占有的原子份數(shù)：1/3×5=5/3，平均棱數(shù)：1/2×5=5/2；每個(gè)六邊形占有的原子份數(shù)：1/3×6=2，平均棱數(shù)：1/2×6=3。（2） C60、N60分子中棱邊數(shù)：60×3×1/2=90；C70、N70分子中棱邊數(shù)：70×3×1/2=105；（3） C60、N60分子中五邊形、六邊形數(shù)。設(shè)五邊形數(shù)a，六邊形數(shù)為b，則

5a/3+2b=60

60+（a+b）-90=2（歐拉定律）

解之得： a=12

b=20

同理C70、N70分子中五邊形數(shù)12，六邊形數(shù)25。

三、離子晶體

根據(jù)離子晶體中的最小重復(fù)單位——晶胞，可求化學(xué)式及陰、陽離子個(gè)數(shù)比，方法如下：

（1）處于頂點(diǎn)的離子同時(shí)為8個(gè)晶胞共有，每個(gè)離子給每個(gè)晶胞的貢獻(xiàn)是1/8；

（2）處于棱上的離子同時(shí)為4個(gè)晶胞共有，每個(gè)離子給每個(gè)晶胞的貢獻(xiàn)是1/4；

（3）處于面上的離子同時(shí)為2個(gè)晶胞共有，每個(gè)離子給每個(gè)晶胞的貢獻(xiàn)是1/2；

（4）處于晶胞內(nèi)部的離子屬于該晶胞。

（收稿日期：2016-02-10）