分子晶體和原子晶體

摘要：隨著科學技術的發(fā)展，晶體在生活中的用途越來越多，如光導纖維就是晶態(tài)的二氧化硅，再如水晶，也是生活中常見的晶體。下面我將對各類晶體分類表述。所謂晶體就是具有規(guī)則幾何外形的固體。晶體之所以能呈多面體外形，主要是因為內部質點在三維空間呈周期性有序排列。

依據(jù)粒子間成鍵微粒不同和作用力不同，可以把晶體簡單的分為分子晶體、原子晶體、金屬晶體和離子晶體四大類，除了這四大類晶體外還有特殊的混合型晶體。第一大類分子晶體?；瘜W中屬于分子晶體的類別較多，總的可分為五類：（1）大多數(shù)非金屬元素的氫化物，如硫化氫、水、氟化氫、氯化氫、溴化氫和碘化氫等。（2）某些非金屬元素的氧化物，如二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、四氧化二氮等。（3）幾乎所有的酸，如硫酸、硝酸、亞硝酸、高氯酸、亞硫酸等。（4）部分非金屬單質，如氮氣、氧氣、氫氣、氯氣等。（5）幾乎所有的有機物，如乙醇、乙酸、乙酸乙酯、乙醛等。

分子晶體的構成微粒為分子，那么分子晶體中存在什么樣的作用力呢？在分子晶體內部一般存在共價鍵（稀有氣體除外，因為其是單原子分子沒有共價鍵），分子和分子之間是范德華力，個別分子晶體內部分子之間還存在氫鍵。分子的穩(wěn)定性與共價鍵的強弱有關，影響物質的化學性質。而分子晶體的物理性質如熔沸點，硬度等，與分子間作用力有關。分子晶體熔沸點的高低在沒有氫鍵的前提下與兩個因素有關：第一，組成和結構相似的前提下，相對分子質量越大，熔沸點越高。碘第二，相對分子質量相似的前提下，分子極性越大，熔沸點越高。

大多數(shù)分子晶體有如下結構特征：如果構成分子晶體的微粒之間只有分子間作用力，若以其中的一個分子為中心，其周圍有十二個距離相等并且最近的微粒，如氧氣和碳六十就具有這樣的特征，這一特征稱為分子密堆積。然而，有些分子之間還存在另外一種特殊的作用力——氫鍵，所謂氫鍵是指已經(jīng)與電負性很強的原子結合的氫原子與另一個電負性很強的原子之間存在的一種特殊的作用力。氫鍵比分子間作用力強，但比化學鍵要若的多。如我們熟悉的冰，水分子之間除了范德華力之外還存在氫鍵，而且氫鍵比范德華力強。在冰的晶體中，每個水分子周圍只有4個緊鄰的水分子。盡管氫鍵比化學鍵弱的多，不屬于化學鍵，卻跟共價鍵一樣具有方向性，由于氫鍵具有方向性，迫使在每個水分子周圍只能排列四個水分子，呈四面體型。這一排列使冰晶體中水分子的空間利用率大大降低，留有相當大的空隙。當冰剛剛融化為液態(tài)水時，分子的熱運動使冰的結構部分解體，水分子間的空隙就會減小，密度反而增大，超過4攝氏度時，才由于熱運動加劇，分子間距離增大，密度反而減小。

有一種分子晶體叫做干冰，是二氧化碳的固體，千萬不要以為也是水！干冰外觀很想冰，硬度也跟冰想似，但熔點卻比冰低得多，在常溫常壓下極容易升華。而且， 由于干冰中只存在分子間作用力，不存在氫鍵，一個分子周圍有十二個緊鄰的分子，密度比冰的要高。干冰在工業(yè)生產(chǎn)中常用作制冷劑。

第二大類是原子晶體。有的晶體微觀空間里是不存在分子的，原子晶體就是其中的一大類。在原子晶體里，所有原子之間都是以共價鍵相互結合的，整塊晶體是一個三維空間的立體網(wǎng)狀結構，是一個巨分子，也叫“共價晶體”。金剛石是最典型的原子晶體，天然金剛石自發(fā)呈現(xiàn)規(guī)則多面體外形，結構決定性質，那么金剛石的內部構造也得呈周期性的有序排列。在金剛石晶體中，每個碳原子以四個共價鍵對稱地與相鄰的4個碳原子結合，C-C-C夾角為109度28分，即金剛石中的碳取sp3雜化軌道形成共價鍵。金剛石里C-C共價鍵的鍵長為154pm，很短，鍵能為347.7kJ/mol，很大，這一結構使得金剛石成為自然界中最硬的物質。，而且熔點（大于3550攝氏度）。由此可推出原子晶體的特點：高硬度、高熔點。

自然界里有許多礦物和巖石，他們的主要成分都是二氧化硅，它們也屬于典型的原子晶體。二氧化硅在自然界中有許多重要的用途，也是制造人造寶石、玻璃、水泥、單晶硅、芯片、硅光電池和光導纖維的重要原料。

那么哪些晶體屬于原子晶體呢？常見的哪些晶體屬于原子晶體呢？（1）某些非金屬單質，如硼（B）、鍺（Ge）、硅（Si）、灰錫（Sn）等。（2）某些非金屬化合物，如碳化硅（SiC，俗稱金剛砂）、氮化硼等。

如果同為原子晶體怎么比較熔沸點的高低呢？因為破壞原子晶體需要破壞共價鍵，需要消耗很多能量，鍵長越短，鍵能越大，破壞共價鍵就需要更多的能量，那么熔沸點就越高。例如：如何比較金剛石、金剛砂和晶體硅的熔點高低呢？先從原子半徑入手，因為原子半徑碳小于硅，所以碳碳鍵鍵長小于碳硅鍵鍵長，小于硅硅鍵鍵長。鍵能則是與之相反，碳碳鍵鍵能大于碳硅鍵鍵能，大于硅硅鍵鍵能，所以熔點是金剛石大于金剛砂大于晶體硅。

硬度是衡量固體軟硬程度的物理量。硬度有不同的標準，最常用的是劃痕硬度，即摩氏硬度，以固體相互刻畫時出現(xiàn)刻痕的固體硬度較低。金剛石不能被任何天然礦物刻畫出痕跡，因而是最硬的。以金剛石的硬度為10，以另外九種礦物為代表，可將摩氏硬度分為10度。

金剛石是最典型的原子晶體，人類把金剛石看做寶石并用于做飾品已有三千余年的歷史了。經(jīng)過琢磨加工的金剛石稱為鉆石，透光度特別高，特別純凈的金剛石是無色透明的。如果金剛石含有雜質的話則呈藍、黃、綠、棕、黑等色。鉆石的計量方法和普通物品不同，習慣上質量按克拉計算（一克拉等于200mg），超過十克拉就被看做珍品，至今最大的金剛石是"非洲之星"，發(fā)現(xiàn)于1906年，質量為3025克拉。我國發(fā)現(xiàn)的最大金剛石為"金雞鉆"，質量為281.25克拉，發(fā)現(xiàn)于1937年，被日本侵略者掠走，至今下落不明。那么天然金剛石是怎樣形成的呢？用同位素斷代實驗證實，目前存在的所以金剛石至少已有9億9千歲了，其中最早的已達32億歲了！天然存在的金剛石實在離地表100～200km深的地幔中形成的。在那里溫度和壓強都很高，溫度約為900～1300攝氏度，壓力約我4.5～6.0Pa。天然金剛石是火山爆發(fā)時帶到地面來的，火山爆發(fā)伴隨著巖漿，這些巖漿是傳輸金剛石的介質，它冷卻形成的巖石富含鉆石。我們知道，在地球表面，石墨比金剛石更穩(wěn)定，但迅速上升到地表的巖漿迅速冷卻，使金剛石不能轉化為石墨。在1989年，有科學家估計，攜帶金剛石的金伯利巖漿上升的速度大約為10～30km，在離地面幾千米的高度時速遞更高，甚至達到每小時數(shù)百千米！

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作者簡介：余夢藍，出生年：1980、省縣：河南省永城市 性別：女 職稱：助教 主要從事工作：教學